西藏扎拉水电站引水发电建筑物设计

康金桥 徐果 王飞 张风 梅润雨 王俊

收稿日期：2023-09-12

作者简介：

康金桥，男，高级工程师，主要从事引水发电建筑物设计工作。E-mail：1293781253@qq.com

引用格式：

康金桥，徐果，王飞，等.

西藏扎拉水电站引水发电建筑物设计

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：54-61.

摘要：

为解决扎拉水电站引水发电建筑物设计过程中存在引水隧洞穿越活动断裂，引水隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段占比较大，调压室顶部层间密集剪切带，巨型冲击式机组配水环管充水保压浇筑混凝土等重大技术难点，充分论证引水隧洞过活动断裂洞段增加衬砌混凝土厚度、短分节、上部设置排水洞（兼勘探洞、灌浆洞、监测洞）等措施的有效性。通过优化布置和计算线弹性有限元结构，提出了引水隧洞Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩分别选取40，60，80 cm厚度衬砌结构设计，调压室选取1.5，1.0 m厚度衬砌结构设计，配水环管选取5.5 MPa的充水保压埋设方式，配水环管分区配置钢筋来优化结构设计。相关设计成果可供同类工程参考。

关键词：

引水隧洞; 调压室; 配水环管; 充水保压; 线弹性有限元

中图法分类号：TV732

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.010

文章编号：1006-0081（2024）06-0054-08

0  引  言

扎拉水电站引水隧洞约55.3%的洞段为Ⅳ类、Ⅴ类围岩，其中穿越活动断裂洞段长305 m；地面厂房安装2台500 MW冲击式机组［1］，为世界最大的冲击式机组，巨型冲击式机组配水环管埋设难度大。冯径军等［2］采用SAP2000有限元计算软件对引水隧洞衬砌配筋进行计算，但未对不同围岩条件下衬砌厚度进行研究。石长征等［3］在冲击式水轮机配水环管和厂房结构静动力承载性能研究中采用有限单元法，考虑混凝土的开裂非线性问题，对配水环管和相应的厂房结构静动力特性展开研究，但配水环管高HD值的问题未论述。陈婧等［4］在冲击式水轮机配水环管结构分析与设计优化中对配水环管结构进行了配筋率、保压值和温度荷载等因素的影响研究，但采用的是1/6机组段局部模型，配水环管的HD值不高，结构设计和配筋易满足要求，但未对机组段整体受力特性进行分析计算。扎拉水电站配水环管HD值达3 268 m2，目前对此类巨型冲击式厂房配水环管的充水保压研究缺乏经验，本文对该引水发电建筑物设计成果进行论述，成果可供同类工程参考。

1  工程概况

扎拉水电站主要开发任务为发电。扎拉水电站利用“几”字形河谷约700 m的落差发电，采用混合式开发方式，坝址位于碧土乡扎郎村附近，厂址位于察隅县察瓦龙乡珠拉村。扎拉水电站坝址控制流域面积8 546 km2，多年平均流量107 m3/s，多年平均径流量33.9亿m3，水库正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 816.25 m，总库容914万m3，混凝土重力坝坝高70 m，总装机容量1 015 MW（含生态电站15 MW），多年平均发电量38.41亿kW·h（含生态电站电量0.86亿kW·h），为Ⅱ等大（2）型工程。引水发电系统为引水式地面厂房，电站总装机容量1 015 MW（含生态电站15 MW），安装有两台500 MW的高水头冲击式水力发电机组，发电引用流量168.80 m3/s，额定水头667.40 m。引水发电建筑物主要包括进水口、引水隧洞、调压室、压力管道、地面厂房等。根据电站总体布置，电站由位于扎郎村下游的右岸岸塔式进水口取水，经约5.5 km的压力引水隧洞后，引水至位于珠拉村右岸的地面厂房，尾水斜向下游接入河道。

2  引水隧洞设计

2.1  引水隧洞布置设计

引水隧洞横穿“U”形河湾地块，隧洞最大埋深563 m，围岩主要由P1nc1砂质板岩、变质砂岩、钙质板岩、T2m4变质流纹斑岩和T3wp结晶灰岩、大理岩、钙质板岩组成。引水隧洞约55.3%的洞段为Ⅳ类、Ⅴ类围岩。引水隧洞上平段穿过活动断裂的洞段长305 m。该工程活动断裂属第四纪晚更新世活动断裂［5］，主要由岩性极软弱的碎裂片状岩和结构极破碎的碎裂岩组成。复杂的地质条件造成引水隧洞布置难度较大。

引水隧洞主洞采用两机一洞布置，在调压室后分为两条支洞，经蝶阀室、两级竖井、下斜段及下平段后引水至厂内两台机组发电。引水隧洞两条线路长度分别为5 475.66 m与5 526.60 m。

为降低安全风险，减小引水隧洞主洞穿越活动断裂地层的长度，引水隧洞接近垂直穿过活动断裂。过活动断裂上方地下水位线比隧洞高约65 m，为降低引水隧洞施工难度，在过活动断裂引水隧洞上方15 m处布置排水洞，在主洞施工前疏干主洞上方的地下水，同时也作为地质勘探洞，对主洞顶部围岩的灌浆通道及隧洞监测发挥重要作用。

两级深竖井内径4.9 m，高度分别为290.8 m、270.9 m，第一级竖井位于Ⅲ1类的大理岩与结晶灰岩中，围岩条件较好，引水隧洞第一级竖井后往下游是少量的结晶灰岩，后以Ⅳ2类的钙质板岩为主，为降低竖井的施工难度，在保证竖井施工空间的前提下，第二级竖井尽量靠近第一级竖井布置，第二级竖井与第一级竖井之间中心线间距80.0 m，第二级竖井上部有76.1 m位于较好的结晶灰岩中，为进一步降低第二级竖井高度，第二级竖井后接下斜段，纵坡坡度8%，相对平段减小竖井高度62.8 m，第二级竖井位于Ⅳ2类的钙质板岩的长度为194.8 m。

2.2  引水隧洞结构设计

引水隧洞各段围岩条件分为Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类，各段的内水压力与外水压力变化，衬砌结构厚度的选择难度较大。引水隧洞设计通常同时考虑围岩类别、内外水压力大小等选择衬砌厚度，本工程仅从围岩类别选择衬砌厚度，通过不同的荷载大小确定不同的配筋，大大简化了设计与施工步骤。

引水隧洞主洞内径7.5 m，局部6.0 m，支洞内径4.9，4.5，4.2，3.2 m，调压室前的主洞采用钢筋混凝土衬砌，Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段衬砌厚度依次为40，60，80 cm。调压室下方主洞及其后的支洞均采用压力钢管，钢管外包混凝土厚度70 cm。

为降低施工难度，过活动断裂引水隧洞洞段内径由7.5 m变为6.0 m。活动断裂蠕滑速率约为 0.12～0.43 mm/a，为较好地适应其蠕滑变形，引水隧洞过活动断裂段采用增加衬砌混凝土厚度、短分节等措施［6］。衬砌厚度1 m，每6 m设置结构缝，缝宽4 cm，衬砌结构缝设置两层加厚的紫铜止水。采用短分节可便于局部破坏修复，且使隧洞不能运行的时间减小到最低限度。同时，在引水隧洞衬砌中预埋应力应变监测设施，与进水口闸门联动，一旦监测到引水隧洞衬砌有较大变形，进水口闸门立即关闭。

2.3  引水隧洞衬砌结构计算

2.3.1  作用效应组合

选择运行工况、校核工况和检修工况，计算此3种工况下衬砌的安全稳定性。荷载分为结构自重、内水压力、外水压力、围岩抗力、灌浆压力等。工况及作用组合见表1所示。① 结构自重：主要为混凝土衬砌的自重。② 围岩压力：计算采用衬砌及围岩的有限元连续介质方法进行计算，因此围岩抗力已客观计入。③ 静水压力：为库水位至隧洞中心高程的水头。引水洞上平段除活动断裂带洞段衬砌承受的静水头为15.88～55.88 m，活动断裂带隧洞段内水压力水头取为38.55 m。④ 地下水压力：勘探显示，进、出口附近岩体虽然风化卸荷较强烈、透水性较强，但一般无地下水分布，除断层带外，引水隧洞大部分围岩呈微新状态，裂隙不发育或裂隙发育

呈闭合状态，岩体具弱、微透水性，外水压力较小，同时

在活动断裂带布置有排水洞连接至上平段的2号

施工支洞，降低了外水压力，因此，在运行水位工况及校核水位工况时，外水荷载取小值计算；在检修工况时，外水荷载取大值计算。⑤ 回填灌浆压力：衬砌顶部考虑0.3 MPa回填灌浆压力，作用范围为隧洞顶部120°范围。

2.3.2  计算模型与方法

采用有限元通用计算软件，建立平面模型，见图1，对衬砌结构进行平面应变计算，各取40 m计算模型左右及底部围岩范围，围岩底部全约束，侧面法向约束。

2.3.3  计算结果分析

在检修工况下，衬砌的压应力均小于混凝土的抗压强度，混凝土衬砌能承担外水压力作用。引水隧洞最不利工况为校核工况，依次选取隧洞Ⅴ类围岩变质砂岩、钙质板岩、Ⅳ1类围岩钙质板岩、Ⅲ2类围岩砂质板岩、变质砂岩（夹钙质板岩、条纹状薄层状结晶灰岩）、Ⅳ2类围岩钙质板岩、炭质板岩、Ⅲ1类围岩流纹斑岩、Ⅲ2类围岩流纹斑岩部位的衬砌结构进行计算，计算结果见表2。结果表明：引水隧洞控制工况是运行工况，在同一围岩类别隧洞段衬砌结构的拉应力随内水压力增大而增大。拉应力的

合力为T，按照拉应力图形进行配筋，公式如下：

T≤1γd（0.6Tc+fyA1）

式中：T为由荷载设计值确定的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力，N；

Tc为混凝土承担的拉力，N；

fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；

γd为钢筋混凝土结构的结构系数；

A1为钢筋混凝土截面受拉钢筋的面积，mm2。

3  调压室设计

3.1  调压室布置设计

调压室位于引水隧洞上平段靠近末端部位，调压室区域存在大理岩倾倒变形体［7］，顶部22 m处存在25 m厚的层间密集剪切带MJ1，性状极其破碎，另外分布有20条层间剪切带。调压室外围复杂的地质条件造成调压室布置难度较大。

为有利于调压室顶拱的围岩稳定，调压室中心线距引水隧洞竖井89.5 m处（垂直距离），调压室为阻抗式［8］，内径22 m，高49.80 m。调压室上室长279.5 m，上室为城门洞型，宽5.5 m，净高5.2 m。水力过渡过程计算［9］表明最低涌浪设计值为高程2 787.17 m，为满足最低涌浪水位的要求，调压室的基础板顶面高程为2 784.00 m。调压室的最高涌浪设计值为2 822.40 m。调压室上室底部高程2 819.00 m，当调压室最高涌浪时，上室顶部预留1.8 m空间通气。

3.2  调压室结构设计

调压室井筒不同高程部位的内水压力大小不同，调压室内径较大，达22 m，其衬砌结构设计难度较大。调压室根据内水压力大小选择不同衬砌厚度，高程2 823.70 m以下采用钢筋混凝土衬砌，其中，高程2 785～2 816.5 m衬砌厚1.5 m，高程2 816.5～2 823.7 m衬砌厚1.0 m。通过数值计算，不同内水压力大小分段采取不同的配筋，减少了调压室的钢筋用量，节省了投资。

3.3  调压室衬砌结构计算

（1） 设计标准与计算方法。在机组正常运行时，衬砌所受的静水压力为44.9 m水头压力，衬砌配筋按NB/T 11011-2022《水工混凝土结构设计规范》要求对衬砌进行限裂设计，最大裂缝允许宽度为0.30 mm。甩负荷工况时水击荷载为瞬时荷载，随着涌浪下降，衬砌应力会立即下降，裂缝也会减小，因此，对于水击荷载，衬砌配筋按强度设计即可。

（2） 计算模型。采用有限元通用计算软件建立平面模型，对衬砌结构进行平面应变计算，选择典型隧洞断面，左右及底部围岩范围各取100 m，围岩底部全约束，侧面法向约束。模型见图2。

（3） 计算工况及荷载。计算工况：根据调压室的运行使用情况，选择正常运行工况、甩负荷工况及检修工况进行计算。荷载：正常运行工况下，衬砌受结构自重和内水压力作用，即井筒底部最大内水压力为27.25 m水头压力；甩负荷工况下，衬砌受结构自重和内水压力作用，内压荷载取最高涌浪对应的内水压力，即井筒底部最大内水压力为38.4 m水头压力；PD24揭示调压室部位无地下水，检修工况可不计算，各计算工况及荷载组合见表3。

（4） 计算结果。甩负荷工况计算结果详见表4。应力情况及计算结果表明，在最高涌浪作用的水头下，混凝土衬砌应力主要表现为环向受拉，应力分布较均匀，调压室衬砌结构的拉应力随内水压力增大而增大，调压室衬砌必须选配环向受力钢筋。

经配筋计算，调压室井筒衬砌配筋为：井筒高程2 784～2 804 m，内外侧环向双层配筋，每米每层各配5根直径28 mm钢筋，井筒高程2 804～2 816.5 m，内外侧环向双层配筋，每米每层各配5根直径25 mm 钢筋，井筒高程2 816.5 m以上，内外侧双层配筋，每米每层各配5根直径22 mm钢筋。

4  电站厂房设计

4.1  厂房布置设计

因500 MW冲击式机组与球阀尺寸均较大，若主厂房采用常规的单跨布置，桥机净跨较大，桥机制造难度大，厂房布置难度大。

扎拉水电站采用岸边式地面厂房［10］，安装两台500 MW冲击式水轮发电机组，地面厂房（包括主厂房、副厂房、安装场段等）总尺寸为118 m×75 m×69.1 m（长×宽×高）。副厂房位于主厂房上游侧，安装场位于主厂房右侧，主厂房横剖面如图3所示。

主厂房采用两跨布置，500 MW冲击式机组与球阀分别采用1台桥机起吊，副厂房为高层建筑，阀室上部地面层与副厂房上游平台形成环形车道，满足了高层厂房应设置环形消防车道的要求。

4.2  厂房结构设计

扎拉水电站配水环管HD值为3 268 m2，配水环管充水保压埋设，充水保压值的选择是厂房结构设计的重难点，若选择偏小，则配水环管外围结构混凝土配筋较多；若选择偏大，则运行期配水环管与混凝土的间隙较大，可能引起厂房的振动，对电站的稳定运行不利。本工程配水环管充水保压值选0.8倍的静水压力，即5.5 MPa，充分发挥了混凝土与配水环管联合承载的力学特性。

主机段上游侧底板厚3.0，下游侧底板厚4.0 m，上游墙、

下游墙及左侧墙厚2.0 m，水轮机层与夹层楼板厚30 cm，

发电机层楼板厚40 cm。配水环管水平面上4个象限的外围

混凝土厚度分别为3.5，4.5，3.5，3.1 m，机墩除中间厚度

7.3 m，其余厚度6.2 m，风罩厚度1.8 m。副厂房底板厚

2.5 m，上游墙下部厚2.0 m，上部厚1.5 m，下游墙厚

1.2 m，左侧墙厚2.0 m，右侧墙厚2.0 m。安装场底板厚

2.5 m，上游墙、下游墙及右侧墙厚2.0 m，中间夹层楼板

厚20 cm，楼板厚50 cm。

4.3  厂房结构计算

4.3.1  计算范围

以1号机机组段为研究对象，计算模型沿厂房上下游方向总长为56 m，沿厂房纵轴线方向宽度32.0 m，高度65.4 m。计算模型采用笛卡尔直角坐标系，X轴为上下游方向，指向上游为正；Y轴水平方向，沿厂房纵轴线指向右端为正（面向下游）；Z轴为铅直方向，向上为正；坐标系原点取在水轮机安装高程（2 127.60 m）与机组轴线相交处。有限元模型整体网格见图4。

4.3.2  计算作用及组合

荷载包括结构自重、机墩传来的荷载、楼面荷载以及下游水压力，选定甩负荷工况进行保压值的比较研究，配水环管内水压力包括了水击压力。计算方案和作用组合见表5，发电机基础荷载见表6。

计算方案中：① A-1方案保压值为5.5 MPa；

A-2方案保压值为4.8 MPa；A-3方案保压值为

4.1 MPa。② 结构自重A1。包括上部排架系统、各层楼板、风罩、机墩、配水环管外包混凝土、尾水槽混凝土的重量；机组主要埋件（包括配水环管等）的重量，根据厂家图纸取值，荷载分项系数取1.05。③ 机组主要设备荷载B1。计算时水轮发电机组的垂直、水平动荷载的动力系数取1.5，荷载分项系数取1.2。持久状况（正常运行）对应荷载值为B1；短暂状况（机组检修）对应荷载值为B2；偶然状况（半数磁极短路、两相短路等）分别对应荷载为B3，B4。④ 配水

环管内水压力。配水环管充水保压埋设，充水保压值选0.8倍的静水压力，即5.5 MPa。上库校核洪水位下机组甩负荷运行E1为8.4 MPa；正常运行工况最大静水压力E2为6.88 MPa；检修放空工况时，E3为0。⑤ 楼面活荷载。发电机层楼板活载P1=50 kN/m2，母线电缆层楼板活载P2=30 kN/m2，水轮机层楼板活载P3=30 kN/m2。⑥ 尾水槽内的水压力。正常运行情况下，下游尾水位2 121.18 m，底板高程2 113.1 m，底板处水压力H1=0.08 MPa；机组检修情况，尾水槽内最大内水压力H2=0。⑦ 下游尾水外水压力。正常运行及检修情况下，下游尾水外压力均按尾水位2 121.18 m计算。⑧ 发电机层楼板活载P1=50 kN/m2，母线电缆层楼板活载P2=30 kN/m2，水轮机层楼板活载P3=30 kN/m2。正常运行情况下，下游尾水位2 121.18 m，底板高程

2 113.1 m，底板处水压力H1=0.08 MPa。⑨ 正常运行及检修情况下，下游尾水外压力G1均按尾水位2 121.18 m。

4.3.3  主要结构计算结果

4.3.3.1  配水环管计算结果分析

典型应力云图见图5、配筋断面见图6、配筋参数见表7～9。配水环管与外围混凝土联合承担2.9 MPa内水压力。配水环管外围混凝土各断面环向出现较大拉应力，大部分断面顶部、底部内缘环向拉应力大于C30混凝土的设计抗拉强度，需配置足够的钢筋。环向拉应力最大值为3.10 MPa，出现在2号断面顶部外缘位置。相比于环向应力，各断面水流向应力水平则低很多，均为压应力和数值不大的拉应力。水流向最大拉应力0.80 MPa，出现在7号断

面底部偏左侧外缘。计算结果表明，配水环管充水

保压值选0.8倍的静水压力5.5 MPa是合适的。

4.3.3.2  机墩、风罩及楼板结构

对机墩风罩分别进行了正常运行工况、检修放空工况、半数磁极短路工况、两相短路工况4种工况的计算，计算方案和荷载组合详见表10。截面编号见图7与图8。

风罩的环向应力在顶部表面较大，特别是与楼板连接处存在明显的应力集中现象。除顶部外，风罩绝大部分范围的应力水平都较低，表现为较小的

压应力或拉应力；风罩的竖向应力方面，拉应力主要

出现在风罩上部1/3高程范围的内表面，呈现内表面受拉外表面受压的特点，最大拉应力1.0 MPa左右，主要由楼板传递的弯矩引起。

A-1工况定子基础4号断面出现了0.2 MPa左右的拉应力，C-1、C-2工况定子基础拉应力明显增大，最大拉应力分别为1.21 MPa与2.79 MPa，C-1和C-2工况应力明显偏大是由于两个工况定子基础承担了较大的切向荷载，尤其是C-2工况；下机架基础5号断面内环向拉应力主要出现在半数磁极短路工况，最大拉应力达1.2 MPa。由于机组转动部分重量作用在下机架基础上，导致竖向压应

力比较突出；6号断面出现了0.6 MPa左右的环向

拉应力，7号断面的局部区域出现了小于0.2 MPa

的拉应力。总体上，机墩主要在定子基础附近有较大的拉应力，主要为各基础切向荷载所引起，其他区域拉应力水平较低。

计算结果表明，风罩环向与竖向按构造配筋即可，实际可采用内、外各一层25@20的钢筋；机墩环向与竖向均可配置内1层、外1层28@20的钢筋，定子基础和下机架基础环形水平面同样按此布置环向钢筋。

5  结  语

扎拉水电站引水发电建筑物主要由长引水式地面厂房与生态电站组成，长引水式地面厂房装机容量1 000 MW，机组单机引用流量84.4 m3/s，额定水头667.4 m，为多断层、深竖井、高水头、大容量的冲击式电站，设计过程中存在引水隧洞穿越活动断裂、引水隧洞Ⅳ类及Ⅴ类围岩洞段占比较大、调压室顶部层间密集剪切带、巨型冲击式机组配水环管充水保压浇筑混凝土等重大技术难点。通过充分论证引水隧洞过闹中活断裂洞段增加衬砌混凝土厚度、短分节、上部设置排水洞（兼勘探洞、灌浆洞、监测洞）等措施，引水隧洞根据围岩类别选取40，60，80 cm厚度衬砌结构设计，调压室选取1.5，1 m厚度衬砌结构设计，配水环管选取5.5 MPa的充水保压埋设方式，配水环管根据管径的大小分区配置钢筋，提出了可根据各建筑物结构受力大小分段分区配筋的优化方案。

参考文献：

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（编辑：张  爽）

Design of diversion and power generation structures in Xizang Zhala Hydropower Station

KANG Jinqiao，XU Guo，WANG Fei，ZHANG Feng，MEI Runyu，WANG Jun

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to solve major technical difficulties in the design of diversion and power generation structures in Zhala Hydropower Station，such as live fracture of diversion tunnel，large section Ⅳ and Ⅴ surrounding rock tunnel，dense shear zone between the top layers of surge chamber，water filling and pressure retaining concrete pouring of water distribution ring pipe of giant impact unit. Measures such as increasing the thickness of lining concrete，short sections and setting drainage holes （include exploration holes，grouting holes and monitoring holes） in the upper part of the tunnel through the active fracture section in the middle of the diversion tunnel were fully demonstrated. By optimizing the layout and calculating the linear elastic finite element calculation of the structure，it was proposed that the diversion tunnel was selected 40，60，80 cm thick lining structure design according to the surrounding rocks of Class Ⅲ，Class Ⅳ and Class Ⅴ respectively，with 1.5，1.0 m thickness lining structure design of the surge chamber，5.5 MPa water distribution ring pipe buried with water and pressure，and water distribution ring pipe with steel reinforcement in different areas，thus optimizing the structural design. The research results can provide a reference for the construction of similar projects.

Key words：

diversion tunnel； surge chamber； water distribution loop； water filling to secure pressure； linear elastic finite element