溪洛渡工程大坝及地下厂房设计概述

溪洛渡工程大坝及地下厂房设计概述溪洛渡，地处云南永善、四川雷波交界的金沙江上，电站总装机容量达1260万KW，因其规模之大，排在中国第二、世界第三。作为成长中的水利人，我们05级水工强化班的同学能够有机会去溪洛渡进行生产实习，实在是一种幸运。实习的所见所闻是新鲜的，所学所获是巨大的：溪洛渡水电站枢纽工程的布置、设计、施工、管理、环境保护、移民工作、合同管理、招投标、建设监理……本专题就溪洛渡工程大坝及地下厂房设计的有关内容进行简要介绍。1.溪洛渡工程的枢纽布置电站枢纽由拦河大坝、泄洪设施、引水发电建筑物等组成。拦河大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610m，最大坝高278m，居于世界特高拱坝之列。泄水建筑物洪水标准按1000年一遇洪水设计，10000年一遇洪水校核，相应洪峰流量分别为43700m3/s和52300m3/s。泄洪设施由坝身7个表孔、8个深孔和左、右岸各两条泄洪洞组成。枢纽泄洪总功率近1.0亿kw，为目前世界上已建成拱坝枢纽泄洪功率最高水平——二滩的3倍。坝下游设二道坝，形成400m长的水垫塘。左、右岸地下厂房，各安装9台单机容量700MW的水轮发电机组，采用首部式开发，厂房最大埋深300-700m，引水发电建筑物由进水口、引水隧洞、主厂房、副厂房、主变室、尾水调压室、尾水隧洞、电缆竖井及地面出线场等组成。其中主厂房尺寸为2-384m×28.4m×77.1m（长×宽×高，左右岸相同），将是世界上最大的地下引水发电厂房。其总体三维布置图如图1所示。2.溪洛渡工程双曲拱坝设计我们知道，拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比，在水压力的作用下坝体的拦河大坝－－双曲拱坝、最大坝高278m泄洪建筑物－－坝身7表孔8深孔、4条泄洪洞引水发电建筑物－－两岸各9台700mw水轮发电机组施工期导流－－两岸各3条导流洞图1溪洛渡水利枢纽工程三维布置稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。双曲拱坝，又称穹形拱坝，在水平和铅直截面内都呈拱形。双曲拱坝比单曲拱坝更具特殊的优点。由于其梁系也呈弯曲形状，兼有垂直拱的作用，它在承受水平向荷载后，在产生水平位移的同时还有向上游位移的倾向，使梁的弯矩有所减少，而轴向力加大，对降低坝体应力有利。另一方面，在水压力作用下，双曲拱坝中部的垂直梁应力是上游面受压而下游面受拉，这同自重产生的梁应力正好相反，这也是双曲拱坝的优点之一。虽说拱坝是一种经济性和安全性都很好的坝型，但并不是在所有的地方都适宜修建拱坝的，拱坝适合修建于河谷比价狭窄的地段，河谷形状呈V形或U形为宜。而溪洛渡坝址地处溪洛渡大峡谷，两岸山体浑厚，河谷较狭窄，为“U”型河谷，河谷宽高比小于2，枯水期水面高程370m，枯水期江面70-110m，适宜修建拱坝。图2坝址地质地形条件坝址地形地质情况可如图2所示。溪洛渡水电站的双曲拱坝体型的设计考虑了以下三个方面的内容。（1）拱坝建基面的确定——要求左右岸形状基本对称，以优化拱坝的受力条件；其次，基础岩性也要相对均匀，避免软硬交替。（2）拱冠梁剖面的确定——要求整个上、下游坝面保持处处连续；——控制参数：拱坝顶厚度Tc=14.0m，拱坝底厚度Tb=60.0m，上游最大倒悬度β=0.141。（3）水平拱圈的确定——即确定合理的圆弧拱圈中心角。我们知道，中心角越大，拱圈厚度越小，说明中心角越大，材料的强度可得到充分的利用，对应力有利；反之，拱圈中心角减小，半径越大，拱作用减弱，要求加大拱圈厚度，因此，适当加大中心角是有利的。但加大中心角使拱圈弧长增加，在一定程度上会抵消一部分由减小拱厚所节省的工程量，多以，要确定合理的中心角。最终设计出的双曲拱坝体型特征及参数可见图3。正常蓄水位600mP2βP2βP1mP1mP2XP2X玄武岩总厚度：490~520m阳新灰岩埋深：90~100m正常蓄水位600mP2βP2βP1mP1mP2XP2X玄武岩总厚度：490~520m阳新灰岩埋深：90~100m图3溪洛渡工程双曲拱坝体型及参数表图3.溪洛渡工程地下厂房设计溪洛渡水电站是世界第二大水电工程，工程规模仅次于三峡水电站。溪洛渡水电站有多个特点，如高水头大流量泄洪消能、大跨度地下厂房等。其中，由导流洞、地下厂房等构成的地下洞室群引人注目，是当今世界上规模最大、最复杂的地下洞室群。作为高拱坝水电站的溪洛渡水电站，其主要建筑物分布于地下。数量众多、规格巨大、纵横交错的各种洞室组成了世界上规模最庞大、复杂的地下洞室群（其布置透视图见图4）。具体地说，电站左右岸各布置有3条导流洞、1个主厂房、1个主变压室、1个尾水调压室、9条引水洞、3条尾水洞、2条出线竖井、2条进排风竖井、2条尾水调压室通气洞、2条泄洪洞及多条灌浆洞与排水洞。此外，左右两岸还有上百条施工支叉洞（也就是施工期交通运输洞）。溪洛渡水电站地下洞室群不仅数量多，而且规格巨大。比如主厂房，其尺寸长381米、宽28.4米、高75.1米。这是什么概念？“如果以每层楼3米来算，75米高的厂房就相当于25层楼房高”。长江三峡技术经济发展有限公司溪洛渡监理部总监迟振波解释说，“整个溪洛渡水电站地下洞室群的土石方开挖量约1576万立方米，而世界第一大坝——三峡大坝主体枢纽建筑物的混凝土浇筑量约为2600万方，这就是说，从溪洛渡水电站地下洞室群开挖出来的土石方，就接近三峡大坝主体枢纽建筑物混凝土浇筑量的三分之二。”坝轴线坝轴线图4地下厂房洞室群布置透视图溪洛渡水电站地下洞室群纵横交错，形如迷宫。最长的洞室是数量众多的施工期交通洞，有的长达3800多米，从一个交通洞到另一个交通洞，以20、30公里的时速开车去，有时就要5、6分钟。（1）厂区地质条件溪洛渡水电站规模庞大、复杂的地下洞室群的建设有赖于坝址所在地优异的地质条件。溪洛渡水电站的地下洞室群虽然规模庞大，然而相对巍巍大山而言，仍然显得“小巧”得多。溪洛渡工程坝址所在的溪洛渡大峡谷，两岸山体浑厚，坝区河床基岩及两岸谷坡主要由二叠系上统峨眉山玄武岩组成，总厚度达490-520米。玄武岩本身是属中硬岩石，溪洛渡水电站坝址处的玄武岩坚硬完整，其饱和抗压强度达到260-280兆帕每平方厘米，强度甚至比三峡工程坝址的花岗岩的抗压强度（约150兆帕每平方厘米）还要大许多，为布置超大规模地下洞室群提供了理想的地质条件。（2）地下厂房工程溪洛渡工程的地下厂房工程为三大洞室群——主厂房、主变室以及尾水调压室，其平面布置如图5所示。进厂交通洞尾水调压室主厂房主变室引水洞进风井母线洞排风井出线井交通洞尾水洞图5三大洞室平面布置图a．主厂房主厂房拱顶高程为403.40m，发电机层高程为376.50m，电气夹层高程为370.00m，水轮机层高程为346.00m，机组安装高程为359.00m，尾水管底板高程为332.00m。其里面布置图可见图6。图6主厂房立面布置图主厂房主变室3#调压室2#调压室1#调压室b．主变室顶拱开挖高程为409.32m，通风道层层高程为398.80m，GIS层高程为390.50m，主变层高程为376.50m并与发电机层同高，主变压器运输通道宽7.00m。c．尾水调压室尾水调压室布置图如图7所示。在尾水调压室中，三台机组的出管变为一个整体，共用一个尾水调压室，三个尾水洞从尾水调压室中延伸出来，这种设计大大减小了尾水调压室的尺寸，降低了工程量，节省了造价。图7尾水调压室平面布置图（3）开挖支护溪洛渡工程，地下洞室开挖时先开挖主体洞室，适时开挖附属洞室。三大洞室先开挖顶拱、逐层下挖、多个工作面同时施工，逐层进行围岩支护。并且严格控制洞室交叉口处的爆破，并加强支护以及适当采取超前支护措施；而且各洞室在开挖过程中，围岩应力和变形不断调整和变化，及时调整支护措施和支护参数。规模庞大的溪洛渡水电站地下洞室群，决定了其施工难度也是世界绝无仅有的。以主厂房为例，381米×28.4米×75.1米的主厂房在开挖时，至少要分成7、8层来开挖，由于开挖、支护工程量巨大，施工干扰随之增大，而工程对质量、安全要求丝毫没有降低，对开挖的平整度，及时的围岩观测，安全支护等提出了非常高的要求。地下洞室的开挖一般都要进行衬砌或支护。溪洛渡地下厂房洞室顶拱围岩支护措施主要包括预应力锚杆、普通锚杆、挂钢筋网喷混凝土等，边墙还包括系统锚索。对于出露于洞室的层间、层内错动带以及横张裂隙带等地质缺陷，除系统支护外，还采取局部加强和锁口支护。