水電站地下廠房的發(fā)展探討

張健

摘 要：隨著我國(guó)水電事業(yè)的快速發(fā)展，水電站地下廠房建設(shè)的數(shù)量越來(lái)越多，其地下廠房的規(guī)模不斷增大，周圍的情況也變得復(fù)雜多變，因此，水電站地下廠房的發(fā)展受到水利工程開(kāi)發(fā)者們的重點(diǎn)關(guān)注。文章通過(guò)介紹我國(guó)水電站地下廠房的情況，并結(jié)合某水電站地下廠房周圍的巖石結(jié)構(gòu)，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，模擬巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，為水電站地下廠房的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)，更好的促進(jìn)水電站地下廠房的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水電站地下廠房；巖石結(jié)構(gòu)；發(fā)展

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，水利水電工程已經(jīng)取得很大的成就，逐漸成為世界水利發(fā)展的中心。其中，我國(guó)溪洛渡水電站被世界排名第三大水利發(fā)電站，世界最大規(guī)模的水電站地下廠房發(fā)電系統(tǒng)，這個(gè)水電站山體兩側(cè)都擁有著非常大規(guī)模的地下廠房，其內(nèi)部有很多臺(tái)水輪發(fā)電組，總裝機(jī)容量也是相當(dāng)龐大。我國(guó)的水電站地下廠房的特點(diǎn)：地下廠房的深度不斷增加、邊墻的高度不斷加寬和斷面尺寸不斷增大；地下廠房的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜；擁有自己的一套龐大的系統(tǒng)；水電站地下廠房的建設(shè)情況與巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性緊密相連，關(guān)系著我國(guó)水利工程的發(fā)展進(jìn)程。

1 水電站地下廠房的構(gòu)造

水電站地下廠房工程包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、引水系統(tǒng)、尾水排灌系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)共同組成。某水電站是一個(gè)抽水蓄能的調(diào)節(jié)型水電站，其水電站的構(gòu)造由上水庫(kù)、下水庫(kù)、地下廠房等建筑物構(gòu)成，內(nèi)部有很多臺(tái)水輪發(fā)電組，總裝機(jī)容量超過(guò)1000MW，廠房?jī)?nèi)由主副廠房、各種水道系統(tǒng)等構(gòu)成。

水電站地下廠房的穩(wěn)定性關(guān)系其未來(lái)的發(fā)展，地下廠房的穩(wěn)定性與巖石結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。以前，以主干上的巖石為主要壓力從而進(jìn)行估計(jì)和測(cè)量，但是隨著地下廠房的深度及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，以前的壓力測(cè)量方法已經(jīng)不能用于實(shí)際的工程當(dāng)中，出現(xiàn)了以巖石散落為壓力的散體壓力理論；隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了利用彈塑性理論分析測(cè)量巖石壓力的方法；直到六十年代，有人提出了支護(hù)和圍巖共同作用的彈塑性理論，進(jìn)而將圍巖的各種算法、流變理論被廣泛的應(yīng)用到水利工程中。新出現(xiàn)的這種方法大大減少了巖石的破壞程度、增加了巖石的承受能力，可以加快施工的進(jìn)度和增加經(jīng)濟(jì)收入。

2 巖石穩(wěn)定的測(cè)量方法

2.1 圍巖分類法

這個(gè)又被稱為地質(zhì)類比較法，在測(cè)量地下廠房巖石的穩(wěn)定性中起著重要的作用。圍巖分類方法從工程地質(zhì)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際情況，分析擬建的地下廠房的綜合因素，對(duì)取得的資料進(jìn)行綜合分析，從而評(píng)估出來(lái)地下廠房的巖石穩(wěn)定性。

2.2 解析法

在巖石穩(wěn)定分析時(shí)，經(jīng)常使用復(fù)變函數(shù)法來(lái)進(jìn)行彈性解析，被廣泛的應(yīng)用到圓形隧洞的解析中。由于水電站地下廠房屬于地下工程，對(duì)淺埋隧道受地表和地面邊界荷載影響在數(shù)學(xué)上處理很困難，尤其對(duì)張裂狀態(tài)的巖體，更加的不適用。

2.3 數(shù)值分析方法

數(shù)值分析法是理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)作為依托的分析方法。以前的很多力學(xué)方法，比如古典結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈塑性力學(xué)，這些力學(xué)知識(shí)被應(yīng)用到地下工程中，但存在著局限性，往往很多困難無(wú)法得到解決。數(shù)值分析法能對(duì)非常復(fù)雜的情況進(jìn)行有效的分析，比如處在復(fù)雜的邊界條件或者多種荷載存在的時(shí)候，數(shù)值分析方法都有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

2.4 物理模型分析法

這種分析方法和量綱分析法的原理相似，通過(guò)制作模型或者模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)確定巖石的穩(wěn)定性。使用物理模型分析法主要可以模擬地下廠房真實(shí)的情況，提前預(yù)測(cè)出遇到的問(wèn)題，尤其是在非常重要的復(fù)雜工程中。

2.5 系統(tǒng)工程法

這種方法突破了傳統(tǒng)的方法，傳統(tǒng)的方法只是將實(shí)際的工程進(jìn)行細(xì)化分析，對(duì)地下廠房巖石的結(jié)構(gòu)、地質(zhì)進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型。地下的工程越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的方法無(wú)法克服其多變性和復(fù)雜性。這種系統(tǒng)工程法是將其分為很多個(gè)組成部分，再將其通過(guò)力學(xué)分析的方法將其進(jìn)行系統(tǒng)的整合，建立起一個(gè)地下廠房?jī)?nèi)巖石穩(wěn)定性控制的數(shù)學(xué)模型。這種系統(tǒng)工程方法與巖石力學(xué)的理論相結(jié)合，更加有效的對(duì)地下廠房做出分析。

3 水電站地下廠房的實(shí)際模型分析

（1）水電站地下廠房位于巖體中，使巖體中成為臨空面，從而形成地下空間，使其原來(lái)的天然巖體發(fā)生改變。由于其原有的巖體強(qiáng)度和巖體之間的力度發(fā)生改變，極容易使巖體出現(xiàn)失穩(wěn)和變形。巖體出現(xiàn)失穩(wěn)和變形現(xiàn)象是造成地下廠房不安全很重的因素。

（2）工程概況介紹。水電站地下廠房有主副廠房、母線洞、主變洞和尾水閘門洞等幾部分組成。主副廠房的長(zhǎng)寬高分別為170m、22.5m、53.56m，主變洞長(zhǎng)寬高分別問(wèn)160m、76m、17.12m，其埋深均在200m以下。地下廠房的巖石結(jié)構(gòu)主要由混合花崗巖石組成，貫穿在閃長(zhǎng)沿脈、石英脈等山脈，廠房地址結(jié)構(gòu)段層發(fā)育帶良好，各結(jié)構(gòu)斷面之間沒(méi)有太大的連接，工程地質(zhì)很好。

（3）利用三維空間設(shè)計(jì)計(jì)算模型及其計(jì)算數(shù)據(jù)。計(jì)算模型主要指主副廠房、主變室、母線洞和尾水隧洞，將模型的相關(guān)信息使用特定的工具進(jìn)行識(shí)別，并將計(jì)算模型導(dǎo)入到特定工具當(dāng)中，進(jìn)行分析。

a.坐標(biāo)系選擇：x軸為垂直于主廠房的方向（順?biāo)鞯姆较颍蛳掠螢檎?；y軸為主廠房方向（垂直于水流的方向）；z軸為垂直方向，向上為正。計(jì)算范圍（單位：m）為x值在-160到260之間，y值在-170到360之間，z方向取為負(fù)值，延伸至地面。b.模擬分析流程：首先，建立地下廠房、巖石圍擋、斷層的三維幾何模型；對(duì)三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格化分析；選擇巖體材料的基本模型，輸入地下廠房、巖石圍擋、斷層的相關(guān)數(shù)據(jù)；設(shè)置邊界約束條件；重新設(shè)定重力方向和重力加速度的大小，同時(shí)輸入巖石的密度；設(shè)定初始狀態(tài)時(shí)，外界施加外力；模擬工作時(shí)，地下廠房的實(shí)際情況，輸出相應(yīng)的圖形。根據(jù)相應(yīng)的圖形進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)出可能出現(xiàn)的狀況，并及時(shí)的解決其方案。c.通過(guò)以上方法獲得地下廠房的相關(guān)數(shù)據(jù)，用來(lái)判斷和評(píng)估地下廠房的應(yīng)用效果，并且能了解施工過(guò)程中可能遇到的情況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保其安全的運(yùn)營(yíng)；通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，可以得出其安全監(jiān)測(cè)的結(jié)果，應(yīng)用于理論研究和分析，從而驗(yàn)證當(dāng)初的設(shè)計(jì)是否合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雖然水電站地下廠房的建設(shè)過(guò)程中遇到很多的問(wèn)題，但是隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很多問(wèn)題都很好的解決，并且創(chuàng)造出很多先進(jìn)的技術(shù)，文章當(dāng)中，也對(duì)很多方法進(jìn)行對(duì)比分析，并且進(jìn)行總結(jié)，能夠看出先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程中表現(xiàn)出更加合理、細(xì)致。曾經(jīng)建造出來(lái)的溪洛渡地下工程，很多專家給予了很高的評(píng)價(jià)稱之為“藝術(shù)品”，其工程是世界的一大奇觀，右岸地下電站更加稱之為精品，是我國(guó)水電工程的驕傲之作。

參考文獻(xiàn)

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