楊家灣水電站地面與地下廠房方案比選

【摘要】四川省阿壩州小金縣撫邊河楊家灣水電站廠房在設(shè)計(jì)過程中廠房布置方案有兩種方案，一種是地面廠房、另一種是地下廠房，本文通過從地形地質(zhì)條件、水工建筑物布置、施工組織設(shè)計(jì)、工程占地、水土保持、工程運(yùn)行安全及工程投資等方面對兩種方案進(jìn)行綜合比較，給出兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及建議，選定最優(yōu)方案，其分析結(jié)果可供同類工程設(shè)計(jì)參考。

【關(guān)鍵詞】水電站；地下廠房；設(shè)計(jì)方案

1、工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

楊家灣水電站位于四川省阿壩州小金縣，為小金川支流撫邊河水電梯級規(guī)劃中第四級電站，上游為木坡電站，下游為猛固橋電站。電站為Ⅲ等中型工程，采用閘壩引水式開發(fā)，引水隧洞長11366.4m，額定引用流量53.4m3/s，裝機(jī)3×20MW，年發(fā)電量25752萬kW.h，年利用小時(shí)數(shù)4292h。

1.2 廠址地質(zhì)條件

在可行性研究階段，主要考慮地下廠房和地面廠房兩種方案，兩個(gè)方案布置位置均處于撫邊河左岸耿大地溝下游約800m處，具體部位的地質(zhì)條件分別如下：

（1）地下廠房方案地質(zhì)條件

主廠房一帶地面高程2420～2580m，地形坡度35～45°。表層覆蓋約1m厚的崩坡積的塊碎石土，主要分布于周邊小的沖溝一帶，下伏基巖為侏倭組（T3zh）的變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖不等厚互層巖體，含炭質(zhì)板巖。廠房頂拱上伏巖體厚度110～140m，微新巖體厚度為廠房最大跨度的7～9倍。側(cè)向水平埋深130～155m。廠房頂拱和四周廠壁均位于新鮮的侏倭組（T3zh）變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖夾炭質(zhì)板巖不等厚互層巖體中，廠壁巖體主要為薄～互厚層狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)圍巖分類評判標(biāo)準(zhǔn)，頂拱、長軸邊墻主要為Ⅲ類，短軸邊墻為Ⅳ類，具備地下廠房的開挖條件。

（2）地面廠房方案地質(zhì)條件

廠房外側(cè)緊靠主河道，傍山側(cè)為一凹槽地形，溝口寬度8～10m，切割深度3～5m，沖溝溝口覆蓋層厚度2～3m，組成物質(zhì)為坡洪積堆積之塊碎石土，下伏基巖為三疊系侏倭組（T3zh）之變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖不等厚互層巖體，且以砂質(zhì)板巖為主，巖層產(chǎn)狀為N45°W/NE∠85°。

廠基巖體主要為侏倭組（T3zh）的砂質(zhì)板巖與變質(zhì)砂巖不等厚互層，屬弱風(fēng)化～微新巖體，較完整，地基承載力和變形指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。由于廠房開挖時(shí)形成的基坑深度達(dá)8.3m，且廠房長軸方向與區(qū)內(nèi)巖層走向交角較小，約15°，且坑壁巖體為薄層～互層狀，結(jié)構(gòu)面主要為層面，其余裂隙不甚發(fā)育，存在基坑上下游側(cè)壁巖體沿層面產(chǎn)生掉塊、剝落的工程地質(zhì)問題。

廠房后坡為一凹槽沖溝地形，延伸長度約550m，沖溝兩側(cè)分水嶺寬度一般為80～120m，溝口附近寬度約50m。溝口位于撫邊河左岸，高程約2416m，后緣高程約2900m，相對高差達(dá)500m。溝內(nèi)常年有流水，流量在0.02～0.05m3/s。廠房后坡巖層近于直立，未見有巖體卸荷變形現(xiàn)象。2465m以上沖溝內(nèi)分布的坡積堆積層，其厚度不大，最深約5m，總方量約1.5萬m3，其受溝內(nèi)常年流水影響，尤其在廠房開挖切腳后，其前緣穩(wěn)定性差，需采取支擋和排水措施。

2、廠區(qū)建筑物布置方案比較

2.1 地下廠房方案樞紐布置

地下廠房位于撫邊河左岸耿大地溝下游約800m處山體內(nèi)，主要建筑物有主廠房、副廠房、尾水建筑物、GIS室、進(jìn)廠交通等。廠房縱軸線在平面上與撫邊河流向約29°夾角，從左至右依次布置主廠房及副廠房，GIS室位于主廠房下游側(cè)，進(jìn)場交通洞布置在安裝間左側(cè)。

（1）廠房軸線選擇

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，廠房地段地應(yīng)力最大主應(yīng)力量值為11.67～13.36MPa，平均為12.66MPa；最大主應(yīng)力方位為N73°W～N80°W，總體方向?yàn)镹77°W，為近EW向，此方向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向接近，量值為中等偏低應(yīng)力場環(huán)境。

根據(jù)主廠房附近取樣點(diǎn)的主應(yīng)力的量值和方位計(jì)算主廠房洞室周邊的坐標(biāo)應(yīng)力分量分析，廠房軸線北偏東70°對廠房布置最有利，選擇廠房軸線方位為北偏東70°。

（2）發(fā)電廠房。廠房從左至右呈“一”字形排列，分別布置安裝間、主機(jī)間及副廠房，總長59.44m。其中主機(jī)間長36.02m、安裝間長10.7m、副廠房長12.72m。廠內(nèi)安裝三臺單機(jī)容量20MW的混流式發(fā)電機(jī)組和一臺跨度為12.5m的75t/20t雙小車橋機(jī)。主機(jī)間最大高度34.07m，安裝間最大高度26.0m。

主機(jī)間共分三層，從下至上依次為蝶閥層、水輪機(jī)層、發(fā)電機(jī)層。安裝間位于主機(jī)間左側(cè)。副廠房位于主機(jī)間右側(cè)，從下至上共四層：底層布置有廠變室、電器檢修室、蓄電池室等房間，二層布置有低壓配電室，三層布置有通信室、計(jì)算機(jī)室、電纜室等房間，四層布置有中控室，副廠房頂部設(shè)通風(fēng)洞。

（3）GIS室。GIS室布置在主廠房下游，通過長32m的電氣廊道與主廠房相連。凈寬12.0m，共兩層，底層布置兩臺主變壓器；上層布置GIS設(shè)備。GIS室左側(cè)為交通廊道，右側(cè)上部布置出線洞。

（4）排風(fēng)洞及出線洞。排風(fēng)洞布置在副廠房右側(cè)頂拱邊墻靠洞口側(cè)布置有排風(fēng)機(jī)室；出線洞布置在GIS室右側(cè)頂拱邊墻。為減少工程量及投資，出線洞與通風(fēng)洞在高程約2436.8m交匯，至出口2443m高程共用一條隧洞。

（5）尾水建筑物。尾水建筑物由尾水洞、尾水閘室、啟閉平臺等組成。尾水段出口51m范圍內(nèi)為有壓尾水洞。有壓尾水洞后接尾水閘室，尾水平臺上設(shè)啟閉平臺的排架，啟閉平臺上設(shè)固定式卷揚(yáng)機(jī)用作啟閉尾水檢修門。尾水檢修門后通過漸變段與無壓尾水洞銜接，3條尾水洞呈“卜”字型匯合后注入撫邊河。

（6）進(jìn)廠交通。進(jìn)場交通由廠房上游約350m處右岸架跨度50m的交通橋到達(dá)左岸，經(jīng)過長約308m的交通洞進(jìn)入主廠房。在進(jìn)口約191m和234m分出兩個(gè)岔口，分別進(jìn)入尾水平臺和GIS室。

（7）廠房圍巖支護(hù)及排水設(shè)計(jì)。地下廠房區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單，地下水主要為基巖裂隙水，地下滲水活動(dòng)弱，為了滿足運(yùn)行條件，對主洞室四周采用襯砌混凝土結(jié)構(gòu)襯砌，在廠房邊墻及頂拱設(shè)置φ10的排水孔。

2.2 地面廠房方案樞紐布置

地面廠房方案廠區(qū)主要建筑物有主廠房、GIS室、尾水建筑物、調(diào)壓室、壓力鋼管及進(jìn)廠交通洞等。地面廠房緊靠主河道，傍山側(cè)為一凹槽地形，從廠房出水順暢、減少邊坡開挖等方面考慮，廠房縱軸線與撫邊河基本垂直，尾水水流平順注入撫邊河。

（1）發(fā)電廠房。廠房總長40.02m，寬37.2m，從左至右呈“一”字形排列，分別布置主機(jī)間及安裝間，主機(jī)間長37.52m，最大高度32.28m，安裝間長11.5m，最大高度24.6m。

（2）GIS室。GIS室布置在主機(jī)間下游，電氣廊道之上，長33m，寬 12.8m，GIS樓共四層布置。底層布置有兩臺主變壓器；二層布置有GIS設(shè)備；三層為電纜層；四層為中控層。 GIS屋面及樓頂布置有220kV出線設(shè)備。

（3）尾水。尾水渠底寬23.7m，以1：3反坡直接匯入撫邊河。

（4）調(diào)壓室。調(diào)壓室為阻抗式，內(nèi)徑10～11.6m，高86.1m，調(diào)壓井下游設(shè)置檢修蝶閥室。

（5）壓力管道采用埋藏式，采用一管三機(jī)方式，由上平段、斜井段、下平段組成，主管總長339.7m，內(nèi)徑3.6m。

（6）進(jìn)廠交通。由于廠房發(fā)電機(jī)層與右岸省道的相對高差約為30m，選取廠房上游約350m處右岸架跨度50m的交通橋通過左岸的方式進(jìn)廠。由于廠房處校核洪水位高于發(fā)電機(jī)層高程，為避免公路被洪水淹沒，因此采用隧洞進(jìn)廠的方式。

（7）邊坡處理。根據(jù)廠房處的地質(zhì)條件，同時(shí)為了盡量較少廠房開挖，降低邊坡高度，設(shè)計(jì)采用“少開挖、強(qiáng)支護(hù)”的措施。廠房頂高程2436.4m以下位于微新巖體下，采用垂直開挖；高程2436.4m以上至強(qiáng)風(fēng)化下限開挖邊坡為1：0.3；強(qiáng)風(fēng)化至原地面邊坡為1：0.5。根據(jù)地形特點(diǎn)，共分三級馬道，為防止巖體切腳后造成上部邊坡失穩(wěn)，采用噴錨支護(hù)的方式。

（8）河道整治。根據(jù)水工建筑物的布置，廠房靠近岸邊，為了不影響河道行洪，同時(shí)為施工導(dǎo)流預(yù)留空間，因此，需對河道進(jìn)行整治。整治范圍為廠房上游20m至尾水出口20m范圍內(nèi)，總長約100m，整治寬度28.8m。

3、廠房經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比

地面廠房及地下廠房均位于耿大地溝下游約800m處，現(xiàn)從地形地質(zhì)條件、水工建筑物布置、施工組織設(shè)計(jì)、工程占地、水土保持、工程運(yùn)行安全及工程投資等方面進(jìn)行綜合比較，選定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.1 工程地質(zhì)條件

地下廠房包含的各洞室大部分位于新鮮巖體中，圍巖以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類，主廠房最大開挖跨度小于14m，高度34m，規(guī)模相對較小，具備較好的成洞條件。地面廠房位置后坡表層巖體受風(fēng)化卸荷影響，開挖坡高達(dá)80m，且地形狹窄，需要改造河道，開挖工程量大，開口線以上分布的土層永久穩(wěn)定問題及上部卸荷危巖的處理等問題較突出。兩個(gè)方案都是可行的，但從工程地質(zhì)條件綜合考慮，地下廠房方案略優(yōu)于地面廠房方案。

3.2 工程布置

受地形條件限制，地面廠房布置位置狹小，需進(jìn)行高邊坡開挖，廠房后坡表層巖體受風(fēng)化卸荷影響，處理難度和工程量均較大；而地下廠房方案圍巖主要為Ⅲ類，部分Ⅳ類，主廠房最大開挖跨度小于14m，高度34m，規(guī)模相對較小，具備較好的成洞條件。因此，從水工建筑物布置方面看，地下廠房優(yōu)于地面廠房方案。

3.3 施工組織設(shè)計(jì)

從施工導(dǎo)流方面來看，地下廠房方案將尾水洞作為廠房下部施工的施工通道，全年施工，需修岸邊圍堰進(jìn)行保護(hù)施工，廠房施工導(dǎo)流前期預(yù)留巖坎擋全年洪水；后期在尾水洞出口部位采用編織袋裝粘土圍堰擋水，岸邊束窄河床的導(dǎo)流方式。地面廠房方案采用束窄河床的導(dǎo)流方式。施工前期，在廠區(qū)修筑砼圍堰擋水，右岸束窄河床過流，廠房基坑在砼圍堰的保護(hù)下施工， 后期利用已建的廠區(qū)防洪墻和尾水閘門進(jìn)行擋水，繼續(xù)進(jìn)行廠房的施工。地下廠房導(dǎo)流布置和導(dǎo)流建筑物簡單、不影響廠房工期；地面廠房導(dǎo)流平面布置和導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)較復(fù)雜，施工難度較大，工程投資高，且一期導(dǎo)流時(shí)段較緊張，直接制約地面廠房的施工進(jìn)度。因此，從導(dǎo)流方面來看，地下廠房工期風(fēng)險(xiǎn)較小。

從規(guī)劃工期上看，地下廠房方案從永久進(jìn)廠交通洞、出線洞和通風(fēng)洞的開挖到地下廠房的開挖、橋機(jī)安裝、砼澆筑、機(jī)電設(shè)備安裝、調(diào)試共32個(gè)月；地面廠房方案從開挖、砼澆筑、機(jī)電設(shè)備安裝、調(diào)試運(yùn)行共26個(gè)月。但從施工總工期來看，由于電站主體工程總工期為36個(gè)月，關(guān)鍵控制工期是引水隧洞，因此兩個(gè)方案對施工總工期均無影響。

3.4 水土保持及工程占地

地面廠房存在高邊坡開挖，土石方開挖量較大，經(jīng)土石方平衡計(jì)算，施工棄渣較地下廠房方案增加13.35萬m3（堆方），施工臨時(shí)占地增加2.03hm2。水土保持費(fèi)用、渣場整治費(fèi)用及工程占地費(fèi)用相應(yīng)增加，從水土保持及工程占地方面來看，地下廠房較優(yōu)。

3.5 廠房運(yùn)行安全

地下廠房處于山體內(nèi)部，建成后對廠房運(yùn)行無影響；地面廠房后坡為巖質(zhì)邊坡，部分坡面有少量覆蓋層，自然邊坡高度大于400m，坡度為50°～70°，中間無任何緩沖平臺。該自然邊坡目前整體穩(wěn)定，但邊坡上部分覆蓋層坡度較陡，在大暴雨及地震工況下，可能產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象，對地面廠房運(yùn)行安全造成極大影響。因此，從廠房運(yùn)行安全因素來說，地下廠房較優(yōu)。

3.6工程投資的比較

通過測算，地下廠房方案總投資為15061萬元，地面廠房方案總投資為14796萬元，兩方案相對投資僅差265萬元，占總投資的比例很小，投資不是廠房方案選擇的主要因素。

綜上所述，從地形地質(zhì)條件、水工建筑物布置、施工組織設(shè)計(jì)、工程占地、水土保持、工程運(yùn)行安全及工程投資等方面進(jìn)行綜合比較，地下廠房方案略優(yōu)。

4、結(jié)語

由于右岸廠址方案會嚴(yán)重影響省道交通，業(yè)主只能在左岸廠址方案中擇優(yōu)選擇廠房方案。地面廠房及地下廠房兩個(gè)方案對業(yè)主而言都是可行的，但地面廠房最大的優(yōu)勢在于自身工期較短，卻由于廠房本身不屬于電站的關(guān)鍵工期而體現(xiàn)不出優(yōu)勢，而地下廠房方案在工程占地、安全運(yùn)行上較有優(yōu)勢，從地質(zhì)條件看也具備較好的成洞條件，所以綜合考慮之下業(yè)主選擇了地下廠房方案。

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