表1 主厂房位置方案主要参数
摘要: 水布垭地下电站厂区地层上硬下软,上部为栖霞组层状岩体,软硬相间,下部为马鞍组、黄龙群组和写经寺组软岩,其间还有相向对倾的断层F2 、F3 的切割,地质条件复杂,软岩成洞问题十分突出。结合厂区地形和具体的地质条件,利用坝子沟开挖引水渠,坝子沟南侧边坡上布置岸塔式进水口。引水隧洞为1机1洞垂直进水塔平行布置,与主厂房轴线夹角为70°,进口中心高程334.25m,出口中心高程189.00m,上平段与下平高压段之间由60°斜井段相接。主厂房轴线方向N296°,主厂房的平面尺寸168.50m×23.00m×65.47m(长×宽×高),其中机组段长118.70m,安装场长41.50m。尾水为1机1洞垂直主厂房轴线平行布置,从马崖高边坡正面坡坡脚出口。
关 键 词: 电站建筑物;地下洞室;布置方案;水布垭水利枢纽
中图分类号: TV554 文献标识码: A
1 概述
水布垭水电站位于清江中游河段,湖北省巴东县水布垭镇,是清江干流梯级开发的龙头工程。枢纽工程主要建筑物有混凝土面板堆石坝(最大坝高233m)、左岸溢洪道和右岸地下式电站、放空洞等。水布垭工程正常蓄水位400m,死水位350m,最低尾水位198.90m。电站装机4台,单机容量460MW,总装机容量1840MW,保证出力310MW,多年平均发电量39.84亿kW•h,是华中地区不可多得的具有多年调节性能的水电站。
2 主要工程地质条件
厂区地层倾向上游略偏左岸,倾角6°~25°。从上至下有茅口组(P1m )、栖霞组第1~15段(P11q ~P151q )、马鞍组(P1ma )、黄龙群组(C2h )和泥盆系写经寺组(D3x )等。断层主要有NNE、NNW、NE向3组,以张性、张扭性、高倾角为主。对主厂房布置和围岩稳定影响较大的断层有F2 、F3 、F50 、F478 和F205 等。裂隙十分发育,可分为NE、NW、SNT和NEE向4组,以高倾角裂隙为主。
地层软硬相间,沿软岩广泛形成层间剪切带,主要剪切带有001,011,031,061,081,101,131,151号。
地下洞室围岩上硬下软,上部软硬相间,下部为写经寺组(D3x )页岩、粉砂岩、泥灰岩、马鞍组(P1ma )煤系、炭质页岩等软岩岩组及黄龙剪切带(F206 )等,软岩成洞问题十分突出。
3 电站建筑的布置方案
地下电站位于NE30°的清江河段右岸岸坡、张性大断层F2 、坝子沟和马崖高边坡所围限的四边形山体内,且有F3 断层贯穿其中。F2 、F3 两断层相向对倾,在剖面上,F2 、F3 之间的岩体上宽下窄,在平面上,南西窄,往北东渐宽,地表最窄处只有270余米。地下电站洞室群的布置上游受F2 、F3 断层的制约,下游则受P41q 分布高程的控制。因此,主厂房布置四面受限,可选择余地较小。
3.1 布置原则
(1)主厂房位于右岸F2 、F3 两条断层挟持的岩体内,布置时应尽量避开断层及其严重影响带。
(2)主厂房的位置选择,应使输水隧洞洞线尽量短,在满足机组调节保证计算要求的前提下,尽量不设置调压室,且进水口及尾水出口应具有较好的水力学条件。
(3)主厂房纵轴线与岩层及岩体主要结构面走向间应有较大的夹角,以减小地质构造对主厂房围岩稳定的影响。
(4)尽可能利用较坚硬完整的P121q 、P51q 、P41q 、P21q 岩层,引水洞上平段应尽量置于P121q 内,将主厂房洞室拱顶置于P41q 、P51q 内,主厂房洞室侧墙应尽量多的置于P41q 层中。
(5)在满足布置和安全运行的条件下,尽量减小地下洞室的尺寸,简化地下洞室的布置,以有利于主厂房洞室围岩的稳定。
(6)尾水洞布置应尽量缩短穿过写经寺和马鞍组软岩的洞段长度,主厂房位置选择应有利于缩短尾水洞的长度和减小尾水洞的断面,改善软岩洞段的成洞条件,有利施工。
3.2 主厂房位置
按照上述布置原则,根据厂区地形、地质条件和地应力情况,结合枢纽总体布置的要求,经多方案比较,重点研究了上部厂房和中部厂房布置两个方案。
上部厂房布置方案。主厂房、主变室和尾水闸门室相互间平行布置,其间净距分别为44.50、33.00m。引水1机1洞,尾水为两机1洞。
中部厂房布置方案。在上部厂房布置方案的基础上,将主厂房向下游移150m左右,尾水洞为1机1洞,尾水闸门室移至尾水洞出口。主厂房布置方案的主要参数见表1。
综上分析,中部厂房布置方案,断层对主厂房洞室围岩稳定影响小,引水洞充分利用了较好的P121q 岩层,尾水洞穿过D3X 软岩的洞段较上部厂房布置方案短92m且断面小,较多地避开了不利地质条件并改善了成洞条件,施工难度减小,可以加快施工进度。因此,推荐中部厂房布置方案。
3.3 安装场
为改善主厂房上下游侧墙的稳定性,结合厂内布置,比较了端部和中部安装场布置方案。
端部安装场,安装场位于主厂房1号机右侧,平面尺寸23m×39m。中部安装场由安Ⅰ、安Ⅱ两部分组成。安Ⅰ段位于主厂房1号机右侧,平面尺寸为23m×12m,为进厂设备的卸货场地。安Ⅱ段位于2、3号机之间,平面尺寸为23m×36m,为机组安装检修场地。
端部安装布置紧凑,场地利用率较高,且纵轴线方向较中部安装场方案短9m;1、2号尾水洞较中部方案各短16m,在 ∑LV相同的条件下,尾水断面较中部方案小,软岩成洞条件有所改善;工程量比中部安装场方案小。
中部安装场,由于安Ⅱ段下部保留岩体的作用,主厂房上、下侧墙的变形略有减小。而2、3号机之间安Ⅱ段下部保留岩体软岩超过50%,并有1条机组检修排水廊道从中穿过,要确保保留岩体发挥其作用,必须进行加固处理;安Ⅱ段布置于2、3号机之间,下部岩体开挖时,其左、右形成两个基坑,施工出渣不方便且施工难度增大。
从围岩稳定、厂内布置、施工条件、施工难度和工程量等方面综合分析比较,采用端部安装场布置方案较为合理。
3.4 主变室
结合机电设备厂内布置专题,根据500kV配电装置GIS和主变的不同位置,研究比较了全地下式,半地下式和地面式3个方案,3个方案的布置及优缺点比较见表2。
综合考虑围岩稳定,施工难度,运行管理及工程投资等因素,选用全地面式即500kV配电装置GIS和主变压器均布置在地面315m高程变电所内的布置方案。
3.5 500kV变电站
选择500kV变电所位置及高程时应遵循下述原则:①尽量缩短母线的长度并靠近母线竖井布置;②内、外交通方便,便于运行管理;③充分利用山顶地形,减少开挖,节省工程投资。
结合枢纽布置及厂区地形条件,研究了270、315和400共3个变电所位置方案,3个方案的主要优缺点比较见表3。
从安全运行、方便管理、减少电耗、降低造价出发,采用315方案。500kV变电所位于主厂房左侧山顶布置,即以4号机母线竖井地面出露点基准,其纵向与厂房垂直,母线洞上平洞与主厂房轴线夹角为38°,地面高程315.00m。
3.6 尾水出口位置
在电站其它建筑布置不变的条件下,比较分析了尾水洞上、下游出口两个方案。
下游出口方案,尾水洞垂直主厂房轴线平行布置,从马崖高边坡正面坡坡脚出口,尾水平台紧贴坡脚布置,与尾水洞轴线夹角80°,下接尾水渠。
上游出口方案,尾水洞垂直主厂房轴线,在主厂房下游经一直线段,然后分别用4个不同半径的圆弧向上游转弯后再经一直线段与尾水平台垂直相接,从马崖高边坡正面坡上游,溢洪道消能区上端右侧出口。较下游出口方案,尾水洞线总长短157.35m,尾水水渠长105m。
上游出口方案,尾水洞出口位于溢洪道冲坑上游,河道水流相对平稳,由于回流较大,该区泥砂淤积较高,一般在高程200m左右;尾水洞工程量比下游出口小;尾水洞洞线为曲线,局部水头损失较大;尾水渠的工程量比下游出口方案大。
下游出口方案,尾水洞为直线布置,水流条件好。但尾水出口靠近溢洪道冲坑,水流波动较大;尾水出口河道狭窄,与泄洪消能建筑物施工干扰大。
两个方案地质条件和工程量相当;马崖边坡处理措施相同;泄洪时,上游出口波浪较小,存在一定的淤积。不泄洪时,下游出口水流条件好,水头损失小。由于多年调节水库泄洪机会不多,综合考虑,推荐尾水洞采用直线布置、从马崖高边坡坡脚出口的下游出口方案。
根据主厂房、安装场、主变室、尾水洞出口和500kV变电所位置的比较,推荐中部厂房,主变压器布置在地面,端部安装场,尾水洞下游出口和315.00m高程变电所的厂房布置方案。
4 电站建筑物的总体布置
结合厂区地形和具体的地质条件,利用坝子沟开挖引水渠,坝子沟南侧边坡上布置岸塔式进水口。引水隧洞为1机1洞垂直进水塔平行布置,与主厂房轴线夹角为70°,进口中心高程334.25m,出口中心高程189.00m,上平段与下平高压段之间由60°斜井段相接。主厂房轴线方向N296°,主厂房的平面尺寸为168.50m×23.00m×65.47m(长×宽×高),其中机组段长118.70m,安装场长41.50m。尾水为1机1洞垂直主厂房轴线平行布置,从马崖高边坡正面坡坡脚出口。500kV配电装置GIS和主变均布置在主厂房顶左侧地面315m高程变电站内,变电所占地面积130m×42m。机电设备经1、2号交通洞分别运入主厂房和500kV变电所,由230m公路运至尾水平台,由上坝公路运至进水口。
5 结语
水布垭地下电站厂区为软硬相间层状岩体,上硬下软,软岩广泛分布,泥化夹层发育、性状极差。主厂房采用中部布置方案,不设调压井,主变布置在地面,尽量简化洞室的布置,较好地顺应了厂区复杂的地质条件。
地下电站主厂房2002年6月开挖顶拱,2005年3月开挖支护结束,混凝土工程施工完毕,第1台机组安装基本完成。安全监测资料表明,洞室围岩变形趋于稳定,工程结构安全。
作者简介: 陈代华,男,长江水利委员会设计院枢纽处,教授级高级工程师。
表2 500kV配电装置GIS和主变布置方案比较
表3 500kV变电所布置方案比较
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