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棉花灘水電站位于福建省永定縣汀江干流棉花灘峽谷中部福至亭處，地下廠房位于左岸山體內。廠區巖層為燕山早期第三次侵入的黑云母花崗巖，廠房部位斷裂不發育，上覆新鮮～微風化巖體，厚度40～140m，通過廠房的主要斷層有F7、F28、F29等，傾角較陡，規模小。據勘探鉆孔統計，巖心平均采取率95%，RQD(巖石質量指標)80%，巖體縱波速4600～5600m/s，濕抗壓強度165MPa。

地下廠房按2級建筑物設計，廠區地震基本烈度為6度，按規范規定，建筑物不進行地震設防。

1地下廠房位置選擇

在選擇地下廠房位置時，考慮了下面幾個因素。

(1)廠房上游側靠近水庫處有F1斷層，與廠房軸線基本平行。廠房應盡量遠離F1，以確保廠房圍巖穩定和減少滲水量。

(2)廠房靠山體側的F3斷層沿沖溝發育，F3影響范圍內的不透水層埋藏很深，透水量較大。因此廠房應盡可能遠離F3影響帶。

(3)通過廠房的F7、F28、F29斷層，與廠房軸線有較大的夾角，對廠房圍巖穩定影響不大。而F12、F2斷層與廠房軸線基本平行，F2斷層靠河床側正與廠房頂拱相切，對廠房圍巖穩定不利，廠房應盡可能地避開。

綜合以上因素，同時考慮主變室、尾水調壓室及輸水系統的布置，確定了主廠房位置。根據實際開挖揭露的地質情況來看，地下廠房位置選擇是合理的。

2廠房縱軸線方向確定

2.1確定原則

(1)廠房縱軸線應盡可能垂直于巖體主要節理裂隙的走向或與其成較大的夾角，避免上下游邊墻承受較大的側向壓力，以利于圍巖穩定。

(2)軸線盡可能平行于初始地應力的最大主應力方向或與其成較小夾角。

2.2軸線方向確定

根據廠區節理玫瑰圖及實測的三維地應力成果，在滿足洞室穩定和輸水發電系統總布置要求的前提下，廠房軸線方向確定為N40°E。理由如下。

(1)根據廠區節理玫瑰圖分析，主要節理組方向為N15～30°W，次要節理組方向為N70～85°E。廠房縱軸線與主要節理組方向夾角為55～70°，與次要節理組方向夾角為30～45°。

(2)從實測的三維地應力成果看，最大主應力方向為N68.9°E，與廠房縱軸線方向夾角為28.9°，雖然夾角稍偏大，但其應力值為6.80MPa，屬中低應力區，對廠房縱軸線方向選擇影響不大。

3地下洞室群布置

除了開關站出線場和控制樓布置于地面外，主廠房、主變室、尾水調壓室及其他洞室均布置于地下，形成了一個錯綜復雜的地下洞室群。

廠區樞紐布置采用主廠房、主變室、尾水調壓室三大洞室平行布置的形式，因此，三大洞室的縱軸線方向與主要節理的夾角方向均較大，對頂拱和邊墻穩定有利。主廠房與主變室間凈距22m(1倍大洞室跨度)，主變室與尾水調壓室間凈距19.6m。主變室靠近主廠房布置，母線長度較短，可降低造價，提高運行的可靠性。

主廠房與主變室間布置有4條母線洞，每臺機組母線通過各自的母線洞至主變室。主變室中布置有電纜電梯豎井，與高程180m的地面開關站和控制樓相連接，由于主變室與主廠房安裝場高程相同，故布置了一條進廠交通洞，擔負主廠房和主變室的交通運輸。在主廠房和主變室四周設上下兩層排水廊道，排水廊道內設D76＠3m排水孔形成排水帷幕，組成廠區排水系統，以減少主廠房和主變室的滲水量。

地下廠房安全通道除靠山體側的進廠交通洞和電纜電梯豎井直接與地面相通外，靠河床側還利用下層排水廊道經過2號排風豎井和調壓室運輸洞與左岸廠壩公路相接。

4廠房內部布置

主廠房洞室開挖尺寸為129.50m×21.90m×52.08m(長×寬×高)，布置有4臺單機容量150MW的豎軸水輪發電機組，機組間距21m。水輪機安裝高程為65.60m。廊道層、水輪機層、發電機層及廠房洞頂高程分別為59.00、69.80、76.60、100.58m,尾水管底板高程50.00m。廊道層布置有盤形閥、濾水設備等；水輪機層上游側布置調速器、油壓裝置等水力機械設備及管路，下游側布置母線出線、電纜等電器設備。發電機層下游側布置有勵磁盤、機旁盤等設備。每一個機組段設樓梯一部，作為連接發電機層和廊道層的垂直交通道。安裝場布置在靠山體一側，長39m,按1臺機組大修時主要部件堆放的實際需要，同時考慮施工期的安裝及卸車等要求確定。檢修集水井和滲漏集水井布置于主廠房靠河床側，為避免機組檢修時下游水位倒灌，檢修集水井頂部高程為76.60m，與發電機層高程相同。由于山體內滲透水量難以準確計算，為保證廠房安全運行，廠房內滲漏集水井僅考慮廠房圍巖及機組滲漏水量；排水廊道內的山體滲水量流入排水廊道單獨設置的集水井內。在主廠房兩端各布置1個空調機室。

主廠房吊車梁采用巖壁吊車梁，省去了鋼筋混凝土吊車柱，縮小了廠房跨度，同時廠房橋機可以提前安裝運行，方便施工。主廠房頂部采用輕鋼屋架，上設輕質防水屋面，下設輕質吊頂，中間布置通風管道等。

為了改善地下廠房的運行條件，副廠房采用分散布置方式，將中控室和電氣輔助生產用房及辦公用房布置于主變室頂部高程180m的地面控制樓內，其余房間分別布置于主廠房和主變室內。

主變室開挖尺寸為97.35m×16.00m×14.80m(長×寬×高)，內設兩臺220kV三相360MV·A雙卷主變壓器，底高程76.60m，與發電機層相同，主變壓器可經進廠交通洞入安裝場進行檢修。主變室下部為高壓電纜道和事故油池。主變室靠近進廠交通洞布置，電纜電梯豎井通向高程180m地面開關站和控制樓。在主變室兩端各布置1個空調機室。

母線洞與主廠房縱軸線相垂直，開挖斷面為8.00m×8.40m(寬×高)，底板高程69.80m，與主廠房水輪機層高程相同。母線洞內布置有電壓互感器柜、發電機斷路器、勵磁變壓器、電氣制動柜等設備。地下廠房橫剖面見圖1。

5地下廠房支護設計

5.1支護設計原則

(1)根據廠房部位的地質條件，主廠房、主變室、母線洞、尾水調壓室和進廠交通洞等均采用噴錨支護作為永久支護形式，對尾水管、輸水隧洞及局部洞室交岔口采用鋼筋混凝土襯砌作為永久支護。

(2)噴錨支護設計按招標設計階段地勘報告提供的巖體參數進行，即按維持Ⅱ類圍巖穩定所需的支護強度設計。

(3)噴錨支護設計按照新奧法原理，采用“設計→施工→監測→修正設計”的方法，在施工中加強監測和觀察，根據實際情況隨時調整支護參數。

5.2系統噴錨支護設計

初期噴錨支護參數的選擇主要采用圍巖分類法、工程類比法、理論驗算法，并輔以有限單元法計算成果進行驗證。

圍巖分類法采用N·Barton,Q系統分類法、Bieniawski地質力學分類法（RMR）、《GBJ86-85錨桿噴射混凝土支護技術規范》和《SD335-89水電站廠房設計規范》等；工程類比法采用國內外已建地下廠房的實例進行類比；理論驗算法采用噴、錨、網聯合支護的設計方法驗算支護效果；有限單元法采用平面有限元和三維有限元法對地下洞室群的圍巖穩定性、初選支護參數的合理性、地質參數的敏感性等進行分析、論證，選擇了較為合理的支護參數。

6主廠房結構設計

主廠房主要結構有尾水管、蝸殼、機墩、風罩、發電機層樓板和巖壁吊車梁等。

6.1尾水管

尾水管為單孔鋼筋混凝土結構，出口為8m×8m的方形斷面，軸線與機組縱軸線垂直。尾水管結構由錐管段、彎管段和擴散段三部分組成。由于錐管段和彎管上段四周為大體積混凝土，并設有鋼襯，所以設計中只對彎管下段和擴散段進行了結構計算，錐管段及彎管上段參照已建電站經驗配置構造鋼筋。

彎管下段結構計算中，在垂直水流方向切取一代表性剖面，按彈性地基上的箱形結構進行內力計算，由于尾水管桿件截面尺寸較大，跨高比小，故計算中考慮剪切變形和剛性節點影響。擴散段結構計算中，在垂直水流方向切取兩個代表性剖面，按鋼筋混凝土襯砌結構采用邊值法進行結構分析、配筋，按有限元法進行校核。

6.2蝸殼

蝸殼采用金屬蝸殼，進口直徑為5.40m，頂板最小厚度1.50m。蝸殼上半部與外圍鋼筋混凝土之間鋪設彈性墊層隔開，使蝸殼外圍混凝土不承受內水壓力作用。彈性墊層材料采用聚苯乙烯泡沫板，厚度為3cm。蝸殼外圍鋼筋混凝土結構為一空間整體結構，計算中簡化為平面問題考慮，即沿蝸殼中心線0°、90°、180°徑向切取3個計算斷面，形成一變截面Γ形框架，不考慮各Γ形框架之間的約束作用。采用結構力學和平面有限元方法進行內力分析。考慮到彈性墊層材料具有一定的彈模，正常運行時蝸殼內水壓力有可能部分傳至外圍混凝土結構，為安全計，結構計算中對上述情況進行了校核。

6.3機墩、風罩

機墩是水輪發電機組的支承結構，承受著巨大的動荷載和靜荷載。本電站機墩形式為圓筒式，內徑5.93m，下部最大壁厚4.035m，高3.145m，它具有剛度大、抗扭和抗振性能好的特點。機墩結構計算包括動力計算和靜力計算兩部分。動力計算中忽略機墩自重，用一個作用于圓筒頂的集中質量代替原有圓筒的質量，使在此集中質量作用下的單自由度體系的振動頻率與原來的多自由度體系的最小頻率接近；機墩的振動作為單自由度體系計算，在計算動力系數及自振頻率中不計阻尼影響；機墩的振動為彈性限幅內的微幅振動，力和變位之間的關系服從虎克定律；結構振動時的彈性曲線與在靜質量荷載作用下的彈性曲線形式相似，從而可用“動靜法”進行動力計算。在靜力計算中假定荷載沿圓周均勻分布，正應力取單寬直條按矩形截面偏心受壓構件計算；扭矩產生的剪應力假定按兩端自由的圓筒受扭公式計算；有人孔部位的扭矩剪應力假定按開口圓筒受扭公式計算；孔邊應力集中（正應力）按圓筒展開后的無限大平板開孔公式計算。計算結果除進人孔部位因主拉應力超過混凝土允許拉應力需按計算配筋外，其余部位按構造配筋。

發電機風罩為一鋼筋混凝土薄壁圓筒結構，內徑13m，壁厚0.50m，高3.655m，其底部固結于機墩上，頂部與發電機層樓板整體連接。風罩內力按薄壁圓筒公式進行計算，計算時考慮溫度應力的影響，外壁溫度取20℃（冬天）、30℃（夏天）；內壁溫度取40℃；混凝土澆筑溫度根據當地的氣溫資料取12℃。計算結果表明，混凝土澆筑溫度對風罩內力影響很大，因此在施工中要求嚴格控制混凝土的澆筑溫度。

6.4樓板

發電機層樓板采用薄板、次梁、主梁和柱組成的常規板、梁、柱結構系統。設計活荷載發電機層為50kN/m2，安裝場為160kN/m2。

6.5巖壁吊車梁

巖壁吊車梁是通過長錨桿將鋼筋混凝土吊車梁固定在巖壁上的結構，吊車的全部荷載通過錨桿和鋼筋混凝土吊車梁與巖石接觸面上的摩擦力傳到巖體上。巖壁吊車梁計算取縱向單米寬度，按剛體極限平衡計算，不考慮吊車梁縱向的影響。橋機設計最大輪壓450kN，計算中對巖壁吊車梁的斷面尺寸、巖壁壁座角和上排錨桿傾角進行了多種組合，最終確定的巖壁吊車梁巖壁壁座角α=20°，上排受拉錨桿(A、B錨桿)傾角分別為βA=25°、βB=20°，錨桿直徑和間距均為φ36＠0.75m，錨桿計算安全系數K=2.24（設計），K′=2.11（校核）。

受拉錨桿錨入巖石的深度，一方面是為了吊車梁受力的需要，另一方面是加強巖壁支護和控制圍巖變形，根據挪威專家推薦的經驗公式L=0.15H+2(H為廠房邊墻高度m)進行計算，受拉錨桿錨入巖石的深度為8m。受壓錨桿主要起加固圍巖和保證吊車梁混凝土與巖壁良好粘結的作用，其直徑、間距及錨入巖石的深度，參照已建工程的經驗選用φ32＠0.75m，L=6m。設計中要求錨桿靠巖壁表面2m范圍涂上瀝青，將拉力傳至巖體深部以減小錨桿的初始應力(但由于種種原因施工中未被采用)。

7開關站及控制樓布置

廠區山坡巖石球狀風化較嚴重，山坡孤石、滾石較多，開關站布置在左岸高程180.00m的觀音溝附近，左岸上壩公路靠山坡側。在招標設計中，對開關站的布置進行了地面敞開式配電裝置、地面戶內式GIS配電裝置及洞內式GIS配電裝置和地面出線場等方案比較。在對開關站運行的可靠性和安全性、高邊坡的穩定性及滾石的危害性等方面分析后，選定的方案為：將GIS配電裝置布置于電纜豎井附近的地下洞室內，通過兩個水平通道與地面聯系；出線場布置于地面，在平面上與控制樓呈“人”字形。為減少山坡滾石對出線設備的損壞，出線構架布置成三側和頂部封閉，靠公路一側開敞的鋼筋混凝土結構，將出線設備置于其中。