南阳回龙抽水蓄能电站地下厂房设计

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地下厂房采用一字形布置，由主洞室和尾闸室两条洞室平行布置。该电站面临着激振频率高、上部受力、基础薄弱等对抗振及结构设计十分不利的局面。通过多种工况的整体结构三维有限元动、静力分析，从而掌握了结构的受力特性，结构设计较为圆满。实践证明，地下厂房的布置和设计是合理的。南阳回龙抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县城东北16km的岳庄村附近回龙沟上游，是解决南阳地区的供电调峰问题而专设的调峰电站，装机规模120MW，安装两台单机可逆混流式水泵水轮机，最大毛水头416m，最小毛水头374.4m。工程主要建筑物包括上库、下库、引水隧洞、地下厂房、地面开关站等。主体工程2001年6月开工，2004年底结束。

　　1厂区布置设计

　　1.1厂区地形、地质条件

　　电站区位于伏牛山南坡的回龙沟上游，接近分水岭部位，地形起伏较大，海拔高程在400～1000m之间，属于中低山区。上、下库相对高差在500m左右，山体陡峻，具备了上、下库之间高差大、坡度陡、距高比小等有利地形条件。

　　区内出露岩体为中生代燕山晚期花岗岩，岩性致密、坚硬，力学强度高。受区域地质构造的控制，主要构造为断层和节理裂隙。区内发育大小断层共23条，其中规模较大的断层有两条，即回龙沟断层F20和岳庄断层F21.根据断层的走向划分，可归并成两组，即走向北北东和北北西，其中北北东向断层占主要。

　　1.2地下厂房位置及轴线选择

　　厂房在输水系统中的位置，应根据地质条件、地形条件综合考虑高压输水道长度、低压尾水洞长度，以及交通、出线、通风、防潮、排水等因素，通过经济、技术、运行管理比较而定。

　　回龙抽水蓄能电站输水发电系统水平投影总长约1420m，0+850桩号以后，上覆岩体厚度不足50m，属III～IV类围岩区，受地形和地质构造等因素的影响，不适宜修建地下厂房。0+720桩号以前属I～II类围岩，岩体完整，适合修建地下厂房。本区域水平地应力最大，约10MPa，量级不高，远低于花岗岩的抗压强度，不是地下厂房位置选择的控制因素。根据厂区的地质情况和PD1探洞资料，设计在进行了两个方案的对比分析，论证厂房位置和厂区布置的经济性和合理性。

　　方案一属于首部式布置方案，厂房上游边墙桩号为0+300.0m，距竖井中心231.7m，长轴方位NE80.16°，置于裂隙L14的下盘；上游岔管桩号暂定为0+193.00（分岔交点），距厂房107.00m；压力钢管起点桩号0+221.00，距厂房79.00m。厂房上覆岩体厚度约310m。该方案靠近上库，受上库水下渗影响较大，厂房防渗及排水工程量大，帷幕灌浆工程量可能还需增加。进厂交通洞和高压出线洞较长，增大了隧洞施工工程量及高压电缆的投资，并且与出口区的距离加大，不便于生产管理。

　　方案二属于中部式布置方案，上游边墙的桩号为0+556.18，距竖井中心487.88m，长轴方位NE80.16°，厂房布置在断层F25和节理密集L11之间；上游岔管桩号0+350，距厂房206m；压力钢管起点桩号0+391.00，距厂房165m。厂房上覆岩体厚度约170m。该方案的地下厂房靠近交通洞出口区，与方案一相比，进厂交通洞和高压出线洞的长度大幅度减小，同时，还取消了帷幕灌浆廊道，减少了帷幕灌浆的进尺和排水廊道的长度，而且便于生产管理。

　　从布置上看，方案二的厂房位置选在断层F25和L11的之间，避开L14节理密集带，厂房轴线走向NE80.16°，厂房端墙与该区域NW组长大节理也有一定的夹角，有利于厂房围岩的稳定。同时，避开了具体位置尚不确定的L36和L51节理密集带，岔管布置在L36与L15中间，最小地应力值相对较大，对岔管结构有利。从调节保证分析上看，整个输水发电系统没有出现负压，最小水锤压力值为2.89m，最大水锤压力值都在调节保证计算规范限制值范围内。从投资比较上看，两方案的差值较大，方案二比方案一少218.7万元，效益非常明显，具有较大的优越性。故设计最终选用方案二作为最终实施方案。

　　1.3厂房布置方案选择

　　对地下洞室群中主厂房、主变室和尾水调压室的布置，首先研究了三洞室平行方案和二洞室（主变室与主厂房平行一字型布置）方案。根据多方面论证比较，地下厂房采用两洞室布置方案，即一字形布置，主洞室自左至右依次为主变室、安装间、主厂房、副厂房，总长112.00m，宽度16.00m。不设母线洞，在厂房主洞室下游侧设母线廊道与主变室相连。这样布置的优点是省去与主厂房垂直交叉的母线洞，减少工程量；增加主厂房的稳定性。

　　在可研阶段对于地面变电站方案和地下变电站方案进行了比较，两个方案的不同主要在于电气设备的布置上。地面变电站方案可采用常规的高压开关设备，全部设备均可在国内采购，供货有保证，且价格较低。主变压器布置在户外，对地下厂房消防系统布置较为有利。地下变电站方案把主变压器和220Kv开关设备等均放在洞内，主变采用GIS全封闭组合电器，优点是可以大幅度缩小变电站的容积，实现小型化；设备运行的可靠性相对较好；电气设备的技术性能好，安装周期短，检修周期长，维护方便；该方案的不足之处是高压电缆需选用干式电缆，价格较高，但从电气设备的运行可靠、操作管理方便来看，地下变电站方案技术较为先进，因此，经过综合比较论证，最终选用地下变电站方案作为实施方案。

　　在选定方案的基础上，对于尾闸室与尾水调压井结合的方案进行过论证，从布置上看，该方案虽然可节省一定的工程量，但是交通线路长，且迂回到地面，运行管理很不方便。设计最终选用尾闸室位于厂房和尾水岔管之间的方案布置。尾水闸门中心线与机组中心线距离为31.5m，闸门室与厂房平行布置，与主厂房净距20.0m，满足稳定要求。

　　地下厂房洞室群主要有：主洞室（主、副厂房、安装间和主变室）、高压电缆出线斜洞、进厂交通洞、尾水闸门室及尾水闸门运输洞、排水廊道等。其它洞室还有：辅助出线洞、安全出口通道、尾水闸门室安全通道等。地面建筑物包括辅助开关站、油库、综合办公楼（包括中控室）、生活及消防水池及附属生活设施等。

　　2厂房防渗排水设计

　　由于厂房位置距竖井近500m，且压力钢管段较长，不需设置大规模的灌浆帷幕，仅在压力钢管与混凝土衬砌连接处设环形灌浆帷幕，以延长渗径，减少压力钢管的外水压力。为排除运用期厂房周围可能形成的渗透水，降低厂内空气湿度，在厂房外围设置较简单的厂外排水系统，厂房拱角高程处设绕厂房一周的排水廊道，在厂房上游底部，设一条排水廊道，两层廊道断面均为2.5m×3.0m（宽×高），总长为580.6m，廊道内设排水帷幕，廊道水分别经辅助交通洞和进厂交通洞内的排水沟流入厂房内的集水井，采用深井水泵排出。内部排水即在顶拱和边墙打排水孔，消除或减少作用在喷混凝土衬砌上的外水压力，可以防止地下水无规律地在衬砌表面出流。

　　厂房基础排水设计范围包括主厂房、副厂房及主变室三部分，其功能是将厂房边墙及顶拱排水管内渗水及设备排水排至厂房渗漏集水井。厂房基础排水与厂房顶拱及边墙排水管共同组成地下厂房排水系统。

　　防潮设计主要是利用防潮隔墙及其与岩石面之间的隔气层进行防潮。隔墙材料采用GRC轻质墙板，外刷防水材料。

　　3厂房布置

　　主厂房洞室布置有2台单机容量60MW的立轴悬式水轮发电机组，蜗壳层布置有球阀、渗漏积水井、检修泵、水力机械设备及管路等；水轮机层上游侧布置渗漏排水泵、球阀操作装置、球阀油压装置等；母线层布置调速器油压装置、母线廊道、电缆等电器设备。发电机层上游侧布置动力盘、下游侧布置有励磁盘、机旁盘等设备。机组段设楼梯一部，作为连接发电机层和下部各层的垂直交通道。安装场布置在左侧，即在主厂房和主变室之间，长15.6m，按1台机组大修时主要部件堆放的实际需要，同时考虑施工期的安装及卸车等要求确定，竖向布置为三层，电缆夹层通过踏步与主厂房水轮机层连接，母线层上游布置消防水池及其设备，下游侧布置电缆母线通道。

　　主厂房的对外交通出入口布置在安装间发电机层的下游侧，与进厂交通洞相连，洞口尺寸宽为7.0m，高为6.0m。入口处设置一道放火卷帘门。5号排水洞入口布置在安装间发电机层的上游侧墙上。洞口尺寸宽为2.5m，高为3.0m。

　　主厂房的水平交通布置在上游侧，竖向交通通过设在主厂房左山墙处的楼梯连通主厂房各层；发电机层主厂房与副厂房之间设置一道放火卷帘门，门洞尺寸宽为1.2m，高为2.4m。发电机层副厂房右山墙处，设置一道放火卷帘门，门洞尺寸宽为1.6m，高为3.25m，与2号交通洞相连。

　　为了改善地下厂房的运行条件，副厂房采用分散布置方式，将中控室和电气辅助生产用房及办公用房布置于进场交通洞口的综合办公楼内，其余房间分别布置于主厂房和主变室内，地下副厂房布置在主厂房的右侧，分六层布置。

　　主变室布置在主厂房的左侧，分二层布置。一层变压器室内布置有220Kv主变两台及SFC输入、输出变压器各一台；二层布置有220KVGIS和220KV电缆终端等设备以及干式电缆。

　　在地下厂房下游侧设有专门的尾水事故闸门室，尾水闸门中心线与机组中心线距离为31.5m，闸门室与厂房平行布置，与主厂房净距20.0m，满足稳定要求，闸门室内设有两台100KN电动单梁起重机，其轨道支撑在岩壁吊车梁上，可供检修油压启闭机及闸门时使用。地下厂房横剖面见图1。

　　4主厂房各部位结构设计特点

　　主厂房主要结构有尾水管、蜗壳、机墩、风罩、发电机层楼板和岩壁吊车梁等。设计针对不同设计部位的特点进行了优化设计。

　　4.1厂房结构动力分析

　　回龙抽水蓄能电站水头高（最大水头580m），工况转换频繁，机组额定转速为750r/min，飞逸转速为1050r/min，比一般抽水蓄能电站转速高（一般机组额定转速500r/min，飞逸转速750r/min）；同时，转轮采用中拆方式，削弱了机墩的整体性，降低了机墩的抗振性能。该电站面临着激振频率高（机组转速高）、上部受力（悬式机组）、基础薄弱（机墩开孔）等对抗振及结构设计十分不利的局面。

　　为此，我们对该电站地下厂房的混凝土结构进行了结构分析，针对不同的结构布置型式和目的要求，先后进行了两个阶段多个模型、多种工况的厂房机组基础整体结构三维有限元动、静力分析，研究了不同板厚、不同边界条件下，厂房整体结构在各种工况组合下的各阶振型、自振频率、各关键支撑基础的刚度等，成功地解决了抽水蓄能电站普遍存在的振动问题，并为对整体结构的振动水平进行评估创造了条件。从总体上掌握了结构受力特点，并据此采取了加大结构刚度的措施：

　　（1）对厂房蜗壳与外围混凝土的结合型式，采用了充水保压浇筑外围混凝土的新技术。解决了高水头抽水蓄能电站蜗壳的振动问题，并改善了外围混凝土的应力状态。

　　（2）对电站水轮机蜗壳充水保压值进行优选。通过计算，得出了不同保压值时，机组在各种工况运行时蜗壳外围混凝土及其他混凝土结构的应力、变形、运行性能等结果。经过对计算结果的综合分析，最终确定本电站蜗壳充水加压值为350m.

　　（3）主机段和安装间发电机层采用厚板结构，两台机组之间不分缝，主厂房与安装间、副厂房连接处设置伸缩缝。

　　（4）蜗壳机墩结构与上下游边墙连接（增加约束），同时考虑上下游墙与岩壁粘结（利用围岩抗力）；

　　（5）根据动力计算结果，发电机机墩原有尺寸难以满足机墩最小刚度要求，为此将机墩壁厚加大，同时在主厂房端部增加柱子和梁。

　　（6）提高蜗壳、机墩风罩混凝土强度等级，混凝土强度采用C30。

　　4.2温度应力计算

　　对不同边界条件下整体结构的温度场和温度应力也进行了系统的计算分析，准确给出了温度应力对整体结构的影响，为结构设计工作提供了可靠的依据。通过对回龙抽水蓄能电站蜗壳温度场和温度应力的分析，可以得出以下初步结论：

　　（1）过去进行蜗壳外围混凝土的应力和配筋计算时，一般只考虑了内水压力和上部设备荷载的作用，而没有考虑温度荷载的影响。计算表明，温度变化在蜗壳外围混凝土中形成的温度应力是比较大的，在进行蜗壳外围混凝土结构设计时，应该考虑温度荷载的影响。

　　（2）蜗壳外围混凝土中温度应力的大小与温度边界条件和约束边界条件密切相关，一般温差越大和约束越强，那么温度应力也越大。计算表明，蜗壳下游侧7号断面受围岩约束较大，因此在相同温度边界条件下，其温度应力大于蜗壳2号断面的温度应力。

　　4.3机墩和风罩结构设计

　　（1）机墩机构设计

　　机墩是水轮发电机组的支承结构，承受着巨大的动荷载和静荷载。本电站机墩形式为圆筒式，转轮采用中拆拆卸方式，需要在机墩上开设3.5m×2.5m（宽x高）的运输孔，破坏了机墩的整体性，削弱了机墩的抗振性能。机墩结构计算包括动力计算和静力计算两部分。

　　从机墩应力计算结果可以看出，机墩铅直向应力基本上为压应力，高程越低，压应力越大；在下机架和定子高程基础板部位，出现较小的应力集中。机墩切向应力大部分数值较小，有拉有压，靠下游侧几个截面一般为拉应力；另外在机墩转轮运输孔顶部，切向应力为拉应力，最大值为0.51MPa，往上逐渐变为压应力。从机墩的铅直向应力和切向应力来看，拉压应力数值都不大，按构造配筋就基本上可以满足结构要求。对机墩应力，除进行三维有限元计算以外，还采用结构力学方法进行了计算。计算结果与有限元结果基本接近，规律性一致。按构造配筋就基本上可以满足结构要求。

　　（2）风罩结构设计

　　发电机风罩为一钢筋混凝土薄壁圆筒结构，其底部固结于机墩上，顶部与发电机层楼板整体连接。风罩内力按薄壁圆筒公式进行计算，计算时考虑温度应力的影响。

　　有限元应力计算结果显示，风罩底部铅直向应力基本上都是压应力。但是，在上机架千斤顶部位，风罩承受径向力，致使千斤顶部位风罩外壁铅直向和切向均为拉应力，内壁均为压应力，最大拉应力值分别为0.56MPa（铅直向）和0.60MPa（切向）；而在千斤顶之间部位，风罩内壁为拉应力，外壁为压应力，最大拉应力值分别为0.52MPa（铅直向）和0.34MPa（切向）。与此同时，受千斤顶径向力P4的影响，风罩底部切向应力也呈现出上述分布规律，只是拉应力较小而已。

　　对风罩应力，除进行三维有限元计算以外，还按《水电站厂房设计规范》（SL266-2001）附录B的方法进行了计算。计算结果与与有限元结果基本接近，规律性一致。按应力计算结果计算配筋量，实配双层钢筋网。

　　4.4岩壁吊车梁

　　岩壁吊车梁是通过长锚杆将钢筋混凝土吊车梁固定在岩壁上的结构，吊车的全部荷载通过锚杆和钢筋混凝土吊车梁与岩石接触面上的摩擦力传到岩体上。岩壁吊车梁计算取纵向单米宽度，按刚体极限平衡计算，不考虑吊车梁纵向的影响。

　　4.5尾水管结构设计

　　尾水管结构由锥管段、弯管段和扩散段三部分组成。尾水管为立式弯肘型，采用钢板焊接而成，由水泵水轮机制造商提供。尾水锥管及肘管厂家提供了20mm厚加劲肋板钢衬，直线尾水管段设计采用18mm/22mm厚加劲肋板钢衬（16MnVR），这些钢衬与基岩和外围混凝土的锚固良好。由于尾水管为钢衬受力结构，四周为大体积混凝土，为水管外侧参照已建电站经验配置单层构造钢筋。

　　4.6主厂房吊顶设计

　　主厂房顶拱吊顶采用悬挂式轻型吊顶，为型钢龙骨彩色镀铝锌压型钢板吊顶。吊顶可上人，顶部中央设置一道纵向走道。吊顶分为顶部吸音复合板及单层侧墙立板两部分。吊顶锚杆系统与顶拱支护系统各自成体系。吊顶锚杆共五行八列，且上下游边行两根锚杆之间加密一跟。锚杆直径φ25mm，锚杆长度2.5m。锚杆浆液采用树脂卷。

　　吊顶主龙骨采用型钢20a冷弯成型。吊顶材料采用彩色镀铝锌压型钢板，其屈服强度为5600kg/c㎡，双面镀铝锌量为150g/㎡，采用的镀铝锌合金防腐层为55%铝、43.5%锌和1.5%硅。复合板的底层钢板为白色多孔吸音板，中间夹层依次为玻璃棉及单层铝箔。次檩条采用镀锌高强钢。泛水采用德太泛水，拉杆钢筋直径φ25mm.吊环钢筋直径φ22mm。