杨家湾水电站地面与地下厂房方案比选

【摘要】四川省阿坝州小金县抚边河杨家湾水电站厂房在设计过程中厂房布置方案有两种方案，一种是地面厂房、另一种是地下厂房，本文通过从地形地质条件、水工建筑物布置、施工组织设计、工程占地、水土保持、工程运行安全及工程投资等方面对两种方案进行综合比较，给出两个方案的优缺点以及建议，选定最优方案，其分析结果可供同类工程设计参考。

【关键词】水电站；地下厂房；设计方案

1、工程概况及地质条件

1.1 工程概况

杨家湾水电站位于四川省阿坝州小金县，为小金川支流抚边河水电梯级规划中第四级电站，上游为木坡电站，下游为猛固桥电站。电站为Ⅲ等中型工程，采用闸坝引水式开发，引水隧洞长11366.4m，额定引用流量53.4m3/s，装机3×20MW，年发电量25752万kW.h，年利用小时数4292h。

1.2 厂址地质条件

在可行性研究阶段，主要考虑地下厂房和地面厂房两种方案，两个方案布置位置均处于抚边河左岸耿大地沟下游约800m处，具体部位的地质条件分别如下：

（1）地下厂房方案地质条件

主厂房一带地面高程2420～2580m，地形坡度35～45°。表层覆盖约1m厚的崩坡积的块碎石土，主要分布于周边小的冲沟一带，下伏基岩为侏倭组（T3zh）的变质砂岩与砂质板岩不等厚互层岩体，含炭质板岩。厂房顶拱上伏岩体厚度110～140m，微新岩体厚度为厂房最大跨度的7～9倍。侧向水平埋深130～155m。厂房顶拱和四周厂壁均位于新鲜的侏倭组（T3zh）变质砂岩与砂质板岩夹炭质板岩不等厚互层岩体中，厂壁岩体主要为薄～互厚层状结构。根据围岩分类评判标准，顶拱、长轴边墙主要为Ⅲ类，短轴边墙为Ⅳ类，具备地下厂房的开挖条件。

（2）地面厂房方案地质条件

厂房外侧紧靠主河道，傍山侧为一凹槽地形，溝口宽度8～10m，切割深度3～5m，冲沟沟口覆盖层厚度2～3m，组成物质为坡洪积堆积之块碎石土，下伏基岩为三叠系侏倭组（T3zh）之变质砂岩与砂质板岩不等厚互层岩体，且以砂质板岩为主，岩层产状为N45°W/NE∠85°。

厂基岩体主要为侏倭组（T3zh）的砂质板岩与变质砂岩不等厚互层，属弱风化～微新岩体，较完整，地基承载力和变形指标满足设计要求。由于厂房开挖时形成的基坑深度达8.3m，且厂房长轴方向与区内岩层走向交角较小，约15°，且坑壁岩体为薄层～互层状，结构面主要为层面，其余裂隙不甚发育，存在基坑上下游侧壁岩体沿层面产生掉块、剥落的工程地质问题。

厂房后坡为一凹槽冲沟地形，延伸长度约550m，冲沟两侧分水岭宽度一般为80～120m，沟口附近宽度约50m。沟口位于抚边河左岸，高程约2416m，后缘高程约2900m，相对高差达500m。沟内常年有流水，流量在0.02～0.05m3/s。厂房后坡岩层近于直立，未见有岩体卸荷变形现象。2465m以上冲沟内分布的坡积堆积层，其厚度不大，最深约5m，总方量约1.5万m3，其受沟内常年流水影响，尤其在厂房开挖切脚后，其前缘稳定性差，需采取支挡和排水措施。

2、厂区建筑物布置方案比较

2.1 地下厂房方案枢纽布置

地下厂房位于抚边河左岸耿大地沟下游约800m处山体内，主要建筑物有主厂房、副厂房、尾水建筑物、GIS室、进厂交通等。厂房纵轴线在平面上与抚边河流向约29°夹角，从左至右依次布置主厂房及副厂房，GIS室位于主厂房下游侧，进场交通洞布置在安装间左侧。

（1）厂房轴线选择

根据地应力测试结果，厂房地段地应力最大主应力量值为11.67～13.36MPa，平均为12.66MPa；最大主应力方位为N73°W～N80°W，总体方向为N77°W，为近EW向，此方向与区域构造应力场最大主应力方向接近，量值为中等偏低应力场环境。

根据主厂房附近取样点的主应力的量值和方位计算主厂房洞室周边的坐标应力分量分析，厂房轴线北偏东70°对厂房布置最有利，选择厂房轴线方位为北偏东70°。

（2）发电厂房。厂房从左至右呈“一”字形排列，分别布置安装间、主机间及副厂房，总长59.44m。其中主机间长36.02m、安装间长10.7m、副厂房长12.72m。厂内安装三台单机容量20MW的混流式发电机组和一台跨度为12.5m的75t/20t双小车桥机。主机间最大高度34.07m，安装间最大高度26.0m。

主机间共分三层，从下至上依次为蝶阀层、水轮机层、发电机层。安装间位于主机间左侧。副厂房位于主机间右侧，从下至上共四层：底层布置有厂变室、电器检修室、蓄电池室等房间，二层布置有低压配电室，三层布置有通信室、计算机室、电缆室等房间，四层布置有中控室，副厂房顶部设通风洞。

（3）GIS室。GIS室布置在主厂房下游，通过长32m的电气廊道与主厂房相连。净宽12.0m，共两层，底层布置两台主变压器；上层布置GIS设备。GIS室左侧为交通廊道，右侧上部布置出线洞。

（4）排风洞及出线洞。排风洞布置在副厂房右侧顶拱边墙靠洞口侧布置有排风机室；出线洞布置在GIS室右侧顶拱边墙。为减少工程量及投资，出线洞与通风洞在高程约2436.8m交汇，至出口2443m高程共用一条隧洞。

（5）尾水建筑物。尾水建筑物由尾水洞、尾水闸室、启闭平台等组成。尾水段出口51m范围内为有压尾水洞。有压尾水洞后接尾水闸室，尾水平台上设启闭平台的排架，启闭平台上设固定式卷扬机用作启闭尾水检修门。尾水检修门后通过渐变段与无压尾水洞衔接，3条尾水洞呈“卜”字型汇合后注入抚边河。

（6）进厂交通。进场交通由厂房上游约350m处右岸架跨度50m的交通桥到达左岸，经过长约308m的交通洞进入主厂房。在进口约191m和234m分出两个岔口，分别进入尾水平台和GIS室。

（7）厂房围岩支护及排水设计。地下厂房区内水文地质条件较简单，地下水主要为基岩裂隙水，地下渗水活动弱，为了满足运行条件，对主洞室四周采用衬砌混凝土结构衬砌，在厂房边墙及顶拱设置φ10的排水孔。

2.2 地面厂房方案枢纽布置

地面厂房方案厂区主要建筑物有主厂房、GIS室、尾水建筑物、调压室、压力钢管及进厂交通洞等。地面厂房紧靠主河道，傍山侧为一凹槽地形，从厂房出水顺畅、减少边坡开挖等方面考虑，厂房纵轴线与抚边河基本垂直，尾水水流平顺注入抚边河。

（1）发电厂房。厂房总长40.02m，宽37.2m，从左至右呈“一”字形排列，分别布置主机间及安装间，主机间长37.52m，最大高度32.28m，安装间长11.5m，最大高度24.6m。

（2）GIS室。GIS室布置在主机间下游，电气廊道之上，长33m，宽 12.8m，GIS楼共四层布置。底层布置有两台主变压器；二层布置有GIS设备；三层为电缆层；四层为中控层。 GIS屋面及楼顶布置有220kV出线设备。

（3）尾水。尾水渠底宽23.7m，以1：3反坡直接汇入抚边河。

（4）调压室。调压室为阻抗式，内径10～11.6m，高86.1m，调压井下游设置检修蝶阀室。

（5）压力管道采用埋藏式，采用一管三机方式，由上平段、斜井段、下平段组成，主管总长339.7m，内径3.6m。

（6）进厂交通。由于厂房发电机层与右岸省道的相对高差约为30m，选取厂房上游约350m处右岸架跨度50m的交通桥通过左岸的方式进厂。由于厂房处校核洪水位高于发电机层高程，为避免公路被洪水淹没，因此采用隧洞进厂的方式。

（7）边坡处理。根据厂房处的地质条件，同时为了尽量较少厂房开挖，降低边坡高度，设计采用“少开挖、强支护”的措施。厂房顶高程2436.4m以下位于微新岩体下，采用垂直开挖；高程2436.4m以上至强风化下限开挖边坡为1：0.3；强风化至原地面边坡为1：0.5。根据地形特点，共分三级马道，为防止岩体切脚后造成上部边坡失稳，采用喷锚支护的方式。

（8）河道整治。根据水工建筑物的布置，厂房靠近岸边，为了不影响河道行洪，同时为施工导流预留空间，因此，需对河道进行整治。整治范围为厂房上游20m至尾水出口20m范围内，总长约100m，整治宽度28.8m。

3、厂房经济技术指标对比

地面厂房及地下厂房均位于耿大地沟下游约800m处，现从地形地质条件、水工建筑物布置、施工组织设计、工程占地、水土保持、工程运行安全及工程投资等方面进行综合比较，选定最优设计方案。

3.1 工程地质条件

地下厂房包含的各洞室大部分位于新鲜岩体中，围岩以Ⅲ类为主，部分Ⅳ类，主厂房最大开挖跨度小于14m，高度34m，规模相对较小，具备较好的成洞条件。地面厂房位置后坡表层岩体受风化卸荷影响，开挖坡高达80m，且地形狭窄，需要改造河道，开挖工程量大，开口线以上分布的土层永久稳定问题及上部卸荷危岩的处理等问题较突出。两个方案都是可行的，但从工程地质条件综合考虑，地下厂房方案略优于地面厂房方案。

3.2 工程布置

受地形条件限制，地面厂房布置位置狭小，需进行高边坡开挖，厂房后坡表层岩体受风化卸荷影响，处理难度和工程量均较大；而地下厂房方案围岩主要为Ⅲ类，部分Ⅳ类，主厂房最大开挖跨度小于14m，高度34m，规模相对较小，具备较好的成洞条件。因此，从水工建筑物布置方面看，地下厂房优于地面厂房方案。

3.3 施工组织设计

从施工导流方面来看，地下厂房方案将尾水洞作为厂房下部施工的施工通道，全年施工，需修岸边围堰进行保护施工，厂房施工导流前期预留岩坎挡全年洪水；后期在尾水洞出口部位采用编织袋装粘土围堰挡水，岸边束窄河床的导流方式。地面厂房方案采用束窄河床的导流方式。施工前期，在厂区修筑砼围堰挡水，右岸束窄河床过流，厂房基坑在砼围堰的保护下施工， 后期利用已建的厂区防洪墙和尾水闸门进行挡水，继续进行厂房的施工。地下厂房导流布置和导流建筑物简单、不影响厂房工期；地面厂房导流平面布置和导流建筑物设计较复杂，施工难度较大，工程投资高，且一期导流时段较紧张，直接制约地面厂房的施工进度。因此，从导流方面来看，地下厂房工期风险较小。

从规划工期上看，地下厂房方案从永久进厂交通洞、出线洞和通风洞的开挖到地下厂房的开挖、桥机安装、砼浇筑、机电设备安装、调试共32个月；地面厂房方案从开挖、砼浇筑、机电设备安装、调试运行共26个月。但从施工总工期来看，由于电站主体工程总工期为36个月，关键控制工期是引水隧洞，因此两个方案对施工总工期均无影响。

3.4 水土保持及工程占地

地面厂房存在高边坡开挖，土石方开挖量较大，经土石方平衡计算，施工弃渣较地下厂房方案增加13.35万m3（堆方），施工临时占地增加2.03hm2。水土保持费用、渣场整治费用及工程占地费用相应增加，从水土保持及工程占地方面来看，地下厂房较优。

3.5 厂房运行安全

地下厂房处于山体内部，建成后对厂房运行无影响；地面厂房后坡为岩质边坡，部分坡面有少量覆盖层，自然边坡高度大于400m，坡度为50°～70°，中间无任何缓冲平台。该自然边坡目前整体稳定，但边坡上部分覆盖层坡度较陡，在大暴雨及地震工况下，可能产生滑塌现象，对地面厂房运行安全造成极大影响。因此，从厂房运行安全因素来说，地下厂房较优。

3.6工程投资的比较

通过测算，地下厂房方案总投资为15061万元，地面厂房方案总投资为14796万元，两方案相对投资仅差265万元，占总投资的比例很小，投资不是厂房方案选择的主要因素。

综上所述，从地形地质条件、水工建筑物布置、施工组织设计、工程占地、水土保持、工程运行安全及工程投资等方面进行综合比较，地下厂房方案略优。

4、结语

由于右岸厂址方案会严重影响省道交通，业主只能在左岸厂址方案中择优选择厂房方案。地面厂房及地下厂房两个方案对业主而言都是可行的，但地面厂房最大的优势在于自身工期较短，却由于厂房本身不属于电站的关键工期而体现不出优势，而地下厂房方案在工程占地、安全运行上较有优势，从地质条件看也具备较好的成洞条件，所以综合考虑之下业主选择了地下厂房方案。

参考文献：

[1]DL5180-2003，水電枢纽工程等级划分及设计安全标准[S].

[2]GB50201-94，防洪标准[S].

[3]SL 266-2001，水电站厂房设计规范[S].

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