三峽工程電站設計

周述達，謝紅兵

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院，武漢 430010）

三峽工程電站設計

周述達，謝紅兵

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院，武漢 430010）

利用物理模型和數(shù)值模擬技術，系統(tǒng)研究了三峽電站布置、排沙及排漂措施、進水口形式、機組蝸殼埋設方式，以及地下電站洞室群布置、塊體加固等技術問題。研究表明，三峽電站采用兩岸壩后廠房+右岸地下廠房的布置及單孔小孔口進水口體型技術經(jīng)濟最優(yōu)，采用分散排沙和排漂孔可較好解決電站的泥沙和漂污問題，蝸殼采用保溫保壓、墊層及組合埋設技術均可保證機組穩(wěn)定運行，采用新型變頂高尾水洞優(yōu)于設置尾水調(diào)壓室。同時提出了與蝸殼埋設方式相關的技術標準，并對大型不利塊體的加固進行了探討，提出了利用阻滑鍵及結構面法向壓應力加固塊體的新思路。

三峽電站；布置；排沙排漂；蝸殼埋設；淺埋；塊體加固

1 前言

三峽水利樞紐工程總體布置格局為：河床中部布置泄洪壩段，兩側布置電站壩段和壩后廠房，左岸布置升船機和船閘，右岸布置地下電站。電站建筑物是三峽工程三大主要建筑物之一，共安裝32臺單機容量為700 MW的水輪發(fā)電機機組，總裝機容量為22400 MW，是當今世界上規(guī)模最大的水電站，裝機容量利用小時數(shù)為4000 h左右，多年平均發(fā)電量約為880億kW·h，對提升我國清潔能源的比例及促進國民經(jīng)濟發(fā)展均具有重要的意義。

2 電站建筑物總體布置

壩址河谷地形開闊，河床及漫灘部分可基本滿足泄洪壩段、廠房壩段及壩后式廠房布置需要，各建筑物基巖堅硬完整，自然條件十分優(yōu)越。三峽工程電站建筑物總體布置曾比較論證過3種方案：兩岸壩后廠房+右岸地下廠房；左岸壩后廠房、右岸溢流廠房+右岸地下廠房；左岸壩后廠房+右岸雙列式廠房。

對上述3種方案，從樞紐建筑物布置的協(xié)調(diào)性、泄洪安全性、分期建設條件、廠房結構復雜程度、施工難度、運行條件、施工工期及工程投資等方面進行了綜合技術經(jīng)濟比較，采用兩岸壩后廠房+右岸地下廠房的布置方案。電站建筑物總體布置見圖1。

1）壩后式電站。左右岸電站建筑物由壩式進水口、引水壓力管道、主廠房、上下游副廠房、尾水渠及廠前區(qū)等組成。左岸電站安裝14臺機組，主廠房尺寸為643.7 m×68 m（上部39 m）×94.3 m（長×寬×高，下同），右岸電站安裝12臺機組，主廠房尺寸為567.1 m×68 m（上部39 m）×94.3 m，為世界上規(guī)模最大的電站廠房。引水壓力管道為單機單管布置，直徑12.4 m，并采用淺埋壩后背管布置形式。壩后式電站剖面見圖2。

2）地下電站。地下電站布置在右岸白巖尖山體中，安裝6臺機組，主要建筑物包括岸塔式進水口、引水隧洞、主廠房、母線洞及母線豎井、進廠交通洞、管線交通廊道、通風管道洞、尾水隧洞及阻尼井、尾水平臺及尾水渠、500 kV地面升壓站、120組合空調(diào)系統(tǒng)及廠外排水系統(tǒng)等。引水隧洞直徑為13.5 m，主廠房尺寸為 311.3 m×32.6 m（下部31 m）×87.3 m，采用巖錨吊車梁，尾水隧洞尺寸為15 m×25 m（寬×高），采用新型變頂高尾水洞形式，其廠房及尾水洞規(guī)模為國內(nèi)外同期最大。地下電站流道剖面見圖3。

圖1 電站建筑物總體布置Fig.1 Layout of power station structures

圖2 壩后式電站剖面 （高程單位：m；尺寸單位：cm）Fig.2 Profile of power station at dam－toe （elevation unit：m；dimensional unit： cm）

圖3 地下電站流道剖面（高程單位：m；尺寸單位：cm）Fig.3 Profile of flow channel of underground power station （elevation unit： m；dimensional unit： cm）

3 電站排沙和排漂設施

長江的泥沙問題雖不及黃河嚴重，但由于水量大，壩址的輸沙總量較大。根據(jù)葛洲壩水利樞紐多年運行經(jīng)驗，長江的漂浮物數(shù)量也不少。泥沙和漂浮物對電站的正常運行將產(chǎn)生不利影響。因此，泥沙及漂浮物的防治措施是設計研究中的重點問題之一。

經(jīng)過多年的觀測、模型試驗及數(shù)值分析研究，對于水庫的泥沙采用以排為主的措施。泄洪壩段布置在河床中部，泄洪深孔底高程為90.0 m，較兩岸電站進水口底板低18.0 m，是排沙的主要通道，對電站的防沙極為有利。但由于電站前沿較長，還需考慮必要的輔助排沙措施。地下電站則要采用獨立的排沙設施來保證進水口“門前清”。對左右岸電站的排沙，曾研究過集中排沙和分散排沙兩種方案。分散排沙方案是每臺機組均設排沙底孔，排沙底孔要通過機組段，布置上與廠房設備布置干擾較大，結構受力條件復雜，還有可能存在與機組產(chǎn)生共振的潛在問題。集中排沙方案是在廠房中部和端部的安裝場段下部設置排沙底孔，進口高程較低，利用沖沙漏斗控制淤積高程，使機組進水口“門前清”。安裝場下部為大體積混凝土，排沙底孔布置容易，結構受力條件良好。

經(jīng)綜合比較，左右岸電站均采用集中排沙方案，共設置7個排沙孔，分別布置在左右岸廠房岸邊、中部和右岸廠房左端的安裝場段內(nèi)，進口高程分別為90.0 m和75.0 m。地下電站采取進口分散拉沙、出口集中排沙的方案，即在進水塔底板以下設有3條排沙支洞，匯成總洞后經(jīng)右岸電站安裝場Ⅱ段排向下游。

排漂孔的布置是根據(jù)模型試驗以及初期和后期的運行水位條件確定的。泄洪壩段兩側左導墻及縱向圍堰各設1個，另1個設在右岸廠房的安Ⅱ段。電站排沙及排漂設施布置見圖1。

4 壩后式電站廠房布置

三峽左右岸壩后式電站分別裝機14臺和12臺，機組臺數(shù)多，單機容量大，主廠房及副廠房規(guī)模巨大，在布置及結構設計上進行了大量比較論證工作。

1）主廠房上部結構形式選擇。主廠房單機組段尺寸為38.3 m×68 m（上部39 m）×94.3 m。 上部結構經(jīng)對上下游厚墻式、柱式、薄墻加肋柱式及半門機等方案的綜合比選，采用雙厚墻結構形式，形成全封閉廠房，其中上下游墻大橋機軌頂以下厚度分別為 2.2 m、2.0 m，以上均為1.5 m。該方案相對于其他方案可減小廠房跨度，建筑外觀與樞紐工程更協(xié)調(diào)，而且結構的整體剛度大，抗震性能可顯著提高，施工程序也簡單，有利于改善初期運行時的廠內(nèi)環(huán)境。屋面采用鋼網(wǎng)架和輕型屋面板結構，并設采光帶，以彌補全封閉廠房采光的不足。

2）橋機布置。壩后式電站廠房采用雙層橋機布置，即左右岸廠房各布置2臺1200 t的大橋機及2臺 100 t的小橋機，軌頂高程分別為 93.5 m、105.5 m，均由上下游墻體上的條帶牛腿支撐。大橋機可滿足機組大件吊裝要求，而小橋機則可大大減少大橋機副鉤的使用次數(shù)，增加了廠內(nèi)起吊設備的靈活性，對提高工效，加快機組安裝進度作用顯著。

3）副廠房布置。左右岸電站均設上下游副廠房，使油、水、電分開布置，避免安裝相互干擾，增加電站運行的可靠性。下游副廠房布置在尾水平臺下部，采用墩墻結構，主要布置技術供水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)。上游副廠房布置在廠壩平臺，采用框架結構，主要布置主變壓器、GIS（gas insulated switchgear，氣體絕緣組合電器設備）室、屋面出線場及其他一次、二次設備。

4）安裝場布置。左右岸電站廠房各設置3個安裝場，安Ⅰ及安Ⅱ靠岸邊布置，安Ⅲ布置在廠房中部。安Ⅰ樓面高程為82.00 m，與廠前區(qū)同高，是廠房的卸貨場。安Ⅱ及安Ⅲ樓面高程為75.30 m，與發(fā)電機層同高，是電站的主安裝場地，各布置一個轉子安裝工位。左右岸電站廠房的安裝場均可滿足同時安裝或擴大性檢修2臺機組要求，雙主安裝場及雙轉子工位布置為左右岸電站機組一年多投提供了條件。

5 電站建筑物設計中的幾個技術問題

5.1 電站進水口形式選擇

三峽電站單機容量為700 MW，運用水位為135～175 m，水位變幅達40 m，單機額定引用流量為966 m3／s，要求的進水口尺寸大。為選擇合適的進水口體型，對單孔口和雙孔口、大孔口和小孔口、水平孔口和傾斜孔口等進行了大量水工模型試驗及數(shù)值分析研究。研究表明，采用單孔口、小孔口及斜孔口的布置體型可比雙孔口、大孔口及水平孔口布置減小水頭損失，多發(fā)電量創(chuàng)造的經(jīng)濟效益顯著，而且可簡化進水口啟閉設備布置，節(jié)省工程量，降低壩段開孔率，改善壩體孔口應力及進水口運行條件。在巨型機組、大引用流量電站進水口中采用單孔口、小孔口及斜孔口的布置體型，在國內(nèi)水電工程中屬首次成功應用。選定的進水口體型見圖4。

圖4 電站進水口體型 （高程單位：m；尺寸單位：cm）Fig.4 Shapes of power station intake （elevation unit： m；dimensional unit：cm）

5.2 巨型水力發(fā)電機組蝸殼埋設關鍵技術研究

水力發(fā)電機組鋼蝸殼與外包混凝土聯(lián)合結構是機組的重要支撐體系，蝸殼埋設方式?jīng)Q定該體系的承載能力、正常使用極限狀態(tài)和振動特性，直接關系到機組穩(wěn)定運行及廠房結構安全，是電站關鍵技術之一。

三峽電站700 MW水輪發(fā)電機組是目前世界上較大的混流式機組之一，具有水頭變幅大（61～113 m）、額定水頭較低（80.6 m）、轉輪直徑較大（9.8 m）的特點，機組總體尺寸和總重量在同類機組中是最大的。在左岸電廠水輪機模型轉輪驗收時，制造商ALSTOM和VGS提供的水輪機模型轉輪、能量指標和氣蝕性能滿足合同要求，但部分高負荷區(qū)壓力脈動存在著過大值。國內(nèi)外電站運行表明，部分負荷區(qū)壓力脈動值過大可能激發(fā)電站廠房部分結構發(fā)生共振，如巴基斯坦的坎貝拉水電站、我國的巖灘水電站等。水力激發(fā)發(fā)電機層樓板共振，致使裝設在發(fā)電機層樓板上的機旁盤等電氣設備的接線頭松動，造成誤停機且共振對部分電站廠的土建結構的安全運行構成威脅導致電站不能安全穩(wěn)定運行。

鑒于上述原因，對三峽電站機組蝸殼采用保溫保壓、墊層和組合式的埋設方式的關鍵技術問題進行了十多年的系統(tǒng)研究，取得了多項創(chuàng)新性成果，并在三峽電站成功應用。

1）在機組蝸殼埋設中成功應用組合式、墊層及保溫保壓3種埋設技術。a.蝸殼組合式埋設新技術：三峽電站機組蝸殼進口直徑為12.4 m，HD（H為水頭；D為蝸殼進口直徑）值為1773 m2，HD2值為22000 m2，其中直徑及控制結構變形的HD2值是同期世界上最大值，蝸殼外圍混凝土相對較薄。通過研究，融合“直埋”和“墊層”技術，研發(fā)出蝸殼組合式埋設新技術。成功解決了巨型機組蝸殼直埋方式外圍混凝土開裂對結構剛度的影響和下機架基礎變形過大等技術難題，為蝸殼提供更好的約束，有利于解決機組振動問題，而且可簡化工序、方便施工、提高工效、節(jié)約投資。該成果已在三峽電站15號及27號機組應用。b.墊層技術：蝸殼墊層敷設范圍及其力學性能直接影響對蝸殼的約束和結構的動靜力特性。通過對蝸殼、墊層及外圍混凝土結構受力機理研究，解決了巨型機組蝸殼墊層敷設范圍、剛度、厚度及材料性能等技術問題，有效解決了蝸殼采用墊層埋設技術的機組和廠房振動問題。該埋設方式在三峽右岸電站4臺機組應用。c.保溫保壓澆筑蝸殼外包混凝土技術：針對三峽電站機組蝸殼內(nèi)水壓力變幅大的特殊性，確定了合理的保壓水頭。根據(jù)水溫隨季節(jié)變化溫差大的不利條件，確定了保壓水水溫控制標準，并研發(fā)了一套保溫保壓裝置。同時實施保溫保壓，減小了混凝土承載比，提高了機組支撐體系的整體剛度，成功解決了廠房振動問題。該技術在三峽左岸電站14臺機組及右岸電站7臺機組應用。

2）對巨型機組蝸殼采用墊層、保溫保壓及組合式埋設技術進行了全面系統(tǒng)的研究和實踐，提出了與機組蝸殼埋設方式有關的技術標準及設計準則。采用數(shù)學模型、物理模型和監(jiān)測反饋等多種研究手段對機組蝸殼采用不同埋設方式的結構動靜力特性進行了全面、系統(tǒng)論證，形成了巨型水力發(fā)電機組蝸殼3種埋設方式的完整設計技術體系，提出了巨型機組支撐體系結構振動、下機架基礎變形、座環(huán)上部結構整體剛度等技術標準和混凝土強度、裂縫的設計準則，有效解決了機組和廠房振動問題，避免了結構產(chǎn)生振動疲勞破壞。

3）成功解決了基于水輪機模型脈動水壓力過程的原型數(shù)值模擬。水輪機模型脈動水壓力的原型數(shù)值模擬國內(nèi)外均有各種探討，但是一直未能很好地解決。在三峽電站廠房振動分析當中，通過對脈動壓力幅值、頻率、傳播路徑、相位及分布、作用域等進行分析，提出了壓力脈動頻率及幅值的轉換模式，并根據(jù)水輪機模型試驗成果，提出以典型壓力脈動測點模擬生成整個水輪機流道內(nèi)壓力脈動場，進行結構振動響應分析和疲勞強度復核。

4）3種機組蝸殼埋設技術對比。針對三峽電站3種機組蝸殼埋設技術，共選取12臺機組進行全過程系統(tǒng)監(jiān)測。結果表明，機組及廠房結構各項技術指標均在設計控制范圍之內(nèi)，機組安全、穩(wěn)定運行；采用組合式埋設技術的機組，綜合運行指標更優(yōu)。3種機組蝸殼埋設技術對比見表1。

表1 三種機組蝸殼埋設技術對比表Table 1 Comparison of 3 types of spiral case embedding technologies

從3種埋設方式比較可知，機組蝸殼組合式、墊層技術要優(yōu)于保壓技術。三峽巨型機組蝸殼3種埋式方式試驗研究成果及實踐經(jīng)驗可供其他工程借鑒。

5.3 岸坡壩段廠房與大壩聯(lián)合受力

左岸1號～5號及右岸24號～26號機組壩段位于臨江岸坡上，建基面高程為85.0～90.0 m，電站廠房位于壩后，主廠房建基面高程為22.2 m，二者高差最大為68 m，為典型的“高跟鞋”布置。上述壩段壩基緩傾角裂隙相對較發(fā)育，壩體深層抗滑穩(wěn)定問題較突出。

除壩體自身采取增加抗滑穩(wěn)定措施外，還要求相應機組段每米提供約20000 kN阻滑力。為此采取了如下工程措施：主廠房高程50.0 m以下大體積混凝土與上游巖坡緊貼，并進行接縫灌漿，保證結合緊密；對廠房及尾水渠一定范圍內(nèi)進行固結灌漿，確保廠房及下游巖體有效地對大壩提供阻滑力；在相應機組段和安裝場段設縱橫向帷幕灌漿排水廊道，使該段廠房與大壩形成封閉抽排系統(tǒng)，降低廠房及大壩建基面的揚壓力。經(jīng)采取以上綜合工程措施后，能確保相應機組段與大壩聯(lián)合受力，使上述壩段深層抗滑穩(wěn)定滿足要求。水庫蓄水后，安全監(jiān)測資料表明，大壩運行正常。

5.4 淺埋大型地下廠房的應對措施

三峽地下電站位于右岸白巖尖山體中，地下廠房尺寸為311.3 m×32.6 m×87.3 m。 廠區(qū)巖體條件較好，但受相鄰建筑物布置及前期施工影響，可用于布置地下洞室的區(qū)域平面尺寸僅為500 m×450 m，上覆巖體一般厚度為50～75 m，左端最薄處僅為34 m，屬于淺埋式超大型地下洞室，且?guī)r性脆，斷層及裂隙較發(fā)育，塊體多。針對上述問題，主要采取了如下的一些措施。

1）設備緊湊布置，壓縮機組段長度。利用母線洞、母線廊道布置一次、二次設備，在蝸殼外圍混凝土中局部設空腔布置技術供水系統(tǒng)，壓縮機組段長度至38.30 m，與壩后廠房相同，比常規(guī)布置小4 m左右，這對控制地下洞室的總體規(guī)模，起到了較好的作用。

2）壓縮廠房開挖跨度。地下電站蝸殼及風罩尺寸大，按常規(guī)布置，廠房開挖跨度將達35 m，將使廠房左端最小上覆巖體厚度不足1倍。為有效減小廠房的跨度，同時又要滿足蝸殼布置及結構要求，在蝸殼部位采用了3 m大懸臂開挖體型，減小廠房跨度2.5～3 m。

3）采用變頂高尾水洞，簡化地下洞室群布置。將主變壓器及開關設備布置在地面150 m高程平臺上，通過模型試驗及數(shù)值分析，采用變頂高新型尾水洞形式替代常規(guī)的尾水調(diào)壓室，較好解決了山體單薄布置調(diào)壓室困難的難題。三維有限元數(shù)值分析表明，取消主變洞或尾水調(diào)壓室，非常有利于洞室群圍巖穩(wěn)定。變頂高尾水洞的工作原理是利用下游水位的變化與尾水洞變頂高的相互關系，適應水輪機的工作狀態(tài)。當下游水位較低時，水輪機的淹沒水深較小，此時無壓明流段長，有壓滿流段短，過渡過程中負水擊壓力小，淹沒水深仍能滿足規(guī)范的要求。隨著下游水位的升高，盡管無壓明流段的長度逐漸縮短，有壓滿流段的長度逐漸增長，負水擊越來越大，但水輪機的淹沒水深也逐漸增大，正負兩方面的作用相互抵消，使淹沒水深仍能控制在規(guī)范的范圍之內(nèi)，從而取代尾水調(diào)壓室的作用，可在保證機組安全運行的前提下，簡化地下結構布置，結構更安全可靠，經(jīng)濟上也較合理。

4）采取合理的開挖支護程序并加強錨固。廠房頂拱采用七序開挖，并分序進行加固，確保拱圈的穩(wěn)定。對于廠房左端頂拱覆蓋巖體小的部位，布置了長25 m和30 m的2500 kN級預應力錨索來加強圍巖的整體性。

5）尾水管間保留大巖墩。在尾水管間保留了27 m高的巖墩，有效減小了廠房全斷面開挖高度，限制邊墻變形，提高了地下廠房洞室圍巖的整體穩(wěn)定性。

5.5 地下廠房大型塊體加固

塊體穩(wěn)定問題是三峽地下廠房主要地質(zhì)問題之一。前期勘探揭露了6個大型定位塊體，施工過程共揭露了105個塊體，體積大于1000 m3的有25個，大于10000 m3的有9個。針對每個塊體的邊界條件、滑動模式，逐個進行了復核驗算，主要措施是利用錨桿及預應力錨索進行加固，部分塊體采用了阻滑鍵及壓應力等特殊措施。主要原則是強調(diào)及時性、超前性和可靠性。

1）采用阻滑鍵加固塊體。廠房下游邊墻的1號塊體，出露高程較高，其底滑面為泥化夾層，廠房開挖后穩(wěn)定性較差。在廠房開挖之前，采用阻滑鍵對塊體實施了超前加固，保證了洞室圍巖穩(wěn)定及施工安全。

2）塊體加固中利用結構面上壓應力的阻滑作用。廠房下游邊墻及頂拱的18號及19號（分別對應下游邊墻的2號及3號）塊體規(guī)模在30000 m3以上，錨索布置困難。在三維有限元數(shù)值分析研究的基礎上，加固時考慮其滑動面上0.4～0.5 MPa法向壓應力的阻滑作用，大大減少了預應力錨索的數(shù)量，較好地解決了超大型塊體加固預應力錨索布置困難的難題。

在塊體對應部位的下游邊墻，共布置了2個豎向孔和4個水平孔，對施工過程中及施工結束后圍巖及結構面應力進行了測量。測試結果表明，廠房開挖過程中，結構面上的法向壓應力在逐漸減小，廠房開挖結束后，應力值趨于穩(wěn)定，傾向NEE和NNW兩組結構面的法向壓應力多在1 MPa以上，利用0.4 ～0.5 MPa的壓應力是有保證的。

6 結語

三峽壩后式電站26臺機組已于2008年10月全部投產(chǎn)，且運行穩(wěn)定。右岸地下電站首批機組于2011年6月投產(chǎn)，2012年6臺機組也將全部投產(chǎn)。三峽電站的排沙及排漂措施、單孔小孔口的進水口體型、機組蝸殼埋設中組合式、墊層及保溫保壓技術的成功應用，以及研究提出的與機組蝸殼埋設方式有關的技術標準，不僅保證了三峽電站建筑物安全及機組穩(wěn)定運行，而且為今后工程巨型機組積累了經(jīng)驗，地下電站淺埋大型地下洞室的應對措施及塊體加固技術可供類似工程借鑒。

The design of Three Gorges Hydropower Station

Zhou Shuda，Xie Hongbing

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Using physical model and numerical simulation techniques， some technical problems were studied systematically， including layout of power station，measures of sediment and floating debris discharging， types of intake， embedded types of spiral case， layout of underground powerhouse tunnel group and block reinforcement.It was optimal in technique and economy with the arrangement of powerhouse at the dam－toe of both banks+underground powerhouse in the right bank， as well as the intake with a single and small orifice.The sediment and debris problems could be solved with disperse sediment ejection and floating debris discharging holes.With the adoption of techniques for spiral case such as heat and pressure preservation，cushion layer and combined embedding， the stable operation of generating units can be guaranteed.The arrangement of tailrace tunnel with sloping ceiling was better than that of tailrace surge tank.The technical requirements related to the embedding type of spiral case were proposed.The reinforcement of huge unfavorable blocks was discussed and the new idea for block reinforcement using anti－sliding piles and normal compressive stress of structural plane was put forward.

Three Gorges Power Station；layout；sediment and floating debris discharging；spiral case embedding；shallow embedment；block reinforcement

TV73

A

1009－1742（2011）07－0078－07

2011－05－11

周述達（1970—），男，四川資中縣人，高級工程師，主要從事水電站建筑物設計工作；E－mail：shudaz＠163.com