我國地下水電站建設的發展

翁義孟

（水利部珠江水利委員會，廣東 廣州 510611）

0 引 言

我國第一座裝機容量超過5萬kW的地下水電站—福建古田溪一級電站，于1956年建成發電，今年是其投產的55周年。盡管其裝機容量僅6.2萬kW，但在第一個五年計劃期間卻是水電建設的大項目。我國在十分薄弱的基礎上開始了地下水電站建設，經過半個多世紀的發展，電站的規模和技術水平都有很大的跨越，取得了巨大成就。目前，在建的溪落渡水電站裝機容量達1260萬kW，是古田溪一級電站的200倍。值此古田溪一級電站發電55周年之際，回顧并展望我國地下水電站建設的發展是很有意義的。

1 我國地下水電站的發展歷程

1.1 1980年以前

繼古田溪一級電站之后，有不少水電站采用了地下廠房布置[1]。據不完全統計，至1979年，我國已建地下水電站26座，這些水電站采取地下廠房布置都各有其客觀原因。古田水電站位于臺海西岸，出于防空需要采用了地下廠房。白山和劉家峽水電站 （與壩后地面廠房連體的窯洞式地下廠房）是因河谷狹窄，出于樞紐布置上的考慮。水槽子和鏡泊湖水電站采用首部開發式地下廠房，將廠房布置在引水道上游地質較好處，避免有壓引水隧洞穿越地質條件較差的地段。鹽水溝水電站調壓井至地面廠房的壓力水道太長，較難滿足調節保證要求，采用地下廠房布置，縮短了壓力水道長度?？煽赏泻Ｋ娬镜孛鎻S房位置為高達百米的陡崖，將廠房布置在山體內，避免了高邊坡處理。拔貢和閩東水電站廠頂高程均低于50年一遇洪水位，采用地下廠房，洪水期擋水問題比較容易解決。實踐表明，地下廠房在布置上有較大的靈活性，可適應各種地形、地質條件，這也是地下水電站被廣泛采用的重要原因之一。

這一時期的地下水電站多建于小河流上，流量小、比降大，故多采用引水開發方式。裝機規模一般都不超過10萬kW，最小只有0.8萬kW，開挖跨度僅9.7 m。幾座容量稍大的水電站，主要靠加大發電水頭，如鹽水溝和小江水電站發電水頭都達589 m。高壓水道襯砌和高壓閥門安全成為設計難點，為避免水輪機進口高壓閥門爆破危及地下廠房安全，另設了與廠房隔開的閥室，并設有排水廊道以便發生事故時向外排水。

當時對地下洞室圍巖穩定性問題認識比較片面，僅注意到頂拱巖體塌落問題。通過實踐發現，地下廠房頂拱圍巖具有自穩能力，此后有的工程便改用了間隔開的 “肋拱”，減少了頂拱工程量。與地下廠房高巖壁相交的橫向洞室，隨著廠房向下開挖，洞口襯砌常出現環向裂縫，從而認識到了巖壁位移的影響，并開始從彈性體開孔理論和巖石力學角度考慮地下廠房圍巖穩定問題。

1.2 1980年以后

據統計，80年代建設的壩高超過100 m的8座水電站中，采用地下廠房布置的有2座，裝機容量都超過50萬kW。90年代開始了以小浪底和三峽工程為標志的向大江大河進軍的水電發展新時期，先后上了一批高壩大庫項目。大江大河流量大，引水開發方式不適用，普遍采取壩后開發方式。這些水電站多處于高山峽谷，受地形條件限制，泄洪設施與電站廠房布置矛盾突出，許多高壩樞紐都采取地下廠房布置方式。1980年后建設的壩高超過150 m的34座水電站中有22座采用地下廠房；壩高超過200 m的水電站，采用地下廠房布置的占九成，裝機容量都在100萬kW以上。

2 地下水電站的優勢

地下水電站的發展同高壩樞紐建設有密切聯系并相輔相成。高壩樞紐建設帶動了地下水電站的發展，與此同時，地下廠房也給高壩樞紐布置優化創造了有利條件[2]。地下廠房布置方式的許多優點：①更具備采用過水圍堰的條件，從而簡化施工導流，減少其對工程施工的制約。②可簡化壩體布置，便于采用碾壓混凝土，加快大壩施工進度。③可避免壩后廠房與大壩及泄洪陡槽施工的互相干擾，避免因陡槽施工滯后導致后期度汛風險。④地下廠房施工受洪水影響較小并可與導流和大壩工程平行作業，不占關鍵線路，有助于縮短總工期。⑤由于泄洪流量大，泄洪消能成為高壩樞紐的一大難題。采用壩身高、低孔泄洪，以異型鼻坎控導水流、配合水墊塘消能是比較理想的泄洪方式，地下廠房可為其提供條件，且本身受泄洪雨霧的影響較輕。⑥地下廠房布置往往可減小高邊坡的高度，提高了工程的安全度。⑦隨著梯級開發進展，調節能力提高，一些水電站需要擴容；有的電站為充分利用汛期棄水，需要擴機，都需另建新廠房。這時，采用地下廠房具有布置緊湊，造價低，干擾小的優點。⑧太平驛、映秀灣、漁子溪地下水電站均處于汶川地震Ⅸ～Ⅺ度強震區內，震后檢查，未發現地下廠房本身有震損[3]。 “5·12” 汶川地震調查研究指出： “地下建筑的抗震性能較好”，并建議 “高山峽谷地區修建水電站，條件具備情況下要優先地下廠房布置方案”。地下水電站的抗震優勢已取得廣泛共識。⑨地下水電站對植被影響較小，有利于保護自然環境與景觀。

3 設計理論的突破

圍巖穩定性和支護概念的轉變是從70年代開始的，新奧法的引進改變了先前單純視圍巖為荷載的舊概念，轉變為通過支護措施將其轉化為承載體的新思路，實現了設計理論的重大突破。圍巖卸荷變形、松動、破壞、失穩機理和圍巖同支護的互動機制是圍巖支護新技術的理論基礎。實地測試和仿真技術的進步為理論探討和分析方法改進提供了強有力的支持。現在已逐步應用反復校正、逐步貼近、及時調控的動態設計方法。根據各個工程圍巖的力學環境、巖體特性及工程需要選用適宜的仿真分析方法，采取經過預設計、反演校正、而后提出包括支護參數、開挖程序、支護時機在內的實施方案，得以逐步貼近實際的設計方法[4]。并在施工過程中加強監測和反饋分析，及時發現問題，采取補強措施。形成一整套動態支護技術，使圍巖支護措施更為有效、更加合理。

各個工程的情況各異，可選用適合本工程特點的仿真分析方法。參考文獻[4]根據拉西瓦地下洞室群的實際情況，采用描述高地應力條件下硬脆性巖體屈服和圍巖強度弱化的彈脆塑性本構模型進行分析，取得了比較系統的有關位移場、應力場及塑性區等方面的規律性成果，對解決工程實際問題和理論探討都很有價值。洞室群開挖順序與支護參數組合優化的智能方法對提高地下洞室群開挖支護技術水平和工程安全具有積極的作用[5]。

巖壁吊車梁的普遍應用也是地下工程設計理論更新的重要標志。視圍巖為承載體，通過巖壁吊車梁由其承受吊車輪壓荷載是一項重大突破。目前一些吊車容量很大的特大型地下廠房也都采用巖壁吊車梁，向家壩電站巖壁梁承載的吊車容量達2-1 200 t/200 t，水平相當之高。

4 施工技術進步

1980年以前，我國地下工程一直采用手風鉆鉆孔，鋼木支撐的傳統施工方法。以魯布革水電站建設為轉折點，開始采用噴錨支護和其他先進施工技術。經過二、三十年的實踐探索，我國地下工程施工總體水平有了很大提高[6]，主要表現在：①科學優化總體施工方案。大型地下水電站的洞室群多達百余個，通過合理布置施工支洞，使洞室群成為既不互相干擾又能有機聯系，得以實現多工作面平行施工的整體。利用地下廠房尺度大、工序多的特點，采用 “平面多工序、立體多層次”的施工方法，為洞室群順利快速施工創造了有利條件。②多項措施保證圍巖穩定。根據圍巖彈性能量釋放規律，合理確定開挖層高度[7]，減小圍巖彈性能量釋放速率，避免圍巖過快變形。采取中心拉槽超前、兩側保護層跟進的措施以及應用預裂爆破等技術減輕開挖爆破對圍巖的破壞。③合理安排相鄰洞室的開挖順序，減少相互影響。④采用先進的造孔和爆破技術。先進測量技術和導向定位架的應用得以精確控制鉆孔方向，對提高爆破效率和效果很有幫助。光面爆破、預裂技術以及高性能爆破器材、精密引爆網絡設計的配合應用，提高了高難度輪廓控制部位如巖壁吊車梁巖臺的成形質量，使得開挖總體質量有很大提高。⑤新技術、新工藝、新設備的應用。鋼纖維及聚丙稀微纖維噴混凝土、水泥基藥卷式錨桿、預應力錨索鋼板錨墩、電腦臺車、鉆桿三聯機等的應用提高了開挖、支護效率，大大加快了施工進度。⑥建立現場監測快速反應機制。有針對性地布置現場監測系統，根據開挖過程中暴露出來的地質情況，結合監測采集的數據，及時采取包括調整爆破參數、優化爆破措施、改進開挖方案和支護加固等調控手段，對確保洞室群圍巖穩定和安全順利施工發揮了很大作用。⑦減輕爆破影響。對一些擴機工程而言，地下洞室開挖爆破對先期工程的影響是極為突出的問題。三峽工程通過對開挖爆破產生的質點振速進行跟蹤監測，確定控制爆破工藝，并及時反復調整，確保了先期工程的安全[8]。

5 若干革新改進

（1）廠房縱軸方向。廠房縱軸應取同圍巖結構面交角較大的方向是地下廠房設計的一項準則。彭水水電站地下廠房[10]處于薄層、陡傾角、軟弱的灰巖中，巖溶發育。要避開溶洞，將廠房置于完整的巖體內，其縱軸方向與層面的交角就很小。經研究決定，在采取預應力錨索等加固措施的基礎上，采取與巖層0°交角的縱軸方向，經受了施工期及運行期的全面考驗，證明這種布置是可行、可靠的，開創了地下廠房縱軸取向的先例。

（2）變頂高尾水洞。地下廠房尾調室工程量大，施工復雜。采用變頂高尾水洞，向下游逐漸抬高洞頂，使有壓段在隨尾水位升高而加長的同時，洞內流速因斷面加大而向下游遞減。這樣，低水位時有壓段短，水力過渡過程中負水擊小；尾水位升高時有壓段增長，負水擊加大，但由于洞內流速降低，使水力過渡情況得到改善，從而做到在不同尾水位下均能滿足規范的要求，同時得以減少工程量，簡化施工。

（3）圓筒形尾調室。傳統采用的方箱形尾調室圍巖穩定性較差。近年來許多工程改用圓筒形上室阻抗式尾調室，圍巖穩定性和襯砌受力情況都得到改善，是一項重要改進。

（4）巖壁吊車梁。在巖壁吊車梁工程實踐中曾出現過一些有待改進的問題。彭水水電站針對廠房后續開挖時的巖壁變形以及巖體不均勻導致吊車梁混凝土開裂的問題，采取了合理選定巖壁梁的施工時機，根據圍巖變形情況對預應力錨桿進行分期張拉等措施。經施工、運行的多年考驗，至今未出現裂縫，取得了成功的經驗。

6 結語

半個世紀以來，我國地下水電站建設的工程規模和技術水平都有很大的跨越。低碳經濟發展必將更有力地推動水電開發，水電建設面臨著新的挑戰和機遇。地下水電站具有明顯的優越性，將會迎來更大的發展。圍巖穩定性及其支護是地下水電站建設的一個核心問題，要針對高地應力地區的特點和復雜地質條件，開展有關的研究探索。圍巖變形失穩支護機理是十分復雜的科學，我國已取得一些頗有創意的研究成果，但也存在不足之處[9]。要進一步采取原型測試和仿真分析相結合的方法，改進測試技術，研發適用性更強，功能更齊全的仿真技術。卸荷松動區是圍巖穩定最關鍵的部位，要加強對卸荷松動區的研究，有必要加密測點，全面采集圍巖變形同錨桿受力情況相對應的同步動態數據，進行細致分析研究，這將有助于了解支護機理，提高圍巖支護技術水平。

［1］ 翁義孟.我國地下水電站廠房設計中的幾個問題［J］.水利水電技術， 1979（9）:10-17.

［2］ 郭子嵩.地下廠房在峽谷高壩水電站樞紐布置中的優勢［J］.水力發電， 2000， 26（9）:38-42.

［3］ 王斌，等.汶川地震災區水電工程震損調查及分析概述［J］.水力發電， 2009，35（3）:1-5.

［4］ 江權，等.高地應力條件下大型地下洞室群穩定性綜合研究［J］.巖石力學與工程學報， 2008， 27（9）:3768-3777.

［5］ 蘇國韶，等.高地應力下大型地下洞室群開挖順序與支護參數組合優化的智能方法 ［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（7）:2800-2808.

［6］ 馬洪琪.我國水電站地下工程施工技術的回顧與展望［J］.水力發電， 2006， 32（2）:52-55.

［7］ 白帆，等.拉西瓦水電站地下廠房開挖分層及頂拱開挖支護［J］.水力發電， 2007， 33（11）:77-79.

［8］ 李勇泉，等.三峽右岸地下電站施工期安全研究［J］.水力發電，2009， 35（12）:48-49.

［9］ 張繼勛，等.地下工程穩定性分析方法現狀與不足［J］.現代隧道技術， 2005， 42（2）:1-4.