厄瓜多爾米納斯·圣弗朗西斯科梯級電站地下廠房洞室設計

[] N.I.

在厄瓜多爾胡沃內斯河上，計劃修建米納斯·圣弗朗西斯科(M·SF)和拉尤尼(LU)2座梯級水電站，目前招標工作已經完成，建設合同已經簽屬。

M·SF水電站位于右岸，尾水通過3個大直徑鋼管輸送到左岸的LU水電站，跨過胡沃內斯河時采用混凝土高架橋。M·SF水電站為上游梯級，包括一座高78 m的碾壓混凝土壩，右岸長13.9 km的低壓引水隧洞，直徑16 m的調壓井，長456 m、直徑3.77 m垂直壓力管井，安裝3臺沖擊式水輪機的地下廠房以及長1.6 km的尾水隧洞。電站總裝機275 MW，利用水頭約510 m。

LU是第2座梯級水電站，利用M·SF尾水發電。建筑物包括進水口、位于河流左岸長12.2 km的低壓引水隧洞、直徑15 m的調壓井、長850 m的壓力管道、安裝2臺混流式水輪機的地面廠房，電站總裝機94 MW，利用水頭約184 m。

M·SF地下廠房由長約28 km的隧洞和大型地下洞室組成，是該項目中難度最大、地質條件最復雜的建筑物。在地下洞室設計中，從各個方面進行了多種布置方案的比較，為最終方案的確定打下了堅實的基礎。

1 工程布置

1.1 M·SF工程

大壩位于圣弗朗西斯科河與胡沃內斯河交匯處下游，總庫容1 440萬m3。根據技術經濟優化評估確定的壩頂高程為795 m，為典型的重力壩，上游壩坡0.15∶1，下游壩坡0.8∶1。

中央溢流壩段為3個帶閘門的斜槽式溢洪道，其余為沖沙壩段。溢洪道斷面呈典型的S形，設計泄洪標準為5 000 a一遇，10 000 a一遇洪水不會造成大壩漫頂。溢洪道泄量由3個弧形閘門控制，通過斜槽排泄至水墊塘。

M·SF水電站進水口位于右岸，安裝攔污柵、滑動式閘門與疊梁，進水口高程720 m。進水建筑物后過水斷面由矩形向圓形過渡并與引水隧洞相接，引水隧洞長13.9 m，內徑4.8 m，設計過流量65 m3/s。該隧洞主要采用TMB開挖(大約占總長的75%)，部分采用鉆爆法開挖。

引水隧洞通向垂直高456 m、內徑3.77 m的垂直壓力管井，長110 m的水平壓力鋼管將水從井底引向水輪機組。壓力管井上為高68 m的圓形調壓井，來控制水力沖擊，其下部直徑16 m、上部32 m，為改善阻尼振蕩，在入口處安裝節流裝置，孔徑4 m。

地下電站廠房包括廠房洞室、變壓器洞室、進口隧道、2座灌漿與排水廊道、電纜豎井(連接變壓器洞室到開關站)、通風井、尾水渠。另外，為順利進行地下電站廠房施工，還開挖了2條輔助隧洞。

1.2 LU工程

LU電站進水口位于左岸，通過3條直徑為2.6 m的鋼管跨過胡沃內斯河將水輸送到右岸。引水隧洞長12.2 km，內徑4.8 m，總長的95%由TBM掘進，余下5%采用鉆爆法施工。帶節流裝置的調壓井高99 m，內徑15 m。地下壓力管垂直段長112.5 m，水平段長734.5 m。廠房為地面式，安裝2臺混流式水輪機，總裝機容量為94 MW。2條長80 m的尾水渠將水排回胡沃內斯河。

2 M·SF電站廠房地質條件

M·SF電站廠房區域地質條件復雜，需要進行深入細致的地質填圖與現場調查。選擇3個廠址進行地表地質構造測繪，在廠房區域打了2個550 m的深孔以了解巖體性狀。所做的原位測試及室內試驗情況如下。

原位測試 室內試驗光學鉆孔電視 602 m衍射測量 4 組鉆孔電視487 m三軸試驗(有側限與無側限) 63組聲波全波測試 475.6m間接式抗拉試驗 22組鉆孔膨脹試驗 57組直剪試驗 19組水壓致裂法地應力測試4組傾斜試驗 9組大地電磁測量 52組巖石磨損性試驗 12組地震測線 19.8 km可鉆性、破碎性及篩分試驗 12組

2.1 基本地質條件

現場調查與勘察表明，廠房巖體由安山巖、流紋質凝灰巖和火山角礫巖組成。其中一個鉆孔表明，在廠房下15～20 m處，分布有一層近水平的低強度、低模量類粘土層，厚2～3 m。節理走向主要為NE-NW-SW，傾角一般較緩，主要有7組，形成潛在不穩定楔形體和塊體。

鉆孔水壓致裂法試驗表明，地應力的最大主應力σ1與最大水平應力σh一致，其值在8.1～11.5 MPa之間，最大水平應力作用方向為南東-北西向。中間主應力σ2的作用方向多變，2個鉆孔中測定的與垂直應力一致，而在另外2個鉆孔中測定的與最小水平應力一致。同樣，在2個鉆孔中測定的最小主應力σ3與最小水平應力一致，而在另外2個鉆孔中則與垂直應力一致。

呂榮試驗結果表明，巖體的平均滲透系數為6.32E-06 m/s。每個鉆孔中安裝的滲壓計顯示，地下水位比廠房頂板高約310 m。

研究表明，地下工程的主要工程地質問題均與巖體中存在的地下水有關。因此，在地下廠房開挖前，要先在廠房與變壓器房周圍開挖2條排水洞。

2.2 地質力學模型

根據地質資料，建立了巖體地質力學模型。采用Hoek-Brown準則評價巖體的強度，巖體的彈性模量采用Hoek-Diederichs 公式估算。

結論表明，電站廠房與變壓器房布置在質量好的火山角礫巖中，完整巖石設計強度參數如下：σci為50～60 MPa(單軸抗壓強度)；Ei=27.3 GPa(彈性模量)；mi為8.5。

采用GSI值為65，確定巖體設計參數如表1所示，電站廠房下臥軟弱巖層設計參數列于表2。

表1 電站廠房巖體設計參數

表2 電站廠房下臥軟弱夾層設計參數

3 地下廠房布置方案

地下廠房主要為廠房洞室與變壓器房洞室。為了保證施工、運營與電站的安全，需要建造輔助建筑物，包括灌漿與排水隧洞、永久與臨時交通洞、電纜與通風井。在地下洞室布置方位與機電設備布局方面，進行了多種方案的比較：①洞室走向與引水隧洞平行；②洞室走向與引水洞縱垂直。

根據地質資料，選擇了合適的洞室方位，即洞室軸向與最大主應力平行。

對機電設備，尤其是變壓器的布局，考慮了2種方案：①變壓器布置在主廠房洞室中，與發電機組有效隔離；②變壓器布置在單獨洞室中。從安全和電站一般功能角度考慮，決定采用方案2。2個洞室的主要尺寸見表3。

表3 廠房與變壓器洞室主要尺寸 m

在發電洞室中，沖擊式水輪機的總裝機容量約為275 MW，發電機與所有附屬機電設備也在這一洞室中。變壓器洞室中的垂直電纜豎井長約500 m，將變壓器洞室與洞外開關站相連。

高地下水外水壓力存在潛在風險，通過2個洞室周圍不同高程的2個灌漿與排水廊道對其進行了處理。灌漿在廊道內進行，可降低洞室圍巖的透水性，從而減少地下水的內流，排水孔也可減輕高水壓帶來的風險。將2條廊道的集水一起排放到尾水渠中。對電站廠房的排水系統將增設一個泵站，并配備2臺潛水泵。

通往廠房洞室的交通洞長約1 500 m，為圓形拱頂，垂直基座寬為7 m。預先開挖的施工支洞與主洞相連，其中一個通向洞室頂拱。

廠房洞室的通風系統有一個室外通風站，通過通風井將新鮮空氣輸送到發電廠房(緊急情況下可以抽取空氣)內，垂直通風井長約500 m。在正常條件下，將由該系統來控制廠房內的濕度與溫度。如果發生火災，通風系統將通過交通洞來排出煙霧，以此確保發電廠房與緊急出口區域處于無煙環境。

4 設計與特殊處理措施

由于格拉馬洛特地區特殊的地質條件，且巖體結構較復雜，致使在電站廠房設計過程中遇到了一些特殊的問題。針對這些問題，諸如洞室走向、地下建筑物布置以及確保施工安全與運營期間的效率等關鍵問題，給予了充分的重視。

(1) 通過專題研究預測地應力與地應力場方向，包括沿預先確定的結構面進行水壓致裂法試驗。這在確定地下洞室方位時非常重要，根據這些參數可以優化洞室支護方案并改善其變形特性。

(2) 深入研究了發電廠房下15～20 m處軟弱巖層可能造成的風險，根據水力梯度對其特性進行模擬分析，采取特殊處理措施防止管涌或不均勻沉降的產生。

(3) 使用3D FEM程序對地下洞室的變形特性進行模擬研究，確定施工期的變形收斂與塑性區的擴展。

(4) 施工期涌水是該項目所面臨的問題之一。建筑物布置方案根據這一重要因素確定，充分利用施工洞作為運營期間的排水廊道。

4.1 發電廠房布置

發電廠房的布置很大程度上取決于鉆孔水壓致裂法試驗結果。結果表明，水平地應力的高值變化在8～11 MPa之間，作用方向在N85-N180之間；中間主應力σ2的方向不同，要么與垂直應力一致，要么與最小水平應力一致。與之前考慮情況相一致的是，最小主應力σ3的作用方向在2個孔中與垂直應力一致，而在其他情況下與小水平應力一致。因此，中間主應力與小主應力的作用方向是變化的，地質地形分析結果與直接檢測結果相吻合。地質調查發現在該區域存在一條斷裂帶，斷裂帶兩側有一組剪應力作用在水平面上，而垂直應力則較小，與靜應力條件相反。

廠房洞室長80 m，高40 m。洞室布置使長軸與水平主應力方向一致，使洞室長軸方向的收斂或者不穩定效應最小化。根據這些重要條件，調整了廠房洞室的方位，但考慮到水平面上高地應力的特殊條件，使用FLAC3D-3.0軟件對各工況進行了有限元分析，主要結果列于表4。

表4 地應力方位與廠房洞室方位有限元分析

有限元分析表明，對于不同工況，考慮地應力的變化，依據最大位移、塑性區擴展，建筑物的施工、運營與實際地質條件是相適應的。

高水平應力作用在洞室長邊墻的不利條件并不會影響洞室的整體穩定性，證明并支持了洞室所選擇的方位是合適的。

4.2 廠房底板下軟弱夾層

電站廠房底板以下15～20 m分布著水平粘土夾層，層厚為2～3 m，會對廠房穩定產生較大影響。因此進行了詳細研究。軟弱夾層特性參數如表5所示。軟弱夾層的膨脹潛勢采用衍射試驗測定。

表5 電站廠房底板以下軟弱層參數

為研究地下洞室施工開挖期與電站運營期的穩定性與發生管涌的可能性，進行了三維有限元分析。結果表明，洞室開挖過程中，以總應力與垂直位移來表征的塑性區擴展并不明顯，僅限于局部。因此可以證明，軟弱夾層不會受開挖的影響而產生較大變形，工程開挖也不會受軟弱夾層的影響。

對地下水滲透產生的高水壓以及地下水滲透經過廠房下伏軟弱夾層所形成的高水力坡降進行了研究。對地下洞室潛在的高外水壓力，將采用灌漿與地下洞室周圍開挖排水洞進行控制；對廠房洞室下伏巖體中存在的高水力坡降將采用固結灌漿進行處理，固結灌漿范圍包括洞室底板與軟弱夾層之間的巖體。經過巖體加固處理，對軟弱夾層不需要再進行排水處理，否則可能改變洞周有效應力的分布，并導致軟弱夾層變形。

使用Phase 2軟件進行的二維有限元分析，研究了作用在加固區下巖體(厚約5 m)中的水壓分布情況，分析步驟如下：

(1) 進行排水處理與不進行排水處理條件下的地下水滲流分析，通過分析作用在廠房洞室底板下地下水壓力的降低，對排水措施的效果進行評價。

(2) 確定水壓相關數值后，進行張力分析，確定高水力梯度在巖體內所產生的應力與總位移。

鉆孔中測定的地下水位埋深為200 m，也就是說地下水位高于發電廠房洞室310 m。在模擬廠房下加固巖層時使用了不同滲透系數值。

作用在廠房洞室下的水壓所引起的總位移為數厘米，所產生的總應力不超過7.5 MPa，與巖體的強度特性相適應，說明處理措施令人滿意。

5 結 語

大型水利水電工程的設計經常會面臨一些難題與復雜的條件。在M-SF與LU梯級水電項目中遇到了很多復雜的條件，包括地下廠房的設計、高外水壓力以及廠房洞室下軟弱夾層。詳細而具有針對性的研究以及對資料的專家級解讀可以提供解決問題的有效方案。

通過廣泛的實地調查與大量的室內試驗，以及對地下洞室的詳細分析，才能發現潛在的問題。實施的建筑物布置與地質問題的處理方案可以確保建筑物對地質條件的適應性，也可以確保施工人員的安全和設備的正常運行。