水電站地下廠房的發展探討

張健

摘 要：隨著我國水電事業的快速發展，水電站地下廠房建設的數量越來越多，其地下廠房的規模不斷增大，周圍的情況也變得復雜多變，因此，水電站地下廠房的發展受到水利工程開發者們的重點關注。文章通過介紹我國水電站地下廠房的情況，并結合某水電站地下廠房周圍的巖石結構，運用先進的技術，模擬巖石結構的穩定性，得出相關數據，為水電站地下廠房的監測提供依據，更好的促進水電站地下廠房的發展。

關鍵詞：水電站地下廠房；巖石結構；發展

隨著我國經濟和科學技術快速發展，水利水電工程已經取得很大的成就，逐漸成為世界水利發展的中心。其中，我國溪洛渡水電站被世界排名第三大水利發電站，世界最大規模的水電站地下廠房發電系統，這個水電站山體兩側都擁有著非常大規模的地下廠房，其內部有很多臺水輪發電組，總裝機容量也是相當龐大。我國的水電站地下廠房的特點：地下廠房的深度不斷增加、邊墻的高度不斷加寬和斷面尺寸不斷增大；地下廠房的結構非常復雜；擁有自己的一套龐大的系統；水電站地下廠房的建設情況與巖石結構的穩定性緊密相連，關系著我國水利工程的發展進程。

1 水電站地下廠房的構造

水電站地下廠房工程包括主廠房、主變室、尾水調壓室、引水系統、尾水排灌系統和通風系統共同組成。某水電站是一個抽水蓄能的調節型水電站，其水電站的構造由上水庫、下水庫、地下廠房等建筑物構成，內部有很多臺水輪發電組，總裝機容量超過1000MW，廠房內由主副廠房、各種水道系統等構成。

水電站地下廠房的穩定性關系其未來的發展，地下廠房的穩定性與巖石結構有著密切的關聯。以前，以主干上的巖石為主要壓力從而進行估計和測量，但是隨著地下廠房的深度及其結構的復雜，以前的壓力測量方法已經不能用于實際的工程當中，出現了以巖石散落為壓力的散體壓力理論；隨著科技的進步，出現了利用彈塑性理論分析測量巖石壓力的方法；直到六十年代，有人提出了支護和圍巖共同作用的彈塑性理論，進而將圍巖的各種算法、流變理論被廣泛的應用到水利工程中。新出現的這種方法大大減少了巖石的破壞程度、增加了巖石的承受能力，可以加快施工的進度和增加經濟收入。

2 巖石穩定的測量方法

2.1 圍巖分類法

這個又被稱為地質類比較法，在測量地下廠房巖石的穩定性中起著重要的作用。圍巖分類方法從工程地質出發，結合實際情況，分析擬建的地下廠房的綜合因素，對取得的資料進行綜合分析，從而評估出來地下廠房的巖石穩定性。

2.2 解析法

在巖石穩定分析時，經常使用復變函數法來進行彈性解析，被廣泛的應用到圓形隧洞的解析中。由于水電站地下廠房屬于地下工程，對淺埋隧道受地表和地面邊界荷載影響在數學上處理很困難，尤其對張裂狀態的巖體，更加的不適用。

2.3 數值分析方法

數值分析法是理論與實驗相結合，需要應用計算機技術作為依托的分析方法。以前的很多力學方法，比如古典結構力學和彈塑性力學，這些力學知識被應用到地下工程中，但存在著局限性，往往很多困難無法得到解決。數值分析法能對非常復雜的情況進行有效的分析，比如處在復雜的邊界條件或者多種荷載存在的時候，數值分析方法都有著不可替代的優勢。

2.4 物理模型分析法

這種分析方法和量綱分析法的原理相似，通過制作模型或者模擬實驗來確定巖石的穩定性。使用物理模型分析法主要可以模擬地下廠房真實的情況，提前預測出遇到的問題，尤其是在非常重要的復雜工程中。

2.5 系統工程法

這種方法突破了傳統的方法，傳統的方法只是將實際的工程進行細化分析，對地下廠房巖石的結構、地質進行分析，建立數學模型。地下的工程越來越復雜，傳統的方法無法克服其多變性和復雜性。這種系統工程法是將其分為很多個組成部分，再將其通過力學分析的方法將其進行系統的整合，建立起一個地下廠房內巖石穩定性控制的數學模型。這種系統工程方法與巖石力學的理論相結合，更加有效的對地下廠房做出分析。

3 水電站地下廠房的實際模型分析

（1）水電站地下廠房位于巖體中，使巖體中成為臨空面，從而形成地下空間，使其原來的天然巖體發生改變。由于其原有的巖體強度和巖體之間的力度發生改變，極容易使巖體出現失穩和變形。巖體出現失穩和變形現象是造成地下廠房不安全很重的因素。

（2）工程概況介紹。水電站地下廠房有主副廠房、母線洞、主變洞和尾水閘門洞等幾部分組成。主副廠房的長寬高分別為170m、22.5m、53.56m，主變洞長寬高分別問160m、76m、17.12m，其埋深均在200m以下。地下廠房的巖石結構主要由混合花崗巖石組成，貫穿在閃長沿脈、石英脈等山脈，廠房地址結構段層發育帶良好，各結構斷面之間沒有太大的連接，工程地質很好。

（3）利用三維空間設計計算模型及其計算數據。計算模型主要指主副廠房、主變室、母線洞和尾水隧洞，將模型的相關信息使用特定的工具進行識別，并將計算模型導入到特定工具當中，進行分析。

a.坐標系選擇：x軸為垂直于主廠房的方向（順水流的方向），向下游為正；y軸為主廠房方向（垂直于水流的方向）；z軸為垂直方向，向上為正。計算范圍（單位：m）為x值在-160到260之間，y值在-170到360之間，z方向取為負值，延伸至地面。b.模擬分析流程：首先，建立地下廠房、巖石圍擋、斷層的三維幾何模型；對三維幾何模型進行網格化分析；選擇巖體材料的基本模型，輸入地下廠房、巖石圍擋、斷層的相關數據；設置邊界約束條件；重新設定重力方向和重力加速度的大小，同時輸入巖石的密度；設定初始狀態時，外界施加外力；模擬工作時，地下廠房的實際情況，輸出相應的圖形。根據相應的圖形進行分析，預測出可能出現的狀況，并及時的解決其方案。c.通過以上方法獲得地下廠房的相關數據，用來判斷和評估地下廠房的應用效果，并且能了解施工過程中可能遇到的情況，及時進行調整，確保其安全的運營；通過以上數據分析，可以得出其安全監測的結果，應用于理論研究和分析，從而驗證當初的設計是否合理。

4 結束語

綜上所述，雖然水電站地下廠房的建設過程中遇到很多的問題，但是隨著科學技術的快速發展，很多問題都很好的解決，并且創造出很多先進的技術，文章當中，也對很多方法進行對比分析，并且進行總結，能夠看出先進的技術應用到實際工程中表現出更加合理、細致。曾經建造出來的溪洛渡地下工程，很多專家給予了很高的評價稱之為“藝術品”，其工程是世界的一大奇觀，右岸地下電站更加稱之為精品，是我國水電工程的驕傲之作。

參考文獻

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