水電站地下廠房的發(fā)展探討

張健

摘 要：隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，水電站地下廠房建設的數(shù)量越來越多，其地下廠房的規(guī)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(fā)展受到水利工程開發(fā)者們的重點關(guān)注。文章通過介紹我國水電站地下廠房的情況，并結(jié)合某水電站地下廠房周圍的巖石結(jié)構(gòu)，運用先進的技術(shù)，模擬巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，為水電站地下廠房的監(jiān)測提供依據(jù)，更好的促進水電站地下廠房的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水電站地下廠房；巖石結(jié)構(gòu)；發(fā)展

隨著我國經(jīng)濟和科學技術(shù)快速發(fā)展，水利水電工程已經(jīng)取得很大的成就，逐漸成為世界水利發(fā)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(fā)電站，世界最大規(guī)模的水電站地下廠房發(fā)電系統(tǒng)，這個水電站山體兩側(cè)都擁有著非常大規(guī)模的地下廠房，其內(nèi)部有很多臺水輪發(fā)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(jié)構(gòu)非常復雜；擁有自己的一套龐大的系統(tǒng)；水電站地下廠房的建設情況與巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性緊密相連，關(guān)系著我國水利工程的發(fā)展進程。

1 水電站地下廠房的構(gòu)造

水電站地下廠房工程包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、引水系統(tǒng)、尾水排灌系統(tǒng)和通風系統(tǒng)共同組成。某水電站是一個抽水蓄能的調(diào)節(jié)型水電站，其水電站的構(gòu)造由上水庫、下水庫、地下廠房等建筑物構(gòu)成，內(nèi)部有很多臺水輪發(fā)電組，總裝機容量超過1000MW，廠房內(nèi)由主副廠房、各種水道系統(tǒng)等構(gòu)成。

水電站地下廠房的穩(wěn)定性關(guān)系其未來的發(fā)展，地下廠房的穩(wěn)定性與巖石結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。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(jié)構(gòu)的復雜，以前的壓力測量方法已經(jīng)不能用于實際的工程當中，出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)濟收入。

2 巖石穩(wěn)定的測量方法

2.1 圍巖分類法

這個又被稱為地質(zhì)類比較法，在測量地下廠房巖石的穩(wěn)定性中起著重要的作用。圍巖分類方法從工程地質(zhì)出發(fā)，結(jié)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(wěn)定性。

2.2 解析法

在巖石穩(wěn)定分析時，經(jīng)常使用復變函數(shù)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(shù)學上處理很困難，尤其對張裂狀態(tài)的巖體，更加的不適用。

2.3 數(shù)值分析方法

數(shù)值分析法是理論與實驗相結(jié)合，需要應用計算機技術(shù)作為依托的分析方法。以前的很多力學方法，比如古典結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)值分析方法都有著不可替代的優(yōu)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(wěn)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(tǒng)工程法

這種方法突破了傳統(tǒng)的方法，傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)、地質(zhì)進行分析，建立數(shù)學模型。地下的工程越來越復雜，傳統(tǒng)的方法無法克服其多變性和復雜性。這種系統(tǒng)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(tǒng)的整合，建立起一個地下廠房內(nèi)巖石穩(wěn)定性控制的數(shù)學模型。這種系統(tǒng)工程方法與巖石力學的理論相結(jié)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(fā)生改變。由于其原有的巖體強度和巖體之間的力度發(fā)生改變，極容易使巖體出現(xiàn)失穩(wěn)和變形。巖體出現(xiàn)失穩(wěn)和變形現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)段層發(fā)育帶良好，各結(jié)構(gòu)斷面之間沒有太大的連接，工程地質(zhì)很好。

（3）利用三維空間設計計算模型及其計算數(shù)據(jù)。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(guān)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(wǎng)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(guān)數(shù)據(jù)；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(tài)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(jù)相應的圖形進行分析，預測出可能出現(xiàn)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(guān)數(shù)據(jù)，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(diào)整，確保其安全的運營；通過以上數(shù)據(jù)分析，可以得出其安全監(jiān)測的結(jié)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(jié)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(shù)的快速發(fā)展，很多問題都很好的解決，并且創(chuàng)造出很多先進的技術(shù)，文章當中，也對很多方法進行對比分析，并且進行總結(jié)，能夠看出先進的技術(shù)應用到實際工程中表現(xiàn)出更加合理、細致。曾經(jīng)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(shù)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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[2]院淑芳.水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析及安全評價[D].華北水利水電大學，2013（5）.