楊家灣水電站地面與地下廠房方案比選

【摘要】四川省阿壩州小金縣撫邊河楊家灣水電站廠房在設計過程中廠房布置方案有兩種方案，一種是地面廠房、另一種是地下廠房，本文通過從地形地質條件、水工建筑物布置、施工組織設計、工程占地、水土保持、工程運行安全及工程投資等方面對兩種方案進行綜合比較，給出兩個方案的優缺點以及建議，選定最優方案，其分析結果可供同類工程設計參考。

【關鍵詞】水電站；地下廠房；設計方案

1、工程概況及地質條件

1.1 工程概況

楊家灣水電站位于四川省阿壩州小金縣，為小金川支流撫邊河水電梯級規劃中第四級電站，上游為木坡電站，下游為猛固橋電站。電站為Ⅲ等中型工程，采用閘壩引水式開發，引水隧洞長11366.4m，額定引用流量53.4m3/s，裝機3×20MW，年發電量25752萬kW.h，年利用小時數4292h。

1.2 廠址地質條件

在可行性研究階段，主要考慮地下廠房和地面廠房兩種方案，兩個方案布置位置均處于撫邊河左岸耿大地溝下游約800m處，具體部位的地質條件分別如下：

（1）地下廠房方案地質條件

主廠房一帶地面高程2420～2580m，地形坡度35～45°。表層覆蓋約1m厚的崩坡積的塊碎石土，主要分布于周邊小的沖溝一帶，下伏基巖為侏倭組（T3zh）的變質砂巖與砂質板巖不等厚互層巖體，含炭質板巖。廠房頂拱上伏巖體厚度110～140m，微新巖體厚度為廠房最大跨度的7～9倍。側向水平埋深130～155m。廠房頂拱和四周廠壁均位于新鮮的侏倭組（T3zh）變質砂巖與砂質板巖夾炭質板巖不等厚互層巖體中，廠壁巖體主要為薄～互厚層狀結構。根據圍巖分類評判標準，頂拱、長軸邊墻主要為Ⅲ類，短軸邊墻為Ⅳ類，具備地下廠房的開挖條件。

（2）地面廠房方案地質條件

廠房外側緊靠主河道，傍山側為一凹槽地形，溝口寬度8～10m，切割深度3～5m，沖溝溝口覆蓋層厚度2～3m，組成物質為坡洪積堆積之塊碎石土，下伏基巖為三疊系侏倭組（T3zh）之變質砂巖與砂質板巖不等厚互層巖體，且以砂質板巖為主，巖層產狀為N45°W/NE∠85°。

廠基巖體主要為侏倭組（T3zh）的砂質板巖與變質砂巖不等厚互層，屬弱風化～微新巖體，較完整，地基承載力和變形指標滿足設計要求。由于廠房開挖時形成的基坑深度達8.3m，且廠房長軸方向與區內巖層走向交角較小，約15°，且坑壁巖體為薄層～互層狀，結構面主要為層面，其余裂隙不甚發育，存在基坑上下游側壁巖體沿層面產生掉塊、剝落的工程地質問題。

廠房后坡為一凹槽沖溝地形，延伸長度約550m，沖溝兩側分水嶺寬度一般為80～120m，溝口附近寬度約50m。溝口位于撫邊河左岸，高程約2416m，后緣高程約2900m，相對高差達500m。溝內常年有流水，流量在0.02～0.05m3/s。廠房后坡巖層近于直立，未見有巖體卸荷變形現象。2465m以上沖溝內分布的坡積堆積層，其厚度不大，最深約5m，總方量約1.5萬m3，其受溝內常年流水影響，尤其在廠房開挖切腳后，其前緣穩定性差，需采取支擋和排水措施。

2、廠區建筑物布置方案比較

2.1 地下廠房方案樞紐布置

地下廠房位于撫邊河左岸耿大地溝下游約800m處山體內，主要建筑物有主廠房、副廠房、尾水建筑物、GIS室、進廠交通等。廠房縱軸線在平面上與撫邊河流向約29°夾角，從左至右依次布置主廠房及副廠房，GIS室位于主廠房下游側，進場交通洞布置在安裝間左側。

（1）廠房軸線選擇

根據地應力測試結果，廠房地段地應力最大主應力量值為11.67～13.36MPa，平均為12.66MPa；最大主應力方位為N73°W～N80°W，總體方向為N77°W，為近EW向，此方向與區域構造應力場最大主應力方向接近，量值為中等偏低應力場環境。

根據主廠房附近取樣點的主應力的量值和方位計算主廠房洞室周邊的坐標應力分量分析，廠房軸線北偏東70°對廠房布置最有利，選擇廠房軸線方位為北偏東70°。

（2）發電廠房。廠房從左至右呈“一”字形排列，分別布置安裝間、主機間及副廠房，總長59.44m。其中主機間長36.02m、安裝間長10.7m、副廠房長12.72m。廠內安裝三臺單機容量20MW的混流式發電機組和一臺跨度為12.5m的75t/20t雙小車橋機。主機間最大高度34.07m，安裝間最大高度26.0m。

主機間共分三層，從下至上依次為蝶閥層、水輪機層、發電機層。安裝間位于主機間左側。副廠房位于主機間右側，從下至上共四層：底層布置有廠變室、電器檢修室、蓄電池室等房間，二層布置有低壓配電室，三層布置有通信室、計算機室、電纜室等房間，四層布置有中控室，副廠房頂部設通風洞。

（3）GIS室。GIS室布置在主廠房下游，通過長32m的電氣廊道與主廠房相連。凈寬12.0m，共兩層，底層布置兩臺主變壓器；上層布置GIS設備。GIS室左側為交通廊道，右側上部布置出線洞。

（4）排風洞及出線洞。排風洞布置在副廠房右側頂拱邊墻靠洞口側布置有排風機室；出線洞布置在GIS室右側頂拱邊墻。為減少工程量及投資，出線洞與通風洞在高程約2436.8m交匯，至出口2443m高程共用一條隧洞。

（5）尾水建筑物。尾水建筑物由尾水洞、尾水閘室、啟閉平臺等組成。尾水段出口51m范圍內為有壓尾水洞。有壓尾水洞后接尾水閘室，尾水平臺上設啟閉平臺的排架，啟閉平臺上設固定式卷揚機用作啟閉尾水檢修門。尾水檢修門后通過漸變段與無壓尾水洞銜接，3條尾水洞呈“卜”字型匯合后注入撫邊河。

（6）進廠交通。進場交通由廠房上游約350m處右岸架跨度50m的交通橋到達左岸，經過長約308m的交通洞進入主廠房。在進口約191m和234m分出兩個岔口，分別進入尾水平臺和GIS室。

（7）廠房圍巖支護及排水設計。地下廠房區內水文地質條件較簡單，地下水主要為基巖裂隙水，地下滲水活動弱，為了滿足運行條件，對主洞室四周采用襯砌混凝土結構襯砌，在廠房邊墻及頂拱設置φ10的排水孔。

2.2 地面廠房方案樞紐布置

地面廠房方案廠區主要建筑物有主廠房、GIS室、尾水建筑物、調壓室、壓力鋼管及進廠交通洞等。地面廠房緊靠主河道，傍山側為一凹槽地形，從廠房出水順暢、減少邊坡開挖等方面考慮，廠房縱軸線與撫邊河基本垂直，尾水水流平順注入撫邊河。

（1）發電廠房。廠房總長40.02m，寬37.2m，從左至右呈“一”字形排列，分別布置主機間及安裝間，主機間長37.52m，最大高度32.28m，安裝間長11.5m，最大高度24.6m。

（2）GIS室。GIS室布置在主機間下游，電氣廊道之上，長33m，寬 12.8m，GIS樓共四層布置。底層布置有兩臺主變壓器；二層布置有GIS設備；三層為電纜層；四層為中控層。 GIS屋面及樓頂布置有220kV出線設備。

（3）尾水。尾水渠底寬23.7m，以1：3反坡直接匯入撫邊河。

（4）調壓室。調壓室為阻抗式，內徑10～11.6m，高86.1m，調壓井下游設置檢修蝶閥室。

（5）壓力管道采用埋藏式，采用一管三機方式，由上平段、斜井段、下平段組成，主管總長339.7m，內徑3.6m。

（6）進廠交通。由于廠房發電機層與右岸省道的相對高差約為30m，選取廠房上游約350m處右岸架跨度50m的交通橋通過左岸的方式進廠。由于廠房處校核洪水位高于發電機層高程，為避免公路被洪水淹沒，因此采用隧洞進廠的方式。

（7）邊坡處理。根據廠房處的地質條件，同時為了盡量較少廠房開挖，降低邊坡高度，設計采用“少開挖、強支護”的措施。廠房頂高程2436.4m以下位于微新巖體下，采用垂直開挖；高程2436.4m以上至強風化下限開挖邊坡為1：0.3；強風化至原地面邊坡為1：0.5。根據地形特點，共分三級馬道，為防止巖體切腳后造成上部邊坡失穩，采用噴錨支護的方式。

（8）河道整治。根據水工建筑物的布置，廠房靠近岸邊，為了不影響河道行洪，同時為施工導流預留空間，因此，需對河道進行整治。整治范圍為廠房上游20m至尾水出口20m范圍內，總長約100m，整治寬度28.8m。

3、廠房經濟技術指標對比

地面廠房及地下廠房均位于耿大地溝下游約800m處，現從地形地質條件、水工建筑物布置、施工組織設計、工程占地、水土保持、工程運行安全及工程投資等方面進行綜合比較，選定最優設計方案。

3.1 工程地質條件

地下廠房包含的各洞室大部分位于新鮮巖體中，圍巖以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類，主廠房最大開挖跨度小于14m，高度34m，規模相對較小，具備較好的成洞條件。地面廠房位置后坡表層巖體受風化卸荷影響，開挖坡高達80m，且地形狹窄，需要改造河道，開挖工程量大，開口線以上分布的土層永久穩定問題及上部卸荷危巖的處理等問題較突出。兩個方案都是可行的，但從工程地質條件綜合考慮，地下廠房方案略優于地面廠房方案。

3.2 工程布置

受地形條件限制，地面廠房布置位置狹小，需進行高邊坡開挖，廠房后坡表層巖體受風化卸荷影響，處理難度和工程量均較大；而地下廠房方案圍巖主要為Ⅲ類，部分Ⅳ類，主廠房最大開挖跨度小于14m，高度34m，規模相對較小，具備較好的成洞條件。因此，從水工建筑物布置方面看，地下廠房優于地面廠房方案。

3.3 施工組織設計

從施工導流方面來看，地下廠房方案將尾水洞作為廠房下部施工的施工通道，全年施工，需修岸邊圍堰進行保護施工，廠房施工導流前期預留巖坎擋全年洪水；后期在尾水洞出口部位采用編織袋裝粘土圍堰擋水，岸邊束窄河床的導流方式。地面廠房方案采用束窄河床的導流方式。施工前期，在廠區修筑砼圍堰擋水，右岸束窄河床過流，廠房基坑在砼圍堰的保護下施工， 后期利用已建的廠區防洪墻和尾水閘門進行擋水，繼續進行廠房的施工。地下廠房導流布置和導流建筑物簡單、不影響廠房工期；地面廠房導流平面布置和導流建筑物設計較復雜，施工難度較大，工程投資高，且一期導流時段較緊張，直接制約地面廠房的施工進度。因此，從導流方面來看，地下廠房工期風險較小。

從規劃工期上看，地下廠房方案從永久進廠交通洞、出線洞和通風洞的開挖到地下廠房的開挖、橋機安裝、砼澆筑、機電設備安裝、調試共32個月；地面廠房方案從開挖、砼澆筑、機電設備安裝、調試運行共26個月。但從施工總工期來看，由于電站主體工程總工期為36個月，關鍵控制工期是引水隧洞，因此兩個方案對施工總工期均無影響。

3.4 水土保持及工程占地

地面廠房存在高邊坡開挖，土石方開挖量較大，經土石方平衡計算，施工棄渣較地下廠房方案增加13.35萬m3（堆方），施工臨時占地增加2.03hm2。水土保持費用、渣場整治費用及工程占地費用相應增加，從水土保持及工程占地方面來看，地下廠房較優。

3.5 廠房運行安全

地下廠房處于山體內部，建成后對廠房運行無影響；地面廠房后坡為巖質邊坡，部分坡面有少量覆蓋層，自然邊坡高度大于400m，坡度為50°～70°，中間無任何緩沖平臺。該自然邊坡目前整體穩定，但邊坡上部分覆蓋層坡度較陡，在大暴雨及地震工況下，可能產生滑塌現象，對地面廠房運行安全造成極大影響。因此，從廠房運行安全因素來說，地下廠房較優。

3.6工程投資的比較

通過測算，地下廠房方案總投資為15061萬元，地面廠房方案總投資為14796萬元，兩方案相對投資僅差265萬元，占總投資的比例很小，投資不是廠房方案選擇的主要因素。

綜上所述，從地形地質條件、水工建筑物布置、施工組織設計、工程占地、水土保持、工程運行安全及工程投資等方面進行綜合比較，地下廠房方案略優。

4、結語

由于右岸廠址方案會嚴重影響省道交通，業主只能在左岸廠址方案中擇優選擇廠房方案。地面廠房及地下廠房兩個方案對業主而言都是可行的，但地面廠房最大的優勢在于自身工期較短，卻由于廠房本身不屬于電站的關鍵工期而體現不出優勢，而地下廠房方案在工程占地、安全運行上較有優勢，從地質條件看也具備較好的成洞條件，所以綜合考慮之下業主選擇了地下廠房方案。

參考文獻：

[1]DL5180-2003，水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準[S].

[2]GB50201-94，防洪標準[S].

[3]SL 266-2001，水電站廠房設計規范[S].