白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂結構設計

趙修龍，萬祥兵，李良權，方 丹

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

0 概 述

在水電站地下廠房的布置中，主廠房吊頂與頂拱巖壁之間一般作為通風層，布置有風管或直接分隔成風道，所以吊頂的一個功能為通風層的樓面[1-2]。另外雖然頂拱布置有系統排水孔和排水管，但后期也會存在一定的潮濕和滲水，而吊頂可以防止頂拱巖壁的滲水直接滴入主廠房的設備層，影響機組的正常運行，所以吊頂的另一個功能也作為地下廠房的防水層[3- 4]。因地下廠房頂拱采用噴錨支護設計，開挖所形成凹凸不平且噴層面不光滑，不甚美觀，所以吊頂同時又具有地下廠房的裝飾層功能[5- 6]。所以廠房吊頂不僅要滿足通風、照明、上人等常規要求，而且還要滿足防腐、防水、排水、美觀等要求。

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，距巧家縣城45 km，距昆明約260 km，電站上接烏東德水電站，下鄰溪洛渡水電站[7- 8]。白鶴灘水電站發電廠房位于左、右岸地下山體中，各布置8臺單機容量1 000 MW的水輪發電機組，單機容量位居世界第一，電站總裝機容量為16 000 MW，是目前世界上在建規模最大的水電站[9-10]。白鶴灘水電站主廠房吊頂結構沿廠房縱軸線方向總長406 m，其中安裝場段、機組段分別長79.5、326.5 m，跨度為34 m，是目前世界上已建及在建跨度最大地下廠房吊頂結構，其中拱梁內半徑為27.225 m，頂高程為619.39 m，上下游邊墻拱梁底高程為613.20 m。

1 吊頂結構組成

白鶴灘水電站地下廠房吊頂結構采用外包鋼現澆混凝土疊合板梁結構，該結構由吊頂支撐系統(包括上下游兩側吊頂支撐柱、吊頂錨桿、吊頂拉桿)、外包鋼-混凝土拱梁、閉口壓型鋼板和混凝土肋板組成，吊頂結構見圖1。吊頂沿廠房縱軸線方向共布置118榀外包鋼-混凝土拱梁，拱梁中心間距為3.75 m。拱梁依靠上下游兩側吊頂支撐柱以及吊頂錨桿支撐，拱梁之間鋪設閉口壓型鋼板作為模板，其上澆筑混凝土肋板作為吊頂底板。

圖1 吊頂結構橫剖面示意(單位：mm)

2 吊頂結構設計

2.1 吊頂支撐系統結構設計

吊頂支撐系統由上下游兩側吊頂支撐柱、吊頂錨桿、吊頂拉桿所組成，作用在吊頂上的荷載通過拱梁傳遞給吊頂支撐柱及吊頂錨桿上。上下游兩側吊頂支撐柱為混凝土結構，位于已澆筑的巖壁吊車梁上[11-12]，吊頂支撐柱高度為7 890 mm，截面尺寸為500 mm×600 mm(高×寬)。支撐柱縱向間距為3.75 m，每38 m設置1道結構縫。吊頂錨桿采用三級鋼筋C32，長度為9 m，錨入頂拱巖體8 m，吊頂錨桿橫向布置間距為3 m或4 m，縱向布置間距同支撐柱縱向間距，吊頂錨桿需在廠房頂拱開挖期間同頂拱圍巖支護措施一同實施，前期作為頂拱圍巖支護的一部分，在拱梁澆筑時作為吊頂支撐體系一部分，后期可起固定風管并承擔風管荷載的作用。拱梁與吊頂錨桿之間通過吊頂拉桿連接，吊頂拉桿采用三級鋼筋C32，橫向、縱向布置間距同吊頂錨桿相應間距，長度需根據拱梁與吊頂錨桿之間距離進行確定。

2.2 吊頂拱梁結構設計

吊頂拱梁采用外包鋼-混凝土結構，拱梁斷面為矩形，設計尺寸為500 mm×650 mm，弧長為34.95 m，矢高約為5.4 m。拱梁由4榀通長等邊角鋼、限位箍筋、斜拉腹桿、內部對角加強角鋼等組成的空腹式鋼結構骨架，外包軋制薄鋼板，內部填充混凝土，形成拱梁完整結構，如圖2所示。梁端與上下游支撐柱頂預埋鋼構件連接形成雙鉸拱結構，梁上部與吊頂錨桿通過吊頂拉桿連接。鋼結構骨架中的4榀通長等邊角鋼型號選取∠125 mm×12 mm，限位箍筋為三級鋼筋C12，間距為150 mm，斜拉腹桿采用三級鋼筋C20，內部對角加強角鋼型號選取∠75 mm×8 mm，間距為1.5 m。外包軋制薄鋼板由包圍拱梁兩側及底部的3塊薄鋼板焊接而成，沿通長等邊角鋼長度方向通長布置，鋼板厚4 mm。拱梁內部填充混凝土強度等級為C30，混凝土內無需配筋。主廠房吊頂拱梁采用空腹式鋼結構骨架，制作簡便、安裝快捷，安裝完成后即可與吊頂錨桿共同承受施工期荷載，澆筑混凝土時無需額外的模板和施工支承排架，因而能快速施工，并減小施工干擾，給工程帶來極大便利。

圖2 吊頂拱梁結構橫剖面示意(單位：mm)

2.3 吊頂底板結構設計

壓型鋼板具有不需要加臨時支撐，可以代替板底鋼筋，作為組合樓板承擔受力，耐火性能優，并且不需要防火涂料，施工方便等優點，因而，吊頂底板采用壓型鋼板和混凝土肋板組合的形式。壓型鋼板施工期作為模板，承擔混凝土肋板的自重和上部的施工荷載，又是永久結構的一部分，與上部混凝土肋板共同承擔自重及上人等運行期荷載，壓型鋼板固定在兩側拱梁鋼骨架上，壓型鋼板上混凝土肋板與拱梁鋼結構骨架內部填充混凝土一同澆筑，澆筑后作為肋板結構的一部分[13]。其下表面光滑，顏色可根據廠房整體色彩匹配，整潔、大方美觀，不需另設裝飾吊頂板。壓型鋼板選用閉口壓型鋼板YXB65-185-555 (Q345鋼)，厚度為1.5 mm，斷面結構如圖3所示，其上澆筑120 mm厚C30混凝土肋板作為吊頂底板，為增加混凝土肋板承載余度以及減少混凝土肋板后期開裂，在混凝土肋板中配雙層鋼筋，其中面層配雙向C12鋼筋，間距150 mm，底層沿廠房縱軸線方向配單向C20鋼筋，間距92.5 mm。

圖3 閉口壓型鋼板結構斷面示意(單位：mm)

2.4 吊頂施工平臺設計

由于地下廠房具有跨度大、洞軸線長、施工荷載大等特點，吊頂施工時需要布置臨時的活動式施工平臺，以便吊頂施工順利開展[14]。吊頂施工完成后，吊頂施工平臺及其支撐體系均需要拆除以不影響永久橋機設備的正常運行。吊頂施工平臺為特種結構，其支撐體系需要承受極大的施工荷載，吊頂施工平臺支撐體系采用支撐柱上預埋鋼板(尺寸為850 mm×600 mm，厚20 mm)，并在鋼板上焊接鋼牛腿，鋼牛腿采用3片鋼支托鋼板(尺寸為200 mm/650 mm×450 mm，厚20 mm)，其上焊接平臺鋼板(尺寸為500 mm×450 mm，厚20 mm)，吊頂施工平臺采用鋼結構拼裝而成并支撐在支撐柱鋼牛腿上，吊頂施工平臺結構見圖4，支撐柱鋼牛腿細部結構見圖5。

圖4 吊頂施工平臺結構橫剖面示意(單位：mm)

圖5 支撐柱鋼牛腿細部結構示意(單位：mm)

3 結 語

本文對白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂結構進行設計，采用外包鋼現澆混凝土疊合板梁結構，由吊頂支撐系統、外包鋼-混凝土拱梁、閉口壓型鋼板和混凝土肋板等組成。其中，吊頂支撐系統由上下游兩側吊頂支撐柱、吊頂錨桿、吊頂拉桿所組成；外包鋼-混凝土拱梁由鋼結構骨架、外包軋制薄鋼板、內部填充混凝土做成，鋼結構骨架由通長等邊角鋼、限位箍筋、斜拉腹桿、內部對角加強角鋼等組成。吊頂施工時需布置臨時的活動式施工平臺，吊頂施工平臺支撐在支撐柱預埋鋼板上焊接的鋼牛腿上。

綜上所述，白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂結構由一整套完善可靠、承載能力強、安裝快捷方便的分部結構以及施工平臺所組成，不僅滿足了結構需要，還有力地保證了施工進度。該大跨度地下廠房吊頂結構具有一定的創新性，可供同類型地下廠房吊頂結構參考。