旭龍水電站引水發電建筑物布置設計

陳銳 陳舞 孫海清

摘要：旭龍水電站工程地處高地震烈度區，為解決引水發電建筑物布置設計面臨的洞室群數量多、規模大、主洞室間距小、壩址區局部高地應力及存在斷層等難點問題，結合地形地質條件和樞紐建筑物總體布置，依據相關規程規范，采用工程類比、三維精細數值仿真等技術手段，有效處理了進水口、引水隧洞、主洞室及附屬洞室、尾水隧洞、尾水出口等重點部位布置及支護參數設計、圍巖穩定分析等技術問題，確定了技術可行、經濟合理的引水發電建筑物布置格局。研究成果可為同類引水發電建筑物布置設計提供參考。

關鍵詞：引水發電建筑物布置； 工程類比； 數值仿真； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV732

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.009

文章編號：1006-0081（2024）05-0049-07

0 引言

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發方案中的第十二級，為西電東送骨干電源點之一［1］。

在電站引水發電建筑物設計中，主要面臨洞室群數量多、規模大、主洞室間距小、壩址區局部高地應力及存在斷層等難點問題。如何確定技術可行、經濟合理的引水發電建筑物布置格局具有重要意義。目前國內外對大型水利水電工程引水發電建筑物總體布置設計論述見烏東德［2］、卡洛特［3］、長河壩［4］、南歐江五級［5］、烏江構皮灘［6］、清江水布埡［7-8］、三峽工程［9］等水電站相關報道。本文以旭龍水電站為例，論述引水發電建筑物總體布置及典型部位設計成果，以便為同類工程提供參考。

1 工程概況

旭龍水電站工程開發任務以發電為主，并促進當地經濟社會發展。樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發電建筑物和過魚設施等組成，見圖1。電站采用布置在主河床右岸的引水式地下廠房，共安裝4臺單機容量600 MW混流式水輪發電機組，總裝機容量2 400 MW。引水發電建筑物總體布局為引水隧洞單機單洞，尾水隧洞二機一洞，主廠房、主變洞、調壓室三大洞室相互平行。主要建筑物有進水口、引水隧洞、地下廠房、母線洞、主變洞、交通出線豎井、通風洞、尾水隧洞、尾水平臺、出線場、交通洞及廠外排水系統等，如圖1所示。

2 地形地質條件

旭龍水電站壩址區地處滇西北橫斷山山地，位于金沙江褶皺束（Ⅲ21）內，區域斷裂構造發育。壩址區右岸出露基巖為三疊系印支期侵入花崗巖（γ15）、中元古界雄松群三段（Pt2x3）混合巖和斜長角閃（片）巖。引水洞上平段巖性以混合巖為主，斜井段為混合巖及花崗巖，下平段巖性均為花崗巖。主廠房圍巖以花崗巖為主，少部分混合巖、斜長角閃巖；主變洞圍巖以灰白色中細粒花崗巖為主，近岸側為灰黑色斜長角閃巖脈體；尾水調壓室圍巖以灰白色中細粒花崗巖為主，近岸側為灰黑色斜長角閃巖脈體；尾水洞地層為印支期灰白色花崗巖，巖質堅硬、強度高。巖體較完整，局部破碎；花崗巖中局部夾有深灰色混合巖捕虜體，呈條帶狀展布等。

3 進水口布置設計

從大壩布置、邊坡規模及邊坡結構、引水線路布置、引水隧洞布置等方面綜合考慮，電站進水口采用岸塔式，布置在右壩肩上游，縱軸線方向NW38°，距壩頂軸線最小距離約65 m。旭龍水電站工程地處高地震烈度區，進水塔擬采用墩墻式鋼筋混凝土結構保證其整體穩定。單塔寬為30.0 m，順水流向長26.0 m，塔頂高程2 308.0 m（與壩頂同高），建基面高程2 265.0 m，塔高43.0 m。進水塔順水流向分為攔污柵段、進水倉段和喇叭口段，依次布置攔污柵槽、檢修閘門槽、快速事故閘門槽。單個進水塔布置5孔攔污柵，攔污柵單孔寬度為4.32 m；攔污柵邊墩厚1.20 m，中墩厚1.50 m，墩長4.50 m；攔污柵墩尾距進水口擋水胸墻4.0 m，柵墩與胸墻間由支撐梁連接。

進水口邊坡支護設計過程中，充分考慮了邊坡可能破壞模式，采用掛網噴混凝土、普通砂漿錨桿、預應力錨桿、預應力錨索等綜合加固措施。

4 引水隧洞布置設計

引水隧洞采用單機單洞，4條隧洞平行布置。隧洞采用水力特性和受力條件較好的圓形斷面，平面上采用直線-弧線-直線布置，平面上入口軸線垂直于進水塔，出口軸線垂直于主廠房，1～4號引水隧洞平面弧段半徑分別為60.0，90.0，120.0，150.0 m，為圓心角86.64°的同心圓；立面上由上平段（含漸變段）、上彎段、斜井段、下彎段和下平高壓段（含漸變段）組成，不設調壓室，上下彎段半徑30 m。

上平段中心高程2 274.40 m，下平高壓段出口中心高程同裝機高程，為2 132.00 m。引水隧洞單洞長度為407.90～549.65 m，其中上平段長146.58～288.33 m、斜井段（含上、下彎段）長度均為192.62 m，下平段均長68.70 m。

引水隧洞進口設方變圓漸變段，長20.0 m，上平段至斜井段洞身段直徑為10.8 m，開挖洞徑12.6～13.1 m，相鄰隧洞軸線間距30.0～32.0 m，洞間巖柱厚17.4～18.9 m，為開挖洞徑的1.38～1.44倍；下平段穿過帷幕線，在4.0 m處（距離廠房上游邊墻64.7 m）起設鋼襯段，在20.2 m處設15.0 m漸變段，隧洞直徑由10.8 m變為8.4 m，后與蝸殼相接。

引水洞上平段巖性以混合巖為主，斜井段為混合巖及花崗巖，下平段巖性均為花崗巖。Ⅱ類圍巖約占隧洞總長的87%左右，少部分Ⅲ類與Ⅳ類圍巖分別占隧洞總長的8%、5%左右。Ⅲ類圍巖主要分布于混合巖與花崗巖交界一帶以及斷層帶附近；Ⅳ類圍巖主要分布于f10斷層帶附近及局部云母富集帶。

根據洞身段地質條件，參考同類工程經驗，隧洞初期支護以錨桿噴混凝土為主，全洞段噴素混凝土10 cm；Ⅱ類圍巖洞段系統錨桿規格為Φ28 mm，L=6 m@2.0×2.0 m系統錨桿；Ⅲ類圍巖系統錨桿規格為Φ28 mm，L=6 m@1.5×1.5 m系統錨桿；Ⅳ類圍巖洞段根據實際情況，先采用I20a@1.0 m及超前錨桿進行加固后，再布置Φ28 mm，L=6 m@1.0×1.0 m系統錨桿。隧洞局部穿越云母富集帶、斷層軟弱等部位，依據現場實際情況隨機增設鋼支撐進行加強支護，局部采用混凝土置換；并根據圍巖與斷層之間的相對關系，增設隨機錨桿等措施進行加固。

引水隧洞除下平段壓力鋼管段外，均采用鋼筋混凝土襯砌。參照國內同類工程經驗（表1），以及本工程內外水水頭，襯砌厚度設計如下：進口漸變段（加固段）厚度1.5～2.0 m；洞身段Ⅱ、Ⅲ類圍巖部位厚度0.8 m，Ⅳ類圍巖部位主要位于下平段，考慮到可能位于局部高地應力區，襯砌厚度為1.2 m（除回填置換部分外）。

5 主洞室及附屬洞室布置設計

旭龍水電站主廠房、主變洞和尾水調壓室等三大洞室平行布置，主廠房與主變洞洞間巖體厚度為40 m，主變洞與尾水調壓室洞間巖體厚度為33.5 m。電站主廠房頂拱跨度29.9 m，巖錨梁以下跨度27.7 m，主廠房最大開挖尺寸為204.0 m×29.9 m×79.3 m（長×寬×高）；主變洞最大開挖尺寸175.2 m×18.5 m×25.0 m；尾水調壓室為阻抗式長廊型，調壓室前尾水隧洞為一機一洞、調壓室后為兩機一洞布置，調壓室最大開挖尺寸為161.5 m×20.0 m×87.6 m，調壓室間巖體厚度為16 m。

5.1 主洞室地質條件及主要工程地質問題

主廠房圍巖以花崗巖為主，少部分混合巖、斜長角閃巖，中部4臺機組布置區為花崗巖，近岸側副安裝場為斜長角閃巖脈體，山內側主安裝場為混合巖。主廠房Ⅱ類圍巖占總長度的85%，Ⅲ類圍巖占總長度的15%，Ⅲ類圍巖分布地段主要為斷層或裂隙發育區、混合巖或斜長角閃巖與花崗巖分界附近。主變洞圍巖以灰白色中細粒花崗巖為主，近岸側為灰黑色斜長角閃巖脈體。Ⅱ類圍巖占總長度的21%，Ⅲ類圍巖主要分布于f3斷層、走向NE30°～50°的裂隙密集帶及斜長角閃巖。尾水調壓室圍巖以灰白色中細粒花崗巖為主，近岸側為灰黑色斜長角閃巖脈體。尾水調壓室洞室Ⅱ類圍巖占83%，Ⅲ類圍巖占17%［10］。

三大洞室主要工程地質問題：① 存在局部高地應力現象，尾水調壓室下游范圍內最大水平主應力范圍主要為4.1～32.5 MPa，最小水平主應力范圍主要為2.8～18.1 MPa，為中等至高地應力水平。部分洞壁可見片幫、剝離等應力釋放現象，見圖2（a）；勘探鉆孔局部見巖芯餅化現象，零星隨機分布，見圖2（b）。② 斷層附近邊墻及拱座變形穩定問題，f3斷層與尾水調壓室、主變洞均小角度相交，斷層帶寬0.2～0.3 m，構造巖主要為碎裂巖，原巖為花崗巖或斜長角閃巖，較破碎，膠結一般；主斷面為厚0.1～2.0 cm斷層泥，局部為鈣質及巖屑。

5.2 主洞室支護參數設計及圍巖穩定分析

根據相關資料，統計了中國部分已建大型水電站主廠房規模和部分已（在）建地下廠房洞室間巖體厚度與主廠房開挖高度關系，分別見表2和表3。可以看出，旭龍水電站主廠房高度位居前列，跨度位居中間水平，屬于規模較大電站，洞室間巖體厚度小，因此，研究如何保證三大洞室整體穩定具有重要意義。

基于此，采用工程類比法［11-12］，擬定了主洞室的支護方案，見表4。基于彈塑性圍巖理論，建立了三維有限元數值分析模型（圖3），對旭龍水電站三大洞室開挖程序、支護時機等進行了精細模擬，對洞室群施工期、運行期圍巖的位移場、應力場及塑性區特征進行了系統分析。

計算結果表明：擬定的支護參數可有效抑制洞周圍巖變形、主拉應力區分布范圍、塑性區深度及體積，其中，洞室群開挖完成后，洞周圍巖最大變形僅2.5 cm，較無支護方案降低約21.9%；主拉應力區僅集中在局部洞口交叉部位；與無支護方案相比，塑性區總體積減小21.46萬m3，施加支護后，圍巖受力條件得到明顯改善，三大洞室之間不存在塑性貫通區，支護對洞周圍巖塑性區深度影響顯著，支護的施加抑制了圍巖卸荷松弛區向深部的擴展和轉移；主廠房錨桿應力最大值分別為183 MPa；主變洞錨桿應力最大值分別為158 MPa；調壓室錨桿應力最大值分別為233 MPa、三大洞室錨索受力均不大于1 900 kN，在設計允許強度范圍內。整體而言，針對三大洞室主要工程地質問題，當前支護方案條件下，洞室群整體穩定性較好。此外，針對局部高地應力區，開挖期擬采用先導孔洞等釋放地應力、灑水、錨索加固等綜合治理措施；針對斷層附近邊墻及拱座變形穩定問題，施工過程中，將結合開挖揭露的斷層情況，對局部邊墻錨索進行加長處理。

5.3 附屬洞室布置設計

（1） 高壓電纜洞。高壓電纜洞布置在主變洞左側端部，布置方式為先平洞后豎井，平洞斷面為城門洞型，開挖尺寸為9.8 m×10.5 m，下部通過電纜平洞與豎井連接，上部豎井直接與開關站相接。豎井Fig.3Numerical calculation model for underground powerhouse段為矩形斷面，開挖斷面為10.6 m×10.0 m（長×寬），其內布置有電梯井、樓梯、高壓電纜井、中低壓電纜井和通風井等。

（2） 通風及排風（煙）洞。地下電站新風由高程2 308.0 m壩肩連接平臺依次通過通風平洞、通風豎井、通風機房接入副安裝場頂拱，再通過設在主廠房頂拱的通風管道送入主廠房、主變洞等洞室；地下廠房排風、主變洞排煙通過排風（煙）系統排至廠外，主變洞排風（煙）洞由3號施工支洞兼用；主廠房排風（煙）洞由2號施工兼用。

地下電站通風系統布置于副安裝場左端頭，由通風豎井接至高程2 308.0 m，通過平洞與壩肩公路平臺連接。豎井為圓形，通風平洞及空調機房為城門洞型。空調機房斷面尺寸為16.50 m×29.90 m×8.1 m（長×寬×高），通風豎井直徑為6.0 m，通風平洞斷面尺寸為7.0 m×7.0 m（寬×高）。

主變洞排風（煙）通道利用布置在主變洞下游側的3號施工支洞。通風機房布置在主變洞副廠房2 164.4 m層，與排風（煙）洞段連接。排風（煙）洞為城門洞形，斷面尺寸為8.0 m×6.0 m（寬×高），中間隔40 cm厚混凝土墻，另一側兼做逃生通道，直接與地面相接。

（3） 交通洞。進廠交通洞洞口位于尾水平臺下游約85.0 m處，與廠內2號公路相接，洞口高程約2 169.50 m，由下游側垂直廠房縱軸線進入靠山內側布置的主安裝場。交通洞全長約562.38 m，最大縱坡約6.3%，斷面為城門洞型。受轉輪直徑運輸控制，擬定交通洞凈斷面尺寸為9.5 m×8.1 m（寬×高），是地下廠房廠內主要逃生通道。

尾水調壓室交通洞進口位于尾水出口上游側約50.0 m處，與調壓室左側閘門操作平臺相接。交通洞全長約216.40 m，斷面為城門洞型，凈斷面尺寸為8.0 m×6.5 m（寬×高）。

6 尾水隧洞布置設計

尾水隧洞由調壓室由上游尾水支洞和下游尾水主洞兩部分組成，尾水支洞采用單機單洞，共4條；尾水主洞采用兩機一洞，共2條，支洞、主洞均平行布置。

尾水主洞斷面為城門洞型，凈尺寸為13.5 m×17.6 m（寬×高）。隧洞入口底高程2 110.4 m，出口底高程2 126.0 m，與尾水塔流道高程相同，為2 126.0 m；出口設20.0 m長城門洞漸變段，隧洞出口軸線與尾水塔呈75°斜交。1號、2號尾水主洞長分別為340.97 m、268.40 m。

尾水支洞分兩段布置，即自主廠房下游邊墻起37.50 m范圍為尾水管擴散段，稱為尾水支洞第一段，第一段末端至調壓室上游邊墻為連接段，稱為尾水支洞第二段。尾水管擴散段流道底板高程2 104.85 m；尾水支洞連接段長56.5 m，凈尺寸為10.7 m×17.6 m（寬×高），連接段出口軸線垂直于調壓室，高程2 110.40 m，4條尾水支洞均長94 m。

尾水隧洞段有跨江大斷層f1及其影響帶斜交穿越（圖4）。該斷層帶寬2～6 m，構造巖以碎裂巖及碎粉巖為主，膠結差；上下主斷面均見連續發育、厚5～20 cm的斷層泥；主斷帶兩側形成寬15～25 m的影響帶，平行斷層的裂隙發育，帶內巖體較破碎，為Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，隧洞成洞條件差，穩定性差。施工過程中，開挖擬采用鋼拱架、超前錨桿等綜合加固措施，鋼拱架型號為I20a，初噴鋼纖維混凝土8 cm，掛網φ6@20 cm×20 cm，復噴素混凝土7 cm。對下部采用混凝土鍥形或者倒梯形體置換、局部增加錨筋樁等綜合措施。

7 尾水出口布置設計

結合地形地質條件，從運行管理、邊坡規模、工程投資等方面綜合考慮，尾水出口采用岸塔式，布置在大壩下游約570 m處，距離二道壩最小距離215 m。尾水平臺采用鋼筋混凝土墩墻結構以保證整體穩定。尾水平臺與尾水洞軸線夾角為75°，緊貼邊坡呈“一”字形排列，平臺尺寸為64.0 m×20.0 m（長×寬），塔高45.0 m，為鋼筋混凝土墩墻結構，流道底坎高程2 126.0 m，底板厚4.0 m，建基面高程2 122.0 m，塔頂高程2 167.0 m，正面邊坡設8.0 m寬馬道，作為右岸2號公路一部分，與上下游相接。

尾水渠位于尾水塔下游側。尾水出口后設10.0 m長平底段，其后以1∶3反坡接至2 140.00 m高程，與天然河床相接。

8 結語

本文結合地形地質條件、樞紐建筑物總體布置，并依據相關規程規范，采用工程類比、三維精細數值仿真等技術手段，解決了旭龍水電站進水口、引水隧洞、主洞室及附屬洞室、尾水隧洞、尾水出口等重點部位布置及支護參數設計、圍巖穩定分析等技術問題，確定了較優的引水發電建筑物布置格局。相關設計成果可為同類工程設計提供參考。

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編輯：張爽

Layout and design of water diversion and power generation structures for Xulong Hydropower Station

CHEN Rui，CHEN Wu，SUN Haiqing

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Xulong Hydropower Station project is located in a high seismic intensity area，and the design of water diversion and power generation buildings faces difficulties such as a large number of caverns，a large scale，small spacing between main caverns，local high ground stress，and faults.Combined terrain and geological conditions with the overall layout of the hub building，in accordance with relevant regulations and specifications，engineering analogy，three-dimensional fine numerical simulation and other technical means were adopted，which effectively solved the layout and support parameter design of key parts such as the intake，headrace tunnel，main and auxiliary chambers，tailrace tunnel，tailrace outlet，and surrounding rock stability analysis.An economically reasonable and technically feasible layout of water diversion and power generation buildings was determined.The relevant design achievements can provide a reference for similar engineering design.

Key words：

water diversion and power generation layout； engineering analogy； numerical simulation； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：陳銳，男，正高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程結構設計工作。E-mail：chenrui@cjwsjy.com.cn