額敏抽水蓄能電站地下廠房布置研究

0引言

樞紐布置是水電站項目設計的核心，影響項目的建設及運行安全，是投資控制的重要因素。抽水蓄能項目的樞紐建筑物一般由上水庫、下水庫、輸水系統、電站廠房及開關站等組成，其中電站廠房的布置是樞紐布置的關鍵一環。抽水蓄能電站采用可逆式水泵水輪發電機組，機組吸出高度大，廠房埋深較大，常采用地下廠房布置。隨著中國水利項目的建設發展，陳代華[1]、王小毛等[2]、陳銳等[3]、王漢輝等[4]、杜申偉等[5]、周述達等[6]、曾暉等[]，分別對水布埡水電站、旭龍水電站、石臺抽水蓄能電站、烏東德水電站、三峽水利樞紐、彭水水電站等項目的地下廠房布置進行了相關研究。但是，在具體工程設計時，還需結合各水電工程的獨特性進行相應的設計。

額敏抽水蓄能項目輸水線路較長，跨越兩種地層，沿線發育規模較大的斷層共5條，裂隙發育，地形條件較為復雜，包括位置及軸線在內的地下廠房布置問題較為突出，需盡可能減小不利地質條件對洞室圍巖穩定的影響，降低工程施工期和運行期的風險，在滿足投資控制的情況下保證施工進度。本文詳細論述了在綜合考慮樞紐布置、地形地質、施工運行等條件下，額敏抽水蓄能項自地下廠房布置，并對圍巖穩定性進行分析。

1 工程概況

新疆額敏抽水蓄能電站位于新疆維吾爾自治區塔城地區額敏縣東南約 60km ，距烏魯木齊市直線距離約 380km 。工程供電范圍為新疆電網，主要服務于新能源消納，承擔電力系統調峰、填谷、儲能、調頻、調相和緊急事故備用等任務。該工程為I等大（1）型工程，屬日調節抽水蓄能電站，連續滿發小時數 6h ，裝設4臺單機容量 350MW 立軸單級混流可逆式水輪發電機組，設計年發電量19.83億 kW?h ，設計年抽水電量為26.44億 kW?h ，綜合效率約為 75% 。

地下廠房采用引水支管垂直進廠，主副廠房洞、主變洞、尾閘洞三大洞室平行布置，三大洞室之間的凈距分別為 ^40，30m 。主副廠房洞尺寸為 177.5m×25.5m （巖錨梁以上 27.0m ） ×57.3m （長 × 寬 × 高，下同），主變洞尺寸為 161.2m×23m×27m ，尾閘洞尺寸為106.5m×8.0m（10.0m）×34.8m_?

2 地形地質條件

輸水系統流道縱剖面地形地質條件如圖1所示，沿線出露地層第四系（Q）、泥盆系下統孟布拉克組上亞組（ D₁mb^c ）及華力西晚期侵入巖 （γ₄^3c） 。華力西晚期花崗巖與泥盆系下統孟布拉克組上亞組凝灰巖呈侵入接觸，侵入接觸帶總體走向 NNW330^° ，與輸水線路方向近正交，傾向W（上庫方向）。接觸帶寬 300° 400m ，接觸帶內花崗巖呈巖枝或巖脈出露，巖體附近的圍巖有接觸變質甚至發生混染現象，并且自接觸面向外（即西側）逐漸減弱或呈分帶性。接觸面附近小斷層發育，巖體破碎，呈碎裂狀，性狀差。

輸水線路沿線發育規模較大的5條斷層。 ① （2號 F₂₃ ：310^°～330^°SW∠70^°～80^° ，寬度 80～100m ，為逆斷層，膠結差，斷層帶內見多條次級斷裂，少量斷層泥。② F₂₄ ：310^°～330^°SW∠70^°～80^° ，寬度 5～10m ，膠結差，影響帶寬度一般 4～6m 。 ③ （204號 F₂₅ 20^°～30^°NW ∠50^°～55^° ，寬度 15～20m ，膠結差。 ④ F₂₆ 10^°～30^° NW∠60^°～80^° ，寬度 0.3～0.5m ，膠結一般，影響帶寬度一般 1～2m 。 ⑤ F₂₇：10^°～30^°NW∠60^°～80^° ，寬度 3～5m ，膠結一般，影響帶寬度一般 1～2m 。

PD1平碉沿輸水發電系統線路布置，總長度1 205m ，進口位于下水庫進出水口，全銅段為基巖開挖，圍巖為泥盆系下統孟布拉克上亞組（ D₁mb^c ）凝灰巖，揭示大小斷層120條，其中 I 級結構面有 F₂₅，F₂₆ 和 F₂₇ ，Ⅱ級結構面20條， IV 級結構面97條，斷層主要為NE、NNE走向，少量NW走向，其中 與主洞軸線夾角約 15^° ，其余斷層與確向多呈大角度相交，斷層以碎裂巖充填為主。

3廠房布置方式選擇

該工程地下廠房在輸水系統中的位置選擇遵循以下原則。

（1）地下廠房區應具有足夠的上覆巖體厚度，且需避開 F₂₃ ， F₂₄ ， F₂₅ ， F₂₆ ， F₂₇ 等5條規模較大的斷層[8-9]及侵入接觸帶。

（2）協調主廠房上下游輸水隧洞長度，避免設置引水調壓室。

（3）盡量縮短高壓流道與附屬洞室長度。

若地下電站采用首部式布置，廠房為避開侵入接觸帶，引水閘門塔需布置于上水庫內，輸水發電系統長度加長，引水系統采用超 600m 的一級豎井布置，附屬洞室較長，投資較大，運行管理及對外交通均不方便[10]

若地下電站采用尾部式布置，引水管線較長，需增設引水調壓室，引水鋼襯長度較長，投資較大。由于輸水線路中平段沿線地形高程較低，且上平段中部設置有檢修閘門井（可起到一定調壓作用），由于上平段較短，經過調保復核，其在上平段末端設置引水調壓室作用不顯著；若在中平段設置常規引水調壓室，調壓室將高出地面 200～300m ，如采用氣墊式引水調壓室，受F₂₃ 斷層影響，成洞條件差，國內抽蓄暫無此類實例。

綜合考慮地形地質條件、運行管理及工程投資等因素，地下廠房采用中偏尾部式布置，布置于 F₂₅ 和 F₂₆ 兩斷層之間的泥盆系凝灰巖地層中。

4廠房位置及軸線選擇

4.1 選擇原則

廠房位置及軸線方向的選擇主要遵循以下4項原則[]

（1）廠房位置宜布置在地質構造簡單、巖體較完整、上覆巖體厚度適宜、地下水不發育的地段，并應盡量避開主要的斷層和破碎帶。（2）廠房縱軸線方向與地質主要結構面走向應構成較大的交角，一般不宜小于 30^° ，并兼顧次要結構面對洞室穩定的影響。（3）廠房縱軸線方向與地應力的最大主應力水平投影方向宜呈較小夾角，以減小地應力對圍巖穩定性的影響。（4）廠房位置、洞室縱軸線方向選擇應兼顧輸水系統洞線和高壓岔管區的地質條件，使工程總體布置順暢、合理。

4.2廠房位置選擇

在選定的中線中部偏尾部布置廠房的基礎上，廠房布置于發育規模較大的 F₂₅ ， F₂₆ 兩斷層之間，圍巖類別以Ⅲ類為主，部分 IV 類。 F₂₅ ， F₂₆ 與廠房軸線夾角分別約為 20^°，30^°～40^° 。擬定3個廠房位置方案，依次相距 50m ，地層巖性、節理裂隙、水文地質、地應力等條件基本一致，廠房圍巖條件主要受控于規模較大的F₂₅ 與 F₂₆ 斷層。

廠房位置比選的3個方案如圖2所示。 ① 方案一：主廠房北側距離 F₂₅ 斷層距離較近（基本重合），受斷層影響較大，圍巖條件相對較差； ② 方案二：主廠房位于 F₂₅ 和 F₂₆ 斷層之間，距離 F₂₅ 斷層及 F₂₆ 斷層分別約39m 及 112m ，受斷層影響較小，圍巖類別基本以Ⅲ類為主； ③ 方案三： F₂₆ 斷層斜穿尾閘洞，且距離主變洞南側距離約 21m ，受 F₂₆ 斷層影響較大，V類、V類圍巖占比相對較高。3種方案在輸水系統布置、地下廠房布置、施工條件及工期、生產運行條件等方面均無明顯差異。

綜合上述觀點，方案二位置距離 F₂₅ ， F₂₆ 斷層適中，三大洞室圍巖條件總體較好，選擇位置二布置地下廠房。

4.3廠房軸線選擇

廠房軸線選擇按照如下優先順序考慮。

（1）輸水洞線順暢。上、下水庫進/出水口的連線方向約為 NE81^° ，廠房軸線方向宜為 NW39^°～NE21^° 。

（2）與主要斷層走向大角度相交。地下廠房區主要發育的斷層有 F₂₅，F₂₆，pf₁，pf₂，pf₃，pf₄，pf₇ ，其中規模較大的 F₂₅ 和 F₂₆ 斷層已避開。其余5組斷層中， pf₁ 斷層充填泥夾碎屑，性狀較差，下盤巖體影響帶寬度 4～ 20m ，對廠房穩定性影響較大，廠房軸線宜與之大角度相交，為 NW40^°～NE20^° 。

（3）與優勢結構面大角度相交。從圖3（a）可見，地下廠房2組優勢結構面。 ① 組走向 NW75^°～45^° ，發育間距 10～50cm ，硬性結構面為主。 ② 組走向NE14^°～42^° 相對長大、局部巖屑夾泥。廠房軸線與兩組優勢結構面的夾角宜大于 30^° ，即廠房軸線方向宜為 NW30^°～NE10^° 。

（4）與最大主應力方向小角度相交。根據地應力測試結果顯示，工程區以水平應力為主導作用。主廠房最大水平主應力為 10.99～12.55MPa ，應力方向N0^°E～N12^°E ，總體NNE向，地應力水平中等水平。廠房軸線方向宜為 NW30^°～NE42^° 。

根據上述條件，擬定3個廠房軸線方案： NW24^° （方案一）、 NW9^° （方案二）、 NE6^° （方案三）。方案具體布置如圖4所示，各布置原則比較見表1。

3個方案廠房圍巖類別均以Ⅲ類為主，地下洞室群布置、輸水線路長度等方面無明顯差異，地層巖性、地質構造、施工條件及工期、生產運行等條件基本相當。廠區凝灰巖巖石強度應力比為5.1，重點考慮 pf₁ 斷層及優勢結構面對廠房穩定影響，綜合考慮輸水洞線布置、地應力水平及與最大主應力小角度相交等因素，選擇方案二（ NW9^° ）作為廠房軸線方案。

5地下洞室圍巖穩定性分析及支護參數設計

5.1支護參數及巖體力學參數

初步擬定的地下廠房洞室群支護參數見表2，工程區地下廠房圍巖及結構面力學參數建議值分別見表3，4。

5.2 圍巖穩定性分析

采用FLAC3D軟件[12]，以地下廠房洞室群為研究對象，對其進行初始地應力場反演、洞室開挖及支護過程的三維數值仿真模擬。計算分析模型及2個典型截面如圖5所示。

洞室開挖后形成臨空面，圍巖主要發生洞內變形，見圖6。主廠房一般變形在 50mm 以內，最大變形約為64mm ，發生在 pf₁ 斷層 斷層、主廠房與4號母線洞的四者交匯處，以及 pf₂ 斷層、主廠房與3號母線洞的三者交匯處等局部區域。主變洞一般變形在 35mm 以內，最大變形為 35mm ，發生在主變室與斷層 pf₁，pf₂，pf₃ ，pf₄ 交匯處等局部位置。尾閘洞一般變形在 20mm 以內，最大變形為 20mm ，出現在下游邊墻部位。

圖7為開挖支護完成后地下洞室周圍特殊截面的塑性區分布。主廠房塑性區深度一般為 1～7m ，塑性區深度超過 7m 的區域主要位于斷層出露處及主廠房與母線洞交匯處，最大塑性區深度為 25m ，發生在廠房3號機組段、3號母線洞與斷層 pf₂ 三者交匯處，主要受洞室群效應和斷層 pf₂ 疊加影響所致。在考慮主廠房的預應力錨索措施后，廠房除斷層出露部位，塑性區均在錨桿錨固范圍 9m 內；主廠房與母線洞、主變洞之間的塑性區在斷層出露處局部貫通，廠房與主變洞之間布置了4排對穿錨索，可為該區域的圍巖穩定性提供保障。主變洞塑性區深度一般為 2～5m ，塑性區深度超出 5m 的區域主要為斷層出露處、母線洞底板以及主變洞與母線洞交匯處，最大塑性區深度為15m ，發生在3號機組主變室上游邊墻與母線洞和斷層 pf₂ 交匯處，超過錨桿支護范圍 6m ，廠房與主變洞之間布置了4排對穿錨索，可為該區域的圍巖穩定性提供保障。尾閘洞圍巖塑性區深度一般在 1～4m ，未超過錨桿支護范圍（ 6m 。

錨桿應力及錨索受力分布范圍見表5，開挖支護完成后，地下廠房支護受力總體正常，錨索受力基本在允許范圍內，被斷層穿過區域的個別錨桿應力達到屈服值，但不影響洞室群圍巖整體穩定性。

6結語

新疆額敏抽水蓄能電站輸水發電系統沿線地質情況復雜，可布置廠房的凝灰巖地區斷裂構造較發育、結構面發育，廠房的位置總體處于 F₂₅ 和 F₂₆ 斷層之間。廠房軸線選擇重點考慮與主要斷層及優勢結構面大角度相交，兼顧考慮輸水洞線布置、與最大主應力小角度相交。結合PD1平銅所揭示的地形地質情況，地下廠房采用中偏尾部式布置方案，布置于凝灰巖地區，軸線方向選擇NW9°方案。采用FLAC3D軟件對廠房洞室群進行三維數值仿真模擬，現有支護條件可以保障地下廠房洞室群開挖施工期和地震動作用下的圍巖穩定性。

參考文獻：

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（編輯：高小雲）

Study on underground powerhouse layout of Emin Pumped Storage Power Station

LIN Zijie，CHEN Jieping，DENG Xiangkun （ChangjiangSurvey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 43oo1o，China）

Abstract：The terrin and geologicalconditions along thewater conveyance and power generation system of the Emin Pumped Storage Project in Xinjiang are complex，with well-developedfault structures and structural planes，making the layout of underground powerhouses quite challenging.To ensure that the layout planof theunderground powerhouseachievesthebest balance in termsof technology，economy，and safety，thelayout planofthe powerhouse wasoptimized basedonthe exposed favorable structural planes in the PDladit and other terrin and geologicalconditions，whilealso taking into account the layout of the waterconveyance tunnels，perationmanagement conditions，nd project investment. FLAC3Dsoftware was used forthree-dimensional numerical simulation toconductastabilityanalysis and evaluationof the surounding rock stabilityof the underground cavern group.The results showed that under the existing support conditions，the safetyand stability of the underground powerhouse cavern group during theconstruction and operation periods wereguaranteed.Theresearch results can provideareferenceforthe layoutof powerhousesundersimilar terain and geological conditions.

KeyWords：underground powerhouse layout；underground cavern； FLAC3D；Emin Pumped Storage Power Station