（水利工程专业论文）蒲石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 论文首先介绍了 对蒲石河抽水蓄能电 站工程的调查研究;简述抽水蓄能电 站历史、 现状和发展， 对抽水蓄能电 站地下厂房的设计研究方向作出综合评述，展望抽水蓄能电 站地下厂房设计研究的关键问 题和研究方向。 本课题侧重于充分利用数值分析结果和工程类比，进行综合分析， 对地下厂房进行 合理的 布置优化， 解决蒲石河抽水蓄能电 站地下厂房设计中 面临的实际工程问 题，以 达 到保证工程安全，缩短建设周期，降低工程投资，提高经济效益的目 的。同时，探讨抽 水蓄能电 站地下厂房工程设计的 研究思路和方法， 探寻解决问 题的方法和措施， 为类似 工程提供可靠的参考依据。蒲石河抽水蓄能电站是东北地区第一座大型的抽水蓄能电 站，其工程布置、主要建筑物的优化设计成果也将为东北地区开发抽水蓄能电 站铺开一 条道路。 论文的主要成果如下: ( 1 ) 对站址选择的 技术经济比 较和选择原则与方法进行了 论述， 认为中 部方案较 优，予以 推荐。 ( 2 ) 对地下工程的 布置进行了优化比 较，提出了合理的布置原则和设计方案。 ( 3 ) 利用工程类比 法和有限 元方法， 对围岩稳定性和支护措施进行了 分析，包括 岩锚梁的设计问题提出了 合理的评价结论和设计方案。 ( 4 ) 对降低振动和噪音的各种措施加以 综合分析， 提出了 蒲石河工程厂房抗振设 计的主要措施，对工程实际具有参考价值。 关 键词: 抽水蓄能电 站; 地下厂房; 设计; 研究 m河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 t h e r e s e a r c h a n d d e s i g n o f u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e o f p u - s t o n e r i v e r p u m p w a t e r a n d e n e r g y s t o r a g e ab s t r a c t i n t r o d u c e t h e r e s e a r c h t o t h e a c u s e r c t o r e n g i n e e r i n g o f p u - s t o n e r i v e r p u m p w a t e r a n d e n e r g y s t o r a g e i n t r o d u c e t h e p u m p w a t e r a n d e n e r g y s t o r a g e e l e c t r i c i t y s t a t i o n s h i s t o r y a n d a c t u a l i t y a n d d e v e l o p m e n t , s y n t h e t i z e i n t r o d u c e t h e d e s i g n o f u n d e r g r o u n d w o r k s h o p . p r o s p e c t t h e d e s i g n r e s e a r c h o f u n d e r g r o u n d w o r k s h o p . t h i s t o p i c l a y p a r t i c u l a r e m p h a s i s o n i n m a k e u s e o f t h e n u m b e r a n a l y s i s r e s u l t a n d e n g i n e e r i n g s t o c o m p a r e w e l l , c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s , c a r r y o n t o t h e u n d e r g r o u n d f a c t o r y p r e m i s e s t o a r r a n g e r e a s o n a b l e l y e x c e l l e n t t u r n , r e s o l v e t h e p u - s t o n e r i v e r t o p u m p w a t e r t h e a c t u a l e n g i n e e r i n g p r o b l e m， t o a t t a i n t o g u a r a n t e e t h e e n g i n e e r i n g s a f e t y , s h o r t e n t o c o n s t u c t t h e p e r i o d , l o w e r t h e e n g i n e e r i n g i n v e s t m e n t , r a i s e t h e p u r p o s e o f t h e e c o n o m i c p e r f o r m a n c e . a t t h e s a m e t i m e , d i s c u s s t h e r e s e a r c h m e t h o d o f d e s i g n o f t h e p u m p w a t e r a n d e n e r g y s t o r a g e e l e c t r i c i t y s t a t i o n u n d e r g r o u n d w o r k s h o p . s u m n a r i z e m e t h o d a n d m e a s u r e t o s o l v e t h e p r o b l e m , t o p r o v i d e d e p e n d a b l e r e f e r e n c e t o t h e r e s e m b l e e n g i n e e r i n g . t h e p u - s t o n e r i v e r t h e p u m p w a t e r a n d e n e r g y s t o r a g e e l e c t r i c i t y s t a t i o n i s t h e f i r s t s t a t i o n o f n o r t h e a s t r e g i o n , i t s e n g i n e e r i n g a r r a n g e , m a i n b u i l d i n g o f e x c e l l e n t t u r n t o d e s i g n t h e r e s u l t a n d d e v e l o p t o p u m p w a t e r a n d e n e r g y s t o r a g e e l e c t r i c i t y s t a t i o n a n d c a n g i v e a r o a d f o r t h e n o r t h e a s t r e g i o n . k e y wo r d s 二 k e y w o r d s : p u m p - s t o r a g e p r o j e c t ; u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e ; r e s e a r c h a n d d e s i g n . n- 独创性说明 作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名:日期: 蒲石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了 解 “ 大连理工大学硕士、 博士学位论文版权使用 规定”， 同 意 大连理工大学保留 并向国 家有关部门 或机构送交学位论文的复印 件和电 子 版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权大连理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内 容编入 有关 数据 库进行检索， 也可采用影印、 缩印 或扫描等复 制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名: 导师签名: 年 一 月 _日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 . 1 抽水蓄能电站的历史、现状和发展 抽水蓄能电站的建设已有百年历史，从早期在瑞士苏黎世兴建的5 1 5 k w、扬程为 1 5 3 m的抽水蓄能电站开始，直到1 9 5 0 年代末期，仍处于发展较缓慢的状态。从1 9 6 0 年 代开始的 近4 0 年里， 抽水蓄能 进入快速 发展时 期， 从1 9 6 0 年至1 9 9 0 年的3 0 年， 全世 界抽水蓄能总装机容量增加了2 8 倍。从总装机容量来看，美国、日 本、意大利、法国 的 抽水蓄能电 站装机规模最大。 美国 在6 0 年代以 前的 装机为9 0 m w，到1 9 9 0 年已 发 展到2 8 0 0 0 m w， 且电 站规模也在增大， 电 站 水头更高。 美国百 万级的电 站 有8 座， 多 数 电 站水头超过3 0 0 m， 绝大部分电 站 采用可 逆式 机组。 据统计， 美国 在1 9 9 0 年代 后期 又陆续兴建了2 7 座电站，新增加装机容量2 0 0 0 0 m w，到2 0 0 0 年抽水蓄能总装机容量 达到4 9 0 0 0 m w。西欧是较早开始兴建抽水蓄能电 站的，1 9 8 0 年代，西欧抽水蓄能装机 容量已 达到3 4 0 0 0 m w，占 全世界 装机容量的4 0 %.意大利在西欧诸国中 ， 发展抽水蓄 能最为迅速，从1 9 6 3 年的7 0 0 m w发展到9 0 年代的8 6 0 0 m w;法国由于核电比重大， 又处于西欧联合电网中 心， 所以 在7 0 年代和8 0 年代兴建了 大批抽水蓄能电 站， 9 0 年 代装机已 达到6 6 0 0 m w ;德国、奥地利、 卢森堡等国 也大量修建拍水蓄能电 站， 且都 是 大 容 量、 高水 头 机 组; 欧 洲 最 著 名的 抽 水 蓄能电 站 就是 英国 的 迪 诺威 克 ( d in o w i c ) 抽 水 蓄 能 电 站， ，水 头 超 过5 0 0 m ， 与 我国 即 将 竣 工 的 浙 江 天 荒 坪的 规 模 相当 4 。 我国的 水电 资 源虽 丰富， 但分布极不 均匀， 主要水电 资 源集中 在西南、 西北 地区 ， 华北、 华东、 东北等地水电资源贫乏. 为解决电网调峰问 题， 早在6 0 年代， 在华北京 津唐电网开始兴建抽水蓄能电 站， 河北省岗 南水库安装了1 台1 1 mw的抽水蓄能机 组，7 0 年代又在京郊密云水库安装了2 台1 1 mw抽水蓄能机组，接着在河北潘家口 水 库又安装了3 台9 0 m w的抽水蓄能机组。自7 0 年代中期至8 0 年代中期，京津唐电网 和华东电网曾 进行过大规模的 抽水蓄能电 站站址普查和选点 踏勘工作。 在江苏曾 先 后选 择 了 太 湖 南 大 孚 ( 6 0 0 m w ) 、 常 州 西 湾 ( 1 5 0 m w ) 、 句 容 青 石山 ( 3 0 0 m w ) ， 以 及9 0 年 代 对 漂 阳 沙 河 ( l 0 0 m w ) 、 宜 兴 铜 管山 ( 8 0 0 m w ) 等 站 址 进 行 过 规 划; 在 安 徽 对 滁 县 琅 哪山 蒲石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 ( 4 0 0 m w ) , 繁昌 响 水斌1 2 0 0 m w ) 、 六安响 洪 甸 ( 8 0 m w ) 等 站 址 进 行了 规划。 后来因 本 地区电力供应主要矛盾在缺电量，从而兴建大批火电 站，到9 0 年代由 于这些大容量、 高 参 数 火电 机 组 的 投 产， 电 量 供 应 矛 盾 不 突出 ， 而 尖 峰电 力 ( 容 量 ) 供 应 又 成 为 供电 的 焦 点问 题，因此抽水蓄能问 题再次提到议事日 程上来。 尤其是京津唐电网和广东、香港电 网， 后者由 于 大亚 湾核电 站的 建设投产，以 及向 香港电网 供电， 所以 就有广州抽水蓄能 电 站率先兴建，随 后， 华北电网也开始兴建十三陵抽水蓄能电 站。 9 0 年代，我国抽水 蓄能电 站 建设全面展开， 地方电网 如宁 波就在华东 率先建成了 溪口 抽水蓄能电 站( 2 台 4 0 m w ,2 5 0 m 水头 ) ;安徽兴建了 响洪甸混合式 抽水蓄能电 站; 江苏也正在建设 漂阳 沙 河抽水蓄能电 站 ( 2 台5 0 mw , 1 0 0 m 水为; 华东电 网 最大的 抽水蓄能电 站是天荒坪抽水 蓄 能 电 站 ( 6 台3 0 0 m w , 5 6 0 m 水 淘已 经 竣 工 。 我国 在9 0 年 代 大 规 模 兴 建 抽 水 蓄能 电 站 有三个主 要原因， 首先是7 0 年代和8 0 年代电 量短缺的问 题，由 于大批大容量火电 机 组 投产而 基本上 得以 解决。为了能 源多 样化和燃煤带来的 环境问 题， 许多电 网 开始兴建 核电 站， 这些机组的 投产增加了 基荷容童， 在负荷低谷时， 如何压荷成为电网调度的难 题; 随 着 城市 现代化水平的 提高 和农 村城镇 化发展趋势加快，电 力负荷峰谷差更大， 而 高、 精、 尖企业和人民日 常生活对用电 质敏如周波、电 压) 要求也在提高， 供电 可靠水 平的要求也在提高， 迫使电网寻求更好、更可靠的调频、调相和负 荷备用电 源; 沿海地 区可开发的 水电资源， 尤其是能兴建大水库可调节的水电 站几乎开发已 尽，常规水电 调 峰也受到防 洪、 供水等综合利用部门的 制约， 所以 我国各大电网都迫切要求兴建抽水蓄 能电 站，以 解决电网 调峰填谷及调频、调相等问 题。 到1 9 9 7 年底， 全国 大中型抽水蓄 能电 站已 投产4 座， 装机2 3 6 0 m w: 在建4 座， 装机3 1 6 0 m w; 完成可行性研究的1 1 座， 装机7 3 1 6 m w; 完成预可行性研究的2 3 座， 装机1 3 6 5 0 m w . 世界上发达国家的水电开发利用程度普遍较高，除起步较早、投资多等因素外， 技术领先也是重要原因 之一， 水力机械和水电 工程技术的发展使建设高水头、高效益的 抽水蓄能电 站 成为 可能。 如先进的 地下工程和抽水蓄能技术， 完善的 试验、 模拟技术 与 量 测手段等。 该领域在国 际上处于领先地位的 代表国 家或机构 有: 地下引水发电 系 统的 大连理工大学硕士学位论文 水力、结构设计与施工方面 娜威、 美国、荷兰等，抽水蓄能技术一一法国、 奥地 利、 瑞士、日 本等。 本项目 涉及研究领域广泛，目 前我国的总体研究水平虽然与国际先进水平尚 有一 定的差距， 但由 于欧美发达国 家水力资源开发殆尽，所以 在许多领域水平日 趋接近。 上世纪八十年代前， 模型试验在大型水工建筑物设 计中 起了 主要作用， 八十年代 则是模型试验和数值分析并重，而进入九十年代后由于计算机技术的迅速发展，数值分 析已 成为复杂大型水工建筑物设计的主要手段。 目 前， 抽水蓄能电站地下厂房设计研究主要有以 下两个发展方向:一是着眼于提 高， 主 要从事专题 研究数 值分析计 算， 提供精确的理论计算方 法。 另一个方向 是着 眼于 应用， 充分利用数值分析结果，结合模型试验， 参考类似工程，进行综合分析， 解决工 程设计中面临的实际问题。 1 .2 研究背景 抽水蓄能电 站得以 兴 起并 迅速发展， 有两 个方面的 原因: 一是电 力系统要 安 全、 经 济地运行， 迫切需 要抽水蓄能电 站来承担 调峰填谷的 重要任务;二是水力机 wo 水电 工 程 技 术的 发 展使 建设高 水头、 高 效 益的 抽 水 蓄能电 站 成为 可能ell j 3 2 1 。 抽 水蓄 能电 站 的 建设与电 力系统的发展密切相关， 当 系统中 高 参数、 大容量火电 机组以 及大型 核电 机 组 投入时，电网的负荷率将进一步阳氏 ， 抽水蓄能电 站就成为电网填谷、顶峰发电 不可缺 少的部分:水力资源较丰富的国家，如前苏联、巴西，由于水力资源的分布与负荷中心 区 域相距遥远，长距离输送调峰电 力在技术上、经济上都产生许多问题，因 此在负荷中 心区域兴建抽水蓄能是优先考虑的 措施;抽水蓄能电 站运行灵活，除了 调峰、 填谷外， 还可承担调频、调相、 事故备用、负荷备用等任务;自6 0 年代以 来，随着抽水蓄能电 站的大量兴建，抽水蓄能技术有了 很大进步，尤其在高水头、 大容量机组的 制造， 地下 洞室施工技术方面的重大突破， 使得许多大型抽水蓄能电 站建设成为可能。 理论愈义 抽水蓄能电站工程有上水库防渗 措施、钢筋馄凝土衬砌岔管、 机组和厂房振动等 许多问 题需要进行专门研究。 蒲石河抽水蓄能电 站地下厂房设计研究 和常 规水电 站相比 ， 抽水蓄能 机组具有引 用水头( 扬御较高，吸出高 度很大， 转速 高， 容量大等特点， 机组及其支承系统的 刚强度相对降低， 双向运行， 抽水发电工况快 速转 换等明 显特征， 振动不稳定现象和高 频噪音问 题尤为 突出。 为 满足抽水蓄能 机组防 止气蚀要求， 多采用地下厂房。 对于地下厂房的洞室系统布置、围 岩稳定、振动、噪 声、 渗流 排水设施、 蜗壳受力 状况等问 题都需要进行专门 研究。 随着我国抽水蓄能电 站建设的不断发展， 抽水蓄能技术的 研究取得了 长足的 进 步， 理论也基本完善，国内的 许多专题研究都己 达到相当高的水平。 但是如何将先进的 理论和专题研究应用到工程具体设计和实施之中，尤其在设计中结合地下厂房的布置进 行综合 分析， 选定较优的设计方案， 是 一个非常复杂且 涉及面很广的 课题， 而且， 抽水 蓄能电 站中 地下厂房工程所占 的 投资比 例很 大， 使得对地下厂房的 设计研究与 优化成为 一个非常重要的研究课题。 应用价值 蒲石河抽水蓄能电站是东北地区第一座大型纯抽水蓄能电站。对其地下厂房全面 的设计研究是 保证工程安全， 缩短建设周期，降 低工程投资， 提高经济效益的 基础，同 时， 也为以 后类似工程积累经验， 提供可靠的 参考依据。 根 据世界上一些国 家的 经验， 特别是一 些经济比 较发达国 家的 经验，电 力系统要 安全、 经济 地运行，建设抽水蓄能电 站是最 佳的 选择。 随着可持续发展水利的 实施和环 境保护意识的 加强，中国 对水电 这一可再生清洁能源的需求与认识有了 新的提高，为改 善电 源结构，中国已经开始大规模兴建抽水蓄能电站。随着西部大开发中大型、 特大型 水电 站和核电 站的相继投产以 及西电 东送工程的完成，电网中峰谷负 荷的矛盾越来越突 出，兴建更多的抽水蓄能电 站以 缓解电网 峰谷矛盾也势在必行。因此，抽水蓄能电 站地 下厂房设计研究具有非常广阔的市场前景。 1 .3 本文 研究内 容 本论文主要结合蒲石河抽水蓄能电 站地下厂房的设计， 针对若千关键问 题开展专题 研究。 大 连理工大学硕士学位论文 1 厂房位置选择。厂址的选择比较复杂，既要合理地调整厂房主要洞室及高压岔管 的 位置， 使其处于地质条件相对较好的 位置，又要 考虑配合取消上游调压井。因 此将厂 址向 上水库方向 移动， 可使厂房地质条件得到明显改善，同时也满足高压岔管处工程地 质条件要求。还可以 缩短上游输水洞的 长度，为取消上游调压井创造了 条件。 2厂房洞室系统布置优化。根据厂址区地形地貌特征，地质条件和现场施工条件， 对厂房洞室系统布置进行优化研究。在地下厂房的设计中，压缩地下厂房的空间，尤其 是减小厂房跨度， 使地下厂房洞室群的布置紧凑合理， 可以降低结构设计和施工难度， 减小工程量，节省工程投资。 3厂房围岩稳定分析和支护设计。 采用围岩分类法，工程类比法，并充分利用有限 元计算成果， 对厂房洞室群围 岩稳定进行综合分析， 确定支护型式和分析参数， 提出 合 理的洞室支护方案，以期达到安全稳定、技术可行、经济合理、施工方便的 设计效果。 4厂房振动和噪声研究。 论述抽水蓄能电 站的振动和噪声现象，探讨解决振动和噪 声问 题的方法、 措施。 5设计与施工关系研究。 在地下厂房的 一些单项工程上，实现设计意图的关 键是施 工技术。 例如: 岩锚梁自 身的工程量很小，结构也比 较简单， 但是它能否顺利实现直接 影响 着厂房工期， 而岩锚梁成功关键在于施工，因此， 对它的设计研究不能忽视。 蒲石河抽水蓄能电 站地下厂房设计研究 a 国内典型水电 工程的地下厂房设计 2 . 1 二滩工程 二 滩工程是二十世纪建成的中国 最大的 水电 站。 总 装机容量3 3 0 万k w， 单机容量 5 5 万k w，这在2 1 世纪初三峡电 站建成之前，均列全国第一，单机容量排世界前1 0 位。 二滩工程是亚洲最大的地下厂房洞室群。由 厂房、 主变压器室、 尾水调压室三大 洞室及压力管道、尾水管、尾水洞、母线洞、交通洞、通风洞、排水洞 ( 廊道)、进风 竖井、排风竖并、电 梯竖井、电缆斜井等组成庞大洞室群。 地下洞室开挖量3 7 0 万 时。 其中 ， 厂 房 长2 8 0 i n 、 宽2 5 .5 m 、 高6 5 m . 二 滩地下厂房设计难度也是极大的。 众所周知， + m 越大越难设计，二滩地下厂 房的 “ 洞” 不 但在国内 位列第一， 在世界上也 名列前茅。 最困 难的 还是， 二滩地下 厂房因 “ 洞” 大， 地应力很强。假若设计或施工出问题，将会发全岩爆，和垮塌。当时国内不少 专家认为，建成这样大的地下厂房几乎不可能。 二滩水电 站由 于机组及主变压器尺寸大， 形成了由 地下主厂房、主变压器室和尾 水调压室 组 成的 三大平行的 地下洞室， 其尺寸 分别为: 地下厂房2 8 0 .2 9 m x 2 5 .5 m x 6 5 .3 8 m( 长x 宽x高);主变压器室1 9 9 m x 1 7 .4 m x 2 4 .9 m( 长x宽x高);尾水调压 室分2 室:1 号室9 2 . 9 mx 1 9 .5 mx6 9 .6 m ( 长x 宽x高)，2 号室9 2 .9 m x 1 9 .5 m x 5 9 .6 m( 长x宽x高)。 洞室净间距:主厂房与主变室为3 5 m ;卞 v压器室与 尾水调 压 室为3 0 m 。 设两条尾水洞，其中2 号尾水洞部分利用了 左岸导流隧洞。1 号尾水洞全长 8 8 1 .8 8 m ， 断面为圆拱直墙形，断面尺寸为1 6 .5 mx 1 6 .5 m( 宽x 高); 2 号尾水洞桩号 tto + 2 1 4 .9 7 m前断面同1 号洞，桩号tto + 2 1 4 .9 7 m后利用导流洞，断面为1 7 .5 m x 2 3 m( 宽x 高) ， 均采用钢筋混凝土衬护。 采用的 新 技术包括: 在地下厂房施工中， 使 用t 软锚索 ， ，技术， 保证了 大跨度 地 下厂房的围岩稳定，大坝中孔成功地使用了 “ 环型锚索” 技术:又如，在地下厂房建设中 大连理工大学硕士学位论文 的引水隧洞上弯段全断面浇筑混凝土台 车的使用、 用反井钻形成溜渣导井、 用液压顶升 技术反向安装压力钢管道等。 2 .2 小浪底工程 小浪底水电 站装机6 x 3 0 0 mw混流式机组，设计水头1 1 2 m， 单机最大过流量 3 0 0 m 3 / s . 在小 浪底 轮 廓 设计 和 初 步 设 计中曾 分 别 推荐 引 水 式地 面 厂房和半 地 下式 厂 房 方案， 在初步设计优化中 推荐采用了以 地下厂 房为核心的引 水式布置方案。 厂房 跨度 2 6 .2 m ，长2 5 1 m， 最大开挖深度6 1 .4 m= 根据有限 元及模拟开挖支护的地质力学模型试验成果，并通过工程类比， 设计采 用了 包括顶拱在内的喷锚柔性支护作为永久支护和岩壁吊 车梁方案， 选择了 支护参数。 鉴于顶拱围岩存在有连续的泥化夹层，在顶拱部位除设置长8 m / 6 m,间距3 m、 相间布 置的系统张拉锚杆及厚2 0 c m的挂网喷混凝土外，以 排距6 m 、间距4 .5 m布设了3 2 4 根 1 5 0 0 k n 、 长2 5 m的双层保护预应力锚索。 6 1 m高的开挖直立边墙采用长l o m / 8 m 、间 距3 m 、 相间布置的系统张拉锚杆和2 0 c m厚喷混凝土，在泥化夹层部位设两排长 1 2 m , 5 0 0 k n的 预应力 锚杆。 施工期收 敛计 所测 顶拱最大位移1 7 m m ， 边墙最大位 移 2 4 m m 。 地下厂房的岩壁吊 车梁的设计荷载1 0 0 0 t ， 经实际超静载2 5 % 及超动载1 0 % 的 试验， 证明 工作状态良 好。 小浪 底地下 厂房是我国 在沉积岩地层条 件下建 造的 最大的 地 下厂房， 在如此地质条件下建造以 柔性支护作为永久支护、采用岩壁吊 车梁的大跨度地 下厂房属国际先进水平。 2 .3 锦屏二级水电 站 锦屏二级水电 站地下厂房开挖最大跨度2 6 .8 m ， 边墙最大高度7 5 . 1 m ， 长度超过 3 3 5 m ， 埋深 在4 0 0 m以 上， 这 几 项 指 标 是 地 下 厂 房中 罕见的， 大 埋 深 将给 厂 房 洞 群 的 设计和施工带来一系列特殊的问 题. 根据建筑物的布置特点， 锦屏工程长隧洞和大型地下洞室主要有以 下技术难点; 蒲石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 ( 1 ) 深埋长隧 洞的 地质勘 探技术研究 在已 进行的综合勘探和长探洞的勘探基础上，综合分析深埋长隧洞的地质勘探技 术和方法; 深层岩溶的 探测及评估方法;以 及隧 洞施工中的 岩爆、涌 ( 突) 水、 涌泥 等 地质灾害的测i ja 预报方法。 c 2 ) 深埋长隧洞快速施工关键技术研究 研究锦屏电 站引水隧洞合理的 修建程序和施工方法;隧洞施工的通风技术措施: 研究施工综合机械化措施或其他掘进方式开 挖长隧洞的关键技术: 研究隧洞施工中的岩 爆、 涌 ( 突) 水、 涌泥等地质灾害防范 措 施和对策; 从 通风、 排水、降 温以 及岩 爆处 理 等方面研究长隧洞施工环境的措施: 研究通过复杂地质条件下的施工技术; ( 3 ) 长隧洞信息化设计方法的 研究 收集国内 外已 建和在建隧 洞设计 和施工资 料， 整理分析， 建立隧 洞资料数据库; 根据隧洞修建程序和施工方法， 研究建立施工应力分析程序; 根据围 岩变形的量测研究 围岩参数反分析及隧洞施工监控设计方法; 研制深埋长隧洞施工监测的 精度高、量测简 易的新型测试仪器。 c 4 ) 高地应力和高外水压力作用下岩体特性及隧洞设计关键问 题研究 研究高地应力和高外水压力作用下岩体变形和强度特征;研究” 双高” 作用下围岩 稳定性分 析;围 岩的 流变特性 及其 对衬砌 后期的 影响; 进行岩 爆机制和发生岩爆可能 性 的 研究; 岩体渗 流参数反分析， 渗流场分析 及渗流应力场的分析; 研究” 双高 ” 作用下压 力隧洞的支护设计。 2 .4 龙滩工程 在初步设计审定方案的基础上，比 较了 “ 5 + 4 ，方案，并重点补充研究了 ，11 0 +9 仿案 ( 全地下厂房方案)， 为碾压混凝土坝快速施工创造了 更为有利的条 件。同时也分析了 该方案左坝头蠕变岩体和进水口 高边坡的 稳定性、处理措施和地下洞室群围 岩稳定、地 下工程施工 进 度等。 最后设计推荐 + l , 仿案， 该方 案的 优点为: ( 1 ) 0 - 1 - 9 方案因 大连理工大学硕士学位论文 坝后无厂房，坝上无进水口，坝内 无钥管，简化了坝体结构，减少了厂坝施工的 干扰， 增大了 坝体碾压混凝土的 应用范围， 有利于碾压混凝土的快速施工， 使整个土建工程可 提前一年发电。 ( 2 )红水河汛期长，流量大，施工期渡汛和泄洪消能问 题存在一定难 度。 取消坝后厂房，不 仅可以 简化导 流措 施， 而且可以 使永久泄水建筑物的 布置 更灵 活。( 3 ) 0 十 9 方案因 坝后 无厂房， 坝内 无钡管， 增强了 上部坝体的刚度， 有助于改 善坝体应力，尤其是地震作用下的坝体应力。 ( 4 )该方案只有一个厂房，便于运行管 理和维 修， 便于坝体二期加高 和提高正常蓄水位。 0 - x- 9 方案于1 9 9 2 年1 2 月召 开的 龙 滩水电站厂房布置方案审查会上获得通过。 龙滩水电 站地下厂房， 是目 前世界 最大的 地下厂房， 主厂房长3 8 8 . 5 米， 宽3 0 .7 米，高8 7 .3 米。 龙滩工程地下厂房的 地质条件十分复杂，而建设者却要在0 .5 平方公里 的范围内，挖出1 1 9 个纵横交错的 洞、 室、 井， 施工难度大， 工艺复杂，质量要求高， 工期紧，在世界水电 建设史上是前所未有的。 由 于厂房跨度大， 岩体中 有断 层、 风化， 如果开 挖过程中出 现塌方， 将功 亏一 笑。 负责地下厂房施工的 ， 1 4 7 8 联营体总经理助理杨桂鹏认为: “ 既要大开挖，又要加 强支护，这是工程的难点。 ” 技术人员调查研究后， 决定采取边开挖边支护的 “ 新奥法， ， 加上新工艺、 新材料 的 应用， 解决了施工的技术难题。 每当一处岩体被爆破、开挖后， 工a1 门 立即用锚索、 锚杆进行支护，在施工中使用经科学选择的有助于加强支护的混凝土材料，爆破中 还采 用 “ 预热爆破， 、“ 光面爆破，等新工艺。 2 0 0 4 年地下厂房的开挖量达到1 0 0 万方，刷新 了 全国 水电 站地下厂房开挖量的 新纪录。 地下厂 房总开挖量为3 0 0 万方一一世界 最大 的厂房开挖量。 蒲石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 2 _ _ 厂 一 峨 = +.电站厂房横a 11 面图 刁 .门 . -布司弓嘴.1.j“飞，1- 龙滩水电 站厂房横剖面图 一 1 o 大连理工大学硕士学位论文 3 蒲石河电站布置方案 3 . 1 蒲石; 咐由 水蓄能电 站 工程简介 蒲石河抽水蓄能电 站， 位于辽宁省宽甸满 族自 治县境内， 距丹东市约6 0 k m ， 该电 站是 我国 东北拟建中的第一座大型纯抽水 蓄能电 站，总 装机容量为1 2 0 0 m w, 单机容 量为3 0 0 m w， 共4 台 机组。 电 站 年平均 发电 量 为1 8 .6 x 1 护 k w h ， 年 发电 小时 数1 5 5 0 h ， 年 平 均 抽 水电 量为 2 4 .0 9 x 1 0 8 k w h ， 年抽水小时 数为2 0 0 8 h , 综合效益为7 7 .2 % 。电 站建成后将在东北 电网中 担任调峰、填谷、 调频和事故备用。 电 站工程枢纽建筑物主要由 下水库及下水库泄洪排沙闸坝， 上水库及上水库钢筋混 凝土面板堆石坝、上下水库进出 水口、 地下厂房洞室系统、地下输水洞室系统及地面开 关站等地面附属建筑物组成。 电 站下水库位于中 朝界河鸭绿江右岸支流蒲石河干流下游， 坝址在鼓楼子乡王家街 村附 近。上水库位于长甸镇东洋河村泉眼沟沟首， 距丹宽公路干线约4 . 5 1 m， 在泉眼沟 沟口 筑坝成库。 上下水库间的 直线平面距离约为2 .5 k m , 上下水库坝坝址处库底高 差约 2 8 0 m ，距高比约为uh = 8 .9 o 地下厂房系统主要由 主厂房、 安 装间、 副 厂房、 主变洞、 母线洞、 尾闸 室、 交通 洞、 通风 ( 出 碴) 洞、高压电 缆洞 等洞室组 成。 主 机间 长1 0 4 .2 0 m ， 安装间 长3 6 . 0 0 主机间洞室最大高度为5 4 . 1 0 m ，吊 车梁以 上跨度为2 5 .7 0 m ，吊 车梁以下跨度为 2 2 .7 0 m ， 水泵水轮机层以 下厂房跨度为2 1 .9 0 m 。主 变洞洞室跨度为2 0 .0 0 m , 洞室高度 为2 3 .6 0 m , 洞室长为1 3 1 .4 5 m 1 o 引 水隧洞沿线山 体均较雄厚，围 岩多为微 新鲜、 较完整的混合花岗 岩。 虽有十余 条断 层破碎带分布， 但多与洞轴线交角较大， 宽 度较小， 倾角较陡， 对围 岩稳定 影响 不 大， 故其成洞条 件均为良 好。 上、 下池进出口 部 位均未见有控制性不 利结 构面影响 洞脸 边坡稳定，唯进出口 地段地形坡度较平缓， 进洞条件不利，需进行一定长度的明 挖方可 进洞. 地下厂房枢纽地段，主要由 较完整、 新鲜、 坚硬、 透水性弱的混合花岗 岩组成。 蒲石河抽水蓄能电 站地下厂房设计研究 其上 覆岩 体深厚， 虽见有4 0 余条断 层破碎带分布， 但宽 度较小， 倾角较陡， 其走向 多 与诸洞室轴线交角较大。岩石节理一般不甚发育，并多 钙质胶结。 其地应力值不高，一 般属中 等， 且其最大水平主应力方向 与主要洞室轴线近于平行。因此， 厂房枢纽地段围 岩稳定条件较好，多属n 类围岩。此外，鉴于该地段岩体强度较高，地应力值又不高， 故施工时 发生岩爆的可能性亦不大。 但由 于厂房及主变洞室顶拱及边墙局部地段因断层 破碎带交割形成数处不利组合体， 其体积虽不大， 但对顶拱和高边墙稳定不利，宜视实 际 情况采取专门 措施，加强支护，以 利安全。高压岔管地段， 虽见有十余条断层破碎带 分布， 但宽度较小， 倾角较陡， 且其走向多与洞轴交角较大。 未见较大的不利结构面组 合体 分布， 岩 石节理亦不发育， 岩石 透水性 微弱， 故该 地段岩石完整性较好， 多呈块 状 砌体结构， 其围 岩稳定条 件一般良 好。 蒲石河抽水蓄能电 站主要技术特征表见表3 -1 0 表3 -1辽宁蒲石河抽水蓄能电 站主要技术特征表 项目1 单位一上水库一下 水 库 设计蓄水位 一3 9 2 . 0 0一6 6 . 0 0 死水 位一 m3 6 0 . 0 0一6 2 . 0 0 有效库容1 0 4 扩 1 0 2 9 . 0 01 2 8 4 . 0 0 坝长 m一6 9 1 . 0 0 3 3 6 . 0 0 最大坝高1 m17 6 . 5 0 13 4 . 1 0 引 水系 统 最大长 度 m一9 2 f . 5 6 尾 水系 统 最大长度 1 3 6 8 . 4 主洞洞径 m1 1 1 . 5 0 最大抽水量m 3 / s 3 9 4 . 2 0 最大发电量m 3 / s 4 4 5 . 3 2 装机容量一i m w1 2 0 0 大连理工大学硕士学位论文 3 2 蒲石河抽水蓄能电站工程总体布置 工程总体布置。本电站为一纯抽水蓄能电站，其枢纽建筑物主要由上下水库大 坝、上下水库进出水口及地下输水洞室系统、地下厂房洞宣系统及配套地面建筑物组 成。电站的上水库位子东洋河树的泉眼沟沟首，该处三面环山，在沟口筑坝成库。上下 水库平面最短距离约2 5 k m ，库底高差约2 8 0 m 。电站的下水库位于蒲石河干流下游， 原可研阶段对坝址进行了比选，推荐坝址在王家街村附近，并通过了主管部门的审查。 电站地下厂房及输水洞室系统，位于上下水库间最短距离的山体内，该山作为一条型山 体，两侧分别为前眼沟和黄草沟，山体宽约1 0 k m 。厂区交通公路位于黄革沟内，地下 厂房交通洞和通风洞的出1 2 1 均位于厂区公路路边，往上水库方向布置有通往地面开关站 公路，经对外交通隧洞可通往上水库和外部丹宽公路；往下水库方向，通往下水库进出 水口和下水库坝址。综上所述，由于受特定条件的制约，工程枢纽主要建筑物的相对位 置比较固定，上下水库坝线变化，基本不影响水库动能参数，也不影响厂房、输水系统 及站内交通布置，工程总体布置方案主要体现在厂房和输水系统布置。 厂房系统平面布置图和输水系统布置图分别见图3 - 1 和图3 - 2 。 1 3 蒲石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 图3 - 1厂房系统平面布置图 1 4 大舰工大学硕士学位论文 图3 - 2输水系统布置图 1 5 - 蒲石河抽水蓄能电 站地下厂房设 计研究 4 厂房位置选择 4 . 1 工程地质条 件 地下厂房枢纽主要由 厂房、主变洞室、尾闸室等组成地下洞室群。其中厂房分主、 副厂房和安装间，尚有高压叉管、 尾水洞、交通洞、电缆及通风 ( 出 碴)洞等在此交 汇。 厂房枢纽区 位于黄草沟右侧第一条n e e向 冲沟沟尾处， 地面高程2 2 5 m -3 2 5 m , 该段冲沟宽约3 0 m， 切割深度5 0 m - 7 0 m ， 两侧山 坡坡度约3 0 0 - 4 0 0。 a ) 地层岩性 厂房枢纽区 覆盖层较薄， 岩石主要为早元古代混合花岗 岩 c m丫 2 )，后期穿插有 闪长纷岩岩脉 混合花岗 岩， 灰白、灰、 灰黑色，中粗粒花岗 变晶结构。主要矿物成分为长石、 石 英及少量云母等暗色矿物组成。 全、强风化岩厚度多 数 3 m ，中等风化岩厚度为1 5 m - 3 5 m , 微风化岩厚度为2 0 m - 3 5 m 。 地下厂房 洞室群 均位于 新鲜 岩石中， 其岩石的 物理 力学性质详见表4 -1 , 表4 -1地下厂房地段 宕石 物理力学性 质试验成果 汇总表 岩石 名称 与风 化状 态装 比 重 密度 紧密 度 孔 隙 率 吸 水 率 饱和 吸水 率 抗压强度 软 化 系 数 弹it 棋 盆 ( g / c m )m p a g p a烘干饱和 %烘千 饱和 新鲜 混合 花岗 岩 组数 4444444 4 4 2 最大值 2 . 7 72 . 7 52 . 7 59 9 . 6 41 . 0 90 . 1 80 . 2 22 2 0 . 6 0 5; 9 0 . 8 85 0 . 1 8 最小值 2 . 7 12 . 6 92 . 7 09 8 . 9 10 . 3 60 . 1 20 . 1 31 3 5 . 8 0 108 .0 3 0 . 5 83 8 . 7 6 平均值 2 . 7 52 . 7 32 . 7 39 9 . 1 80 . 8 20 . 1 50 . 1 81 7 5 . 3 3 12 7.48 0 . 7 34 4 . 4 7 一1 6 大连理工大学硕 士学位 论文 厂房枢纽区见有1 4 条闪长纷岩岩脉， 产状多以 走向n 4 5 。-7 0 0 w和走向n 1 5 。-4 0 0 w为主，多倾向n e ， 倾角多 5 0 ,。与围岩多呈裂隙接触。脉体岩石新鲜、 坚 硬，出 露宽 度除6 n - 1 7 . 6 : 一为2 .0 m -7 .3 m ， 其余均小 于2 m . ( 详见表4 -2 )。 地质构造 据探槽、钻孔及p d 0 2 厂房勘探嗣资料，厂房枢纽区断层破碎带较发育， 见有4 0 余条， 但断层破碎带宽度都不大， 主要见于厂房枢纽区的东西两端，按其走向 可分四 组: 走向n 5 。 -3 0 0 e ， 多 倾向s e ， 倾角5 0 。 - 7 0 ，断 层破碎带宽 度除f 9 , 乃、 民为0 .5 m - v 3 m ， 其它均- 0 .3 m ， 主要由 碎块、 碎裂岩和角 砾岩夹碎屑 及薄 层断 层泥 组成。 走向n 3 5 - 6 5 * e ， 倾向s e , 倾角多为5 0 。 . 8 6 0，断 层破碎带宽 度除f 3 为 1 8 m ， 其它- 0 .5 m 。 多由 碎块、 碎裂岩夹碎屑组成， 其中f l 3 , f 2o , f 1 4 , f 3 6 , f 3 a f 3 9 带 内夹有0 .2 c m -1 .0 c m厚的断层泥。 走向n 5 0 - 4 0 0 w， 多 倾向n e ， 倾角5 5 。 - 7 5 ， 断 层破碎带宽 度 5 0 0。 这两组节理多延伸较短， 一 般长2 m - 6 m ， 节理多 微张或为 钙质胶结， 仅少数为 岩 屑或泥质充填，节理面多较平直、较光滑。 据p d 0 2 探酮资料，厂房枢纽区西半部节理 藕石河抽水蓄能电站地下厂房设计研究 较发 育， 节理 平均密度为1 .5 * / m 2 - 3 .3 条 / 衬， 东 半部节理不发育， 节理平均密度为 1 .0 条 加 2 . 1 .2 扮扩。 此 外 ， 在 厂 房 西 半 部 见 有 两 组 缓 倾 角 节 理 ; 走向n 3 0 0 -5 0 0 w，多倾向s w， 倾角1 0 0 - 3 5 0，延伸虽不长， 但与厂轴 交角较小，对其顶拱岩体稳定有影响。 走向n 5 0 - 3 0 0 e ， 多倾向n w， 倾角1 0 0 - 3 5 0，多 延伸较短， 节理面较平 直，呈断续分布。 闪 长 纷岩岩脉中 节理一 般不发育， 仅6 = - 1 7 . 6 a -2 i 岩脉中，与 岩脉产状相同 一组节 理较发育， 节 理多 延伸较短，多为 钙质 胶结。 c )水文地质 厂房区 地下水主要为赋存于基岩裂隙及断 层破碎带内的 裂隙水。 地下水位埋深约 4 0 m - 5 5 m , 高出 厂房顶拱约1 9 0 m -1 9 5 m 。 据钻孔 压 水试验资 料，厂 房区 岩石透水性 微弱，其透水率多小于1 l n 。据p d 0 2 探酮资料，多数地段洞周岩石呈潮湿状，仅岩石 裂隙发育地段和断层破碎带交汇部位见有地下水呈脉状渗流或雨滴状渗出。 其中 主洞有 3 9 处渗水点，多分布在岩石节理发育的 厂房区西端， 支洞有3 2 处渗水点，多分布在下 游支洞