工業廠房設計論文

摘要：介紹招標設計階段百色水電站設計優化情況，重點介紹地下GIS升壓站選擇、地下洞室布置、廠房防滲排水布置及洞室圍巖穩定等方面的和優化情況，并對采用巖錨梁、取消伸縮節、鋼纖維噴混凝土、霧化防護等進行探討。 

關鍵詞：百色水利樞紐 水電站設計 設計優化 

1 設計優化概況
百色水電站為地下式水電站，裝機容量4×135MW，電站建筑物布置于主壩區左岸。招標設計階段，除將主變及升壓站由地面布置改為地下布置外，電站總體布置維持初設階段的布置格局。水電站建筑物包括：進水口、引水隧洞、地下主廠房和主變洞及母線廊道、高壓電纜廊道、灌漿排水廊道、洞、疏散洞、排風豎井等附屬洞室、尾水隧洞及尾水渠等。除進水口、引水隧洞、尾水渠及交通洞部分洞段等部位的巖層主要為巖性較差的榴江組硅質巖、硅質泥巖、泥巖外，其余地下廠房洞室即主廠房和主變洞及其附屬洞室、尾水隧洞等均布置在巖體抗壓強度較高、滲透系數較小但裂隙較發育且出露寬度僅約150m的輝綠巖帶內。
招標設計階段主要進行了以下幾個方面的設計優化：
（1）主變和升壓站由初設的地面布置改為地下布置。進一步開展了升壓配電設備的選型和布置方案的比較，論證了采用地下GIS升壓站的合理性，選擇了往左岸擋水壩段出線的高壓出線方案。
（2）地下廠房設置獨立的防滲排水系統。進行了廠區地下洞室群的滲流場分析，設置了獨立的廠房防滲排水系統，加強了廠房滲流控制措施。
（3）尾水隧洞布置的優化。進行了電站調保及尾水系統水力學，為避免明滿流交替，尾水主洞由等斷面順坡式改為變斷面上翹式。
（4）地下洞室布置的優化。采用地下GIS升壓站方案后，洞室布置從初設的“主廠房+尾閘室”一大一小兩洞布置改為“主廠房+主變洞”兩大洞室布置。
2 建筑物設計優化研究
2.1 地下GIS升壓站方案的研究
雖然SF6全封閉組合電器（GIS）的性能和可靠性優于常規設備，但鑒于初設階段時期其設備造價較高，電站升壓站型式推薦采用地面敞開式升壓站方案，升壓配電裝置采用SF6瓷柱式斷路器和敞開的隔離開關等常規設備。
招標設計階段，隨著技術的進步，GIS技術應用已趨于廣泛和成熟，其設備價格已經降低，采用GIS設備也更能適應電站“少人值班”的要求，同時考慮到地面升壓站高邊坡問題較突出，工程運行的安全性和可靠性較差，因此，對地面常規式、地面GIS式和地下GIS式升壓站方案進行了深入比較。兩個地面方案的升壓站均布置在地下廠房頂部山坡開挖形成的平臺上。地下GIS升壓站方案則是將主變和GIS等設備布置于主廠房下游側的地下主變洞內，山頂無出線場。
技術上，GIS設備的可靠性、維護檢修等性能指標遠優于敞開式常規設備。上，雖然GIS設備投資相對較大，但在設備、土建、運行費等的綜合費用上，地下GIS方案均比兩個地面方案省。施工進度上，由于電站發電工期是受大壩施工進度控制，地下GIS方案增加主變洞后并不會發電工期。安全性上，地下GIS方案由于無地面升壓站的大面積和高邊坡開挖，因而在避免高邊坡開挖、提高升壓站運行的安全性、可靠性方面優越于地面方案。因此，招標設計階段采用了技術經濟條件優越的地下GIS升壓站方案。
2.2 電站高壓出線方案的選擇
為選擇合理的出線方案，對電站高壓出線進行了三個方案的比較：方案一為往左岸擋水壩出線；方案二為往主變洞頂部山坡出線；方案三為往尾水渠上游側邊坡出線。
方案一考慮從主變洞設高壓電纜廊道出至消力池左側137.0m高程平臺，然后接進大壩138.0m高程橫向廊道，再經壩內電梯井引至左岸壩段下游壩坡214.0m高程出線平臺之后出線。設計中曾比較過采用水平廊道加豎井于副廠房右側位置引至左岸壩段壩址處，然后沿壩坡上至出線平臺的方案，但因該方案與大壩施工干擾大、施工安裝困難、運行維修不便、投資節省不多而被放棄。
方案二考慮在主變洞右端設電纜豎井直通地面出線場。該方案需在山坡上設有出線場，同時為滿足出線場的施工、對外交通及運行檢修的需要，需設一條長約240m的出線場對外公路。對外公路布置于尾水平臺公路和上壩公路之間，三條公路相對較集中，邊坡總高度約達140m，山坡地質條件較差。該方案高邊坡問題非常突出，邊坡處理工程量大，運行安全性差。
方案三考慮以水平廊道和豎井引線至尾水渠上游側開挖邊坡上的出線場。該方案可減少一定的土建工程量，但220kV出線直接跨右江，其平面位置距大壩消力池較近，跨江高壓線高程也偏低，220kV出線以及出線場設備受大壩泄洪霧化影響嚴重，運行安全難以保證。
安裝、運行條件上，方案一的出線設備和線路運行安全可靠、維護方便，但電纜豎井較高，安裝有一定難度；方案二的戶外設備和線路均能安全運行，但出線場為高差較大的階梯式布置，運行維護不夠方便，電纜豎井也較高，安裝也有一定難度；方案三的出線設備安裝相對簡單，但設備及220kV出線受大壩泄洪影響嚴重，難以保證運行的安全可靠。投資方面，方案三投資最省，方案一次之，方案二最高。
綜上所述，方案二的技術經濟評價最差，方案三雖可省投資，但難于保證設備和220kV線路的安全運行，方案一的綜合技術經濟比較占優，因此選擇方案一即往左岸擋水壩段出線為電站高壓出線布置方案。
2.3 廠房防滲排水系統的設計優化
初設階段，廠房防滲帷幕與大壩防滲帷幕相結合，防滲帷幕距廠房較遠，帷幕的中下部為透水性較強的榴江組地層，所設帷幕難于形成封閉型的帷幕。招標設計階段，為增加廠房防滲的可靠性，進一步降低地下水位、控制滲透壓力、保證洞室圍巖穩定，確保電站運行安全，設置了獨立的廠房防滲排水系統，即在廠房上游側及左、右側設置廠房防滲帷幕及排水幕，防滲帷幕底設至相對隔水層。共布置有兩層灌漿廊道和兩層排水廊道，左、右側排水廊道均與灌漿廊道共用，廊道斷面寬3.0m，高3.5m。為加強排水效果，廠房左側廊道排水孔的間距比初設階段的間距要小。另外，引水隧洞在廠房上游邊墻前設置有長約44m的鋼板襯砌，鋼襯段首部設環形阻水灌漿帷幕，此帷幕與廠房防滲帷幕相連接，以加強防滲效果。廠房上游側排水廊道布置方案研究中，對其頂層廊道設置的必要性幾經反復論證，從滲流場計算成果看，不設頂層排水廊道是可行的，但設計中吸取國內外地下廠房工程防滲排水設計和運行的經驗教訓，考慮到水庫蓄水后在庫水以及降雨的作用下地下洞室圍巖地下水運動的復雜性，從工程運行安全考慮，最終保留了頂層排水廊道。滲流場計算成果表明，優化后的防滲排水系統設計合理，防滲排水效果顯著。
2.4 尾水系統設計優化
初設階段，尾水主洞按順坡布置，從1＃尾水支洞末端的寬8m、高9.41m漸變至2#尾水支洞與主洞軸線交線處的寬13m、高25m，此后主洞斷面不變。
招標設計階段對初設尾水隧洞布置方案補充進行了調保及尾水系統水力學計算，成果表明：在常遇洪水位（即50年一遇洪水，大壩控泄流量3000m3/s相應尾水位126.6m）以下額時，尾水主洞為明流狀態，過渡過程中除尾水主洞上游端漸變段出現明滿流交替外，其余段未出現明滿流交替；下游水位在131.5m附近時，發生明顯的明滿流交替；某些工況下，可能發生較為劇烈的壓力（水面）陡升和陡降。
為避免氣囊氣墊的產生和明滿流交替，招標設計階段將尾水主洞洞底由初設的順坡改為平底，洞頂由順坡改為5 %縱坡的上翹型，尾水支洞與尾水主洞的連接由初設的順坡改為反坡。尾水主洞洞高21.5m~26.2m，洞寬在上游端長18.82m段從8m漸變至13m，此后寬度不變。調保及尾水水力學計算成果表明：修改后的尾水系統布置可滿足機組調節保證要求，尾水隧洞在常遇洪水時能保持明流狀態，不出現明滿流交替，尾水主洞中為完全明流或完全滿流時，尾水主洞及尾水渠的壓力和水位波動均較小。
初設階段，為滿足尾水隧洞的檢修需要，尾水主洞出口段預留一道檢修閘門槽，以后擬采用臨時閘門及臨時啟閉設備進行擋水檢修。經招標設計階段進一步的方案比較，尾水隧洞的檢修考慮采用在尾水渠115m高程平臺堆筑臨時圍堰的擋水檢修，從而取消了初設預留的檢修閘門槽，尾水平臺寬度相應減小。
2.5 主要地下洞室布置
招標設計階段地下主要洞室布置的變動主要是由初設的“主廠房+尾閘室”一大一小洞室布置改為“主廠房+主變洞”兩大洞室布置。
主廠房長147m，頂拱跨度20.7m，最大高度49m。主廠房總長度比初設增加了13m，主要是因為采用地下GIS升壓站方案后機電設備布置所需而增加了副廠房的長度。為減小地下廠房跨度和高度，經機電設備布置優化，廠房頂拱寬度比初設減少了0.5m，廠房寬度由初設的20m縮小為19.5m，廠房高度由初設的50m降為49m。廠房吊車梁上游側采用巖錨梁，下游側因母線廊道拱頂距吊車梁底較近，故采用普通帶柱吊車梁型式。
主變洞與主廠房平行布置，兩洞室間的巖柱厚度為20.5m，約為一倍洞跨，主變洞的上覆有效巖體厚度約為18m，屬于淺埋洞室。主變洞長93.8m，寬19.2m，高24.8m。主變洞內設主變室和尾閘室，右端設有一內徑4m、高27m的通至地面的排風豎井。根據閘門井布置及閘門檢修方面的優化，尾閘室寬度由初設的6m減少至5.4m。
主廠房與主變洞之間布置有4條母線廊道，廊道底高程由初設的與母線層高程平齊抬高為與發電機層高程平齊，廊道寬5.5~6.5m，高5.5~7m。
高壓電纜廊道與壩軸線平行，斷面寬3m，高4~5.5m，長70m（含洞口段）。137m平臺上的電纜廊道寬2.5m，高4.5m，長32m。
交通洞洞口至主變洞段，寬8.0m，高6.5m，與初設相同，主變洞至主廠房段，因運輸、安裝主變需要，寬度增大至11m，高度增加至9.25m。通風疏散洞為保證與主變洞間有一定的巖柱厚度，比初設右移了9.85m。疏散洞洞寬8m，高6.5m，與初設相同，洞底高程結合副廠房樓層布置情況擬定為137.6m，比初設的139.2m低。因機電布置需要，疏散洞在主變洞至副廠房段需深挖至發電機層高程。
防滲排水廊道及尾水隧洞布置如2.3、2.4所述。
2.6 圍巖穩定分析研究
初設階段是在進水塔附近位置進行地應力測試，成果僅有一組，其成果表明，廠房區地應力場是具有垂直方向的構造應力場。招標設計階段在地下主廠房位置重新進行了地應力測試，其成果表明，廠房區最大主應力近于水平向，量值5～7MPa，方位角45°～72°，傾角-13°～0°，最小主應力量值2～3.5MPa，傾角較大，平均為63°，廠房區屬于中等地應力區，且以水平構造應力場為主。兩個階段的地應力測試成果的主要差別在于最大主應力方向不同，方位角也不同。根據地質構造形跡及應變計標定試驗成果等綜合分析判斷，招標設計階段地應力測試成果比初設成果合理，更具可信性。
地下廠房洞室圍巖無大的構造斷裂，但裂隙較發育，除初設探明的四組主要節理裂隙外，進一步的地質工作表明，廠房洞室區域內尚存在S3、S4兩條構造蝕變帶和一條規模較大的節理J163，其中S3和J163從主廠房和主變洞之間通過。S3、S4構造蝕變帶寬0.2~0.5m，組成物為構造蝕變輝綠巖，膠結好、強度高，但具有易風化和遇水易軟化特點。J163節理充填8~15cm厚的方解石、巖屑及泥巖，呈閉合~稍張狀。構造蝕變帶及節理的發育對洞室的圍巖穩定存在不利的影響。
鑒于地下洞室布置方案改變、地應力測試成果不同、地質條件的進一步探明，招標設計階段，對地下廠房洞室圍巖穩定重新進行了有限元分析計算研究。計算中，模擬了洞室圍巖中的主要裂隙及其組合、滲流場作用、不同的開挖程序及支護措施，并采用實測地應力場進行計算，成果表明：主廠房、主變洞、尾水主洞的頂拱及主廠房上游邊墻的塑性區均較小，只有2~4m；地下洞室的位移不大，均屬于正常值范圍；因主廠房與主變洞之間的巖柱厚度較小且受S3和J163影響，局部部位塑性區、拉損區較大，需加強支護；在采用噴混凝土加系統錨桿、局部采用張拉錨桿或預應力錨索加固的支護措施以及推薦采用的地下洞室開挖支護程序的情況下，洞室圍巖穩定是可以保證的，洞室布置是可行、合理的。
3 主要的探討
經過多方案的、多專題的論證和多方面專家的咨詢，招標設計階段百色水電站建筑物采用了上述優化后的設計方案，現提出對其中幾個問題的看法，與同仁們探討，期望能在工程實施階段有關方面決策。
3.1 主廠房下游側采用巖錨梁的可行性和必要性
　　初設階段，母線廊道底高程與母線層平齊，母線廊道與尾水管間的最小巖柱厚度約8m。招標設計階段，考慮到洞室圍巖裂隙較發育，同時結合機電布置需要并方便和運行管理，將母線廊道底高程抬高至發電機層高程，以加大母線廊道與尾水管間的巖柱厚度，但母線廊道抬高后，母線廊道拱頂已接近于吊車梁底高程，因此，主廠房下游側采用了普通的有柱吊車梁型式，柱底座落于水輪機層高程。
采用普通有柱吊車梁，需等到廠房開挖完成后或柱基礎有持力巖基后才能開始澆筑柱和吊車梁，而采用巖錨梁可在地下廠房開挖至中部時（高出發電機層高程約5m）即可開始進行巖錨梁錨桿及混凝土施工，這樣可提前安裝吊車、提早投入使用，為洞室下部的開挖、機電安裝及混凝土澆筑提供方便，加快施工進度，縮短施工工期（經并參照其它工程的經驗，可縮短工期約3～4個月），降低工程造價。因此，研究主廠房下游側采用巖錨梁方案是很有必要的。
要采用巖錨梁，可考慮將母線廊道降低至母線層，保證廊道頂至巖錨梁底有足夠厚度的巖體，廊道與尾水管之間的巖柱穩定通過選擇合理的施工程序并加強支護措施予以保證。另外也可考慮在現方案情況下，在母線廊道洞口處設支承吊車梁的城門拱結構（洞口處機電布置需相應作調整），這樣吊車梁可按常規巖錨梁設計。值得注意的是，在本工程地下廠房圍巖裂隙較發育的地質條件下，需深入研究圍巖開挖變形對巖錨梁錨桿受力的，并采取相應措施保證圍巖穩定及巖錨梁錨桿受力的可靠度，以保證巖錨梁的使用安全。
3.2 取消蝸殼鋼管伸縮節的可行性
從消除因溫度荷載、溫度變化或不均勻沉陷等原因可能引起鋼管的`附加應力的角度出發，招標文件中，廠房蝸殼壓力鋼管設置了伸縮節。
設置伸縮節固然有其優點，但必然增加投資，增加制造、安裝和維修的困難。本工程不是高地溫地區，壓力鋼管又是深埋于輝綠巖體內的地下埋管，輝綠巖無斷層通過，地下環境中溫度變幅也較小，鋼管外包的混凝土是在圍巖變形穩定或基本穩定后才進行澆筑，因此，溫度荷載和溫度變化引起的應力較小，地基產生不均勻沉陷的可能性很小，混凝土干縮或膨脹產生的應力可通過工程措施控制在較小的范圍內。因此本工程取消伸縮節是可行的。國內近幾年施工的地下廠房工程，大多也不設伸縮節，這也是可以借鑒的。
3.3 鋼纖維噴混凝土技術的推廣
對于本工程是否應用鋼纖維噴混凝土問題，各方面的觀點不盡相同。筆者認為，鋼纖維噴混凝土與一般噴混凝土相比，具有良好的韌性、延展性、耐磨性和抗裂性，同時具有簡化施工、加快施工進度的優點，并具有較好的施工安全性，可以緩解圍巖應力重分布造成的破壞，采用鋼纖維噴混凝土和錨桿、錨索相結合作為永久支護，可獲取良好的支護效果和效益，應推廣應用。
本工程地下洞室圍巖支護中可考慮采用鋼纖維噴混凝土技術，特別是在大跨度洞室的頂拱和邊墻、不良地質部位、圍巖產生較大塑性區和拉損區部位、交叉洞口部位及變形較大的部位，采用鋼纖維噴混凝土是適宜的、有效的。應用鋼纖維噴混凝土除需進行研究外，尚應進行現場試驗，以檢驗施工工藝及噴射效果，測試鋼纖維噴混凝土力學指標，確定最佳配合比，驗證適宜性，從而保證鋼纖維噴混凝土施工的質量，發揮有效的支護效果。
3.4 霧化問題研究
本工程大壩為碾壓混凝土高壩，采用表孔寬尾墩、中孔射流、底流消力池的聯合消能方式。大壩泄洪引起下游局部區域霧化是不可避免的現象。大壩下游左岸主要建筑物是進廠交通道路、尾水渠高邊坡、交通洞洞口、疏散洞洞口等，這些部位的地質條件均較差，參照其它工程的霧化情況，這些建筑物應是處于大壩泄洪霧化區內。若在上述區域產生霧化形成暴雨徑流，可能給工程帶來的不利影響是：霧化降雨直接沖擊山坡，降雨滲入高邊坡巖土體內后，降低抗滑力，可能誘發滑坡或洞口結構失穩，導致廠房進水而影響電站正常運行，同時造成進廠交通和安全疏散通道中斷。本工程一直未對霧化問題進行深入的理論研究和模型試驗，霧化影響范圍和程度無法定量評價，而根據國內外工程的經驗和教訓，霧化可能帶來的不利影響應引起足夠的重視。
對于本工程，除設計中盡可能避開可能產生霧化的區域布置建筑物、對霧化區內的建筑物和邊坡加強防護和排水外，有必要進行物理模型霧化試驗，并與理論分析相結合對霧化的影響范圍和程度進行研究，同時對霧化區內的高邊坡進行穩定分析，尋求穩妥的霧化防護措施，并加強霧化原型觀測，確保工程運行安全。若鑒于本工程霧化機率小或基于其它方面考慮，不再進行霧化試驗研究而維持招標設計尾水區域的邊坡、洞口設計方案，則對邊坡防護和洞口結構設計增加一定的安全裕度是有必要的。