水布垭地下电站洞室布置方案研究（陈代华）

摘要: 水布垭地下电站厂区地层上硬下软，上部为栖霞组层状岩体，软硬相间，下部为马鞍组、黄龙群组和写经寺组软岩，其间还有相向对倾的断层F2 、F3 的切割，地质条件复杂，软岩成洞问题十分突出。结合厂区地形和具体的地质条件，利用坝子沟开挖引水渠，坝子沟南侧边坡上布置岸塔式进水口。引水隧洞为1机1洞垂直进水塔平行布置，与主厂房轴线夹角为70°，进口中心高程334.25m，出口中心高程189.00m，上平段与下平高压段之间由60°斜井段相接。主厂房轴线方向N296°，主厂房的平面尺寸168.50m×23.00m×65.47m（长×宽×高），其中机组段长118.70m，安装场长41.50m。尾水为1机1洞垂直主厂房轴线平行布置，从马崖高边坡正面坡坡脚出口。

关 键 词: 电站建筑物;地下洞室;布置方案;水布垭水利枢纽

中图分类号: TV554 文献标识码: A

1 概述

水布垭水电站位于清江中游河段，湖北省巴东县水布垭镇，是清江干流梯级开发的龙头工程。枢纽工程主要建筑物有混凝土面板堆石坝（最大坝高233m）、左岸溢洪道和右岸地下式电站、放空洞等。水布垭工程正常蓄水位400m，死水位350m，最低尾水位198.90m。电站装机4台，单机容量460MW，总装机容量1840MW，保证出力310MW，多年平均发电量39.84亿kW•h，是华中地区不可多得的具有多年调节性能的水电站。

2 主要工程地质条件

厂区地层倾向上游略偏左岸，倾角6°～25°。从上至下有茅口组（P1m ）、栖霞组第1～15段（P11q ～P151q ）、马鞍组（P1ma ）、黄龙群组（C2h ）和泥盆系写经寺组（D3x ）等。断层主要有NNE、NNW、NE向3组，以张性、张扭性、高倾角为主。对主厂房布置和围岩稳定影响较大的断层有F2 、F3 、F50 、F478 和F205 等。裂隙十分发育，可分为NE、NW、SNT和NEE向4组，以高倾角裂隙为主。

地层软硬相间，沿软岩广泛形成层间剪切带，主要剪切带有001，011，031，061，081，101，131，151号。

地下洞室围岩上硬下软，上部软硬相间，下部为写经寺组（D3x ）页岩、粉砂岩、泥灰岩、马鞍组（P1ma ）煤系、炭质页岩等软岩岩组及黄龙剪切带（F206 ）等，软岩成洞问题十分突出。

3 电站建筑的布置方案

地下电站位于NE30°的清江河段右岸岸坡、张性大断层F2 、坝子沟和马崖高边坡所围限的四边形山体内，且有F3 断层贯穿其中。F2 、F3 两断层相向对倾，在剖面上，F2 、F3 之间的岩体上宽下窄，在平面上，南西窄，往北东渐宽，地表最窄处只有270余米。地下电站洞室群的布置上游受F2 、F3 断层的制约，下游则受P41q 分布高程的控制。因此，主厂房布置四面受限，可选择余地较小。

3.1 布置原则

（1）主厂房位于右岸F2 、F3 两条断层挟持的岩体内，布置时应尽量避开断层及其严重影响带。

（2）主厂房的位置选择，应使输水隧洞洞线尽量短，在满足机组调节保证计算要求的前提下，尽量不设置调压室，且进水口及尾水出口应具有较好的水力学条件。

（3）主厂房纵轴线与岩层及岩体主要结构面走向间应有较大的夹角，以减小地质构造对主厂房围岩稳定的影响。

（4）尽可能利用较坚硬完整的P121q 、P51q 、P41q 、P21q 岩层，引水洞上平段应尽量置于P121q 内，将主厂房洞室拱顶置于P41q 、P51q 内，主厂房洞室侧墙应尽量多的置于P41q 层中。

（5）在满足布置和安全运行的条件下，尽量减小地下洞室的尺寸，简化地下洞室的布置，以有利于主厂房洞室围岩的稳定。

（6）尾水洞布置应尽量缩短穿过写经寺和马鞍组软岩的洞段长度，主厂房位置选择应有利于缩短尾水洞的长度和减小尾水洞的断面，改善软岩洞段的成洞条件，有利施工。

3.2 主厂房位置

按照上述布置原则，根据厂区地形、地质条件和地应力情况，结合枢纽总体布置的要求，经多方案比较，重点研究了上部厂房和中部厂房布置两个方案。

上部厂房布置方案。主厂房、主变室和尾水闸门室相互间平行布置，其间净距分别为44.50、33.00m。引水1机1洞，尾水为两机1洞。

中部厂房布置方案。在上部厂房布置方案的基础上，将主厂房向下游移150m左右，尾水洞为1机1洞，尾水闸门室移至尾水洞出口。主厂房布置方案的主要参数见表1。

综上分析，中部厂房布置方案，断层对主厂房洞室围岩稳定影响小，引水洞充分利用了较好的P121q 岩层，尾水洞穿过D3X 软岩的洞段较上部厂房布置方案短92m且断面小，较多地避开了不利地质条件并改善了成洞条件，施工难度减小，可以加快施工进度。因此，推荐中部厂房布置方案。

3.3 安装场

为改善主厂房上下游侧墙的稳定性，结合厂内布置，比较了端部和中部安装场布置方案。

端部安装场，安装场位于主厂房1号机右侧，平面尺寸23m×39m。中部安装场由安Ⅰ、安Ⅱ两部分组成。安Ⅰ段位于主厂房1号机右侧，平面尺寸为23m×12m，为进厂设备的卸货场地。安Ⅱ段位于2、3号机之间，平面尺寸为23m×36m，为机组安装检修场地。

端部安装布置紧凑，场地利用率较高，且纵轴线方向较中部安装场方案短9m;1、2号尾水洞较中部方案各短16m，在 ∑LV相同的条件下，尾水断面较中部方案小，软岩成洞条件有所改善;工程量比中部安装场方案小。

中部安装场，由于安Ⅱ段下部保留岩体的作用，主厂房上、下侧墙的变形略有减小。而2、3号机之间安Ⅱ段下部保留岩体软岩超过50%，并有1条机组检修排水廊道从中穿过，要确保保留岩体发挥其作用，必须进行加固处理;安Ⅱ段布置于2、3号机之间，下部岩体开挖时，其左、右形成两个基坑，施工出渣不方便且施工难度增大。

从围岩稳定、厂内布置、施工条件、施工难度和工程量等方面综合分析比较，采用端部安装场布置方案较为合理。

3.4 主变室

结合机电设备厂内布置专题，根据500kV配电装置GIS和主变的不同位置，研究比较了全地下式，半地下式和地面式3个方案，3个方案的布置及优缺点比较见表2。

综合考虑围岩稳定，施工难度，运行管理及工程投资等因素，选用全地面式即500kV配电装置GIS和主变压器均布置在地面315m高程变电所内的布置方案。

3.5 500kV变电站

选择500kV变电所位置及高程时应遵循下述原则:①尽量缩短母线的长度并靠近母线竖井布置;②内、外交通方便，便于运行管理;③充分利用山顶地形，减少开挖，节省工程投资。

结合枢纽布置及厂区地形条件，研究了270、315和400共3个变电所位置方案，3个方案的主要优缺点比较见表3。

从安全运行、方便管理、减少电耗、降低造价出发，采用315方案。500kV变电所位于主厂房左侧山顶布置，即以4号机母线竖井地面出露点基准，其纵向与厂房垂直，母线洞上平洞与主厂房轴线夹角为38°，地面高程315.00m。

3.6 尾水出口位置

在电站其它建筑布置不变的条件下，比较分析了尾水洞上、下游出口两个方案。

下游出口方案，尾水洞垂直主厂房轴线平行布置，从马崖高边坡正面坡坡脚出口，尾水平台紧贴坡脚布置，与尾水洞轴线夹角80°，下接尾水渠。

上游出口方案，尾水洞垂直主厂房轴线，在主厂房下游经一直线段，然后分别用4个不同半径的圆弧向上游转弯后再经一直线段与尾水平台垂直相接，从马崖高边坡正面坡上游，溢洪道消能区上端右侧出口。较下游出口方案，尾水洞线总长短157.35m，尾水水渠长105m。

上游出口方案，尾水洞出口位于溢洪道冲坑上游，河道水流相对平稳，由于回流较大，该区泥砂淤积较高，一般在高程200m左右;尾水洞工程量比下游出口小;尾水洞洞线为曲线，局部水头损失较大;尾水渠的工程量比下游出口方案大。

下游出口方案，尾水洞为直线布置，水流条件好。但尾水出口靠近溢洪道冲坑，水流波动较大;尾水出口河道狭窄，与泄洪消能建筑物施工干扰大。

两个方案地质条件和工程量相当;马崖边坡处理措施相同;泄洪时，上游出口波浪较小，存在一定的淤积。不泄洪时，下游出口水流条件好，水头损失小。由于多年调节水库泄洪机会不多，综合考虑，推荐尾水洞采用直线布置、从马崖高边坡坡脚出口的下游出口方案。

根据主厂房、安装场、主变室、尾水洞出口和500kV变电所位置的比较，推荐中部厂房，主变压器布置在地面，端部安装场，尾水洞下游出口和315.00m高程变电所的厂房布置方案。

4 电站建筑物的总体布置

结合厂区地形和具体的地质条件，利用坝子沟开挖引水渠，坝子沟南侧边坡上布置岸塔式进水口。引水隧洞为1机1洞垂直进水塔平行布置，与主厂房轴线夹角为70°，进口中心高程334.25m，出口中心高程189.00m，上平段与下平高压段之间由60°斜井段相接。主厂房轴线方向N296°，主厂房的平面尺寸为168.50m×23.00m×65.47m（长×宽×高），其中机组段长118.70m，安装场长41.50m。尾水为1机1洞垂直主厂房轴线平行布置，从马崖高边坡正面坡坡脚出口。500kV配电装置GIS和主变均布置在主厂房顶左侧地面315m高程变电站内，变电所占地面积130m×42m。机电设备经1、2号交通洞分别运入主厂房和500kV变电所，由230m公路运至尾水平台，由上坝公路运至进水口。

5 结语

水布垭地下电站厂区为软硬相间层状岩体，上硬下软，软岩广泛分布，泥化夹层发育、性状极差。主厂房采用中部布置方案，不设调压井，主变布置在地面，尽量简化洞室的布置，较好地顺应了厂区复杂的地质条件。

地下电站主厂房2002年6月开挖顶拱，2005年3月开挖支护结束，混凝土工程施工完毕，第1台机组安装基本完成。安全监测资料表明，洞室围岩变形趋于稳定，工程结构安全。

作者简介: 陈代华，男，长江水利委员会设计院枢纽处，教授级高级工程师。