地下厂房 第一节概述 一、地下厂房的发展趋势 将厂房的主机室等布置在山岩之中的厂房称地下厂房。据不完全统 计，目前世界上已建成的地下水电站约在400座以上，总装机容量已超过 4500万kW,其中世界上已建成的最大地下水电站是加拿大拉格朗德二级 水电站，厂房高47.3米，长483米，宽26.4米，装机16台，总装机535 万kW。我国在建的广西龙滩水电站，厂房高74.5米，长388.5米，宽28.5 米，厂房内设计安装9台单机容量60万千瓦的水轮发电机组，总装机容 量达540万kW，是世界目前最大的地下厂房。该工程规模宏大、施工技 术含量高、工程地质条件复杂，其施工难度为世界水电建设史所罕见。 近年来，由于地下岩石开挖技术的进步，高效能成套机械化设备以及 喷锚支护等岩体加固新技术的采用，加快了地下工程的施工速度，提高了 质量：又由于采用了水内冷发电机和变压器、高压封闭绝缘组合开关等电 器设备，可以将升压变压器及高压配电装置布置在地下洞室内，缩短了电 缆长度，避免了地面开关站的大量土石方工程，降低了工程造价，促进了 地下水电站的建设和发展。 二、地下厂房优缺点 地下厂房的优点主要表现在以下几点： 1、在深峡谷、大泄量的河道内，采用地下厂房有利于水工枢纽的总 体布置。 2、地下厂房可以避开不利地形如山岩不稳定区，厂房和压力管道可 避免山坡崩坍的危害，以保证运行安全，并且具有良好的人防条件。 3、有可能降低建筑物的工程造价。 4、在严寒、酷热或多雨地区，厂房的施工和运行不受气候的影响， 可全年施工，有利于缩短工期。 5、有利于保持地面自然景观 地下厂房的缺点表现在洞开挖工程量大，施工难度较大，通风、防潮、 采光条件差，当地质条件差时支护费用很大。 三、地下厂房布置型式
根据地下厂房在压力引水发电系统中的位置不同，地下水电站可分为 首部式、尾部式和中部式三种典型布置方式。 1、首部式布置 厂房布置在电站进水口附近，具有短的引水道和长的尾水洞，如图 1(a)。短的引水道上常可不设上游调压室。尾水洞较长，若为有压洞，常 设有尾水调压室：若下游水位变幅不大，也可采用无压尾水洞而不设尾水 调压室。 首部式布置的地下水电站由于厂房靠近水库，要防止在厂房洞室附近 产生过大的渗水压力而漏水，甚至危及岩体稳定，所以要求地质条件好， 并须做好防渗措施。这种布置方式由于压力引水道短，机组运行条件好， 有利于担任系统调频任务。 水库 及<清运输井 压力管道孔 Q2尾水调压室 地下厂房 (a) 调压室口交通利 引水陆洞 水轮机管道 地酒 6) 主阀陶道尾水隧洞 水库 芽厂交通洞 了引水睡闲尾水送压室好 地下厂房 尾水隧洞 (e) 图1地下水电站布置方式 (a)首部式b)尾部式(c)中部式 2、尾部式布置 厂房位于压力引水系统的尾部，靠近地表，尾水洞较短，如图1(b)。 这种布置方式不受水头大小的限制，水头可高达数百米甚至千米，应用较 广泛。上游一般均设有上游调压室，采用集中供水和分组供水方式。进厂
交通洞通常采用平洞，各种辅助洞的长度比较短。尾水洞可不设调压室 下游水位变幅不大时，也可采用无压洞。我国多数地下式水电站属于这种 布置方式。 3、中部式布置 厂房位于引水系统的中部，厂房上游引水洞和下游尾水洞的长度大体 相当，如图1(c)。这种布置比首部式适用的水头大，但因引水道在负荷 变化时存在压力波动，所以必须同时在厂房的上、下游设置调压井。辅助 洞可根据地形条件采用平洞或竖井。 总之，地下厂房采用何种布置方式要因地制宜，结合水电站的水能规 划、当地的地形地质、交通运输、出线条件以及施工条件，经过技术经济 比较加以确定。 第二节地下厂房枢纽布置及厂内布置特点 一、地下水电站的枢纽布置 地下水电站的建筑物由引水系统（进水口、压力遂洞、调压井、高压 管道、尾水调压室及尾水隧洞)、主副厂房、升压站、开关站及一系列附 属洞室组成。 主厂房是地下水电站的主体部分，各附属建筑物及洞室都与它相联 结，布置上互相联系，互相影响。如图2、图3、图4是我国白山水电站 枢纽一期工程，是坝式电站地下厂房。 3
图2白山地下水电站枢纽布置图 14.586 0 图3白山地下水电站纵剖面（单位：m)
图4白山地下水电站厂洞透视图 地下厂房是由主机洞、主变压器洞、压力管道及岔管、阀室、尾水调 压室、尾水洞、交通运输洞及其他辅助洞室构成的一组洞群。这些洞室纵 横交错，将山岩切割成很多临空面，使围岩稳定问题十分突出。洞室的围 岩稳定与以下因素有关： (1)围岩的物理力学特性： (2)围岩所处的地质环境，如地应力场、地下水等： (3)洞室的体型和尺寸大小： (4)工程因素，如施工开挖方式、支护时间和支护措施等。 二、厂房位置的选择 (1)厂房位置应选择在岩性均一完整、强度高、构造单一的岩体内， 并有足够的埋藏深度以利于厂房顶拱的稳定。 (2)厂房纵轴的布置方位应考虑岩体的层面、节理等结构面的产状 厂房的纵轴应和这些主要薄弱面垂直或具有较大的夹角。 (3)地应力的大小以及主应力的方向对围岩稳定有重要影响。 (4)在层状围岩中，若主压应力方向与层面方向接近，则厂房的纵轴 5
方向与层面的交角，一般不宜小于35。 (⑤)在深切峡谷边，由于受到地形切割的影响，山体内的地应力主方 向发生很大的偏转。布置地下厂房时，厂房位置除了要避开邻近峡谷的卸 荷裂隙带外，还应避开地应力集中、转折和易于发生岩爆的地段 三、厂房洞型和洞室间距选择 从有利于围岩稳定的角度出发，总是力求缩小厂房的跨度，以及加大 洞室间距；然而，从有利于机电设备运行的角度，又总是希望主要机电设 备能比较集中，这样又要增大厂房的跨度，缩小洞室间距。所以在布置中 要合理地处理好水工布置与机电布置的矛盾。例如主阀是否放在主厂房 内，主变室与主厂房的相对位置等，应根据具体情况，慎重分析选定。 1.厂房洞型选择 地下厂房顶拱总是做成曲线型以利稳定。以往常常采用带有拱座的钢 筋混凝土顶拱，不仅加大了厂房跨度，而且还使拱座处产生应力集中，不 利于围岩的稳定。所以目前倾向于采用无拱座的喷锚支护顶拱。若岩体比 较完整坚硬，也可以不作支护或只作局部的喷锚支护措施。 地下厂房的边墙，一般做成直立的，便于施工。在岩体性能较差，而 水平构造应力又比较大的情况下，采用曲线型边墙或倾斜边墙，均能改善 边墙围岩的稳定性。 2.洞室间距选择 一般在岩性较好的情况下，岩壁厚度要大于主机洞的宽度。当岩壁厚 度大于主机室宽度时，洞室之间岩壁的塑性区一般不会贯穿。从机电布置 要求而言，在洞室围岩稳定有保证的情况下，应尽量缩短主机室与主变洞 之间的距离，以缩短母线的长度。我国白山水电站的主机洞和主变洞的净 距只有16.5m,仅为主机洞宽度的o.66倍。虽然白山电站洞室围岩是特 别好的花岗岩，但分析表明，洞室间岩壁的塑性区仍被贯穿。所以两洞之 间的岩壁上，用了24组间距为4m×4m的预应力锚索，每一组为6×7根 Φ4mm的高强钢索，加预应力500kN(约50tf)予以加固。 其他各种附属洞室，如交通运输洞、高压出线洞、通风洞等，在满足 功能和尽量缩短长度的基础上，也应尽量避免交叉，扩大洞室间距。洞室 出口应布置在边坡稳定地段
四、厂内布置特点 (一)主厂房纵轴方向的确定 主厂房纵轴方向是枢纽布置的关键。由于地下厂房长度及断面尺寸较 大，顶拱和边墙暴露面很大。因此，布置厂房纵轴方向与地应力条件及断 层、裂隙、岩层等的关系密切。厂房的最优方向应符合下列三个条件： (1)厂房洞室轴线与大断裂系统的方向不能一致。 (2)轴线应与岩层走向尽可能垂直。否则，开挖时地下挖空后会影 响上层岩体的稳定。 (3)地应力的大小和方向对洞室围岩的稳定性密切相关。由于地应 力具有高度的方向性，对地下工程围岩的变形和破坏在总体上起着控制作 用。因此，在设计施工之前，首先确定构造应力场的方向及主应力大小， 然后合理选址、选线。 (二)主厂房埋藏深度的确定 由于地质条件、工程布置、施工要求的不同，厂址选择时厂房的埋藏 深度也不同。为了保证厂房拱顶上覆岩体的稳定，需要有一定的埋深，它 取决于洞室开挖后岩石应力重分布对洞室稳定的影响。如果顶部覆盖厚度 太小，围岩稳定性往往较差。根据我国的实践经验，保持厂房顶部有不小 于2~3倍厂房开挖宽度的覆盖厚度较为适宜。地下厂房亦不宜埋藏过深， 否则附属洞室相应增长，运行不便，经济上也不合理。另外，埋藏过深则 地应力大，易产生岩爆。因此，对埋深应合理选择。同时，埋深对引水建 筑物、尾水洞及附属洞室的布置和运行经济性均要做利弊比较。 (三)变压器及开关站的布置 近年来修建的地下式水电站趋向于将主变压器布置于地下，其基本布 置方式有两种：一种是将主变压器放置在专门的洞室中，洞室与主厂房平 行，由低压母线洞与主厂房连接（如图3,4)，缩短母线长度，便于运 行管理：另一种是将主变压器置于主厂房顶部。其中前一种方式应用较多。 从运行角度，主变距主厂房越近，母线洞的长度越短，坡度减小。 随着全封闭组合电器和高压电缆的使用，高压开关站也趋向于布置在 地下，由高压电缆洞与主变压器连接。这不仅可以使设备布置紧凑，而且
可避免改变地面景观，有利于环境保护。当采用地面布置的高压开关站时， 常采用竖井或斜井电缆洞与主变压器相连接。 (四)附属洞室的布置 地下厂房除了主厂房洞室外，还须布置各种用途的附属洞室（包括竖 井)，一般情况下均布置成若干不同断面尺寸和不同高程的洞室，如图4 所示。附属洞室包括交通运输洞、尾水洞、出线洞、通风洞、排水洞、安 全行人洞、施工洞等。附属洞室纵横交错，功用和要求各异，互相依赖， 又常常在布置上互相矛盾，必须分清主次，统一考虑，合理协调布置。为 了充分利用空间和减少地下开挖工程量，布置上尽量减少附属洞室数量， 力求做到“一洞多用”。如通常将交通运输洞兼做进风洞，出线洞兼做排 风洞，主变室与尾水启闭机洞室或交通洞合用，地下开关站考虑利用废弃 的施工支洞或导流洞，地质探洞考虑用作排水廊道，这些都必须在布置中 通盘考虑。 附属洞室的洞口位置应选择在山体较厚、无滑坡和无堆积物的地段， 这样便于施工进洞。 (五)安装间布置 为了进行安装和检修工作，在地下厂房中需配置安装间，它可利用水 平的交通运输隧洞或垂直的运输（检修）竖井与地面联通。运输隧洞或竖 井的尺寸应能保证交通工具及其所运载的设备顺畅地通过。通常在运输隧 洞或竖井中要布置动力和控制电缆间、通风管道以及工作人员的进出通 道。在运输竖井中须布置有乘人电梯和工作楼梯。在运输竖井口的地面上 布置有装卸场和进场交通线。安装间通常位于地下厂房的一端。这种布置 方式便于在水电站厂房中布置工作间及辅助设备间。 (六)副厂房布置 地下副厂房是中控室等机电设备仪表比较集中的大断面洞室，其平面 布置主要根据机电运行要求安排，一般力求与主厂房和安装间等成一字形 布置，以减少厂房的开挖度。实践证明，这种布置形式运行方便，但对于 规模较小的地下厂房，开挖跨度较小，难于使用大型施工机械，致使施工 速度相对较慢。可采用将主副厂房并列布置，这样不仅机电布置和运行较 8
方便，而且由于开挖宽度加大，为使用大型施工机械和加快建设速度创造 条件。 (七)主阀的布置 水轮机前引水道装置主阀的用途有二：当机组甩负荷时切断来水；当 机组产生飞逸转速能迅速关闭阀门，保护机组安全。 在地下厂房首部式布置中，大多采用每台机组单独的引水道和进水 口，此时若每个进水口已装置快速闸门，则在引水钢管上不再设主阀。对 于中部式或尾部式布置中，大多采用一条主引水道供2台或2台以上机组 发电用水的布置方式。这样的布置方式则须在每台水轮机前引水管道上装 置主阀。主阀的位置与型式有：紧挨调压井设在阀门井内的快速平板闸门： 设在引水钢管末端主厂房外阀室内的蝶阀；还有设在引水钢管末端主厂房 内的蝶阀。 第三节地下厂房的内部布置 一、地下厂房内部布置改进措施 地面厂房布置的一般原则，如厂房主要尺寸的拟定条件、运行方便和 降低造价等原则，也同样适用于地下厂房。在满足机电设备运行良好的前 提下，尽量缩小厂房内部空间以减少石方开挖，并改善围岩稳定条件。机 电设备的尺寸和构造，也应尽量适应缩小厂房洞室尺寸的要求。图5~图8 为我国白山地下水电站厂房布置图。 9
25.00 323.9 7300.20 工口 图5白山地下水电站厂房横剖面（单位：m) ⊙ a 1186的.50+ 一2400+—2400+-210.50- (6) 图6白山地下水电站发电机层平面（单位：cm) 10