龙头石水电站厂区枢纽布置的优化设计

熊先涛，尹葵霞，农情革

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072 )

1 前 言

龙头石水电站装机容量700MW。岸边式地面厂房布置于龙头石Ⅱ级基座阶地下游边缘附近，地形平坦，地基岩性为细粒花岗岩，发育有七条辉绿(辉长)岩脉，岩体完整性较差，以Ⅲ类岩体为主，局部裂隙密集带、小断层及岩脉破碎带等为Ⅳ类岩体。边坡主要由风化卸荷的细粒花岗岩和覆盖层组成，发育有多条软弱结构面。边坡岩体总体为块裂结构，局部碎裂结构，以Ⅳ、Ⅴ类为主，稳定条件较差；斜坡上部覆盖有厚达10～30m的崩坡积含砾碎石土层，结构较松散，开挖后稳定性差。地质部门建议开挖坡比：Ⅳ类岩体1∶0.75，Ⅴ类1∶1，覆盖层1∶1.25。

2 原厂区枢纽布置方案

厂区建筑物主要包括主厂房、副厂房、主变场、中控楼、GIS楼、尾水平台、尾水渠、进厂公路及回车场等。

在可研阶段为了兼顾主厂房地基要求和后边坡的高度，并考虑到后边坡地质条件较差，后坡开挖坡比采用地质部门建议值。经过水工、机电、建筑等专业的多方案布置、论证和比较，确定厂区建筑物采用全地面布置方式。根据厂区地形、地质条件，选定厂房轴线为NW80°，主厂房的安装间、主机间呈“一”字形布置，安装间位于主机间左侧，副厂房位于主厂房下游侧的尾水平台之下，尾水平台部分兼作主变场，中控楼位于安装间下游侧，GIS楼紧邻中控楼下游侧布置。

GIS发电机电压配电装置及主变压器设置在主厂房下游侧副厂房内和尾水平台上，开关站布置在安装间下游侧进厂公路旁，主变压器高压侧与开关站配电装置采用500kV SF6管道母线连接。GIS楼顶为出线场，高压并联电抗器及出线门形架布置在开关站楼前。

原厂区枢纽布置(下游开关站方案)见图1。

本方案各建筑物基础均座落在基岩上，地基承载力满足要求；后边坡最大高度约100m，坡度较缓，支护工程量较小；建筑物间布置满足电站运行要求。但各建筑物相对分散，运行维护不便；主变压器放置在尾水平台上，机组振动对电气设备的振动影响较大；GIS楼距机组较远，所需电缆费用较高。因此，可研审查基本同意以上枢纽布置方案，但要求结合研究尾水建筑物和设备隔振、减振及防振等工程措施，优化500kV高压配电装置及厂区枢纽的布置。

3 优化方案比选

根据可研审查意见，结合厂区地形、地质条件，开展了厂区枢纽布置优化。

3.1 方案拟定

由于下游开关站方案将主变压器布置在尾水平台上，机组振动对电气设备的影响无法避免，因此合理布置厂区各建筑物以解决设备隔振和减振是本次优化需要解决的问题。参考类似工程，如将主变压器、相关电气设备置于主厂房上游侧，并在主厂房设置永久缝能有效降低振动的影响。但是将主变和GIS布置在主厂房上游侧，机电布置需要的主变室尺寸为110.04m× 14.50m(长×宽)。本工程对厂房地基基础承载力要求较高，最大承载力为0.8MPa，为满足地基承载力要求需尽量将主厂房后靠，使厂房基础座落在基岩上；而后边坡最大高度已近100m，向后扩挖必然增加边坡高度和工程量，开挖和支护难度也进一步加大。因此，处理好厂房基础高承载力和后边坡高度的矛盾成为本次优化的难点。

图1 下游开关站方案厂区枢纽布置

考虑到厂房一期开挖已经基本完成，开挖揭示的边坡地质条件略优于预期，可以适当加大边坡坡度而维持一期边坡开口线不动；同时为了尽量减少厂区优化布置对整个枢纽格局的影响，维持原来主厂房轴线方位、压力管道轴线方位不变。由于主变移至厂房上游，尾水平台宽度减小了8.50m，相应将厂房轴线位置沿压力管道轴线方位向下游平移8.50m，向靠山侧平移3.26m。厂后985.00～955.00m高程边坡由1∶0.75调整为1∶0.65；955.00～915.50m高程厂房后边坡开挖坡比从1∶0.75调整为1∶0.5。经过以上调整后，厂后空间加大，满足了主变室和主变搬运道的布置需要。因此将GIS楼从安装间下游侧移至厂房1～3号机上游侧，将控制楼从安装间下游侧移至厂房4号机上游侧，其余安装间后的空地可作为主变组装场，厂区其余建筑物位置基本不变。

调整相应的电气设备布置。发电机电压配电装置、主变压器、开关站及出线设备均布置在GIS楼内。GIS楼增加至3层，地下一层和地上两层，第一层为发电机电压配电装置层，布置有IPB、GCB、高压厂变、电压互感器等设备；第二层为主变压器层，布置有2组主变压器及1组高压并联电抗器；第三层为GIS层，布置有500kV GIS设备；楼顶为出线场，布置有出线设备及出线构架。

优化后厂房后坡变陡，经过计算分析，对后坡支护进行了适当加强。支护方案为：岩石开挖边坡主要采用挂网喷锚支护处理，并对边坡上部强风化、强卸荷岩体设置框格梁支护，每级边坡设置两排锚索加强支护，锚索布置范围和数量较优化前有所加大。

优化后的厂区枢纽布置方案(上游开关站方案)见图2。

3.2 综合比较

上游开关站方案中主变和GIS楼、中央控制楼均布置在主厂房上游侧，使得下游侧尾水平台宽度和尾水管长度有所减小，厂区各建筑物更紧凑，枢纽布置更合理。两方案比较如下：

3.2.1 土建综合比较

两方案主要土建工程量和相对投资见表1。

从表1可见，两方案土建工程量及相对投资没有明显差异。虽然上游方案减小了尾水平台宽度和尾水管长度，使混凝土和钢筋量有所减小，但由于增大了厂房中下部开挖边坡，因此增加了较多的边坡支护工程量。两方案互有增减，总体差别不明显。

在施工条件上，两方案施工场地布置条件相当，施工难度及土建工程量无大的差别，施工工期基本相同。

在运行管理上，上游方案各建筑物布置紧凑，主变压器及其组装场、GIS楼紧邻厂房后面布置，离安装间较近，检修、维护及运行较方便。

综上分析，厂区枢纽布置的两个方案从土建工程量、枢纽布置、施工条件、运行管理条件等方面综合比较，上游方案相对较优。

图2 上游开关站方案厂区枢纽布置

项目下游开关站方案上游开关站方案差值土方明挖/万m338.6137.43-1.18石方明挖/万m3104.77105.781.01主副厂房及安装间混凝土/万m323.1722.33-0.84钢筋/t18 03016 026-2 004喷混凝土/万m30.260.590.33挂网钢筋/t3011282.00排水孔/万m0.450.940.49锚杆/根8 6509 276626锚索/根14623892锚杆束/根0160160GIS楼和控制楼混凝土/万m30.631.380.75砖砌体/万m30.1050.180.08钢筋/t11401 769629相对投资/万元30 406.4830 336.63-69.85

3.2.2 机电综合比较

下游开关站方案：利用尾水平台的空间布置发电机电压配电装置、主变压器和主变压器运输道，场地利用率较好。但为了布置设备，延长了尾水管长度，对机组的性能有一定影响；主变压器、GCB等设备布置在尾水渠上，将受到机组振动的影响；由于主变高压侧到开关站的引出设备无法采用架空线连接，增加了高压引出线设备的投资，使得总投资较大。此外，各部位之间电缆通道关系复杂，中、低压电缆路径较长，运行维护不太方便。

上游开关站方案：尾水管长度缩短，提高了机组性能；升压楼布置在主厂房上游侧与主厂房结构分开，电器设备不受机组振动的影响，电站运行安全性和舒适度均较高；设备布置较为宽松；电缆通道易于规划，且长度较短；升压设备布置集中，占地面积小，运行维护方便。

两方案主、副厂房主要机械与电气设备布置以及工程量相同，主要差别体现在GIS出线设备上。两方案开关站主要电气设备工程量及相对投资比较见表2。

表2 两方案开关站主要电气设备工程量及相对投资比较

从表2可见：上游方案的设备投资有较大减少。

综上分析，厂区枢纽布置的两个方案从机电布置、设备投资等方面综合比较，上游方案优势较大。

3.3 结 论

经以上比较表明，上游开关站方案有以下优势：

(1)工程投资较省，节省投资约1 213.45万元。

(2)机组运行可靠性进一步提高，有效地降低了机组振动对电气设备的影响。

(3)枢纽布置更紧凑、合理，运行维护更方便。

4 结束语

龙头石水电站厂区枢纽布置调整是为了满足电气设备的防振和隔振而提出的。在调整过程中充分考虑了地形、地质条件和整个枢纽布置的影响，尤其在地质条件进一步明朗的前提下对后坡坡度进行了调整，满足了建筑物布置的需要，使得在对整个枢纽格局改动较小的前提下获得了较大效益，满足了工程的要求。