魏 萍，尹德文

（黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003）

1 工程概況

厄瓜多爾CCS（Coca Codo Sinclair）水電站為徑流引水式電站，總裝機容量1 500 MW，年發(fā)電量88億kW·h，是該國最大的水電站，可滿足全國三分之一人口的電力需求，也是該國戰(zhàn)略性能源工程，同時也是世界上已建成的總裝機容量最大的沖擊式機組水電站之一。項目采取EPC合同模式，總工期66個月，合同金額超過23億美元［1］，是采用中國融資并由中國公司承建的“一帶一路”重要工程，也是中國水利企業(yè)“走出去”的標志性工程。項目受到中國及厄瓜多爾政府的高度重視，建成意義重大［2］。

CCS水電站位于亞馬遜河二級支流Coca河上，距離首都基多130 km。工程區(qū)為熱帶雨林氣候，鄰近活火山，地震峰值加速度為0.3g，自然條件十分復雜。厄瓜多爾電氣化局在20世紀80年代對Coca河流域水電開發(fā)進行了研究，并由意大利等咨詢公司于2009年6月完成概念設計。2009年10月通過公開招標，由黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司負責工程設計的聯(lián)營體中標，最終由中國水利水電建設集團簽訂了附帶融資條件的總承包合同。該工程于2010年7月28日正式開工建設，2016年11月18日電站正式投產發(fā)電。CCS水電站主要包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等，布置示意見圖1。

圖1 CCS水電站布置示意（單位：m）

2 地下廠房設計優(yōu)化

CCS水電站概念設計由意大利ELC公司完成，根據前期設計資料及當前國內外地下廠房設計經驗，結合中西方文化、設計理念、規(guī)程規(guī)范，并考慮便于咨詢、審批設計產品的指導思想，確定設計優(yōu)化原則為在設計基本合理、便于施工等前提下不改動或少改動原設計。在概念設計復核及基本設計兩個階段的國內、國外專家審查會上，與專家、業(yè)主、意大利ELC工程咨詢公司及墨西哥ASOC工程咨詢公司等進行了充分溝通，達成一致意見，確定優(yōu)化設計方案如下。

（1）按照南美地區(qū)設計慣例，地下廠房橋機支撐系統(tǒng)采用巖壁柱與巖體聯(lián)合受力方案。該方案的缺點：一是巖壁柱厚度占用廠房跨度，二是巖壁柱的施工需要廠房開挖到發(fā)電機層才能開始。為了加快施工進度，結合廠房洞室的圍巖條件，將原設計的巖壁柱改為應用較為成熟的巖壁吊車梁。由于巖壁吊車梁技術在南美地區(qū)運用較少，業(yè)主疑慮較大，因此通過反復溝通并請業(yè)主對中國地下廠房進行實地考察，最終確定采用預應力錨桿巖壁吊車梁。

（2）為了防止地下水對洞室圍巖及支護安全穩(wěn)定的影響，增加了廠房排水系統(tǒng)。一是在廠房及主變洞周圍增設上下兩層排水洞，二是在所有大洞室頂拱及邊墻增設排水系統(tǒng)。

（3）為了加快施工進度，盡早使用橋機，在廠房右側增加長20 m的副安裝間，前期主要用于橋機及機組安裝，后期改為副廠房，布置機修間及辦公室等。

（4）考慮到母線洞設備的安裝檢修方便，將母線洞底高程由母線層618.0 m抬高至發(fā)電機層623.5 m。

（5）原設計將尾水疊梁門布置在主廠房水輪機層下游側，導致無法布置輔機的油、汽、水管線系統(tǒng)。將疊梁門移至主變洞下游側，在主變洞下游側墻局部擴挖閘門室，既不占廠房空間，又便于疊梁門運行管理。

（6）原設計控制樓布置在出線場西側緊靠山體，該山體上部有一滑塌體裸露面，考慮到該部位周邊存在再次滑塌影響控制樓安全的可能性，因此將控制樓從出線場西側移至東側。

3 地下廠房樞紐布置

地下廠房布置在Sinclair以西500 m、Coca河右岸的山體內。洞室區(qū)域內地表自然坡度一般為30°～40°，山體陡峻，植被發(fā)育，總體地勢西高東低，地面高程600～1 350 m，地形起伏較大，區(qū)域內山高谷深，相對高差大，廠房區(qū)發(fā)育樹枝狀沖溝，多呈東西向展布，該區(qū)域降雨量較大，沿沖溝多形成瀑布。

廠房開發(fā)方式為尾部式開發(fā)。電站樞紐主要包括高壓引水洞、廠房、主變洞、母線洞、進廠交通洞、尾水洞、高壓電纜洞、排水洞、疏散通風洞等地下建筑及出線場、控制樓、高位水池、索道下站址、停機坪、透平油庫、尾閘室、尾水渠等地面建筑。

3.1 廠房軸線方向

在綜合考慮電站樞紐布置的同時，廠房洞室軸線方向應盡量與圍巖的主要構造面成較大的夾角，并應注意次要結構對洞室穩(wěn)定的不利影響。同時，洞室軸線方向與廠區(qū)初始地應力場最大主應力方向的交角不宜過大［3-4］。

地下廠房區(qū)域主要巖性為灰色、灰綠色和紫色Misahualli地層的火山凝灰?guī)r，上覆白堊系下統(tǒng)Hollin地層（Kh）頁巖、砂巖互層，表層覆蓋（Q4）厚度為3～30 m的崩積物和河流沖積物。地下廠房洞群均在Misahualli組火山巖中，巖性為凝灰?guī)r，厚度約600 m，巖性堅硬，裂隙不發(fā)育，塊狀結構，且多不透水，圍巖穩(wěn)定性較好。廠房頂拱高程為646.80 m，上覆巖體厚度為160～300 m，側向巖體厚度為150～230 m。

廠房區(qū)域沒有規(guī)模較大的斷層，但受構造影響，發(fā)育多條小規(guī)模斷層。出露結構面主要有3組：①140°～170°∠70°～85°，整體平直粗糙，充填厚 1～2 mm鈣膜或閉合無充填，延伸較長，局部大于10 m，平均 0.5～1.0 條/m；②230°～260°∠70°～80°，整體平直粗糙，充填方解石脈或者泥質條帶，寬度為2～3 mm，局部寬1 cm左右，少數高嶺土化，延伸長度為5～10 m，局部長度＞20 m；③40°～50°∠5°～15°，該組結構面局部發(fā)育較集中，數量較少，延伸較長（＞20 m），充填厚2～3 mm巖屑或者無充填，平直粗糙，出露處容易形成楔形體的頂部邊界。通過對斷層產狀統(tǒng)計可知：斷層走向以 230°～260°為主，傾角以 60°～80°為主。

廠區(qū)實測最大主應力為8～10 MPa，方向角為315°～340°。

根據廠區(qū)巖體主要構造面和最大主應力方向，結合廠區(qū)樞紐布置綜合分析，確定廠房軸線方向角為315°，與主要構造面有較大夾角，與最大主應力方向平行。

3.2 地下洞群布置

主副廠房按“一”字形布置，副廠房布置在主廠房右側，安裝間布置在主廠房中間。廠房與主變洞采用兩列式布置，主變洞布置在廠房下游側。壓力管道有2條，為單管四機聯(lián)合供水，壓力管道垂直廠房軸線布置。母線洞采用“一機一洞”，垂直主廠房布置。高壓電纜洞位于主變洞左側與主變洞下游側墻相接，分上下2層布置，上層通風，下層布置高壓電纜。疏散通風洞位于廠房右側，由前期地質探洞修改而成，分上下兩層，上層通風，下層布置疏散通道。進廠交通洞布置在安裝間下游側。尾水洞采用“八機一洞”布置，8條尾水支洞匯入1條尾水主洞。

4 洞室圍巖穩(wěn)定研究

地下工程設計的核心是確保圍巖穩(wěn)定，在洞室布置設計中，應充分利用圍巖自身承載能力進行地下洞室布置，同時研究合理的洞室開挖程序及支護型式，進行圍巖穩(wěn)定分析以擬定正確、合理的洞室布置方案［5］。該工程洞室間距及支護措施主要采用工程類比法確定并輔以計算驗證，在洞室圍巖安全穩(wěn)定的前提下最大化加快施工進度、減少工程量。

4.1 存在的問題

CCS水電站地下廠房洞群規(guī)模宏大，縱橫交錯，緊湊密集。廠房開挖尺寸為217.00 m×27.20 m×46.80 m（長×寬×高），主變洞開挖尺寸為192.00 m×19.00 m×33.80 m（長×寬×高），主廠房與主變洞間距24 m，為主廠房與主變室平均跨度的1.04倍，根據國內外規(guī)程規(guī)范要求及已建同等規(guī)模地下廠房的類比結果，該值為1.1～1.8倍。8條母線洞與8條尾水支洞布置在廠房與主變洞之間，母線洞開挖尺寸為8.20 m×7.40 m（寬×高），母線洞間巖壁厚度為10.3 m，為主母線洞平均跨度的1.2倍。尾水支洞開挖尺寸為8.10 m×8.50 m（寬×高），尾水支洞間巖壁厚度為10.4 m，為尾水支洞平均跨度的1.2倍。尾水支洞與母線洞水平向錯開1.3 m，與母線洞豎向間距7.15 m，為母線洞與尾水支洞平均高度的0.9倍。即廠房與主變洞之間、母線洞之間、尾水支洞之間、尾水支洞與母線洞之間均存在薄巖壁問題。薄巖壁極易產生塑性區(qū)貫通、圍巖變形加大、圍巖失穩(wěn)等問題。

4.2 解決措施

概念設計復核階段，專家組建議增大廠房與主變洞的間距，或用對穿錨索等方法解決薄巖壁圍巖穩(wěn)定問題。考慮到錨索施工工期長及低壓母線等費用的增加，最終采用了系統(tǒng)錨桿+掛網+噴混凝土的支護方案，并在母線洞、尾水支洞及備用機組等朔性區(qū)貫通洞段全洞增設鋼拱架，在廠房內所有洞臉采用預應力錨桿鎖口，增加母線洞及洞臉鋼筋混凝土襯砌等措施。同時，結合圍巖、錨桿等的位移、應力、聲波測試等多項安全監(jiān)測數據分析，實時調整施工及支護設計方案，成功解決了薄巖壁等圍巖穩(wěn)定問題。

4.3 開挖驗證

（1）廠房及主變洞開挖后揭露的地質信息基本與設計吻合，大部分為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，洞室成型較好，未出現結構面控制型或應力控制型圍巖破壞現象，廠房及主變洞在導洞開挖過程中出現的幾處楔形體塌落現象均由多組陡緩傾角結構面切割產生。對永久結構面上的楔形體進行超前分析，經過提前加固，效果良好。

（2）由于驗收條件嚴苛，因此母線洞超噴混凝土現象嚴重，占壓了設備布置空間。在鑿除混凝土噴層的過程中，2＃、3＃母線洞圍巖失穩(wěn)，造成中下游多榀鋼拱架變形，混凝土噴層出現裂縫。在及時實施二期混凝土支護之后（在變形鋼拱架部位混凝土襯砌內增加鋼拱架），圍巖變形收斂。

（3）在備用機組洞室開挖、母線洞下游洞頂擴挖、主變洞上游邊墻通風槽開挖及疊梁門局部擴挖時均出現廠房圍巖變形陡增現象，后改用低藥量的小炮多層開挖，效果明顯。

5 高壓電纜洞口及出線場位置論證

原設計高壓電纜洞出口布置在進廠交通洞口北約200 m，出線場布置在高壓電纜洞出口東北側的一級階地上，場地高程為640.00 m。

5.1 存在的問題

通過現場勘查及資料分析，專家及咨詢人員認為原設計存在以下問題：

（1）由于出線場西側的山坡上約900 m高程處裸露較新滑塌面，因此其周邊存在再次滑塌對出線場造成填埋的可能性。

（2）高壓電纜洞出口南側有一較大沖溝，存在暴雨時溝水淹沒高壓電纜洞出口的可能性。

（3）高壓電纜洞出口覆蓋層深厚，存在較陡土石高邊坡問題，施工難度大。洞頂平臺較小，平臺上方有一個高陡邊坡，如果高陡邊坡被擾動，則會全部填埋高壓電纜洞口。

5.2 方案論證

針對上述問題，對高壓電纜洞及出線場的位置進行了兩個方案論證。

（1）方案一，出線場布置在進廠交通洞口。將出線場布置在進廠交通洞口北側探洞出口位置。高壓電纜洞從4＃機組至探洞口出。優(yōu)點：高壓電纜洞長度比原方案短150 m，減少了開挖量及高壓電纜的投資。缺點：由于進廠交通洞口平臺面積較小，不能滿足出線場構架及控制樓布置，因此需要回填約2/3場地。業(yè)主要求場地邊坡采用混凝土擋墻護坡，且護坡的基礎要坐落在巖石上。該處覆蓋層較深，需要打樁，投資相對較高，施工較復雜，且回填場地存在發(fā)生不均勻沉降的風險。

（2）方案二，出線場布置在進廠交通洞口河對岸。優(yōu)點：場地寬敞，基礎處理簡單。缺點：高壓電纜需要跨Coca河，施工復雜，投資大，且高壓電纜加長約1 000 m。

經國內外專家多次評審，在原方案的基礎上，將高壓電纜洞口向北移30 m，將控制樓移到出線場東側。

6 尾水洞布置研究

常規(guī)沖擊式機組安裝高程較高，下游尾水位較低，在機組安裝高程和機坑水位之間留有足夠凈空高度即水輪機排出高度，以保證紊亂的基坑尾水不會對噴針和水斗造成影響，從而影響機組出力。

6.1 存在的問題

按照該工程 EPC合同要求，機組安裝高程為611.10 m，廠房下游河道流量超過3 200 m3/s時機組停機，下游河道流量在1 600 m3/s以上機組發(fā)電時尾水洞內為明滿流。根據業(yè)主提供的前期資料分析，機組安裝高程低，尾水洞斷面尺寸小，下游河道流量達1 600 m3/s時尾水出口河道水位為608.5 m，河道水位與機組安裝高程之差僅為2.6 m，而機組正常發(fā)電需要的排出高度為3.8 m，不能滿足機組發(fā)電要求。

6.2 方案論證

為了滿足合同要求，對尾水洞設計進行了多方案論證。

（1）方案一，在原設計的基礎上擴大尾水洞斷面。受機組安裝高程、配水環(huán)管外包混凝土厚度等條件限制，尾水洞頂抬高的范圍有限，經過尾水洞模型試驗及水力學計算論證，尾水洞在擴大斷面之后，過流能力仍然不能完全滿足合同要求。

（2）方案二，采用2條尾水主洞，由“八機一洞”方案改為“四機一洞”方案。該方案的主要問題是選擇合適的尾水洞出口：一是考慮尾水出流不能與主河道有大的交角，使尾水頂沖河道，因此新出口應盡量向下游移動；二是要有較好的出洞地質條件。經過論證，原尾水洞出口下游側近距離內沖溝密集，不具備地下洞室出洞條件。

（3）方案三，抬高機組安裝高程。抬高機組安裝高程可以從根本上解決尾水出流受阻的問題，機組抬高2～4 m，并相應抬高調蓄水庫大壩、進水口等建筑物高程。經過方案論證，該方案雖然工程量有所增大卻在可以接受的范圍之內，但是考慮到簽訂主合同時耗時近一年，修改合同條款很可能影響工期。

（4）方案四，將尾水洞出口盡量向下游移動約200 m。由于河道縱坡較大（約1%），尾水洞出口下移，可以有效降低尾水渠末端水位，因此增大了機組安裝高程與河道水位的高程差，同時加大尾水洞斷面，將尾水洞改為明流洞。該方案是業(yè)主推薦并堅持使用的方案，但該方案尾水洞長度增加近300 m，且尾水渠地質條件差，增大了工程量及延長了工期。經過國內外專家多次評審及考慮業(yè)主意見，確定該方案為最終實施方案。

6.3 施工實踐

（1）開展水輪機模型試驗時沒有考慮機組冷卻器放置在尾水支洞內，因此為了避免影響機組出力，將放置冷卻器之后的尾水支洞底部整體下挖，使冷卻器完全埋進尾水支洞內，不影響尾水支洞的過流能力。該方案在下游河道為多年平均水位時機組可以正常發(fā)電，但是尾水洞過流能力依然不能滿足高水位發(fā)電要求，因此增加了壓氣工況，即在高水位發(fā)電時，用空壓機將基坑內水位人為壓低，以滿足水輪機的排出高度要求。而且，為了減少空壓機的配置，在尾水支洞頂部埋設集氣管，回收部分尾水氣泡產生的空氣，并在尾水支洞頂部設置了高1.5 m的擋氣坎。

（2）機組運行時尾水支洞內水流紊亂，流速較大，影響了冷卻器的正常使用，為了改善尾水支洞內水流狀態(tài)，在冷卻器前端設置穩(wěn)水柵，末端設置擋水坎（將疊梁門的底部一節(jié)固定設置），這將導致水位壅高，提高空壓機的使用頻率。機組運行兩年多來還沒有出現過高水位發(fā)電情況，該運行工況的效果仍有待驗證。

7 尾水邊坡穩(wěn)定研究

為了降低機組基坑尾水位，尾水洞出口從原設計位置下移了約200 m，這不僅增大了工程量，而且給設計、施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

7.1 存在的問題

（1）工程區(qū)屬于熱帶雨林氣候，雨水豐沛，且在Ⅷ度地震區(qū)。

（2）因尾水渠坡頂的進廠公路是出入地下廠房及出線場的唯一道路，故施工中不能斷路。

（3）尾水渠全長約160 m，有4條沖溝橫斷尾水邊坡。

（4）尾水渠邊坡覆蓋層厚度為30～45 m，多為沖洪積物和火山灰堆積物。

7.2 開挖支護設計

（1）地質參數設計。國內工程一般采用土工試驗或工程類比法確定地質參數，由于當地不具備土工試驗條件，且業(yè)主、咨詢人員不認可經驗參數，因此通過多次溝通，并結合現場裸露邊坡的研究分析，最終確定采用天然邊坡多參數敏感性反演分析的方法來確定地質參數。

（2）尾水洞出口頂部即為進場道路，沒有太大的開挖空間，因此在尾水渠樁號C0+000.00—C0+042.00右岸下部（巖石高22 m）采用直立開挖，上部覆蓋層（高30 m）采用開挖坡比為1∶0.3～1∶0.5的陡坡開挖。下部巖石邊坡采用混凝土直立邊墻+錨索+錨桿的支護形式，墻厚1.5 m，嵌固深度為2.00～3.90 m，錨索為1 000 kN，混凝土直墻同時兼顧錨墩、擋土墻的作用。上部覆蓋層邊坡采用錨索+網格梁+錨桿的支護方案，錨索為1 000 kN。覆蓋層的抗壓強度較低，為了避免錨墩被拉入覆蓋層，導致邊坡破壞，在錨墩之間設置混凝土網格梁，將錨索的拉力均勻分散到網格梁和錨墩上，有效解決了這一問題。

（3）尾水渠樁號C0+042.00—C0+160.00為火山灰覆蓋層高邊坡，由于該部位距離進場道路較遠，因此開挖坡度可以適當放緩，坡比設計為1∶1.0～1∶1.5。采用局部抗滑樁+系統(tǒng)錨桿支護，由于施工部分抗滑樁過程中遇到管涌及孤石等，無法開挖到設計高程，因此對該部分抗滑樁局部增補了錨索。

7.3 開挖支護驗證

（1）邊坡開挖初期噴混凝土及系統(tǒng)錨桿施工相對及時，沒有出現嚴重的邊坡失穩(wěn)問題。隨著邊坡高度的不斷增大，邊坡上滲水點增多，出現了局部小規(guī)模塌滑及小沖溝現象。為了解決該問題，在進場道路右側的山腳下設計了一條大斷面截洪溝，將大部分沖溝流水排至尾水渠下游河道。

（2）尾水渠全部開挖完成后，即刻完成了噴混凝土及系統(tǒng)錨桿施工。由于錨索的費用高，施工難度大，且采購需要從中國海運到工地，耗時長，因此施工初期沒有實施。但是，火山灰邊坡穩(wěn)定性差，雨水多，邊坡頂部很快出現了平行尾水渠的貫穿裂縫。對裂縫進行了灌漿處理，但裂縫寬度依然增大、數量依然增多，最后實施了錨索施工，有效控制了邊坡變形。

8 結 語

該工程地下廠房設計難點及關鍵點：一是地下廠房洞群規(guī)模宏大，洞室縱橫交錯，布置密集，多洞室間巖體塑性區(qū)貫通；二是機組安裝高程低，下游河道水位高，下游尾水受河道水位的頂托影響較大，水輪機排出高度不滿足設計要求；三是尾水邊坡為土石高邊坡，覆蓋層多為火山灰及沖洪積物，且坡內有多條沖溝；四是歐美規(guī)范與中國規(guī)范的差異及中西方文化與設計理念的差異。在工程設計施工中，通過循序漸進的優(yōu)化論證，并結合歐美國家的設計理念、管理方法及與業(yè)主和咨詢人員的不斷磨合，順利解決了相關問題。目前，電站已安全運行兩年多，所有安全監(jiān)測數據正常，充分驗證了地下廠房樞紐布置的合理性，可供類似工程借鑒。