周寧水電站，位於福建省寧德市周寧縣境內，為穆陽溪梯級開發的第二級引水式電站，壩址以上控制流域面積為511平方公里，水庫總庫容為4700萬立方米，引水隧洞長12.307km，水頭438m，電站裝有兩台單機容量為125MW的高水頭水輪發電機組，總裝機容量為250MW，多年平均發電量為6.58億kW·h，保證出力81MW，年利用小時2632h。
基本介紹
- 中文名：周寧水電站
- 位於：福建省周寧縣
- 水庫庫容：0.47億立方米
- 總裝機容量：2×12.5萬kW
- 工程總投資：為12億元人民幣
- 保證出力：81MW
電站簡介,建築組成,工程地質,施工方法,深井通風與除塵問題,深井施工的安全問題,深井施工的交通和設備配置,技術經濟效果,採用反井法施工導井,分段平行立體作業施工技術,井內交通運輸系統及安全系統,反井鑽機施工技術,主要採取的糾偏措施,測量控制,設計輪廓擴挖規格線控制,裝藥與起爆,豎井I段擴挖,豎井II段擴挖,防堵井措施,樞紐設計,運行效能,
電站簡介
周寧水電站位於福建省周寧縣，屬穆陽溪第二梯級電站，樞紐主要由壩高73.4m的碾壓混凝土重力壩、長12.36km的引水隧洞以及高壓豎井、壓力管道、地下廠房洞室群和地面式升壓開關站等主要建築物組成。水庫庫容0.47億立方米，總裝機容量2×12.5萬kW。工程總投資為12億元人民幣。
周寧水電站(圖1)
周寧水電站(圖1)電站引水高壓豎井由上部調壓井（EL634～EL560）和下部的豎井（EL180.75～EL560.00）組成，總高為453.25m。引水隧洞軸線高程為EL560.00，調壓井設計開挖直徑為8.9m；豎井設計開挖直徑有5.7m和5.9m，豎井下部接高壓管道下平段；鑒於豎井開挖及後續項目施工安全的需要，將引水高壓豎井井壁統一增加5cm厚C20素砼作為臨時支護，相應開挖斷面直徑增大10cm；為保證工期及施工方便在豎井中部設一豎井施工支洞，分岔進入豎井。電站樞紐由攔河壩、泄洪建築物、輸水系統、地下廠房洞群及開關站等建築物組成。該電站工程有長達14KM的引水隧洞，垂直高度450米的高壓豎井和單機容量125MW、額定水頭400m、額定轉速428.6r/min的高水頭、高轉速、大容量水輪發電機組，工程建設難度大。電站主體工程於2001年12月開工，2004年7月29日下閘蓄水。兩台機組於2005年4月投產發電。
建築組成
電站樞紐由攔河壩、泄水建築物、輸水系統、地下廠房及地面開關站等建築物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高72.40m，壩頂高程634.40m，壩頂長206m，壩頂寬7.50m，壩體上游面垂直，擋水壩段下游面壩坡1:0.72。溢流壩段位於大壩中部，堰頂高程621m，設3個溢流表孔及3扇12m×12m弧形閘門，實用堰下接1:0.7壩坡，挑流反弧半徑為20m，挑射角28°。
周寧水電站(圖2)
周寧水電站(圖2)引水系統布置在右岸，由發電進水口、引水隧洞、上游調壓井、高壓豎井及管道、鋼筋混凝土岔管等組成。發電進水口為岸塔式結構，由攔污柵、喇叭段、閘室和漸變段組成，進口底板高程598m，檢修平台高程635m，進水口設三扇攔污柵和一扇孔口尺寸為5×6m事故門。引水隧洞開挖洞徑6.80m，底坡i=3.42‰，隧洞大部分不襯砌，部分採用鋼筋混凝土襯砌和錨噴支護。高壓管道由上游調壓井、高壓豎井、高壓水平段、岔管和鋼支管段組成。高壓豎井與調壓井採用通天布置，調壓井上室高8m、井筒高71.05m，開挖直徑8.90m，襯後內徑7.70m；高壓豎井高381.60m，襯後內徑4.7m，總井高452.65m。調壓井設有5×5m事故門，其最高涌浪水位640.45m，最低涌浪水位567.77m。高壓下平段長152.48m，高壓岔管長12m，採用“Y”型對稱岔。豎井、下平段及岔管均採用C30鋼筋混凝土襯砌。岔管最大靜水壓力水頭450m，主管襯後直徑4.70m，支管襯後直徑2.70m。岔管後接長16m的鋼筋混凝土支管，鋼支管長89.3m，為16Mn鋼，其管壁厚48~50mm。
工程地質
豎井的主要岩石為燕山晚期侵入的鉀長（晶洞）花崗岩，飽和極限抗壓強度弱風化岩石為80～140mpa、微風化～新鮮岩石為100～170mpa；地下水位高程為EL523m，隧洞圍岩相對不透水，岩體微風化～新鮮，岩體中高傾角65°～90°的裂隙發育，充填高嶺土、鐵錳質及矽質脈，寬0.5～1cm，多呈薄片狀，岩體較完整.高程EL308m~EL305m有F60（NE60°NW∠80°）斷層通過。斷層及破碎帶岩體為Ⅲ~Ⅳ類岩體。在EL488m、、EL425m、EL409m～EL405m等風化夾層，傾角55°～75°，寬1～3cm、岩體破碎，有夾層處圍岩為Ⅳ類。EL382m處有一細粒花崗斑岩脈通過、傾角20°～40°，寬80cm，與圍岩接觸較好。EL223m處有一輝綠岩脈通過，傾角35°寬50cm，與圍岩接觸較好，除有夾層和斷層破碎帶通過的豎井段外，其它豎井段圍岩中等～完整，屬ⅠⅡ類圍岩，屬中等地應力地區。
周寧水電站(圖3)
周寧水電站(圖3)施工方法
根據引水高壓豎井結構特點、岩石及地質情況，結合本工程主體建築物的布置與結構型式，類似工程的施工經驗，目前豎井施工的施工機械，重點從以下幾個方面與常用的施工方法進行比較，再確定總體施工方法。
周寧水電站(圖4)
周寧水電站(圖4)深井通風與除塵問題
通風與除塵是排除炮煙粉塵及有害氣體，改善施工環境，保障施工人員身體健康，縮短循環時間，加快施工速度的重要工序。目前，隧洞通風主要以機械通風為主。但對於高達453.25m深井的通風與除塵問題將面臨著極大的困難。因此施工中選擇一種儘量使用自然風與機械通風來進行通風與除塵以改善施工環境的施工方法是必不可少的考慮因素。
深井施工的安全問題
安全是每個職工的生命，因此每個工程隊伍都必須將“施工安全”放在首要位置。但在目前的開挖施工中常用的機械設備是手風鑽，工作人員必須進入工作面打眼放炮，受有害氣體、塌方、落石、淋水的危害，安全很難保證，傷亡事故經常發生。尤其是對較深井更是難以保證施工的安全。因此，選擇一種能保證施工安全的先進設備是很有必要的。
深井施工的交通和設備配置
周寧水電站引水高壓豎井在同一個投影面上，工作面狹窄，如何合理的設定施工通道和配置設備是加快施工進度，縮短建井周期，增強效益的關鍵。
進度分析：根據本工程的工期要求及施工特點，引水隧洞、高壓豎井、高壓管道下平段的施工工期為2001年12月15日開工至2004年8月1日支洞封堵結束，具備充水調試條件。總工期為（19個月零17天），高壓豎井的開挖施工工期只能為8個月；後來業主要求將工期提前3個月，相應的豎井開挖工期縮短，因此，要滿足進度要求，必須採取合理的施工方法。
技術經濟效果
作為施工企業，經濟效益是首先考慮的前題。較優的施工方案應當是輔助工程量小，設備簡單、施工安全、施工速度快。在深井的反井施工中有普通法掘進反井法、吊罐反井法、爬罐法掘進反井法及反井鑽井法；普通法掘井反井法雖然有輔助工程量小，與其它作業相互影響小，不需要大型提絞設備等的優點，但是工作人員爬梯子上下困難、勞動強度大、材料運輸不方便、坑木消耗量大、通風條件差、工作面易聚有害氣體、在地質和水文地質條件較差時影響作業的安全。尤其在較高豎井施工中更為困難；吊罐反井法與普通法比較有工效高、速度快、勞動強度較低、施工經濟等優點，但它事先需要鑽機打精度較高的繩眼，前期準備時間較長、通風條件差、工作面易聚有害氣體，影響作業和安全，隨著掘井深度的延深，輔助時間加長，施工速度明顯減慢。難以保證施工安全及進度；爬罐反井法與吊罐反井法比較類似，具有工效高、速度快、勞動強度低的優點，但是設備投資較大，通風條件差，工作面易聚有害氣體，影響作業和安全，隨著掘井深度的延深，輔助時間較長，施工速度明顯減慢。反井鑽井法較普通法和吊罐法的設備投入大，施工成本相對較高，但反井鑽井法有工作效率高、施工安全、勞動強度低、工程質量好，因此鑽機的高可靠性和安全性仍能保證在惡劣地質條件下以及深孔反井施工的經濟性和高效性。
採用反井法施工導井
深井按施工方式可分為兩大類，即人們所說的正井法和反井法。正井法是自上而下鑿井，最常用的辦法是採用人工或機械打眼放炮，人工裝岩或抓鬥抓岩，吊桶出碴，對於特殊地層也可以使用特殊方法，包括鑽井法、凍結法、帷幕法和注漿法等，有時幾種方法同時使用。反井法是自下而上鑿井，其施工方法有普通法、吊罐法、爬罐法和鑽井法。採用反井法施工導井，利用導井的通風、排水和溜矸（排渣）等作用；利用反井法施工深井較正井法施工導井設備投入少、速度快、綜合經濟效益高。
分段平行立體作業施工技術
高壓引水豎井成900角直立形，工作面狹窄，如何合理分段進行立體平行作業法施工是加快施工進度的關鍵。根據豎井的結構特點，原設計有三個通道，為了保證工期，經專家諮詢，增加一個施工支洞，分兩個洞口進入豎井，共形成五個通道。開挖期，Ⅲ段與Ⅰ段同步施工，Ⅲ段與Ⅱ段同步施工，以岩塞段進行分隔，Ⅱ段導孔井施工與上游閘門井同步施工進行分隔。開挖與砼交叉期，Ⅰ段砼與Ⅱ段開挖同步，Ⅱ段開挖與Ⅲ段砼同步，Ⅱ段開挖完成，Ⅲ段砼完成後進行岩塞段開挖採用從豎井旁洞出渣。
井內交通運輸系統及安全系統
人員和材料運輸設定一個無軌吊籃，在吊藍兩側設一穩定鋼繩，鋼繩下部設配重（500KG），設專用卷揚機，在吊藍上設捕繩器（bf-111型），並從煤礦行業引進先進技術，在上井架上設緩衝器，以解決瞬間制動後人員材料的緩衝擊。在井的一側設定安全爬梯。每24m設定一個休息平台，每12m設一個休息防護罩。並每24m作一個交錯。交錯上方設定防護頂，作為緊急安全通道。安全系統主要是設備的安全和控制、信號系統，主要設備安全是卷揚機的運行速度（4～8m/h），制動系統為自動和手動結合。控制信號為電鈴和燈光兩個並聯，安排專人管理，控制線與吊籃同步下井，由井內人員控制信號，井口值班人員操作，信號為井內外雙向互動，控制電壓為36V，並在鋼繩上設到位標誌。各工作面間的通訊連線採用內部自動電話。
反井鑽機施工技術
高壓引水豎井屬於較深的深井，施工難點主要是導井的施工，經過安全、技術、進度及經濟比較100m以上豎井選型採用LM-200型反井鑽機。使用反井鑽施工，先導孔的質量是整個豎井成型的關鍵，所以反導井施工的關鍵是如何解決先導孔偏差問題，由於周寧水電站豎井岩體為高傾角80°，傾向與引水洞軸呈30°，在豎井Ⅲ段第一次先導孔施工中，偏差>2%，而設計要求的先導孔偏差≤1%，因此作為廢孔。分析主要有不良地質段，層間軟弱地質帶出現，抗壓強度差別大，是造成偏差的一個原因；安裝精度，開孔段和不良地質段的造孔速度是另一個原因；合理加設穩定鑽桿，合理控制鑽進速度是第三原因，根據第一次鑽孔的偏差情況，第二次鑽孔時向傾向方人為移動700mm。成孔後，偏差為1.1%，有人為移動，達到設計要求，Ⅰ段與Ⅱ段岩性相對均一，一次施工精度達設計要求。
主要採取的糾偏措施
測量控制
溜渣導井擴挖規格線控制：從洞外控制網經測量導線引控制點到井口附近，在井口處搭設一過豎井中心的工字鋼支架，在支架的中心固定一個能垂直升降的垂球，以較正豎井中心線用，由於是中導洞，開挖規格要求不高，不再進行精確放線。
設計輪廓擴挖規格線控制
從洞外控制網經測量導線引控制點到井口附近，豎井井口15m以上擴挖井口井架未安裝前，製作垂直移動控制點，用垂球把控制點引在開挖掌子面放線。井口15m以下擴挖待井口井架安裝到位後，把井口控制點引到井架上，在井架上做好雷射準直儀支座，再把激光準直儀固定在支座上，進行校核合格後再用雷射束導向，井下用鋼尺放樣，並定期檢查準直儀的精度，同時檢查上一排炮的超欠挖情況。
鑽孔：擴挖均採用人工手風鑽鑽孔。
裝藥與起爆
出渣：人工將工作面松渣全部扒下導井後，蓋好下料導井井蓋出渣，用裝載機配合自卸車在下部施工支洞出渣。
豎井I段擴挖
豎井I段總高71米，開挖直徑為8.9米，反井鑽形成的導孔中心與I段中心向下游側偏心1.55米，根據以往工程的經驗，進行擴挖爆破試驗，井口以下20M範圍內為爆破試驗段，因爆破試驗段圍岩穩定性的實際情況不定，在該段的施工中只能暫按設計提供的圍岩類別結合施工規範及相關的施工經驗進行試驗性的開挖施工，以儘可能的減少對圍岩不必要的振動影響，同時不發生導井堵塞現象為標準，不斷調整爆破參數。 第一排炮先直接利用φ1.4m導井作為溜渣通道，進行全斷面擴挖，布孔間排距為60～75cm，用秒延時非電雷管引爆，放炮後，導井被堵，經放炮震動仍未能貫通，用反鏟扒開後發現，堵塞導孔的石渣塊徑為45～55cm之間，3～4塊相互交叉，分析有以下幾點原因：溜渣導井偏小；導孔偏心對溜渣影響較大；分段延時不夠長，單響爆破方量較大。
豎井I段擴挖情況
豎井I段擴挖情況豎井II段擴挖
豎井II段總高177米，開挖直徑為5.9米，擴挖時直接利用反導井孔，不再擴大溜渣孔，直接全斷面一次鑽爆的方式開挖，為保證爆破粒徑達到0.25D的要求，（D為導孔直徑），減少導孔堵塞的可能性，孔深不得大於2.0m，為加快施工進度，施工中經過多次試驗調整，確定單循環孔深為2.5米。臨時支護：導孔擴挖時，一般情況下不作支護，必要時採用短錨桿支護；全斷面擴挖，根據開挖出露地質情況，確定2~3個單元開挖後再進行支護。根據不同類別的圍岩，支護參數各不相同，Ⅲ類、Ⅲ-Ⅳ類圍岩，井壁採用Ф25，L=300cm錨桿及素噴C30厚10cm相結合的方法；若遇Ⅴ類圍岩將加長錨桿到400cm，再掛Ф6.5@25cm×25cm鋼筋網噴C30砼15cm的方法，以確保施工安全。錨桿施工採用手風鑽造孔，普通水泥砂漿袋加早強劑注漿，人工安裝錨桿。噴砼採用乾噴法施工，上部80m採用噴射管入井，下部採用把噴射機運到井底，再用吊盤運輸半成品料噴護的方法，在吊籃中噴射，並在井內設一風扇加強通風。
各段豎井挖井程式
各段豎井挖井程式防堵井措施
豎井II段的擴挖，因採用全斷面一次刷大的方法，直接利用φ1.4m反導井作為溜渣井，與豎井III段相比較，採取了降低單循環鑽孔深度，減小炮孔間排距，達到最終減小爆破粒徑的目的，但在施工過程中，第一、二排炮擴挖時，因炮孔間排距未嚴格控制，爆破粒徑太大，造成導井上口堵塞，經過調整後，未出現上口堵塞現象；因導井下部容渣量較小，出渣不及時，造成導井下口堵塞三次，給工程帶來較大的難度，處理時安全隱患極大，且影響施工進度。
樞紐設計
電站樞紐由攔河壩、泄水建築物、輸水系統、地下廠房及地面開關站等建築物組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高72.40m，壩頂高程634.40m，壩頂長206m，壩頂寬7.50m，壩體上游面垂直，擋水壩段下游面壩坡1:0.72。溢流壩段位於大壩中部，堰頂高程621m，設3個溢流表孔及3扇12m×12m弧形閘門，實用堰下接1:0.7壩坡，挑流反弧半徑為20m，挑射角28°。引水系統布置在右岸，由發電進水口、引水隧洞、上游調壓井、高壓豎井及管道、鋼筋混凝土岔管等組成。發電進水口為岸塔式結構，由攔污柵、喇叭段、閘室和漸變段組成，進口底板高程598m，檢修平台高程635m，進水口設三扇攔污柵和一扇孔口尺寸為5×6m事故門。引水隧洞開挖洞徑6.80m，底坡i=3.42‰，隧洞大部分不襯砌，部分採用鋼筋混凝土襯砌和錨噴支護。高壓管道由上游調壓井、高壓豎井、高壓水平段、岔管和鋼支管段組成。高壓豎井與調壓井採用通天布置，調壓井上室高8m、井筒高71.05m，開挖直徑8.90m，襯後內徑7.70m；高壓豎井高381.60m，襯後內徑4.7m，總井高452.65m。調壓井設有5×5m事故門，其最高涌浪水位640.45m，最低涌浪水位567.77m。高壓下平段長152.48m，高壓岔管長12m，採用“Y”型對稱岔。豎井、下平段及岔管均採用C30鋼筋混凝土襯砌。岔管最大靜水壓力水頭450m，主管襯後直徑4.70m，支管襯後直徑2.70m。岔管後接長16m的鋼筋混凝土支管，鋼支管長89.3m，為16Mn鋼，其管壁厚48-50mm。
高壓引水豎井施工技術
周寧水電站引水豎井總高453m，施工難度大、技術要求高。為此，對周寧水電站高壓引水豎井工程的施工技術進行了研究，對豎井施工採取的技術、安全技術、質量成果的可行性進行了驗證。結果表明，豎井人員、材料與混凝土運輸安全系統，防墜安全技術、無軌防旋轉控制技術、施工與運輸的配合技術，很好地解決了長豎井施工技術難點，安全保障大大提高，且成本低、工藝簡單、推廣性很強；滑模技術的套用、反井鑽機的套用、噴錨支護技術的套用，使豎井施工的各大危險源得到了全面有效的控制，實現了豎井施工零事故。
