地下廠(chǎng)房采用一字形布置，由主洞室和尾閘室兩條洞室平行布置。該電站面臨著(zhù)激振頻率高、上部受力、基礎薄弱等對抗振及結構設計十分不利的局面。通過(guò)多種工況的整體結構三維有限元動(dòng)、靜力分析，從而掌握了結構的受力特性，結構設計較為圓滿(mǎn)。實(shí)踐證明，地下廠(chǎng)房的布置和設計是合理的。南陽(yáng)回龍抽水蓄能電站位于河南省南陽(yáng)市南召縣城東北16km的岳莊村附近回龍溝上游，是解決南陽(yáng)地區的供電調峰問(wèn)題而專(zhuān)設的調峰電站，裝機規模120MW，安裝兩臺單機可逆混流式水泵水輪機，最大毛水頭416m，最小毛水頭374.4m。工程主要建筑物包括上庫、下庫、引水隧洞、地下廠(chǎng)房、地面開(kāi)關(guān)站等。主體工程2001年6月開(kāi)工，2004年底結束。

　　1廠(chǎng)區布置設計

　　1.1廠(chǎng)區地形、地質(zhì)條件

　　電站區位于伏牛山南坡的回龍溝上游，接近分水嶺部位，地形起伏較大，海拔高程在400～1000m之間，屬于中低山區。上、下庫相對高差在500m左右，山體陡峻，具備了上、下庫之間高差大、坡度陡、距高比小等有利地形條件。

　　區內出露巖體為中生代燕山晚期花崗巖，巖性致密、堅硬，力學(xué)強度高。受區域地質(zhì)構造的控制，主要構造為斷層和節理裂隙。區內發(fā)育大小斷層共23條，其中規模較大的斷層有兩條，即回龍溝斷層F20和岳莊斷層F21.根據斷層的走向劃分，可歸并成兩組，即走向北北東和北北西，其中北北東向斷層占主要。

　　1.2地下廠(chǎng)房位置及軸線(xiàn)選擇

　　廠(chǎng)房在輸水系統中的位置，應根據地質(zhì)條件、地形條件綜合考慮高壓輸水道長(cháng)度、低壓尾水洞長(cháng)度，以及交通、出線(xiàn)、通風(fēng)、防潮、排水等因素，通過(guò)經(jīng)濟、技術(shù)、運行管理比較而定。

　　回龍抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統水平投影總長(cháng)約1420m，0+850樁號以后，上覆巖體厚度不足50m，屬I(mǎi)II～IV類(lèi)圍巖區，受地形和地質(zhì)構造等因素的影響，不適宜修建地下廠(chǎng)房。0+720樁號以前屬I(mǎi)～II類(lèi)圍巖，巖體完整，適合修建地下廠(chǎng)房。本區域水平地應力最大，約10MPa，量級不高，遠低于花崗巖的抗壓強度，不是地下廠(chǎng)房位置選擇的控制因素。根據廠(chǎng)區的地質(zhì)情況和PD1探洞資料，設計在進(jìn)行了兩個(gè)方案的對比分析，論證廠(chǎng)房位置和廠(chǎng)區布置的經(jīng)濟性和合理性。

　　方案一屬于首部式布置方案，廠(chǎng)房上游邊墻樁號為0+300.0m，距豎井中心231.7m，長(cháng)軸方位NE80.16°，置于裂隙L14的下盤(pán)；上游岔管樁號暫定為0+193.00（分岔交點(diǎn)），距廠(chǎng)房107.00m；壓力鋼管起點(diǎn)樁號0+221.00，距廠(chǎng)房79.00m。廠(chǎng)房上覆巖體厚度約310m。該方案靠近上庫，受上庫水下滲影響較大，廠(chǎng)房防滲及排水工程量大，帷幕灌漿工程量可能還需增加。進(jìn)廠(chǎng)交通洞和高壓出線(xiàn)洞較長(cháng)，增大了隧洞施工工程量及高壓電纜的投資，并且與出口區的距離加大，不便于生產(chǎn)管理。

　　方案二屬于中部式布置方案，上游邊墻的樁號為0+556.18，距豎井中心487.88m，長(cháng)軸方位NE80.16°，廠(chǎng)房布置在斷層F25和節理密集L11之間；上游岔管樁號0+350，距廠(chǎng)房206m；壓力鋼管起點(diǎn)樁號0+391.00，距廠(chǎng)房165m。廠(chǎng)房上覆巖體厚度約170m。該方案的地下廠(chǎng)房靠近交通洞出口區，與方案一相比，進(jìn)廠(chǎng)交通洞和高壓出線(xiàn)洞的長(cháng)度大幅度減小，同時(shí)，還取消了帷幕灌漿廊道，減少了帷幕灌漿的進(jìn)尺和排水廊道的長(cháng)度，而且便于生產(chǎn)管理。

　　從布置上看，方案二的廠(chǎng)房位置選在斷層F25和L11的之間，避開(kāi)L14節理密集帶，廠(chǎng)房軸線(xiàn)走向NE80.16°，廠(chǎng)房端墻與該區域NW組長(cháng)大節理也有一定的夾角，有利于廠(chǎng)房圍巖的穩定。同時(shí)，避開(kāi)了具體位置尚不確定的L36和L51節理密集帶，岔管布置在L36與L15中間，最小地應力值相對較大，對岔管結構有利。從調節保證分析上看，整個(gè)輸水發(fā)電系統沒(méi)有出現負壓，最小水錘壓力值為2.89m，最大水錘壓力值都在調節保證計算規范限制值范圍內。從投資比較上看，兩方案的差值較大，方案二比方案一少218.7萬(wàn)元，效益非常明顯，具有較大的優(yōu)越性。故設計最終選用方案二作為最終實(shí)施方案。

　　1.3廠(chǎng)房布置方案選擇

　　對地下洞室群中主廠(chǎng)房、主變室和尾水調壓室的布置，首先研究了三洞室平行方案和二洞室（主變室與主廠(chǎng)房平行一字型布置）方案。根據多方面論證比較，地下廠(chǎng)房采用兩洞室布置方案，即一字形布置，主洞室自左至右依次為主變室、安裝間、主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房，總長(cháng)112.00m，寬度16.00m。不設母線(xiàn)洞，在廠(chǎng)房主洞室下游側設母線(xiàn)廊道與主變室相連。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是省去與主廠(chǎng)房垂直交叉的母線(xiàn)洞，減少工程量；增加主廠(chǎng)房的穩定性。

　　在可研階段對于地面變電站方案和地下變電站方案進(jìn)行了比較，兩個(gè)方案的不同主要在于電氣設備的布置上。地面變電站方案可采用常規的高壓開(kāi)關(guān)設備，全部設備均可在國內采購，供貨有保證，且價(jià)格較低。主變壓器布置在戶(hù)外，對地下廠(chǎng)房消防系統布置較為有利。地下變電站方案把主變壓器和220Kv開(kāi)關(guān)設備等均放在洞內，主變采用GIS全封閉組合電器，優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度縮小變電站的容積，實(shí)現小型化；設備運行的可靠性相對較好；電氣設備的技術(shù)性能好，安裝周期短，檢修周期長(cháng)，維護方便；該方案的不足之處是高壓電纜需選用干式電纜，價(jià)格較高，但從電氣設備的運行可靠、操作管理方便來(lái)看，地下變電站方案技術(shù)較為先進(jìn)，因此，經(jīng)過(guò)綜合比較論證，最終選用地下變電站方案作為實(shí)施方案。

　　在選定方案的基礎上，對于尾閘室與尾水調壓井結合的方案進(jìn)行過(guò)論證，從布置上看，該方案雖然可節省一定的工程量，但是交通線(xiàn)路長(cháng)，且迂回到地面，運行管理很不方便。設計最終選用尾閘室位于廠(chǎng)房和尾水岔管之間的方案布置。尾水閘門(mén)中心線(xiàn)與機組中心線(xiàn)距離為31.5m，閘門(mén)室與廠(chǎng)房平行布置，與主廠(chǎng)房?jì)艟?0.0m，滿(mǎn)足穩定要求。

　　地下廠(chǎng)房洞室群主要有：主洞室（主、副廠(chǎng)房、安裝間和主變室）、高壓電纜出線(xiàn)斜洞、進(jìn)廠(chǎng)交通洞、尾水閘門(mén)室及尾水閘門(mén)運輸洞、排水廊道等。其它洞室還有：輔助出線(xiàn)洞、安全出口通道、尾水閘門(mén)室安全通道等。地面建筑物包括輔助開(kāi)關(guān)站、油庫、綜合辦公樓（包括中控室）、生活及消防水池及附屬生活設施等。

　　2廠(chǎng)房防滲排水設計

　　由于廠(chǎng)房位置距豎井近500m，且壓力鋼管段較長(cháng)，不需設置大規模的灌漿帷幕，僅在壓力鋼管與混凝土襯砌連接處設環(huán)形灌漿帷幕，以延長(cháng)滲徑，減少壓力鋼管的外水壓力。為排除運用期廠(chǎng)房周?chē)�可能形成的滲透水，降低廠(chǎng)內空氣濕度，在廠(chǎng)房外圍設置較簡(jiǎn)單的廠(chǎng)外排水系統，廠(chǎng)房拱角高程處設繞廠(chǎng)房一周的排水廊道，在廠(chǎng)房上游底部，設一條排水廊道，兩層廊道斷面均為2.5m×3.0m（寬×高），總長(cháng)為580.6m，廊道內設排水帷幕，廊道水分別經(jīng)輔助交通洞和進(jìn)廠(chǎng)交通洞內的排水溝流入廠(chǎng)房?jì)鹊募�水井，采用深井水泵排出。內部排水即在頂拱和邊墻打排水孔，消除或減少作用在噴混凝土襯砌上的外水壓力，可以防止地下水無(wú)規律地在襯砌表面出流。

　　廠(chǎng)房基礎排水設計范圍包括主廠(chǎng)房、副廠(chǎng)房及主變室三部分，其功能是將廠(chǎng)房邊墻及頂拱排水管內滲水及設備排水排至廠(chǎng)房滲漏集水井。廠(chǎng)房基礎排水與廠(chǎng)房頂拱及邊墻排水管共同組成地下廠(chǎng)房排水系統。

　　防潮設計主要是利用防潮隔墻及其與巖石面之間的隔氣層進(jìn)行防潮。隔墻材料采用GRC輕質(zhì)墻板，外刷防水材料。

　　3廠(chǎng)房布置

　　主廠(chǎng)房洞室布置有2臺單機容量60MW的立軸懸式水輪發(fā)電機組，蝸殼層布置有球閥、滲漏積水井、檢修泵、水力機械設備及管路等；水輪機層上游側布置滲漏排水泵、球閥操作裝置、球閥油壓裝置等；母線(xiàn)層布置調速器油壓裝置、母線(xiàn)廊道、電纜等電器設備。發(fā)電機層上游側布置動(dòng)力盤(pán)、下游側布置有勵磁盤(pán)、機旁盤(pán)等設備。機組段設樓梯一部，作為連接發(fā)電機層和下部各層的垂直交通道。安裝場(chǎng)布置在左側，即在主廠(chǎng)房和主變室之間，長(cháng)15.6m，按1臺機組大修時(shí)主要部件堆放的實(shí)際需要，同時(shí)考慮施工期的安裝及卸車(chē)等要求確定，豎向布置為三層，電纜夾層通過(guò)踏步與主廠(chǎng)房水輪機層連接，母線(xiàn)層上游布置消防水池及其設備，下游側布置電纜母線(xiàn)通道。

　　主廠(chǎng)房的對外交通出入口布置在安裝間發(fā)電機層的下游側，與進(jìn)廠(chǎng)交通洞相連，洞口尺寸寬為7.0m，高為6.0m。入口處設置一道放火卷簾門(mén)。5號排水洞入口布置在安裝間發(fā)電機層的上游側墻上。洞口尺寸寬為2.5m，高為3.0m。

　　主廠(chǎng)房的水平交通布置在上游側，豎向交通通過(guò)設在主廠(chǎng)房左山墻處的樓梯連通主廠(chǎng)房各層；發(fā)電機層主廠(chǎng)房與副廠(chǎng)房之間設置一道放火卷簾門(mén)，門(mén)洞尺寸寬為1.2m，高為2.4m。發(fā)電機層副廠(chǎng)房右山墻處，設置一道放火卷簾門(mén)，門(mén)洞尺寸寬為1.6m，高為3.25m，與2號交通洞相連。

　　為了改善地下廠(chǎng)房的運行條件，副廠(chǎng)房采用分散布置方式，將中控室和電氣輔助生產(chǎn)用房及辦公用房布置于進(jìn)場(chǎng)交通洞口的綜合辦公樓內，其余房間分別布置于主廠(chǎng)房和主變室內，地下副廠(chǎng)房布置在主廠(chǎng)房的右側，分六層布置。

　　主變室布置在主廠(chǎng)房的左側，分二層布置。一層變壓器室內布置有220Kv主變兩臺及SFC輸入、輸出變壓器各一臺；二層布置有220KVGIS和220KV電纜終端等設備以及干式電纜。

　　在地下廠(chǎng)房下游側設有專(zhuān)門(mén)的尾水事故閘門(mén)室，尾水閘門(mén)中心線(xiàn)與機組中心線(xiàn)距離為31.5m，閘門(mén)室與廠(chǎng)房平行布置，與主廠(chǎng)房?jì)艟?0.0m，滿(mǎn)足穩定要求，閘門(mén)室內設有兩臺100KN電動(dòng)單梁起重機，其軌道支撐在巖壁吊車(chē)梁上，可供檢修油壓?jiǎn)㈤]機及閘門(mén)時(shí)使用。地下廠(chǎng)房橫剖面見(jiàn)圖1。

　　4主廠(chǎng)房各部位結構設計特點(diǎn)

　　主廠(chǎng)房主要結構有尾水管、蝸殼、機墩、風(fēng)罩、發(fā)電機層樓板和巖壁吊車(chē)梁等。設計針對不同設計部位的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設計。

　　4.1廠(chǎng)房結構動(dòng)力分析

　　回龍抽水蓄能電站水頭高（最大水頭580m），工況轉換頻繁，機組額定轉速為750r/min，飛逸轉速為1050r/min，比一般抽水蓄能電站轉速高（一般機組額定轉速500r/min，飛逸轉速750r/min）；同時(shí)，轉輪采用中拆方式，削弱了機墩的整體性，降低了機墩的抗振性能。該電站面臨著(zhù)激振頻率高（機組轉速高）、上部受力（懸式機組）、基礎薄弱（機墩開(kāi)孔）等對抗振及結構設計十分不利的局面。

　　為此，我們對該電站地下廠(chǎng)房的混凝土結構進(jìn)行了結構分析，針對不同的結構布置型式和目的要求，先后進(jìn)行了兩個(gè)階段多個(gè)模型、多種工況的廠(chǎng)房機組基礎整體結構三維有限元動(dòng)、靜力分析，研究了不同板厚、不同邊界條件下，廠(chǎng)房整體結構在各種工況組合下的各階振型、自振頻率、各關(guān)鍵支撐基礎的剛度等，成功地解決了抽水蓄能電站普遍存在的振動(dòng)問(wèn)題，并為對整體結構的振動(dòng)水平進(jìn)行評估創(chuàng )造了條件。從總體上掌握了結構受力特點(diǎn)，并據此采取了加大結構剛度的措施：

　�。�1）對廠(chǎng)房蝸殼與外圍混凝土的結合型式，采用了充水保壓澆筑外圍混凝土的新技術(shù)。解決了高水頭抽水蓄能電站蝸殼的振動(dòng)問(wèn)題，并改善了外圍混凝土的應力狀態(tài)。

　�。�2）對電站水輪機蝸殼充水保壓值進(jìn)行優(yōu)選。通過(guò)計算，得出了不同保壓值時(shí)，機組在各種工況運行時(shí)蝸殼外圍混凝土及其他混凝土結構的應力、變形、運行性能等結果。經(jīng)過(guò)對計算結果的綜合分析，最終確定本電站蝸殼充水加壓值為350m.

　�。�3）主機段和安裝間發(fā)電機層采用厚板結構，兩臺機組之間不分縫，主廠(chǎng)房與安裝間、副廠(chǎng)房連接處設置伸縮縫。

　�。�4）蝸殼機墩結構與上下游邊墻連接（增加約束），同時(shí)考慮上下游墻與巖壁粘結（利用圍巖抗力）；

　�。�5）根據動(dòng)力計算結果，發(fā)電機機墩原有尺寸難以滿(mǎn)足機墩最小剛度要求，為此將機墩壁厚加大，同時(shí)在主廠(chǎng)房端部增加柱子和梁。

　�。�6）提高蝸殼、機墩風(fēng)罩混凝土強度等級，混凝土強度采用C30。

　　4.2溫度應力計算

　　對不同邊界條件下整體結構的溫度場(chǎng)和溫度應力也進(jìn)行了系統的計算分析，準確給出了溫度應力對整體結構的影響，為結構設計工作提供了可靠的依據。通過(guò)對回龍抽水蓄能電站蝸殼溫度場(chǎng)和溫度應力的分析，可以得出以下初步結論：

　�。�1）過(guò)去進(jìn)行蝸殼外圍混凝土的應力和配筋計算時(shí)，一般只考慮了內水壓力和上部設備荷載的作用，而沒(méi)有考慮溫度荷載的影響。計算表明，溫度變化在蝸殼外圍混凝土中形成的溫度應力是比較大的，在進(jìn)行蝸殼外圍混凝土結構設計時(shí)，應該考慮溫度荷載的影響。

　�。�2）蝸殼外圍混凝土中溫度應力的大小與溫度邊界條件和約束邊界條件密切相關(guān)，一般溫差越大和約束越強，那么溫度應力也越大。計算表明，蝸殼下游側7號斷面受?chē)鷰r約束較大，因此在相同溫度邊界條件下，其溫度應力大于蝸殼2號斷面的溫度應力。

　　4.3機墩和風(fēng)罩結構設計

　�。�1）機墩機構設計

　　機墩是水輪發(fā)電機組的支承結構，承受著(zhù)巨大的動(dòng)荷載和靜荷載。本電站機墩形式為圓筒式，轉輪采用中拆拆卸方式，需要在機墩上開(kāi)設3.5m×2.5m（寬x高）的運輸孔，破壞了機墩的整體性，削弱了機墩的抗振性能。機墩結構計算包括動(dòng)力計算和靜力計算兩部分。

　　從機墩應力計算結果可以看出，機墩鉛直向應力基本上為壓應力，高程越低，壓應力越大；在下機架和定子高程基礎板部位，出現較小的應力集中。機墩切向應力大部分數值較小，有拉有壓，靠下游側幾個(gè)截面一般為拉應力；另外在機墩轉輪運輸孔頂部，切向應力為拉應力，最大值為0.51MPa，往上逐漸變?yōu)閴簯�力。從機墩的鉛直向應力和切向應力來(lái)看，拉壓應力數值都不大，按構造配筋就基本上可以滿(mǎn)足結構要求。對機墩應力，除進(jìn)行三維有限元計算以外，還采用結構力學(xué)方法進(jìn)行了計算。計算結果與有限元結果基本接近，規律性一致。按構造配筋就基本上可以滿(mǎn)足結構要求。

　�。�2）風(fēng)罩結構設計

　　發(fā)電機風(fēng)罩為一鋼筋混凝土薄壁圓筒結構，其底部固結于機墩上，頂部與發(fā)電機層樓板整體連接。風(fēng)罩內力按薄壁圓筒公式進(jìn)行計算，計算時(shí)考慮溫度應力的影響。

　　有限元應力計算結果顯示，風(fēng)罩底部鉛直向應力基本上都是壓應力。但是，在上機架千斤頂部位，風(fēng)罩承受徑向力，致使千斤頂部位風(fēng)罩外壁鉛直向和切向均為拉應力，內壁均為壓應力，最大拉應力值分別為0.56MPa（鉛直向）和0.60MPa（切向）；而在千斤頂之間部位，風(fēng)罩內壁為拉應力，外壁為壓應力，最大拉應力值分別為0.52MPa（鉛直向）和0.34MPa（切向）。與此同時(shí)，受千斤頂徑向力P4的影響，風(fēng)罩底部切向應力也呈現出上述分布規律，只是拉應力較小而已。

　　對風(fēng)罩應力，除進(jìn)行三維有限元計算以外，還按《水電站廠(chǎng)房設計規范》（SL266-2001）附錄B的方法進(jìn)行了計算。計算結果與與有限元結果基本接近，規律性一致。按應力計算結果計算配筋量，實(shí)配雙層鋼筋網(wǎng)。

　　4.4巖壁吊車(chē)梁

　　巖壁吊車(chē)梁是通過(guò)長(cháng)錨桿將鋼筋混凝土吊車(chē)梁固定在巖壁上的結構，吊車(chē)的全部荷載通過(guò)錨桿和鋼筋混凝土吊車(chē)梁與巖石接觸面上的摩擦力傳到巖體上。巖壁吊車(chē)梁計算取縱向單米寬度，按剛體極限平衡計算，不考慮吊車(chē)梁縱向的影響。

　　4.5尾水管結構設計

　　尾水管結構由錐管段、彎管段和擴散段三部分組成。尾水管為立式彎肘型，采用鋼板焊接而成，由水泵水輪機制造商提供。尾水錐管及肘管廠(chǎng)家提供了20mm厚加勁肋板鋼襯，直線(xiàn)尾水管段設計采用18mm/22mm厚加勁肋板鋼襯（16MnVR），這些鋼襯與基巖和外圍混凝土的錨固良好。由于尾水管為鋼襯受力結構，四周為大體積混凝土，為水管外側參照已建電站經(jīng)驗配置單層構造鋼筋。

　　4.6主廠(chǎng)房吊頂設計

　　主廠(chǎng)房頂拱吊頂采用懸掛式輕型吊頂，為型鋼龍骨彩色鍍鋁鋅壓型鋼板吊頂。吊頂可上人，頂部中央設置一道縱向走道。吊頂分為頂部吸音復合板及單層側墻立板兩部分。吊頂錨桿系統與頂拱支護系統各自成體系。吊頂錨桿共五行八列，且上下游邊行兩根錨桿之間加密一跟。錨桿直徑φ25mm，錨桿長(cháng)度2.5m。錨桿漿液采用樹(shù)脂卷。

　　吊頂主龍骨采用型鋼20a冷彎成型。吊頂材料采用彩色鍍鋁鋅壓型鋼板，其屈服強度為5600kg/c㎡，雙面鍍鋁鋅量為150g/㎡，采用的鍍鋁鋅合金防腐層為55%鋁、43.5%鋅和1.5%硅。復合板的底層鋼板為白色多孔吸音板，中間夾層依次為玻璃棉及單層鋁箔。次檁條采用鍍鋅高強鋼。泛水采用德太泛水，拉桿鋼筋直徑φ25mm.吊環(huán)鋼筋直徑φ22mm。