洪屏抽水蓄能電站地下廠房排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索

王紅濤，朱安龍，彭 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122)

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洪屏抽水蓄能電站地下廠房排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索

王紅濤，朱安龍，彭 強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122)

洪屏抽水蓄能電站地下廠房水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)地下廠房進(jìn)行了地下水示蹤試驗(yàn)，并對(duì)地下廠房滲水量進(jìn)行了解析法與數(shù)值法的對(duì)比分析，為地下廠房排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，最終確定排水系統(tǒng)為5層排水廊道為主，經(jīng)實(shí)踐結(jié)果表明，該排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理有效。

地下廠房；排水系統(tǒng)；滲水量預(yù)測(cè)；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，電站裝機(jī)容量1 200 MW，為一等大(1)型工程。電站樞紐主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開(kāi)關(guān)站和中控樓組成。地下廠房系統(tǒng)主要由主副廠房洞、主變洞、尾閘洞、母線洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、出線洞、排水廊道等組成，與施工支洞、輸水系統(tǒng)一起，構(gòu)成一個(gè)巨大而復(fù)雜的地下洞室群。

洪屏抽蓄電站地下廠房排水系統(tǒng)主要由抽排系統(tǒng)、排水廊道和排水孔組成。地下廠房滲水來(lái)源主要有山體地下水、上/下水庫(kù)滲漏水、輸水系統(tǒng)滲漏水等，排水系統(tǒng)具有截?cái)嗤鈬鷣?lái)水、降低圍巖滲壓、減少洞室?guī)r壁滲水、改善地下廠房運(yùn)行環(huán)境等功能。

洪屏抽蓄電站于2010年6月開(kāi)工，目前地下廠房正在進(jìn)行機(jī)電安裝，預(yù)計(jì)2016年投產(chǎn)發(fā)電。

2 地下廠房水文地質(zhì)條件

洪屏抽水蓄能電站地下廠房位于輸水系統(tǒng)中部，上水庫(kù)主溝從地下廠房南側(cè)約80 m經(jīng)過(guò)。為查明地下廠房工程地質(zhì)條件，從下水庫(kù)岸邊設(shè)置一條勘探平洞PDX4，洞身長(zhǎng)1 403 m，在洞深約1 060 m處設(shè)置地下廠房勘探支洞PDX4- 1，位于地下廠房正上方約50 m處，在洞深1 270 m處設(shè)置岔管勘探支洞PDX4- 2。

地下廠房深埋于地下，軸線方向N47.5°W，上覆巖體厚度為260～370 m。地下廠房洞室群地段圍巖為淺紫紅色變質(zhì)含礫中粗砂巖，巖石致密堅(jiān)硬，巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖性本身含水、透水性差。廠房地段以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖為主，約占93.5%，斷層及其影響帶范圍為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖，占6.5%。廠房區(qū)域主要發(fā)育9條斷層及5組節(jié)理，其中f170、f171直接從廠房穿過(guò)，斷層及節(jié)理走向以NE～NNE向構(gòu)為主，其中發(fā)育2組NNW向節(jié)理。

據(jù)勘探洞PDX4、PDX4- 1及探洞內(nèi)鉆孔揭露表明，探洞共有30余斷層或節(jié)理發(fā)育處出現(xiàn)滴水、線狀流水、小股流水現(xiàn)象，其中PDX4- 2支洞出現(xiàn)滲水，經(jīng)2005年6月3日～2007年6月23日觀測(cè)，探洞總滲流量穩(wěn)定在1 767～2 556 m3/d之間。

廠區(qū)地下水以裂隙性為主，巖體富水及斷層裂隙透水性強(qiáng)，尤其是NE～NEE向和NNW向兩組構(gòu)造，向上游延展至上水庫(kù)，連通性好，控制著地下廠房區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)。地下廠房區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源有三方面：一是直接大氣降雨補(bǔ)給，二是NNE、NNW向斷層的側(cè)向徑流補(bǔ)給，三是上水庫(kù)和下水庫(kù)滲漏補(bǔ)給。

為了驗(yàn)證上水庫(kù)及廠房南側(cè)主溝與地下廠房是否存在水力聯(lián)系，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了示蹤試驗(yàn)，示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，上水庫(kù)、上水庫(kù)主溝存在向勘探平洞PDX4及其支洞PDX4- 1、PDX4- 2滲漏的貫通性斷裂或斷裂網(wǎng)絡(luò)，因此存在上水庫(kù)向地下廠房滲漏的可能。斷裂或斷裂網(wǎng)絡(luò)滲透性都較大，滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)在10-3～10-4m/s，地下廠房地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在施工期和運(yùn)行期將可能產(chǎn)生滲水，地下水將成為影響地下施工開(kāi)挖、工程運(yùn)行效益和地下洞室圍巖穩(wěn)定性的主要因素，這對(duì)地下廠房的排水設(shè)施的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。

3 地下廠房滲水量研究

為了確保地下廠房施工期和運(yùn)行期的安全，降低地下水滲透對(duì)地下廠房的影響，有必要研究分析天然條件下、施工期和運(yùn)行期地下廠房滲水量，從而為地下廠房區(qū)排水方案設(shè)計(jì)提供可靠的水文地質(zhì)依據(jù)。為了計(jì)算地下廠房區(qū)的滲水量，分別采用解析法及數(shù)值法進(jìn)行地下廠房滲水量預(yù)測(cè)。

3.1 解析法預(yù)測(cè)地下廠房滲水量

首先對(duì)計(jì)算區(qū)域的降雨、徑流及蒸發(fā)資料進(jìn)行整理分析，計(jì)算有效降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)，采用水位恢復(fù)試驗(yàn)及壓水試驗(yàn)求得巖體滲透系數(shù)。

為驗(yàn)證計(jì)算參數(shù)及計(jì)算方法的合理性，采用水均衡法、狹長(zhǎng)坑道法等解析法對(duì)勘探平洞PDX4滲水量進(jìn)行反演分析，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 勘探平洞PDX4滲水量預(yù)測(cè) m3/d

表1預(yù)測(cè)成果表明，兩種計(jì)算結(jié)果均在實(shí)測(cè)結(jié)果的范圍之內(nèi)，水均衡法計(jì)算的結(jié)果比狹長(zhǎng)坑道法小，水均衡法預(yù)測(cè)值接近實(shí)測(cè)值下限，狹長(zhǎng)坑道法預(yù)測(cè)值接近實(shí)測(cè)值上限，這說(shuō)明采用解析法預(yù)測(cè)滲水量是可行的，實(shí)際的地下廠房區(qū)滲水量應(yīng)在這兩種方法預(yù)測(cè)值范圍之間。

計(jì)算地下廠房施工期滲水量，計(jì)算區(qū)域選取地下廠房主要洞室群覆蓋區(qū)域，平面尺寸為180 m×150 m。預(yù)測(cè)成果見(jiàn)表2，地下廠房施工期滲水量在5 056～6 940 m3/d之間。

表2 解析法對(duì)地下廠房施工期滲水量預(yù)測(cè)成果 m3/d

3.2 數(shù)值法預(yù)測(cè)地下廠房滲水量

數(shù)值法計(jì)算區(qū)域包括地下廠房和上水庫(kù)及上水庫(kù)主溝區(qū)域，計(jì)算時(shí)主要考慮影響地下廠房排水量的主要因素：上水庫(kù)是天然條件下還是蓄水條件下、上庫(kù)是否有帷幕、地下廠房有無(wú)開(kāi)挖、地下廠房排水廊道設(shè)置情況、高壓岔管有無(wú)帷幕后和排水等。經(jīng)計(jì)算，各種情況下地下廠房滲水量相差不大，計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 數(shù)值法對(duì)地下廠房滲水量預(yù)測(cè)成果 m3/d

注：運(yùn)行期極限工況為考慮輸水隧洞發(fā)生水力劈裂的情況。

3.3 地下廠房滲水量的確定

根據(jù)表2、表3預(yù)測(cè)成果，施工期數(shù)值法地下廠房滲水量預(yù)測(cè)成果為7 083 m3/d，與解析法中的狹長(zhǎng)坑道法6 940 m3/d基本一致，根據(jù)以上分析，狹長(zhǎng)坑道法預(yù)測(cè)成果基本為滲水量的上限，故確定施工期地下廠房滲水量為7 000 m3/d。

運(yùn)行期地下廠房滲水量在6 252～8 400 m3/d，考慮引水系統(tǒng)采用全鋼襯，極限工況發(fā)生概率極小，運(yùn)行期地下廠房滲水量在正常工況計(jì)算成果上，考慮一定的裕度，確定為7 400 m3/d。

地下廠房滲水量的確定，為地下廠房抽排系統(tǒng)及設(shè)備、排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 地下廠房排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 地下廠房排水方案的確定

洪屏抽水蓄能電站地下廠房位于輸水系統(tǒng)的中部，距離下庫(kù)進(jìn)出水口1.2 km，深埋于地下，下水庫(kù)上下游沿線地形均高于地下廠房高程，故地下廠房滲水不具備自流排水的條件，需要采取抽排的方式排出地下水。

一般抽水蓄能電站地下廠房排水系統(tǒng)通常設(shè)置3層排水廊道，洪屏抽蓄電站廠房區(qū)地質(zhì)構(gòu)造連通性較好，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工期與運(yùn)行期滲水量大。為保證地下廠房安全及運(yùn)行環(huán)境，考慮到地下廠房滲水主要來(lái)自于上游高處，排水設(shè)計(jì)時(shí)遵循“高水高排，低水低排”的原則，在常規(guī)3層排水廊道的基礎(chǔ)上，增設(shè)頂層與高層排水廊道，最終確定了在地下廠房周側(cè)設(shè)置5層排水廊道排水設(shè)計(jì)方案，排水廊道之間設(shè)置封閉排水幕，將圍巖滲水嚴(yán)密隔絕在地下廠房之外。地下廠房排水廊道系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地下廠房排水廊道系統(tǒng)剖面

4.2 高層、頂層排水廊道

為了攔截高處的地下滲水，使地下廠房施工時(shí)處于相對(duì)干燥的環(huán)境，同時(shí)減少地下廠房滲漏水量，降低地下水抽排系統(tǒng)的壓力，洪屏抽水蓄能電站地下廠房利用已有勘探平洞PDX4及廠房勘探支洞PDX4- 1，在勘探支洞PDX4- 1上下游各設(shè)置一條排水廊道形成高層排水廊道系統(tǒng)，排水廊道之間設(shè)置“人”字形排水幕，將廠房頂部滲水?dāng)r截，并沿PDX4勘探平洞自流排出。

頂層排水廊道位于高層排水廊道下方約30 m處，在廠房上游側(cè)設(shè)置1條排水廊道，并在廠房左右端彎折一段穿過(guò)主廠房范圍。頂層排水廊道向上設(shè)置排水幕與高層排水廊道連接，排除地下廠房與高層排水廊道之間的滲水，為避免高層廊道滲水流入頂層廊道，頂層廊道向上排水孔不與高層廊道連通。在施工期，頂層廊道滲水抽至高層廊道，通過(guò)PDX4勘探平洞排出。在運(yùn)行期，頂層廊道滲水通過(guò)向下的排水幕，匯入上層廊道，最終匯入地下廠房集水井，抽排出廠房。

為保證高層、頂層排水廊道在地下廠房開(kāi)挖前形成，將這兩層排水廊道列入籌建期施工。電站地下廠房已于2011年底開(kāi)始開(kāi)挖，2013年9月開(kāi)挖完成，開(kāi)挖過(guò)程中，高層及頂層排水廊道攔截了絕大多數(shù)的滲水，地下廠房圍巖滲水量很少，僅有局部邊墻潮濕。這表明，地下廠房高層、頂層排水廊道的設(shè)計(jì)方案十分有效。

4.3 上層、中層、下層排水廊道

上層排水廊道位于主廠房頂拱部位，沿廠房上下游側(cè)設(shè)置2條排水廊道，并與廠房左右側(cè)2條排水廊道連接，在主廠房、主變洞、尾閘洞周側(cè)形成環(huán)向排水廊道系統(tǒng)。為了防止?jié)B水穿過(guò)高層、頂層排水系統(tǒng)滲入廠房，在主廠房與主變洞、主變洞與尾閘洞之間另設(shè)置2條排水廊道，并與上下游排水廊道之間設(shè)置“人”字形排水幕，在廠房頂拱部位形成封閉截排水系統(tǒng)，在主要滲水通道上設(shè)置二道屏障。

中層排水廊道位于主廠房邊墻中部位置，在主廠房、主變洞、尾閘洞周側(cè)形成環(huán)向排水廊道系統(tǒng)，并設(shè)置向上排水幕與上層排水廊道連接。同時(shí)，中層排水廊道下游廊道設(shè)置向下帷幕，與尾閘洞下游尾水洞鋼襯末端灌漿帷幕連接，封閉下游滲水通道。

下層排水廊道位于主廠房底部，在主廠房、主變洞周?chē)纬煞忾]排水廊道系統(tǒng)，并設(shè)置向上排水幕與中層排水廊道連接。這樣，通過(guò)上、中、下三層排水廊道及排水幕系統(tǒng)，在地下廠房周?chē)纬赏暾姆忾]的截排水系統(tǒng)，所有滲水均通過(guò)豎向排水幕匯入下層排水廊道，通過(guò)匯水廊道匯入地下廠房集水井。

4.4 抽排方案

除了地下滲水之外，廠房運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)處理的廢水及機(jī)組檢修排水，最后都匯至集水井。由于下游地形高程均較高，不具備自流排水的條件，集水井匯水需要抽排出地下廠房，抽排高度大約112 m，水泵的選型及數(shù)量根據(jù)以上排水量及楊程確定。

一般排水路徑是設(shè)置排水豎井，抽至一定高度，再通過(guò)自流排水洞將水排出。由于本電站設(shè)置有尾水調(diào)壓井，且尾水調(diào)壓井距廠房較近，尾水調(diào)壓井的高度適中，滿(mǎn)足抽排高度的需要，其中1號(hào)尾水調(diào)壓井位于主廠房下游約140 m處，故設(shè)計(jì)采用排水總管經(jīng)1號(hào)尾水隧洞埋設(shè)至1號(hào)尾水調(diào)壓井，沿1號(hào)尾水調(diào)壓井向上埋設(shè)至尾水調(diào)壓室上室，在尾調(diào)通氣洞露出，然后檢修及滲漏排水經(jīng)尾調(diào)通氣洞自流至下水庫(kù)。該抽排水方案利用已有洞室，節(jié)省了土建工程量，降低了施工難度。

5 結(jié) 語(yǔ)

洪屏抽水蓄能電站地下廠房排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循“高水高排，低水低排”的設(shè)計(jì)原則，綜合了地質(zhì)勘探、示蹤試驗(yàn)、滲流場(chǎng)分析、解析法與數(shù)值法的對(duì)比分析等多種方法，排水廊道結(jié)合利用既有勘探平洞，設(shè)置多道攔截水屏障，分期施工，有效的解決了施工期與運(yùn)行期的滲排水問(wèn)題。

目前，洪屏抽水蓄能電站主體工程已經(jīng)施工完成，上下庫(kù)已經(jīng)蓄水，1號(hào)水道系統(tǒng)正在進(jìn)行充排水試驗(yàn)，地下廠房正在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的安裝。4年以來(lái)，地下廠房排水系統(tǒng)運(yùn)行正常，經(jīng)受住了工程開(kāi)工以來(lái)的實(shí)踐檢驗(yàn)，應(yīng)能達(dá)到我們?cè)O(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。本文通過(guò)介紹本工程地下廠房排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況和方案，希望給類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供有益的參考。

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(責(zé)任編輯 王 琪)

Design Exploration of Underground Powerhouse Drainage System in Hongping Pumped-storage Power Station

WANG Hongtao, ZHU Anlong, PENG Qiang

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China)

The hydrogeologic condition of underground powerhouse in Hongping Pumped-storage Power Station is very complex and the activity of underground water is strong. The design scheme of underground powerhouse drainage system is confirmed according to the tracer experiment and the analytical and numerical leakage prediction results of underground water. The drainage system consists of five layers of drainage gallery and corresponding drainage curtain. The practice has proved that the design of drainage system is successful．

underground powerhouse; drainage system; water leakage prediction; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

王紅濤(1980—)，男，河南長(zhǎng)垣人，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，一級(jí)注冊(cè)建造師(水利水電)，主要從事水工建筑物、大跨度洞室圍巖穩(wěn)定、水電站廠房結(jié)構(gòu)、邊坡防護(hù)等方面的設(shè)計(jì)與研究工作．

TV731.6

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0559- 9342(2016)08- 0038- 03