抽水蓄能電站地下廠房洞室系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)淺析

逄立輝 ，于生波 ，房恩澤 ，尚玉超

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林省長(zhǎng)春市 130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林省長(zhǎng)春市 130021）

0 引言

抽水蓄能電站地下廠房洞室排水主要包括圍巖滲漏水、設(shè)備故障或檢修滲漏水、檢修排水及少量生活污水，其中來(lái)自山體地下水以及輸水隧洞的滲漏水為地下廠房洞室主要排水對(duì)象。地下廠房洞室一般深埋于地下，地下水埋深較深，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，普遍存在滲漏問題，尤其是地下水較為豐富或節(jié)理裂隙發(fā)育的地區(qū)，滲漏問題更為突出，因此，為了避免水淹廠房事故發(fā)生，減少地下水滲漏對(duì)圍巖穩(wěn)定的不利影響，降低廠房邊墻所承受的滲透壓力，改善地下廠房運(yùn)行環(huán)境，做好洞室系統(tǒng)排水設(shè)計(jì)尤為重要。

隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)保理念的加強(qiáng)，為保護(hù)好綠水青山，抽水蓄能電站地下廠房洞室排水需考慮對(duì)含油廢水和山體圍巖滲漏水進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，含油廢水須經(jīng)過油水分離措施處理后再回用或排放；寒冷地區(qū)抽水蓄能電站的地下洞室排水需考慮冬季結(jié)冰問題，靠近附屬洞室出口的排水溝、排水洞（管）的地面出口等處，均應(yīng)考慮防冰凍措施。

1 地下洞室群圍巖滲水量估算

地下廠房的開挖改變了地下水原始的滲流場(chǎng)，形成大型地下水降落漏斗，使地下水水力坡降增大，向地下廠房基坑集中，影響圍巖穩(wěn)定性。為確保地下廠房施工期與運(yùn)行期安全，有必要計(jì)算滲漏水量，為排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外大型地下洞室群，地下洞室圍巖滲漏水量研究一般采用解析法和數(shù)值法相結(jié)合的方式。

（1） “解析法”計(jì)算。

解析法包括水均衡法、大井法和狹長(zhǎng)坑道法等，地下水滲漏量估算重點(diǎn)在于巖體滲透系數(shù)的選取，應(yīng)充分考慮地下水的埋藏條件、類型、活動(dòng)特點(diǎn)、巖體的滲透性等因素[1-4]。

（2） 三維滲流數(shù)值計(jì)算。

數(shù)值法通常為三維滲流數(shù)值模擬分析，計(jì)算中山體圍巖按各向異性、非均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)考慮，穩(wěn)定滲流曲線服從達(dá)西定律，把所研究區(qū)域進(jìn)行離散化，建立插值函數(shù)，采用多種類型的等參數(shù)單元，最后形成求解各節(jié)點(diǎn)水頭值的線性代數(shù)方程組[2]。

為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算，通?？山蓚€(gè)三維有限元計(jì)算分析的滲流模型，一個(gè)是可以模擬從上水庫(kù)進(jìn)出水口到下水庫(kù)進(jìn)出水口整個(gè)地下洞室群大范圍的完整滲流場(chǎng)模型 （“大模型”），另一個(gè)是可詳細(xì)模擬地下廠房系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和滲控工程措施的地下洞室群的精細(xì)模型（ “小模型”），同時(shí)建立兩類模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

根據(jù)上述兩種滲漏水量估算成果，結(jié)合地質(zhì)情況、附屬洞室布置情況，以及勘察過程中探洞等地下圍巖滲漏情況，綜合分析，確定地下洞室圍巖滲漏水量。

2 圍巖滲漏水排水方案設(shè)計(jì)

地下廠房洞室圍巖滲漏水排水一般采用自流排水或機(jī)械抽排，其中自流排水又分為完全自流和半自流兩種，完全自流是指全部圍巖滲漏水均通過自流排水洞排出，半自流一般是指“高水自流、低水抽排”方式。在廠房洞室附近一定區(qū)域內(nèi)有深切鄰谷或下游河道陡降、轉(zhuǎn)彎較大等有利地形條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用自流排水，有利于廠房防淹且可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用[6]。

廠房滲漏排水系統(tǒng)一般采用集中排水，無(wú)論是自流排水或機(jī)械抽排，均設(shè)置外圍排水及內(nèi)部排水兩套滲漏排水體系，兩套排水系統(tǒng)最終均匯至廠房滲漏集水井或集水坑，再通過自流排水或機(jī)械抽排進(jìn)行排放、回用。

廠房洞室群的主體洞室周邊布置排水廊道及截排水帷幕，形成一個(gè)封閉的、互相貫通的排水體系，將大部分地下滲漏水被攔截在主體洞室外圍，即為外圍排水體系。目前抽水蓄能電站一般在地下廠房主體洞室外圍設(shè)置3層排水廊道[5]：上層、中層和下層，考慮施工出渣、錨索支護(hù)等因素，分別設(shè)置在主廠房拱腳高程、發(fā)電機(jī)層高程以及尾水管底板高程。若廠房區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，出現(xiàn)地下水豐富的情況，可在廠房頂拱以上增設(shè)1～2層排水廊道，以增加截排水能力。 排水廊道斷面尺寸一般采用3m×3m，主要是考慮常規(guī)的施工方法和施工設(shè)備而確定的，為了加快排水廊道施工進(jìn)度、縮短工期、保障施工安全，目前國(guó)內(nèi)正在研發(fā)用于排水廊道施工的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM），待推廣后，排水廊道斷面型式、尺寸以及轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù)需適應(yīng)新的施工工藝、施工方法。

地下洞室開挖圍巖巖壁設(shè)置排水孔及排水管，組成面狀排水網(wǎng)絡(luò)，將少量透過外圍排水體系的滲漏水引至洞內(nèi)排水溝或排水主管，本著從高到低的原則，逐層設(shè)置排水溝或排水管、地漏，形成內(nèi)部排水體系，將廠內(nèi)滲漏水引至廠房集水井內(nèi)。為降低廠房?jī)?nèi)濕度，保證機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行，在主廠房、主變壓器室四壁設(shè)置防潮隔墻，既可以利用圍巖與防潮隔墻之間的空間設(shè)置進(jìn)排風(fēng)通道，又可與廠房屋頂形成封閉的防潮體系[7，8]。

3 機(jī)組檢修排水

機(jī)組檢修排水系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)機(jī)組檢修時(shí)，排除機(jī)組進(jìn)水球閥和尾水事故閘門之間流道中的積水，同時(shí)兼?zhèn)湟矶椿蛭菜矶礄z修時(shí)，排除引水隧洞或尾水隧洞內(nèi)積水的功能。

機(jī)組檢修排水一般采用檢修排水泵抽排至相鄰尾水隧洞或尾水調(diào)壓室內(nèi)，也有的工程直接設(shè)置排水豎井抽排至自流排水洞或下水庫(kù)，排水量與輸水系統(tǒng)長(zhǎng)度、管徑有直接相關(guān)關(guān)系，根據(jù)排水量確定排水泵設(shè)置。

主變壓器空載冷卻水、中壓空氣壓縮機(jī)冷卻水及變頻裝置冷卻水等，一般通過管路引至尾水隧洞或下水庫(kù)，出水口與取水口距離應(yīng)符合規(guī)范要求。

4 設(shè)備故障滲漏排水

各種設(shè)備或元件故障產(chǎn)生的滲漏水一般均含有油污，如水泵水輪機(jī)頂蓋、尾水事故閘門液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備等，為避免對(duì)下游河道水體的污染，必須對(duì)含油污水進(jìn)行油水分離措施處理，因此需對(duì)含油廢水和山體圍巖滲漏水進(jìn)行分離設(shè)計(jì)，一般單獨(dú)設(shè)置集水井或集水坑收集含油污水，含油污水經(jīng)處理裝置（包括油水分離器、浮油收集機(jī)、水上浮筒、回收油桶及油泵等）處理后再回用或排放。

隨著生態(tài)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)的理念加深，未來(lái)會(huì)對(duì)水電工程生產(chǎn)廢水的處理排放越來(lái)越重視，水電工程本身為清潔能源，其生產(chǎn)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，但由于設(shè)備故障產(chǎn)生的含油廢水易與圍巖滲漏等其他滲漏水混合，以至于造成環(huán)境污染，因此，如何避免兩者混合，混合后如何采取措施進(jìn)行處理，這是今后水電工程排水設(shè)計(jì)應(yīng)該重視和研究的方向。

5 生活污水排水

抽水蓄能電站地下廠房一般采用“無(wú)人值班，少人值守”的運(yùn)行管理模式，運(yùn)行期間廠內(nèi)人員較少，機(jī)組檢修期間人員會(huì)有所增加，生活污水較少，主要由衛(wèi)生間和盥洗池處產(chǎn)生。

通常情況下，生活污水經(jīng)一體化污水處理設(shè)備處理后，形成固體、液體分離，化糞池的上清液通過處理后達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)后綜合利用，用于綠化或路面灑水等；固體淤泥采用專用運(yùn)輸車定期運(yùn)出。

需要注意的是，按照“抽水蓄能電站地下廠房通用設(shè)計(jì)”，目前蓄能電站存在多個(gè)生產(chǎn)副廠房：主副廠房、變副廠房、安裝間副廠房等，因此存在多個(gè)衛(wèi)生間，再加上廠內(nèi)均勻分布的多個(gè)盥洗池，生活污水的產(chǎn)生點(diǎn)較多，以往采用多點(diǎn)分散處理的方法，造成清掏點(diǎn)多、氣味大，污染廠內(nèi)運(yùn)行環(huán)境[3]。如何將分散處理變成集中處理，如何將清掏點(diǎn)避開主要工作區(qū)域，減少對(duì)環(huán)境的污染，這是地下廠房生活污水排放處理的關(guān)鍵問題，值得設(shè)計(jì)人員深入研究、探索。中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司在黑龍江荒溝抽水蓄能電站設(shè)計(jì)中，將生活污水集中引至與蝸殼層同高程的3號(hào)施工支洞內(nèi)，進(jìn)行集中處理后排放，有效地避免了清掏過程對(duì)主要工作區(qū)域的污染，獲得了實(shí)用新型專利。

6 地面排水出口設(shè)計(jì)

寒冷地區(qū)抽水蓄能電站排水系統(tǒng)布置與非寒冷地區(qū)布置基本一致，但在排水系統(tǒng)地面出口處應(yīng)進(jìn)行專門的防寒設(shè)計(jì)，保證洞外溫度為負(fù)溫的情況下，排水出口處不被凍結(jié)，排水通暢。對(duì)于自流排水洞、附屬洞室等地面出口范圍，根據(jù)工程特點(diǎn)在距離出口一定范圍內(nèi)采用保溫排水溝、深埋暗溝等措施，在洞口設(shè)置保溫門或必要時(shí)增加采暖設(shè)備提高洞口溫度；自流排水洞或集中抽排排水管路出水口應(yīng)設(shè)置保溫出水口或置于主河道凍層水面以下。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和大量抽水蓄能電站建設(shè)的興起，抽水蓄能電站地下廠房洞室的排水設(shè)計(jì)越來(lái)越被重視，也成為抽水蓄能電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題，“以人為本，綠色設(shè)計(jì)”的理念，要求設(shè)計(jì)人員要更多地從安全、環(huán)保角度開展設(shè)計(jì)，油水分離措施、生活污水處理等，值得我們?nèi)ヌ剿?、研究，把地下廠房建成安全、環(huán)保、舒適、和諧的工作場(chǎng)所。