黑麋峰抽水蓄能電站地下廠房排水設(shè)計

楊輝 楊闊

【摘要】本文對地下洞室群的地質(zhì)條件進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，提出了地下廠房廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)采取自流結(jié)合抽排的思路，并通過對多層排水廊道的布置以及對復(fù)雜洞室排水的設(shè)計，充分考慮地下廠房埋深大的特點(diǎn)提出了廠房廠內(nèi)排水系統(tǒng)，采取中下層排水先自流排放到底層集水井后用抽水泵集中抽到頂層自流排水廊道與頂層排水一起直接自流排出山體的方案。

【關(guān)鍵詞】地下洞室群; 廠區(qū)排水、廠內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計;直接;自流;抽排

1、工程簡介

黑麋峰抽水蓄能電站位于長沙市望城縣境內(nèi)，電站總裝機(jī)容量1200MW，共安裝4臺單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組。電站額定水頭為295m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速300r/min。樞紐永久性主要建筑物，包括上水庫擋水建筑物、下水庫擋水及泄水建筑物、輸水系統(tǒng)建筑物、地下廠房系統(tǒng)、高壓電纜洞、地面副廠房及開關(guān)站、排水廊道等。

地下廠房的排水是抽水蓄能電站地下廠房設(shè)計的關(guān)鍵問題之一，由于黑麋峰電站上庫位于黑麋峰西側(cè)坡麓，緊鄰黑麋峰森林公園風(fēng)景區(qū)，其下庫位于楊橋東側(cè)湖溪沖谷，為保證湖溪沖水庫下游的生態(tài)用水的水質(zhì)保護(hù)提出了更高的要求。既要保證地下廠房洞室的正常運(yùn)行，又要避免廠區(qū)排不水對下庫水體造成污染。

2、地下廠房工程地質(zhì)條件

地下廠房布置區(qū)山體雄厚，地表高程240m～290m，洞室埋深180m～230m，上覆弱風(fēng)化～新鮮巖體厚160m～210m，主廠房縱軸線為南北向布置。圍巖以微風(fēng)化～新鮮二長花崗巖為主，少量花崗偉晶巖脈。主機(jī)間圍巖巖體完整性較好，未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，據(jù)平洞、鉆孔資料，圍巖巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）80%以上，圍巖工程巖體質(zhì)量類別以Ⅱ2類為主，局部為Ⅲ1～Ⅲ2類;安裝間巖體質(zhì)量次于主機(jī)間圍巖，部分地段巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。廠房布置區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡單，主要斷層為NEE向陡傾角斷層F43和F61，兩斷層均與廠房縱軸線大角度相交，交角均為70°，分別穿過廠房主機(jī)間和安裝間，兩斷層在平硐內(nèi)揭露的破碎帶寬度分別為20cm～50cm、30cm，沿斷層具有明顯的蝕變現(xiàn)象，對廠房邊墻及頂拱有不利影響，斷層破碎帶及影響帶圍巖巖體質(zhì)量級別為Ⅳ2～Ⅴ1級，其余部位圍巖巖體質(zhì)量級別主要為Ⅱ2～Ⅲ級。

3、地下廠房排水設(shè)計

3.1 廠區(qū)排水設(shè)計

地下廠房、主變洞距下水庫庫岸水平距離最近約260m，主廠房、主變洞規(guī)模較大，拱頂高程均低于下水庫正常蓄水位50余米，為防止下水庫庫水、山體內(nèi)地下水和高壓管道滲漏水滲入廠房及主變等洞室，降低鋼管和廠房邊墻所承受的外水壓力，保持廠房圍巖的穩(wěn)定，改善地下廠房的運(yùn)行環(huán)境，在主廠房洞室周邊和廠房內(nèi)設(shè)置了滲漏水排水系統(tǒng)。

環(huán)繞主廠房和主變洞外圍設(shè)置了三層排水廊道。頂層排水廊道包括外圍排水廊道和主廠房與主變洞中間排水廊道，溝底高程58.85～62.00m，坡度0.5%～2.5%，廊道斷面為城門洞型，凈空尺寸2.5m×3.3m。

中層排水廊道繞主廠房、主變洞外圍一圈，溝底高程為30.45～28.50m。廊道斷面為城門洞型，凈空尺寸2.5m×3.3m。廊道分別在主廠房和主變洞的右端設(shè)有與主廠房和主變洞的聯(lián)系通道。中層排水廊道還與進(jìn)廠交通洞、主廠房排風(fēng)洞相連。交叉口設(shè)有封閉門。

底層排水廊道包括主廠房上游側(cè)和主廠房右端排水廊道以及安裝間左端排水廊道。溝底高程為5.60～4.0m和16.20～4.0m。坡度0.5%～15%。斷面形式：為2.50×3.30m城門洞型，底層排水廊道還與④施工支洞相連作為進(jìn)出口。底層排水帷幕內(nèi)滲水排入滲漏集水井由水泵抽制頂層排水廊道經(jīng)自流排水廊道自流排出廠區(qū)外部。

各上、下層排水廊道間設(shè)有排水幕孔，孔徑D90，間距3m。頂層排水廊道在主廠房和主變洞上、下游側(cè)均布設(shè)有300斜向上的排水幕孔，兩端垂直向上設(shè)有排水幕孔，以排除主要洞室頂部滲漏水。

廠房中層排水廊道匯集滲漏水經(jīng)主廠房安裝場上游側(cè)6個直徑170排水孔流入底層，廠房滲漏水經(jīng)底層排水廊道匯集至滲漏集水井，集水井上游側(cè)設(shè)有排水支洞與底層排水廊道相接，再經(jīng)主廠房安裝場上游側(cè)設(shè)有一條直徑1.50m的豎井內(nèi)的4根排水鋼管用水泵抽至頂層排水廊道。

上述抽至頂層排水廊道的滲漏水、頂層排水廊道滲水以及機(jī)組檢修時抽至頂層排水廊道的檢修水，由自流排水廊道自流排出。自流排水洞出口位于進(jìn)廠交通洞口下游側(cè)，洞口高程為54m，在山體內(nèi)與廠房頂層排水廊道左端相接，高程58m，洞長939m，城門洞型，尺寸為2.5m×3m，平均縱坡約0.5%。外接排水明渠，將地下水引排至湖溪沖主排水溝。

黑麋峰工程地下廠房工程地質(zhì)條件較好，圍巖巖石較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬，巖體多較完整、以Ⅱ2～Ⅲ1類為主，地質(zhì)構(gòu)造較簡單。地下廠房位于地下水位以下200m～220m，廠房區(qū)巖體透水性較弱，多屬微透水巖體，施工開挖揭示其地下水不豐富，僅在斷層帶部位和節(jié)理密集帶部位局部見有零星滴水或浸潤現(xiàn)象。因此，經(jīng)專題會議研究后決定廠房不設(shè)置防滲帷幕。

3.2 廠內(nèi)排水設(shè)計

廠內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)計包括檢修排水系統(tǒng)設(shè)計和滲漏排水系統(tǒng)設(shè)計兩部分。

3.2.1檢修排水系統(tǒng)設(shè)計

由于本電站地下廠房埋深180～230m，屬中部式布置，若采用間接排水方式，存在如下主要問題。①對于集水井結(jié)構(gòu)，進(jìn)人孔蓋板承壓設(shè)計難度較大，且廠房存在安全隱患，應(yīng)加強(qiáng)防水淹廠房事故。②因下廠房埋深較大，存在集水井通通氣管布置困難的問題。③尾水事故閘門靠近下庫進(jìn)（出）水口布置，因此機(jī)組檢修排水時排水管路較長，約400m左右。④水泵揚(yáng)程較高且變幅較大。

鑒于以上問題，機(jī)組檢修排水采用直接排水的方案。廠房底部設(shè)置一根DN500的檢修排水總管同，布置于檢修排水廊道;每臺機(jī)組尾水管設(shè)計盤形排水閥，并在檢修排水廊道另設(shè)置一道閥門，以保證地下廠房的安全;每臺機(jī)組檢修排水管與檢修排水總管相連，檢修排水廊道作為機(jī)組檢修排水的操作廊道，在排水廊道同層設(shè)一檢修排水泵房。機(jī)組檢修時，關(guān)閉上游側(cè)球閥和尾水事故閘門，通過設(shè)置尾水管的排水盤形閥和設(shè)置于檢修排水廊道的球閥，與檢修排水總管相連，通過檢修排水泵房和檢修排水總管，沿廠房頂層排水廊道、自流排水洞排出廠外。

3.2.2滲漏排水系統(tǒng)設(shè)計

（1）廠房滲漏量和集水井結(jié)構(gòu)尺寸確定。

滲漏排水系統(tǒng)主要包括廠房滲漏排水，迷宮環(huán)漏水、空壓機(jī)冷卻水、SFC變頻器冷卻水，沖污水及生活用水等。

廠房滲漏水量與電站地質(zhì)條件、樞紐布置、施工質(zhì)量及設(shè)備制造水平有關(guān)，經(jīng)估算，滲漏排水總量約325.1m3/h.集水井有效容積按60min的滲漏水量的體積考慮，另外考慮廠房布置情況，并考慮施工初期排水量較大等各種因素，集水井有效容積設(shè)置為660m3。根據(jù)確實(shí)的集水井有效的容積滲漏集水井實(shí)際布置情況，確定集水井井筒總內(nèi)尺寸為22.55m×5.9m。

（2）廠房滲漏水排水方式設(shè)計

滲漏排水總管若直接排入下水庫，由于下水庫水位變幅較大（65.0～103.7m），水泵揚(yáng)程不僅較高，且變幅范圍較大，約為85～125m，另外，直接排入下水庫方案管路較長，約400m，沿程水力損失也較大，因此，該方案對整個電站投資和將來運(yùn)行均不經(jīng)濟(jì)，最終采用的方式為將滲漏水排至廠房頂層排水廊道，再自流排出廠外。

（3）廠房滲漏水引流設(shè)計

主廠房水泵水輪機(jī)層以上及主變洞主變室層以上洞室周邊均設(shè)置250mm厚防潮隔墻，其內(nèi)設(shè)置排水溝，引排巖壁滲漏水至滲漏集水井內(nèi)。

在主廠房、主變洞洞室周邊均依據(jù)在開挖過程中滲水部位設(shè)置D56隨機(jī)排水孔，孔深5.00m，間排距2.0m×2.0m。在主廠房水輪機(jī)層上下游側(cè)及主變洞主變層下游側(cè)均設(shè)置排水溝，主廠房、主變洞排水孔內(nèi)的滲漏水均引至洞室內(nèi)設(shè)置的排水溝后由排水溝管引至安裝場下部的滲漏集水井。再由水泵抽排至頂層排水廊道經(jīng)自流排水廊道自流排出廠外。

3.3 廠區(qū)排水與廠內(nèi)排水的關(guān)系

地下廠房廠區(qū)排水主要根據(jù)電站的地質(zhì)特征、水文等資料結(jié)合自身的布置條件選擇合適防滲排水系統(tǒng)，主要設(shè)計排水廊道及排水幕“排”為主。廠區(qū)的滲漏水，應(yīng)盡量采用自流排方式，以降低年運(yùn)行管理費(fèi)。為有效降低地下水位對地下廠房洞室群施工期及運(yùn)行期的圍巖穩(wěn)定等影響。廠內(nèi)排水主要是排除生產(chǎn)廢水、檢修積水、生活污水，避免廠房內(nèi)部積水各潮濕，保證機(jī)組過水部分和廠房水下部的檢修。

但對中小型水電站，有時為了減少設(shè)備，節(jié)約投資，簡化管道，有時可把兩個排水系統(tǒng)合在一起，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4、排水系統(tǒng)效果

根據(jù)本工程的自身特點(diǎn)，黑麋峰抽水蓄能電站采取針對性的地下廠房洞室群防滲排水設(shè)計，有效降低了地下水對地下廠房洞室群的穩(wěn)定等影響、廠內(nèi)采用的直接排水方式克服了間接排水方式的安全隱患，同時也節(jié)約設(shè)備投資，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。黑麋峰抽水蓄能電站目前多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，廠房內(nèi)干燥、無滲水等現(xiàn)象，證明地下廠房防滲排水系統(tǒng)設(shè)計完全能滿足滲流控制要求，是安全、合理的。

5、結(jié)論與建議

（1）廠區(qū)防滲排水各洞室排水孔以引排為主、自流相結(jié)合;廠內(nèi)排水設(shè)計以直接抽排為主。抽、排、自流相結(jié)合的方式形成了一個防滲排水系統(tǒng)設(shè)計。保證了在暴雨及設(shè)防水位條件下廠房建筑物施工期安全及建成后運(yùn)行安全。

（2）各排水廊道要經(jīng)常清理干凈，保證暢通。每年汛期來臨前，要全面檢查，確保各排水廊道通暢無阻，特別是高程較低的一些排水管、廠房內(nèi)的排水溝、地漏要經(jīng)常進(jìn)行人工疏通，以防堵塞而無法修復(fù)。

（3）檢修集水井、操作廊道內(nèi)的密封鋼蓋板，在尾水管檢修期間，一定要關(guān)閉，以避免非常情況水淹廠房，危及廠房安全運(yùn)行。

（4）自流排水洞如果提前施工，可作為地下洞室施工期自流排水系統(tǒng)，大大節(jié)約施工期排水費(fèi)用。

（5）廠內(nèi)設(shè)置防潮隔墻也很重要，當(dāng)邊墻發(fā)生滲水時，不會直接影響設(shè)備運(yùn)行和廠內(nèi)美觀，并且還可以利用防潮隔墻與巖壁之間的空腔布置風(fēng)道。

作者簡介：

楊輝（1982-），湖南邵陽人，本科學(xué)歷，工程師，從事工程設(shè)計工作。

楊闊，四川劍闊人，工程師，從事工程管理工作，單位是五凌電力有限公司。