仙游抽水蓄能電站引水高壓支管滲流運行性態(tài)分析

陳振明，張 猛，樂莉霞

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游，351200；2.國家水電站大壩安全和應急工程技術中心，浙江 杭州，311122）

1 工程概述

仙游抽水蓄能電站位于福建省莆田市仙游縣西苑鄉(xiāng)，總裝機容量為1 200 MW（4×300 MW），屬一等大（1）型工程。輸水系統(tǒng)采用“兩洞四機”布置，引水岔管后的引水高壓支管采用鋼板襯砌，4條鋼支管長度均為110 m，支管中心高程201 m，鋼板厚30～54 mm，管徑3.8～2.3 m。引水高壓支管段圍巖主要為微新花崗斑巖，巖石堅硬，巖體較完整，圍巖以Ⅱ類為主，少量Ⅲ類，對影響圍巖穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定的斷層采取刻槽回填混凝土、固結灌漿孔、帷幕灌漿等工程處理措施。在鋼管起始位置設置了五道環(huán)向帷幕灌漿孔，其中上游側兩道位于引水支管混凝土襯砌段，下游側三道位于鋼襯首部，灌漿孔入巖深度8.0 m，排距2.0 m，每排布置10～12孔。引水壓力鋼管排水系統(tǒng)包括鋼管上方的高壓支管排水廊道和鋼管外壁的貼壁外排水系統(tǒng)。

引水高壓鋼支管起始點的上方約42 m（高程244.00 m）處布置有橫向排水廊道系統(tǒng)（B1），順水流方向依次布置A1、A2、A3 廊道，呈“E”字形布置。在B1、A1、A3 排水廊道內(nèi)向下設置垂直帷幕灌漿，其中B1廊道布置三排，排距1.6 m，梅花型布置，三排垂直帷幕與底部1～4 號壓力鋼管首部的帷幕灌漿相搭接；A1、A3排水廊道各布置兩排。帷幕灌漿孔間距3 m，孔深65～70 m，灌漿壓力3.0～6.0 MPa。B1 排水廊道內(nèi)三排灌漿帷幕，其中上游排和下游排全部采用濕磨超細水泥漿液進行灌漿，中間排高程186.00～217.00 m 之間區(qū)域采用化學漿液進行灌漿，高程217.00 m以上和186.00 m以下區(qū)域采用濕磨超細水泥漿液進行灌漿。對A2延伸洞，布置與A1相同的帷幕灌漿，并采用C15混凝土回填，見圖1。排水廊道內(nèi)上方設置“人”字形排水孔，排水孔間距3.0 m，孔徑φ65，L=27.0 m。滲水通過廊道底板上兩側排水溝流向廠房上層排水廊道，最終匯入廠房底部的集水井。

圖1 引水高壓支管及排水廊道平面圖Fig.1 Plan of high-pressure diversion branch pipes and the drainage gallery

鋼管外壁貼壁排水在尾部集水槽鋼底部接出兩根縱向DN100×5 mm鍍鋅排水管，鍍鋅排水管向下游引至廠房底層PS3-1排水廊道，滲水最終流入廠房底部的集水井。

2 監(jiān)測結果

布置在1號引水高壓支管距鋼襯起點50 m、73 m的滲壓計水頭約10 m；布置在2號引水高壓支管距鋼襯起點3 m 的滲壓計水頭為下平洞內(nèi)水水頭的85%～95%，83 m 處的滲壓計水頭約10 m；布置在3號引水高壓支管距鋼襯起點50 m的滲壓計水頭約150 m；布置在4號引水高壓支管距鋼襯起點3 m的滲壓計水頭約為下平洞內(nèi)水水頭的85%～95%，22 m處的滲壓計水頭約68.8 m，90 m處的滲壓計測值約10 m。部分測值隨氣溫變化。4條鋼支管總外排水量在0.1 L/s之內(nèi)，并隨溫度呈周期性變化。滲壓與滲水隨氣溫變化的主要原因可能是管壁外周縫隙的連通性隨溫升降低、溫降提高。

3號高壓支管Pzg2（3）0+897-1～6滲壓計測值自2014年逐步抬高，最大測值131.00～168.80 m；4號鋼支管Pzg2（4）0+865-1滲壓計測值自2018年逐步抬高，最大測值68.8 m，滲壓偏大可能與f44斷層在該部位出露有關。

B1排水廊道的上游側2個測壓管，水位在250.38～253.25 m之間，相對高壓支管約50 m水頭；A3廊道2個測壓管，水位在240.90～247.84 m之間，相對高壓支管約40～47 m水頭；A2廊道2個測壓管，水位在239.20～249.14 m之間，相對高壓支管約40～49 m水頭；A1廊道1個測壓管，水位在238.10～243.27 m之間，相對鋼支管約38～43 m 水頭?？傮w測壓管水頭較低。

引水高壓支管排水廊道最大滲水總量是0.4 L/s；多年平均值0.22 L/s，滲水量很小，且呈減少趨勢。

3 運行維護、檢查情況

2012 年9月～2013 年9月，輸水系統(tǒng)完成充水試驗。在充水期間，1～4號引水高壓支管外排水系統(tǒng)滲水量均小，呈滴水狀，復充水后滲水量均有不同程度的減少。引水高壓支管排水廊道巖壁多呈潮濕狀，個別地方出現(xiàn)滴水。

投運以來，引水高壓支管結構未曾進行補強加固，僅發(fā)現(xiàn)排水廊道存在析出物。從2015年開始，廊道析出物析出量明顯增大，每隔三個月就要對析出物進行一次清理，每月清理析出物約200 kg。2016年5月～2019年6月清理情況見表1。

表1 2016～2019年排水廊道析出物清理統(tǒng)計Table 1 Statistics of deposits from drainage gallery from 2016 to 2019

2019 年7 月24 日（上庫水位約737.13 m，下庫水位約274.06 m，本次引水隧洞未放空，現(xiàn)場檢查為外部結構巡查）現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，B1 廊道有8 處滲水析鈣點、A3 廊道有2 處滲水點，引水高壓支管上方的PD03 探洞未發(fā)現(xiàn)有鈣化物析出和滲水現(xiàn)象，排水廊道滲水總量小于0.1 L/s；析出物出露點主要集中在B1排水廊道的A2～A3排水廊道之間，其中A2延伸段附近析出量較多。B1廊道析出物主要分布在其上游側廊道壁面及排水溝內(nèi)，而在下游側廊道壁面及排水溝則幾乎未出現(xiàn)，析出物顏色以白色為主，偶見顏色泛黃情況；排水溝內(nèi)析出物呈層狀堆積在底部，溝內(nèi)水量較深部位表面有一層灰白色渾濁薄膜，薄膜下流水透明，無異味，見圖2～3。

圖2 排水廊道析出物示意圖Fig.2 Deposits from drainage gallery

圖3 B1排水廊道A2～A3之間析出物情況Fig.3 Deposits at section A2～A3 from the drainage gallery B1

引水高壓支管外設置的鋼管外排水管引至廠房底層排水廊道，4條排水管單獨設置量水堰，各排水管滲流量很小，無明顯顆粒帶出。

4 排水廊道析出物檢測情況

委托科研單位對引水高壓支管排水廊道析出物進行檢測并分析析出物及滲水來源，檢測研究結論如下：

（1）排水廊道地下水呈強堿性，pH 均值為12.0；上下庫庫水為弱酸性軟水，pH 值為6.59～6.92，環(huán)境水具有溶出型中等腐蝕。

（2）排水廊道析出物燒失量非常接近且均大于40%，ICP-AES測試結果表明其化學成分以含鈣物質(zhì)為主；析出物X射線衍射結果表明析出物中物質(zhì)主要以碳酸鈣形式存在，析出物紅外光譜測試結果顯示其基本不含有機物。

（3）引水高壓支管排水廊道滲水的主要原因為高壓岔管襯砌開裂，輸水系統(tǒng)的高壓內(nèi)水外滲，并經(jīng)高壓岔管圍巖內(nèi)的滲流通道流出，而所在區(qū)域賦存地下水對滲流地下水貢獻較少。

（4）上水庫庫水Ca含量均值僅為3.52 mg/L，圍巖中CaO 僅占0.94%，且析出物中不含圍巖主要成分，故析出物物質(zhì)并不來源于庫水和圍巖。排水廊道析出物的物質(zhì)來源主要為后期工程施工物，包括高壓岔管混凝土襯砌、固結灌漿、回填灌漿等。

（5）上水庫庫水為軟水，具有中等溶出性侵蝕性，上庫來水進入引水系統(tǒng)后，經(jīng)開裂的混凝土襯砌進入圍巖中連通裂隙，使灌漿工程中水化產(chǎn)物Ca（OH）2不斷溶解運移，同時高水頭作用及侵蝕性CO2加速了此過程的進行，產(chǎn)生壓力溶蝕作用。滲水在高壓支管排水廊道排滲水處排出后與空氣中CO2反應使Ca質(zhì)以CaCO3形式沉淀。

（6）防滲帷幕后排水強堿性化、圍巖滲透壓力小、量水堰排水量小等滲流宏觀特征表明目前高壓岔管防滲帷幕性態(tài)良好，同時室內(nèi)紅外光譜檢測析出物，未發(fā)現(xiàn)化學灌漿的相關有機物，進一步確認了廊道析出物主要來源于高壓水道鋼筋混凝土襯砌、高壓岔管回填灌漿、固結灌漿，析出物的析出對防滲帷幕性能影響較小。

5 結語

（1）目前引水高壓支管首部滲壓計監(jiān)測表明，外水壓力與混凝土襯砌段內(nèi)水基本一致，原因可能是4 條高壓支管鋼襯起點在平面上依次相差約8 m、呈臺階布置，且距鋼襯起點3～15 m范圍內(nèi)發(fā)育f42斷層，固結灌漿及帷幕灌漿未能有效阻隔混凝土襯砌段內(nèi)水導致。該部位鋼管壁厚30 mm，加勁環(huán)環(huán)高0.20 m，厚22 mm，加勁環(huán)間距1.5 m，鋼襯原設計外水壓力取值1.97 MPa，實際加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值為5.44 MPa，高于最大靜水壓力5.23 MPa，因此該部位外水壓力偏高理論上不會影響管壁抗外壓安全，但引水系統(tǒng)放空時要控制速率。

（2）3 號高壓支管Pzg2（3）0+897-1～6 滲壓計及4號鋼支管Pzg2（4）0+865-1滲壓計滲壓偏大，可能與f44斷層在該部位出露有關，目前鋼襯尾部滲壓降低，廠房上游邊墻、鋼管外排水管、A1～A3廊道、B2廊道及廠房中層、下層排水廊道監(jiān)測滲水量小，滲壓增大不影響廠房運行安全，后續(xù)繼續(xù)關注該部位滲壓計變化情況。

（3）引水高壓支管排水廊道滲水量小，但自投運后B1 排水廊道析出物較嚴重，原因可能與實際施工中A2廊道延伸段（位于兩條隧洞上方約40 m，長約100 m，帷幕灌漿后期封堵）在運行中受混凝土襯砌高內(nèi)水滲透影響有關。原封堵混凝土、灌漿材料沿A2 延伸段析出，現(xiàn)場B1 廊道與A2 交界處析出物最為突出。另外，4 條高壓鋼支管鋼襯起點未垂直水流方向、呈臺階狀布置，且首部發(fā)育f42，灌漿材料也可能在高內(nèi)水壓力下析出?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，B1 廊道因承受高內(nèi)水有析鈣現(xiàn)象，而位于支管上方的PD03探洞，運行以來洞壁無明顯析鈣情況，說明原山體圍巖析出物不明顯。經(jīng)專項分析，析出物主要為后期高壓岔管混凝土襯砌、帷幕灌漿、固結灌漿、回填灌漿等。綜合分析，析出物主要為碳酸鈣，來源主要為該部位混凝土襯砌和灌漿材料。目前監(jiān)測及分析表明，引水高壓支管排水廊道析出物的析出目前對防滲帷幕性能影響較小，滲流處于安全狀態(tài)，后續(xù)需關注混凝土及灌漿材料的耐久性。

（4）綜合監(jiān)測、檢查及檢測成果表明，引水高壓支管滲流運行性態(tài)總體正常。