寧海抽水蓄能電站地下廠房排水洞設(shè)計優(yōu)化與安全性評價

熊平華，楊經(jīng)卿

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

浙江寧海抽水蓄能電站位于浙江寧?？h城東北面的茶山林場，距寧?？h城約19km，屬沿海區(qū)丘陵地帶。電站總裝機(jī)容量為1400MW（4×350MW），采用兩洞四機(jī)、發(fā)電廠房位于輸水系統(tǒng)中部的布置方案，引水線路長約930m。地下廠房系統(tǒng)深埋于山體之中，機(jī)組安裝高程為▽35.00m，發(fā)電機(jī)層高程為▽51.20m，尾水管底高程為▽23.00m，遠(yuǎn)低于下水庫死水位▽110.00m，僅略高于6km外的沿海平均海面高程（約▽18.0m），不具備完全自流排水的地形條件?？裳性O(shè)計階段，根據(jù)廠區(qū)布置特點和工程經(jīng)驗[1-6]，確定地下廠房的滲漏排水、檢修排水及事故排水均采用抽排方案，即廠內(nèi)外滲水通過排水溝及排水廊道匯流至布置在尾閘洞內(nèi)的滲漏集水井，再利用滲漏排水泵抽排至廠房排水洞，最終自流出廠外，機(jī)組檢修排水同樣利用檢修排水泵抽排至廠房排水洞排出廠外。廠房排水洞出口位于下水庫壩下導(dǎo)流泄放洞出口下游，考慮導(dǎo)流泄放洞泄洪影響，出口高程確定為▽50.00m，進(jìn)口考慮排水坡度，布置在上層排水廊道處，進(jìn)口高程確定為▽67.5m。廠房排水洞洞線長2542m，綜合坡比6.88‰。

2017年7月，寧海抽水蓄能電站招標(biāo)設(shè)計專題報告審查會議認(rèn)為廠房排水洞布置在廠房洞拱肩高程，對防水淹廠房作用不大，建議對廠房排水方案進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

1 地下廠房排水方案設(shè)計優(yōu)化

地下廠房排水設(shè)計的關(guān)鍵是尋找合適的廠房排水洞下游出口及洞線布置方案。該工程尾水管底高程為23.0m，而工程區(qū)至海岸線沿線最低高程約為20m，不具備完全自流排水條件。根據(jù)工程區(qū)周邊地形勘查結(jié)果，漲坑村村址沿漲坑溪一帶為本區(qū)域最低地勢，地面高程約30～40m，處于平地與山地的過渡帶，具備布置洞口的地形條件，以此進(jìn)行廠房排水洞洞線初步布置。

1.1 廠房排水洞出洞口高程

廠房排水洞的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與廠房相同，為200年一遇洪水（P=0.5%）設(shè)計，1000年一遇洪水（P=0.1%）校核[7]。對廠房排水洞出洞口剖面進(jìn)行了水文復(fù)核，并考慮了漲坑溝和坦坑溝交叉口灘地的施工場平堆渣的影響，復(fù)核結(jié)論洞口P=0.1%洪水位為▽41.9m，P=0.5%洪水位為▽40.0m?？紤]電站運(yùn)行后的巡視及檢修條件、場地現(xiàn)高程（約▽40m），確定廠房排水洞出洞口高程為▽40m。

1.2 廠房排水洞進(jìn)口（與集水井交叉口）高程

廠房排水洞進(jìn)口的高程主要取決于下列因素：

（1）不允許廠房排水洞洪水倒灌，滿足廠房防洪要求，即高程須大于▽41.9m并盡可能高。

（2）考慮水淹廠房事故排水盡可能自流，局部水淹廠房情況下盡可能減小損失，即進(jìn)洞口高程須盡可能低。

（3）考慮廠房排水洞自身的排水坡度，為盡可能增大廠房排水洞的排水能力，排水坡度盡可能大。

廠房內(nèi)的主要電氣設(shè)備基本位于母線層以上，為盡量減小水淹廠房事故損失，確定廠房排水洞進(jìn)口高程為▽44m，稍低于主廠房母線層高程▽45m。即廠房排水洞的設(shè)置能最大程度保證母線層以上設(shè)備安全。

1.3 廠房排水洞優(yōu)化方案布置

根據(jù)上述設(shè)計成果，對廠房排水洞洞線進(jìn)行詳細(xì)布置[8]，廠房排水洞穿過下水庫庫尾并主要布置在右岸山體內(nèi)，見圖1。

圖1 廠房排水洞布置設(shè)計方案Figure1 Layout design scheme of powerhouse drainage tunnel

優(yōu)化布置后廠房排水洞全長2550m，綜合坡比1.57‰。

2 廠房排水洞方案安全性評價

與可研方案相比，本優(yōu)化方案廠房排水洞洞線長度基本不變，工程投資基本不變，但在以下方面優(yōu)勢明顯：

（1）廠房排水洞進(jìn)口高程從▽67.5m（廠房洞室拱肩高程）降至母線層以下，在防水淹廠房方面的作用更顯著。

對電站進(jìn)行水淹廠房事故推演受事故性質(zhì)及嚴(yán)重程度、電站調(diào)度和應(yīng)急響應(yīng)速度、閘閥關(guān)閉耗時等因素影響[9～11]，具備較大的不確定性。本文不在此做深入細(xì)致計算，僅簡要進(jìn)行兩方面分析：

1）假定壓力鋼管排水管（DN200）破裂，此時進(jìn)入廠房的漏水流量為2.323 m3/s，上水庫進(jìn)出水口閘門關(guān)閉時間按30min計，閘門關(guān)閉前進(jìn)入廠房的水量為4181.4m3。

經(jīng)統(tǒng)計，寧海抽水蓄能電站廠房洞室內(nèi)母線層以下空腔體積約為32000m3，下層排水廊道及施工支洞體積約為11300m3，集水井容積為4600m3，即母線層以下總空腔容積為47900m3。單條引水隧洞管內(nèi)水量約為28000m3。即廠房內(nèi)空腔容積大于進(jìn)入廠房的總水量，廠房內(nèi)水位不會上升到母線層。集水井深井泵可以正常工作，直至排空廠房內(nèi)積水。

2）若考慮包括上游側(cè)壓力管道破裂、水輪機(jī)頂蓋破裂等極端的情況，引起輸水管道內(nèi)水泄漏，因水頭高、流量大，按單臺水輪機(jī)額定流量87.6 m3/s計，地下廠房將在10min左右淹沒至母線層。之后廠房排水洞開始自流排水，但其排水能力有限，當(dāng)水面上升到發(fā)電機(jī)層▽51.2m時，廠房排水洞的泄流能力約15m3/s，在上水庫進(jìn)出水口閘門關(guān)閉前，廠房將很快被全部淹沒。此時廠房排水洞的作用是可以持續(xù)自流排水，在閘門關(guān)閉后較快地將洞內(nèi)水位排至母線層以下，給事故后處理創(chuàng)造有利條件。

（2）滲漏排水泵及檢修排水泵揚(yáng)程減小了23.5m。參照國內(nèi)類似工程圍巖滲水、機(jī)組密封滲漏等數(shù)據(jù)，滲漏排水量按中位數(shù)300m3/h考慮。機(jī)組每年檢修一次，每臺機(jī)組總排水量約為2800 m3，即每年的排水總量約為264萬m3，每年至少能節(jié)省電能20萬kWh（參考浙江省2020年煤電基準(zhǔn)價0.4153元/kWh計，每年能節(jié)省電費(fèi)8.3萬元），即長期運(yùn)行抽排水費(fèi)用較低。

受地形地質(zhì)條件限制，本優(yōu)化方案仍存在一定的不利條件：

（1）洞室排水坡度較緩，僅為1.57‰，排水能力受限，對排水洞施工質(zhì)量及施工控制精度要求較高。

（2）出洞口高程為▽40m，極端條件下出洞口會局部受淹，但出口洞段仍為明流狀態(tài)，不影響電站正常抽排水運(yùn)行。

（3）排水洞洞線穿過下水庫庫尾，存在一定的滲漏風(fēng)險，但考慮到洞室上部仍有約90m的巖層厚度，從地勘成果推測排水洞洞身基本位于新鮮巖體內(nèi)，滲漏風(fēng)險不大。同時設(shè)計上也可通過防滲處理等施工措施來降低風(fēng)險。

總體而言，本優(yōu)化方案工程投資基本不變，長期運(yùn)行費(fèi)用較省，對防水淹廠房作用也更為顯著，所存在的不利條件均不影響正常運(yùn)行，綜合認(rèn)為優(yōu)化方案可行。

3 廠房排水洞相關(guān)細(xì)部設(shè)計

為保證廠房排水洞運(yùn)行安全可靠，對廠房排水洞的邊界條件進(jìn)行細(xì)部設(shè)計。

3.1 廠房排水洞擋坎

因廠房排水洞總體排水坡度較緩，為保證集水井正常抽排水情況下不發(fā)生因洞內(nèi)水位雍高而倒流，須在廠房排水洞內(nèi)設(shè)置擋水坎防止回水。

廠房排水洞開挖斷面考慮施工條件確定為3m×3m（城門洞型），其過流能力按明渠均勻流進(jìn)行計算復(fù)核。

廠房排水洞邊墻為噴錨支護(hù)，底板設(shè)混凝土路面，其綜合糙率按式（1）[12]進(jìn)行計算。

式中：n綜——渠道的綜合糙率；

X1，X2，…，Xm——相應(yīng)于n1，n2，…，nm的濕周，m。

考慮廠房滲漏排水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)同時啟用的情況下，排水流量為2550m3/h，合0.71m3/s，經(jīng)試算，廠房排水洞全洞明流淹沒水深約0.35m，再考慮一定的水面波動，取擋坎頂高程為▽44.5m（水淹廠房事故后自流排水高程），見圖2和圖3。

圖2 廠房排水洞擋坎設(shè)置（單位：m）Figure2 Design of retaining wall for powerhouse drainage tunnel（unit：m）

圖3 中層排水廊道與廠房排水洞交叉口布置（單位：m）Figure3 Layout of intersection between middle drainage gallery and powerhouse drainage tunnel（unit：m）

3.2 中層排水廊道布置優(yōu)化

為匹配廠房排水洞進(jìn)口高程（▽44m），對中層排水廊道布置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使中層排水廊道與廠房排水洞平面上交叉，便于開挖施工。同時以中層排水廊道與廠房排水洞交叉點為中層排水廊道最低點，便于中層排水廊道以上滲水實現(xiàn)自流排水。

3.3 集水井排水泵安裝高程調(diào)整

為保證在局部水淹廠房情況下集水井內(nèi)滲漏排水泵能正常工作，匹配并適當(dāng)高于廠房排水洞出口高程，將滲漏排水泵安裝高程抬高至▽45.5m。

3.4 集水井設(shè)置溢流孔

集水井作為廠房滲漏水的中繼站，為保證水淹廠房等特殊情況下能自流排水，在集水井與廠房排水洞交叉口設(shè)置溢流孔（見圖4）。同時電站正常運(yùn)行抽排水過程中少量翻過廠房排水洞擋坎的濺水也可通過該溢流孔返流至集水井內(nèi)，不致積水。

圖4 集水井設(shè)置溢流孔（單位：m）Figure 4 Overflow hole setting in water collecting well（unit：m）

4 結(jié)束語

（1）地下廠房排水洞的設(shè)計應(yīng)結(jié)合工程實際，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性等方面綜合考慮，以自流排水洞為優(yōu)先，不具備條件的，可退而求其次的選擇進(jìn)口高程盡量低的半自流排水方案。要充分發(fā)揮其在防水淹廠房方面的作用，同時也要防水流倒灌，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選確定最優(yōu)的設(shè)計方案。

（2）廠房排水洞的設(shè)計還要與周邊因素如排水廊道等進(jìn)行綜合考慮，通過合理設(shè)置排水坡度，盡量使廠房排水洞高程位于區(qū)域最低，便于在發(fā)生極端情況時能順暢排水。

（3）廠房排水洞的設(shè)計應(yīng)對其洞口高程、正常排水時的排水能力、非常時期的排水路徑與配套措施等進(jìn)行復(fù)核和關(guān)聯(lián)設(shè)計，周密考慮，形成系統(tǒng)。

（4）寧海抽水蓄能電站廠房排水洞經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后能顯著提高電站防水淹廠房方面的安全性，即使極端情況下發(fā)生了水淹廠房也能在后期搶險方面提供極大的便利性，同時也降低了運(yùn)行費(fèi)用。優(yōu)化設(shè)計方案在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面都得到了提高。