蒲石河抽水蓄能电站地下厂房洞室排水设计

2014-03-22于生波

东北水利水电 2014年2期

关键词：石河排水泵洞室

于生波

（中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130021）

蒲石河抽水蓄能电站地下厂房洞室排水设计

于生波

（中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130021）

文章介绍了蒲石河抽水蓄能电站地下厂房排水方案的确定过程及方法，阐述了地下洞室渗漏水量的计算方法及机械排水泵容量的选择，探讨了地下洞室渗漏排水设计研究的基本思路。实践证明蒲石河地下厂房洞室群渗漏水量估算与实际基本相符，排水措施选择是合理的。

抽水蓄能电站；地下厂房；排水方案；渗漏水量

蒲石河抽水蓄能电站，位于辽宁省宽甸满族自治县境内，距丹东市约 60km，该电站是我国东北在建中的第一座大型纯抽水蓄能电站，总装机容量为 1200MW，单机容量为 300MW，共 4 台机组。

厂房洞室系统是一组空间立体交叉的地下洞室群，以厂房、主变室及尾闸室为核心。三大洞室从上游向下游依次平行布置，厂房与主变室间岩体厚度为 29．8m，主变室与尾闸室间岩体厚度为 19．9 m。三个洞室的纵轴线方位均为 NW279°50’19”。

1 洞室群围岩状况

蒲石河抽水蓄能电站厂房枢纽区基岩主要为混合花岗岩，局部穿插有闪长玢岩岩脉。岩石新鲜、坚硬，上覆岩体较厚。虽有 40 余条断层破碎带分布，但宽度较小，倾角较陡，多分布于厂房枢纽区的东西两侧，走向多与厂轴交角较大。岩石节理一般不发育，多以陡倾角为主，其主要节理走向与厂轴交角亦较大，多呈微张或钙质胶结。

从整体看，厂房枢纽地段岩体尚完整，以块状砌体结构为主，该区岩体地应力属中等状态，且其最大水平主应力方向与厂轴近平行，厂房枢纽地段多以Ⅱ类围岩为主，约占 80%左右，Ⅲ类围岩约占 20%。Ⅱ类围岩的纵波速多为 4000～5000m/s，其中个别地段达到 Vp=5500～5900m/s，Ⅲ类围岩纵波速多为 3250～4000m/s。

厂房区地下水主要为赋存于基岩裂隙及断层破碎带内的裂隙水。地下水位埋深约 40～55m，高出厂房顶拱约 190～195m。据钻孔压水试验资料，厂房区岩石透水性微弱，其透水率多小于 0．01l/ (min．m．m)。仅在厂房枢纽区西半部沿 f14断层破碎带、J60、J73号节理和上游支洞 F14，f24断层破碎带及δπ-13岩脉渗水量较大，约 10～24L/min。

2 地下洞室群围岩渗漏水量研究

国内外大型地下洞室群，如大朝山、小湾、二滩、百色、三板溪、水布垭、天生桥等，均做了较深入的以渗流有限元方法为主的数值计算。针对蒲石河工程，地下洞室围岩渗漏水量研究采用“大井法”和三维数值计算相结合的方式。

2．1 “大井法”计算

地下水渗漏量估算采用“大井法”，利用潜水裘布依公式进行估算。

式中：Q——洞室渗水量，m3/d；K——含水层渗透系数，m/d)；H——含水层厚度 m，取 235m；S——水位降深 m，取 235m；R——影响半径 m，取 150 m；χ0——基坑假定半径 m，取 χ0=50．65m。

岩体渗透系数∶采用钻孔压水试验结果进行换算，换算公式采用《水利水电工程钻孔压水试验规程》附录C 之霍斯列夫公式，即：

式中：K——岩体渗透系数，m/d；Q——压水试验流量，m3/d；H——压水试验水头，m；L——试验段长度，m；γ0——试验孔半径，m。

计算 Κ 按平均值取 0.0375m/d，估算地下渗水量为 Q=250m3/h（即 6000m3/d）。

2.2 三维渗流数值计算

各向异性、非均质的连续介质，服从达西定律的稳定渗流问题：

式中：H——水头函数；kx、ky、kz——x、y、z 主方向的渗透系数，坐标轴方向与渗透主方向一致；Ω——渗流区域；S1——已知水头值的边界曲面；S2——给定流量边界曲面；S3——浸润面；S4——逸出段；q——边界上的单位面积流量，q=0 表示为无流量交换边界；n——边界的外法线方向。

根据变分原理，上述定解问题的求解等价于求下列函数的极值问题。即：

把所研究区域进行离散化，建立插值函数，采用多种类型的等参数单元，最后形成求解各节点水头值的线性代数方程组，对于n个未知水头节点共有 n个方程，用矩阵表示为：

［K］｛H｝＝｛F｝

其中，｛H｝为未知水头节点的列向量，［K］为渗透矩阵，｛F｝为右端项。

利用上述渗流计算原理及方法，对所研究的渗流区域进行渗流数值模拟研究。根据蒲石河电站工程枢纽的地形、地质、水文、气象等实际情况，建立两个三维有限元计算分析的渗流模型，一个是可以模拟从上库进出水口到下库进出水口整个地下洞室群大范围的完整渗流场模型（“大模型”），另一个是可详细模拟地下厂房系统结构和渗控工程措施的地下洞室群的精细模型（“小模型”），同时建立两类模型的转换关系。大模型主要用于进行地下厂房区水文地质参数的反演，并为小模型各方案的计算提供较为合理的边界条件；小模型上下游边界取厂房上游边墙到尾闸室下游边墙距离的5倍左右；竖直方向上部取到地下水面，下部和两侧边界基本与大模型一致，主要用于进行地下群的渗流场计算分析。

地下洞室群的三维渗流有限元计算分析的计算结果见表 1，在地下洞室群的上方地下水面形成一个漏斗状低凹区，低凹区接近洞室顶拱，最底部仅离地下主厂房洞室顶拱 24m；在施工开挖后流入地下洞室群的总渗漏量 2831m3/d，蓄水后总渗漏量为 2899m3/d。

表1 地下水位及洞室总渗流量表

由于三维渗流计算模型选取主要是针对地下洞室群集中区域，厂房交通洞、通风洞、排风竖井及施工支洞等并未计入在内，因此经综合分析，整个地下洞室群蓄水后总渗漏量约为 3400~3800m3/d。

2.3 渗漏水量分析

从上述两种渗漏水量估算成果上分析，“大井法”估算地下渗水量为 Q=250m3/h（即 6000m3/d），三维渗流计算地下厂房渗漏量大致 3400～3800 m3/d，比大井法估算成果明显要小。因为三维渗流模型的选取、地质条件的模拟等要比“大井法”精确得多，因此推荐采用三维渗流计算成果作为地下洞室排水量的设计依据，即 Q=160m3/h（即 3840 m3/d）。

3 排水方案设计

3.1 排水方案选择

地下洞室排水一般采用自流排水或机械抽排，有条件的优先选用自流排水，可以节省运行费用。蒲石河地下洞室群埋深约 300m，距下水库大坝直线距离约 3km，下水库死水位为 62m，而厂房顶拱开挖高程为 38.6m，地下洞室群不具备自流排水条件，渗漏和检修排水采用机械抽排的方式。

机械抽排有两种方案：方案1为泵排至尾水调压井和下水库；方案 2 为泵排至地质探洞，通过地质探洞排至山体外冲沟内。方案2泵排至地质探洞时排水出口处理困难，对探洞出口水土保持及环境保护不利，经综合分析，推荐采用方案 1。

3.2 排水容量及排水泵选择

1）渗漏排水。厂房渗漏排水系统主要任务为排出地下厂房洞室渗漏水、进水阀漏水、机组主轴密封排水、顶盖排水、固定导叶排水、机坑排水、充气压水排水、主变压器空载冷却排水、部分辅助设备冷却排水、变频装置冷却排水和厂内设备检修冲洗排水等。地下洞室群蓄水后围岩总渗漏量为160m3/h（3840m3/d），机电设备渗漏量估算成果约为 100m3/h（2400m3/d）。所以，地下洞室总渗漏量为 260m3/h（即 6240m3/d）。

本着确保安全原则，为保证地下厂房不被水淹，全厂共设 6 台潜水电泵，排水泵选用德国威乐公司生产的 KM1300-2+NU122-2/65 型深井潜水泵，其主要参数为：Q=240m3/h～480m3/h～600 m3/h，H=115m～94m～75m，N=175kW。其中 2台备用，4 台工作，抽排水容量远大于渗漏量，可满足渗漏排水要求。

2）检修排水。机组检修排水系统的任务是当机组检修时，排除机组进水球阀和尾水事故闸门之间流道中的积水，同时兼备引水隧洞或尾水隧洞检修时，排除引水隧洞或尾水隧洞内积水的功能。

机组检修排水量约为 2000m3，排水时间约为2h；引水隧洞/球阀检修排水量约为 22000m3，排水时间约为 24h；尾水隧洞检修排水量约为 175500 m3，排水时间约为 200h。所以检修排水最大排水量约为 1000m3/h。

机组检修全厂共设 4台泵，排水泵选用 DFSS100-310（I）A/2 型卧式双吸离心泵，其主要参数为：Q=100 m3/h ～315m3/h ～370m3/h，H=110m ～90m ～77.3 m，N=110kW。排水能力满足检修要求。

3.3 排水设计

1）渗漏排水。厂房渗漏排水系统采用集水井排水方式。借鉴其它工程地下洞室排水设计经验，排水系统分为外围排水及内部排水两套渗漏排水体系，两套排水系统最终均汇至厂房渗漏集水井。外围排水体系为：厂房洞室及主变洞室周边布置排水廊道及截排水帷幕，外围形成一个封闭的、互相贯通的排水体系，将大部分地下渗漏水被拦截在主体洞室外围；内部排水体系为：开挖围岩岩壁设置软式透水管组成的排水网，将少量透过外围排水体系的渗漏水引至排水沟或厂房集水井内；本着从高到低的原则，逐层设置排水沟或排水管、地漏，将少量渗漏水及设备渗漏水引至厂房集水井内。

全厂设2个渗漏集水井，中间用排水廊道连通，每个渗漏集水井有效容积为 112.5m3，排水廊道容积约为 1100m3。每个集水井配 3 台潜水泵，2台工作，1台备用。渗漏排水通过排水总管排至尾水调压井，尾水隧洞检修时，通过全厂公用技术供水总管排至下水库。

2）检修排水。机组检修排水系统采用直接排水方式。机组检修排水全厂分为两个单元，每两台机组为一个单元，两个单元互相联络，每个单元设两台检修排水泵。

机组检修时，关闭球阀和尾水事故闸门，流道中的积水经检修排水泵排至尾水调压井；引水隧洞/球阀检修排水时，先将引水隧洞上库进/出水口检修闸门关闭，利用自流排水将隧洞中水位降至下水库水位，再将需检修机组的尾水事故闸门关闭，同时关闭同一引水系统另一台机组的球阀，启动检修排水泵进行排水，积水经检修排水泵排至尾水调压井；尾水隧洞检修排水时，将四台机组的球阀和下水库进出水口检修闸门关闭，流道中的积水经检修排水泵排至下水库。