洪屏抽水蓄能电站地下厂房排水系统设计探索

王红涛，朱安龙，彭 强

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)



洪屏抽水蓄能电站地下厂房排水系统设计探索

王红涛，朱安龙，彭 强

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

洪屏抽水蓄能电站地下厂房水文地质条件复杂，地下水活动强烈。在设计阶段，对地下厂房进行了地下水示踪试验，并对地下厂房渗水量进行了解析法与数值法的对比分析，为地下厂房排水系统设计提供了依据，最终确定排水系统为5层排水廊道为主，经实践结果表明，该排水系统设计方案合理有效。

地下厂房；排水系统；渗水量预测；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，电站装机容量1 200 MW，为一等大(1)型工程。电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站和中控楼组成。地下厂房系统主要由主副厂房洞、主变洞、尾闸洞、母线洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、出线洞、排水廊道等组成，与施工支洞、输水系统一起，构成一个巨大而复杂的地下洞室群。

洪屏抽蓄电站地下厂房排水系统主要由抽排系统、排水廊道和排水孔组成。地下厂房渗水来源主要有山体地下水、上/下水库渗漏水、输水系统渗漏水等，排水系统具有截断外围来水、降低围岩渗压、减少洞室岩壁渗水、改善地下厂房运行环境等功能。

洪屏抽蓄电站于2010年6月开工，目前地下厂房正在进行机电安装，预计2016年投产发电。

2 地下厂房水文地质条件

洪屏抽水蓄能电站地下厂房位于输水系统中部，上水库主沟从地下厂房南侧约80 m经过。为查明地下厂房工程地质条件，从下水库岸边设置一条勘探平洞PDX4，洞身长1 403 m，在洞深约1 060 m处设置地下厂房勘探支洞PDX4- 1，位于地下厂房正上方约50 m处，在洞深1 270 m处设置岔管勘探支洞PDX4- 2。

地下厂房深埋于地下，轴线方向N47.5°W，上覆岩体厚度为260～370 m。地下厂房洞室群地段围岩为浅紫红色变质含砾中粗砂岩，岩石致密坚硬，岩体呈中厚层状结构，岩性本身含水、透水性差。厂房地段以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，约占93.5%，断层及其影响带范围为Ⅳ～Ⅴ类围岩，占6.5%。厂房区域主要发育9条断层及5组节理，其中f170、f171直接从厂房穿过，断层及节理走向以NE～NNE向构为主，其中发育2组NNW向节理。

据勘探洞PDX4、PDX4- 1及探洞内钻孔揭露表明，探洞共有30余断层或节理发育处出现滴水、线状流水、小股流水现象，其中PDX4- 2支洞出现渗水，经2005年6月3日～2007年6月23日观测，探洞总渗流量稳定在1 767～2 556 m3/d之间。

厂区地下水以裂隙性为主，岩体富水及断层裂隙透水性强，尤其是NE～NEE向和NNW向两组构造，向上游延展至上水库，连通性好，控制着地下厂房区地下水运动。地下厂房区地下水的补给来源有三方面：一是直接大气降雨补给，二是NNE、NNW向断层的侧向径流补给，三是上水库和下水库渗漏补给。

为了验证上水库及厂房南侧主沟与地下厂房是否存在水力联系，现场进行了示踪试验，示踪试验结果表明，上水库、上水库主沟存在向勘探平洞PDX4及其支洞PDX4- 1、PDX4- 2渗漏的贯通性断裂或断裂网络，因此存在上水库向地下厂房渗漏的可能。断裂或断裂网络渗透性都较大，渗透系数数量级在10-3～10-4m/s，地下厂房地下水活动强烈，水文地质条件非常复杂，在施工期和运行期将可能产生渗水，地下水将成为影响地下施工开挖、工程运行效益和地下洞室围岩稳定性的主要因素，这对地下厂房的排水设施的设计提出了非常高的要求。

3 地下厂房渗水量研究

为了确保地下厂房施工期和运行期的安全，降低地下水渗透对地下厂房的影响，有必要研究分析天然条件下、施工期和运行期地下厂房渗水量，从而为地下厂房区排水方案设计提供可靠的水文地质依据。为了计算地下厂房区的渗水量，分别采用解析法及数值法进行地下厂房渗水量预测。

3.1 解析法预测地下厂房渗水量

首先对计算区域的降雨、径流及蒸发资料进行整理分析，计算有效降雨入渗补给系数，采用水位恢复试验及压水试验求得岩体渗透系数。

为验证计算参数及计算方法的合理性，采用水均衡法、狭长坑道法等解析法对勘探平洞PDX4渗水量进行反演分析，计算成果见表1。

表1 勘探平洞PDX4渗水量预测 m3/d

表1预测成果表明，两种计算结果均在实测结果的范围之内，水均衡法计算的结果比狭长坑道法小，水均衡法预测值接近实测值下限，狭长坑道法预测值接近实测值上限，这说明采用解析法预测渗水量是可行的，实际的地下厂房区渗水量应在这两种方法预测值范围之间。

计算地下厂房施工期渗水量，计算区域选取地下厂房主要洞室群覆盖区域，平面尺寸为180 m×150 m。预测成果见表2，地下厂房施工期渗水量在5 056～6 940 m3/d之间。

表2 解析法对地下厂房施工期渗水量预测成果 m3/d

3.2 数值法预测地下厂房渗水量

数值法计算区域包括地下厂房和上水库及上水库主沟区域，计算时主要考虑影响地下厂房排水量的主要因素：上水库是天然条件下还是蓄水条件下、上库是否有帷幕、地下厂房有无开挖、地下厂房排水廊道设置情况、高压岔管有无帷幕后和排水等。经计算，各种情况下地下厂房渗水量相差不大，计算成果见表3。

表3 数值法对地下厂房渗水量预测成果 m3/d

注：运行期极限工况为考虑输水隧洞发生水力劈裂的情况。

3.3 地下厂房渗水量的确定

根据表2、表3预测成果，施工期数值法地下厂房渗水量预测成果为7 083 m3/d，与解析法中的狭长坑道法6 940 m3/d基本一致，根据以上分析，狭长坑道法预测成果基本为渗水量的上限，故确定施工期地下厂房渗水量为7 000 m3/d。

运行期地下厂房渗水量在6 252～8 400 m3/d，考虑引水系统采用全钢衬，极限工况发生概率极小，运行期地下厂房渗水量在正常工况计算成果上，考虑一定的裕度，确定为7 400 m3/d。

地下厂房渗水量的确定，为地下厂房抽排系统及设备、排水系统的设计提供了依据。

4 地下厂房排水系统设计

4.1 地下厂房排水方案的确定

洪屏抽水蓄能电站地下厂房位于输水系统的中部，距离下库进出水口1.2 km，深埋于地下，下水库上下游沿线地形均高于地下厂房高程，故地下厂房渗水不具备自流排水的条件，需要采取抽排的方式排出地下水。

一般抽水蓄能电站地下厂房排水系统通常设置3层排水廊道，洪屏抽蓄电站厂房区地质构造连通性较好，地下水活动强烈，水文地质条件复杂，施工期与运行期渗水量大。为保证地下厂房安全及运行环境，考虑到地下厂房渗水主要来自于上游高处，排水设计时遵循“高水高排，低水低排”的原则，在常规3层排水廊道的基础上，增设顶层与高层排水廊道，最终确定了在地下厂房周侧设置5层排水廊道排水设计方案，排水廊道之间设置封闭排水幕，将围岩渗水严密隔绝在地下厂房之外。地下厂房排水廊道系统如图1所示。

图1 地下厂房排水廊道系统剖面

4.2 高层、顶层排水廊道

为了拦截高处的地下渗水，使地下厂房施工时处于相对干燥的环境，同时减少地下厂房渗漏水量，降低地下水抽排系统的压力，洪屏抽水蓄能电站地下厂房利用已有勘探平洞PDX4及厂房勘探支洞PDX4- 1，在勘探支洞PDX4- 1上下游各设置一条排水廊道形成高层排水廊道系统，排水廊道之间设置“人”字形排水幕，将厂房顶部渗水拦截，并沿PDX4勘探平洞自流排出。

顶层排水廊道位于高层排水廊道下方约30 m处，在厂房上游侧设置1条排水廊道，并在厂房左右端弯折一段穿过主厂房范围。顶层排水廊道向上设置排水幕与高层排水廊道连接，排除地下厂房与高层排水廊道之间的渗水，为避免高层廊道渗水流入顶层廊道，顶层廊道向上排水孔不与高层廊道连通。在施工期，顶层廊道渗水抽至高层廊道，通过PDX4勘探平洞排出。在运行期，顶层廊道渗水通过向下的排水幕，汇入上层廊道，最终汇入地下厂房集水井，抽排出厂房。

为保证高层、顶层排水廊道在地下厂房开挖前形成，将这两层排水廊道列入筹建期施工。电站地下厂房已于2011年底开始开挖，2013年9月开挖完成，开挖过程中，高层及顶层排水廊道拦截了绝大多数的渗水，地下厂房围岩渗水量很少，仅有局部边墙潮湿。这表明，地下厂房高层、顶层排水廊道的设计方案十分有效。

4.3 上层、中层、下层排水廊道

上层排水廊道位于主厂房顶拱部位，沿厂房上下游侧设置2条排水廊道，并与厂房左右侧2条排水廊道连接，在主厂房、主变洞、尾闸洞周侧形成环向排水廊道系统。为了防止渗水穿过高层、顶层排水系统渗入厂房，在主厂房与主变洞、主变洞与尾闸洞之间另设置2条排水廊道，并与上下游排水廊道之间设置“人”字形排水幕，在厂房顶拱部位形成封闭截排水系统，在主要渗水通道上设置二道屏障。

中层排水廊道位于主厂房边墙中部位置，在主厂房、主变洞、尾闸洞周侧形成环向排水廊道系统，并设置向上排水幕与上层排水廊道连接。同时，中层排水廊道下游廊道设置向下帷幕，与尾闸洞下游尾水洞钢衬末端灌浆帷幕连接，封闭下游渗水通道。

下层排水廊道位于主厂房底部，在主厂房、主变洞周围形成封闭排水廊道系统，并设置向上排水幕与中层排水廊道连接。这样，通过上、中、下三层排水廊道及排水幕系统，在地下厂房周围形成完整的封闭的截排水系统，所有渗水均通过竖向排水幕汇入下层排水廊道，通过汇水廊道汇入地下厂房集水井。

4.4 抽排方案

除了地下渗水之外，厂房运行过程中经处理的废水及机组检修排水，最后都汇至集水井。由于下游地形高程均较高，不具备自流排水的条件，集水井汇水需要抽排出地下厂房，抽排高度大约112 m，水泵的选型及数量根据以上排水量及杨程确定。

一般排水路径是设置排水竖井，抽至一定高度，再通过自流排水洞将水排出。由于本电站设置有尾水调压井，且尾水调压井距厂房较近，尾水调压井的高度适中，满足抽排高度的需要，其中1号尾水调压井位于主厂房下游约140 m处，故设计采用排水总管经1号尾水隧洞埋设至1号尾水调压井，沿1号尾水调压井向上埋设至尾水调压室上室，在尾调通气洞露出，然后检修及渗漏排水经尾调通气洞自流至下水库。该抽排水方案利用已有洞室，节省了土建工程量，降低了施工难度。

5 结 语

洪屏抽水蓄能电站地下厂房排水系统的设计遵循“高水高排，低水低排”的设计原则，综合了地质勘探、示踪试验、渗流场分析、解析法与数值法的对比分析等多种方法，排水廊道结合利用既有勘探平洞，设置多道拦截水屏障，分期施工，有效的解决了施工期与运行期的渗排水问题。

目前，洪屏抽水蓄能电站主体工程已经施工完成，上下库已经蓄水，1号水道系统正在进行充排水试验，地下厂房正在进行机电设备的安装。4年以来，地下厂房排水系统运行正常，经受住了工程开工以来的实践检验，应能达到我们设计的预期目标。本文通过介绍本工程地下厂房排水系统的设计情况和方案，希望给类似工程设计提供有益的参考。

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(责任编辑 王 琪)

Design Exploration of Underground Powerhouse Drainage System in Hongping Pumped-storage Power Station

WANG Hongtao, ZHU Anlong, PENG Qiang

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China)

The hydrogeologic condition of underground powerhouse in Hongping Pumped-storage Power Station is very complex and the activity of underground water is strong. The design scheme of underground powerhouse drainage system is confirmed according to the tracer experiment and the analytical and numerical leakage prediction results of underground water. The drainage system consists of five layers of drainage gallery and corresponding drainage curtain. The practice has proved that the design of drainage system is successful．

underground powerhouse; drainage system; water leakage prediction; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

王红涛(1980—)，男，河南长垣人，高级工程师，一级注册结构工程师，一级注册建造师(水利水电)，主要从事水工建筑物、大跨度洞室围岩稳定、水电站厂房结构、边坡防护等方面的设计与研究工作．

TV731.6

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0559- 9342(2016)08- 0038- 03