溧阳抽水蓄能电站地下厂房洞室群防渗排水设计

胡林江，冯树荣，胡育林，郭冬云

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站(以下简称“溧阳电站”)位于江苏省溧阳市境内，为一等大(1)型工程。工程枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4部分组成。地下厂房区山体雄厚，地形为一扇形山体。山体东南侧及西北侧有深切冲沟发育；地下厂房采用首部式布置，距上水库左坝头约500 m。

地下厂房内安装6台单机容量为250 MW的可逆式水泵水轮机组。地下厂房洞室群由主厂房、主变洞、母线洞、尾闸室、进厂交通洞、⑧施工支洞兼排风洞、自流排水洞和厂周排水廊道等洞室组成。地下厂房洞室垂直埋深230～260 m，洞室开挖尺寸为219.90 m×23.50 m×55.05 m(长×宽×高)。地下洞室群平面布置见图1。

溧阳电站地质条件十分复杂，地下厂房洞室群围岩主要为中～厚层岩屑石英砂岩夹少量泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。岩体断裂构造十分发育。厂区断层多，节理裂隙十分发育，且部分断层规模大，性状差，其中规模最大的断层为F10及③号岩脉。围岩质量总体较差，岩体多属于镶嵌结构或镶嵌碎裂结构，洞室围岩以Ⅲ2～Ⅳ1类为主，部分为Ⅴ类；且地下水十分丰富，地下水对地下厂房洞室群施工期和运行期安全有至关重要的影响。根据工程自身特点，溧阳电站采取针对性的地下厂房洞室群防渗排水设计，有效降低了地下水对地下厂房洞室群的影响，取得了较好的效果。

图1 地下厂房洞室群平面布置

2 水文地质条件

地下厂房区地下水主要是基岩裂隙水，地下水受大气降水补给，以泉水形式向冲沟排泄。厂区主要洞室位于③号岩脉及F10断层交汇带以西，③号岩脉及F10断层则属于阻水体，厂区岩体则属于统一的裂隙含水体，十分发育的节理裂隙及断层组成了较好的储水空间和透水网络。钻孔压水试验表明，厂区岩体主要以弱透水为主，72%的压水试验段透水率在1～10 Lu之间，18%的压水试验段透水率大于10 Lu，平洞开挖揭露表明大部分断层尤其是NE及NNE走向的断层属于强透水的脉状透水带，沿断层最大透水量达到300～500 m3/h。

3 防渗排水系统设计

3.1 上游防渗帷幕必要性分析

地下厂房洞室虽首部式布置，靠近上水库，但上水库采用了全库盆防渗方案。即，上库库周及大坝面板均采取混凝土面板防护，库底也采用土工膜防渗；因此上水库库盆渗水量较小。引水系统则采用全钢衬方式。即，引水系统进水口至厂房上游墙全长均采用压力钢管，因此引水系统水道外渗的可能性降低。地下厂房洞室西北侧F10断层以及西南侧③号岩脉近乎垂直的布置，对地下水起到阻隔作用。地下厂房洞室群主要受来自东北和东南向地下水的影响。虽在厂房上游侧布置防渗帷幕，与F10断层以及③号岩脉组成封闭的挡水体；但三维渗流计算分析显示，未设置帷幕工况时，排水廊道的排水量为4 664.96 m3/d，地下厂房排水量为312.34 m3/d。而设置帷幕时，排水廊道的排水量为2 754.38 m3/d，地下厂房的排水量为335.54 m3/d。可见，帷幕可以大大减小排水廊道的排水量，但无法减少地下厂房的排水量。由于引水系统采用全钢衬结构，上游防渗帷幕的阻水作用对压力钢管不利。由此可见，地下厂房上游侧设置防渗帷幕虽可较少排水廊道的排水量，但对厂房排水量影响不大，且对压力钢管不利；故，本工程未设置防渗帷幕系统。

3.2 防渗排水系统布置原则及总布置

由防渗帷幕设置的必要性分析可知，防渗排水系统在不设置防渗帷幕的情况下，主要以排水廊道及排水幕的“排”为主。根据溧阳电站地质及自身条件，为有效降低地下水位对地下厂房洞室施工期开挖的影响，厂周排水廊道的布置需充分结合厂房洞室的开挖分层和支护设计一起综合考虑。

前期勘探平硐和进厂交通洞及施工支洞室开挖时，地下水水位随廊道开挖降低较为明显；从而提出了“排水先行”的原则。即，在地下厂房洞室各层开挖前，其地下水水位应降至掌子面高程以下。因此，地下厂房洞室从上至下一次布置4层排水廊道，顶层廊道高程布置在距离顶拱以上25 m位置，且主厂房、主变洞室顶拱以上分别布置2条纵向排水廊道。纵向排水廊道提前在厂房顶拱开挖前形成，利用廊道先行对主厂房和主变洞顶拱围岩进行预固结灌浆、预应力锚索孔施工和监测仪器的埋设；以为地下厂房洞室的开挖创造有利条件。第二、三、四层排水廊道布置除考虑有较好施工通道提前施工排水廊道外，还需兼顾厂房边墙对穿锚索的布置。对穿锚索施工尽量在廊道内，不影响厂房施工。

为此，厂区防渗排水系统布置如下：在环绕地下厂房、主变洞和尾闸室周边设置4层排水廊道，并在上下层排水廊道之间设置竖向排水幕，以降低厂房边墙和顶拱的地下水位；在排水幕后厂房边墙和顶拱设置短排水孔，将洞室周围的渗水引排至排水廊道或厂房内，经自流至厂区集水井内抽排至厂顶自流排水洞内自流自流至厂外(见图2)。

图2 厂区排水系统剖面

3.3 厂外排水系统设计

环绕主厂房和主变洞外围设置了4层排水廊道：

(1)顶层排水廊道包括外围排水廊道和主厂房与主变洞顶拱排水廊道，高程8.000～10.330 m，坡度0.5%，廊道断面为城门洞形，净空尺寸2.5 m×3.0 m(宽×高)，根据施工需要局部加大至3.0 m×3.0 m，主厂房与主变洞顶拱排水廊道兼预灌浆和对穿预应力锚索的施工廊道，断面净空尺寸为3.0 m×3.5 m(宽×高)。该层排水廊道由⑧施工支洞桩号0+969.227 m引岔洞进入。顶层排水廊道在主厂房和主变洞上下游侧均布设有斜向排水帷幕孔，两端垂直向上设有排水帷幕孔，以排除主要洞室顶部渗漏水。该层排水廊道的渗漏水沿⑧施工支洞排水沟流入下层排水廊道。

(2)第二层排水廊道包括外围排水廊道和主厂房与主变洞中间排水廊道，高程-27.500～-30.151 m，坡度0.5%左右，廊道断面为城门洞形，净空尺寸2.5 m×3.0 m(宽×高)，根据施工需要局部加大至3.0 m×3.0 m。该层排水廊道由⑧施工支洞桩号1+257.218 m引岔洞进入，排水廊道在安装间位置和主变洞左端头位置均设置了与下层连通的排水竖井，直径1.5 m，该层廊道渗漏水沿排水竖井流入下层排水廊道。

(3)第三层排水廊道由主厂房上游侧、主厂房和主变洞左侧及尾闸室下游侧排水廊道组成，高程-58.500～-49.830 m，最大纵坡6.21%，廊道断面为城门洞形，净空尺寸3.0 m×3.0 m(宽×高)。该层排水廊道由⑩施工支洞进入，廊道在安装间位置和主变洞左端头位置均设置与下层连通的的排水竖井，直径1.5 m，渗漏水沿排水竖井流入下层排水廊道。

(4)第四排水廊道由主厂房和主变洞两侧及主厂房上游侧排水廊道组成，高程-70.583～-71.000 m，坡度0.5%、0.15%，廊道断面为城门洞形，净空尺寸3.0 m×3.0 m(宽×高)。该层廊道渗漏水沿排水沟流入布置在地下副厂房左端的渗漏集水井中。上、下层排水廊道之间均设有竖向排水幕，排水幕孔径110，间距3 m。

由于检修排水采用潜水泵直接抽排方式，不设检修集水井。地下副厂房北端局部扩挖渗漏排水泵房和渗漏集水井，渗漏集水井布置在排水泵房下部，泵房地面与水泵水轮机层同高。

厂区的渗漏水，应尽量采用自流排放方式，以降低年运行管理费用。因本工程洞外地面高程相对较高，没有条件让厂区渗漏水全部通过自流排往洞外，所以在厂房顶部位置设置一条自流排水洞。自流排水洞出口位于下水库环库公路排水渠中，洞口高程26.800 m，在山体内通过排水管道竖井(断面净空尺寸2.5 m)与渗漏排水泵房相连，洞内高程33.780 m，洞长约1 400 m，城门洞形，断面净尺寸为2.0 m×2.5 m(宽×高)，平均纵坡约0.5%，外接环库公路排水渠，将厂区集水井内渗漏水通过泵抽排至自流排水洞内，再自流引排至下水库环库公路周边排水渠中。

3.4 厂内排水系统设计

主厂房、主变洞和尾闸室围岩排水孔根据洞室顶拱及边墙等部位岩壁地下水渗漏情况，按“渗水大、多布孔，渗水小、少布孔”的原则进行布置。各洞室顶拱以对称轴为中心，径向辐射布置系统排水孔，在洞室边墙布置与水平面呈15°仰角的排水孔，以增加排水效果。主厂房和主变洞厂内排水孔孔径为56 mm，孔深5.0 m，间排距均为4.8 m，呈梅花形布置。厂内排水通过厂房两侧防潮墙内竖向排水管将厂内渗透水引至排水沟和预埋排水管道，集中引至厂区渗漏集水井。尾闸室厂内排水孔孔径为56 mm，孔深3.0 m，间排距均为3 m，呈梅花形布置。厂内排水通过两侧防潮墙内竖向排水管将厂内渗透水引至排水沟内，再通过厂周排水廊道引至厂区渗漏集水井。

为降低厂内的湿度，在主厂房、主变室四壁设置防潮隔墙，并与顶棚形成封闭的防潮体系。

4 渗流场分析计算及对地下厂房洞室群围岩稳定影响分析

4.1 渗流场分析计算

根据溧阳水电站地下厂房建筑物分布情况、岩层水文地质特性、地形地貌以及渗流场分析研究的要求，建立三维渗流计算模型，对地下厂房洞室群渗流场进行分析计算，主要选取三种计算工况：①地下厂房开挖前的渗流场分析计算；②正常蓄水运行期渗流场分析计算；③蓄水运行，排水孔幕完全失效，渗流场分析计算。计算结果表明：

(1)计算工况1。岩体初始渗流场的等势线分布比较均匀、平滑；渗流等水头线从上到下逐渐减小，压力线从上游到下游均匀倾斜。这说明在地下洞室开挖前，岩体渗流场受地下水的影响，渗流分布正常。

(2)计算工况2。从厂房纵轴线的渗流等势线分布规律看，厂房上部和厂房两端区域受排水廊道和排水孔等设施的强排水作用，渗流自由面得到骤降，厂区渗透压力降低明显；尾调室靠近下游，受尾水影响，下游有排水孔幕和排水廊道，尾调室开挖后起到了强排水作用，所以沿尾调室纵轴线分布的渗流等势线水头值较小。由此说明，厂外排水廊道及排水孔幕对厂区和主要洞室围岩的稳定起到了很好的减压作用，设置排水设施是非常重要的，也是非常必要的。

(3)计算工况3。厂区排水孔幕失效，只有厂房洞室群具有一定的渗漏能力，所以地下水位较高，厂房和主变洞全部位于地下水位以下，主要洞室周围渗流水头梯度变化较大，渗透压力较大。所以，在地下厂房正常运行后，必须保证厂周排水廊道及排水孔幕等排水设施运行可靠。

4.2 厂区渗水量

地下厂房进厂交通洞和排水廊道等辅助洞室开挖时，施工掌子面水量较大，但随着掌子面推进，地下水位线随掌子面高程降低而降低，厂周下层排水廊道施工后，上层排水廊道基本处于干燥状态，地下水水位基本降至开挖掌子面高程。这表明，虽然地下水丰富，但围岩由于断层、节理裂隙发育，其排水较通畅。地下厂房洞室开挖掌子面滞后周边排水廊道施工后，掌子面也基本处于干燥状态。这与三维渗流有限元计算成果基本一致。综合分析确定，地下厂房区域岩体设计总渗流量取5 000 m3/d，并据此作为渗漏集水井抽排水泵选型的依据之一。

在选取厂房渗漏排水设备时，综合考虑地下洞室的岩体渗流量和厂内机组管路的渗水量以及设备的运行可靠性，在布置条件许可的情况下，选用适当的水泵机型，并留有必要的排水安全储备，以保证地下厂房的运行安全。

4.3 岩体渗流场对地下厂房洞室群围岩稳定的影响分析

计算分析表明，尽管考虑渗流作用后，洞周围岩的破坏范围和破坏深度比不考虑渗流工况的破坏区有所增加，围岩的破坏体积和塑性耗散能分别比不考虑渗流作用情况下增加了2.98%、3.68%；开裂破坏区比不考虑渗流作用情况下增加了2.25%。总体看，考虑渗流作用后，围岩破坏区、洞周应力、锚杆应力、洞周位移均有一定程度的增大；说明渗流对洞室围岩稳定有一定影响。但从量值和规律上看，总体影响不太大。故，保证排水孔幕的质量，对减小渗流影响、保证洞室的稳定是非常重要的。加强运行期的排水措施和保证防渗帷幕质量，对保证运行期地下洞室围岩稳定具有十分重要的意义。

5 运行期监测分析

地下洞室群渗流场三维有限元分析研究成果显示，厂区最大渗流量约4 253 m3/d。从目前实际运行情况看，厂区渗漏排水总量约5 000 m3/d。为保证厂内的渗漏排水设施能够满足防渗排水的要求并有较大的安全裕度，渗漏集水井的渗漏设计量按730 m3/h(合17 520 m3/d，其中围岩渗漏量按5 000 m3/d)考虑，有效容积按汇集约45 min的渗漏水量考虑。即，按有效容积547.5 m3设计，在选择集水井有效容积和备用容积时，留有一定的余量。考虑机组及厂房埋深较大，渗漏排水泵扬程较高，对渗漏排水泵的可靠性要求非常高，根据国内抽水蓄能电站的设计和运行经验，宜选用较多的水泵台数，以提高其工作的可靠性。因此，考虑设置4台生产率为550m3/h的深井泵为工作泵，2台生产率为550m3/h的深井泵为备用泵。对比渗漏排水设备的排水容量可知，目前厂内的渗漏排水设施能够满足防渗排水的要求，并且有较大的安全裕度，即使遇到紧急情况，集水井水量突然增大时排水设施也能够满足要求。

从目前实际运行情况来看，自流排水洞淹没水深最大不超过100 mm(与按5 000 m3/d计算成果基本一致)，远小于自流排水洞的排水能力。

6 结 语

溧阳电站防渗排水系统设计根据工程自身特点，布置上充分利用排水廊道一洞多用，施工程序上采用“排水先行”，通过排水廊道提前降低地下厂房洞室群的地下水水位，利用排水廊道提前施工锚索孔和预埋监测仪器；这些均为地下厂房洞室围岩开挖稳定创造了有利条件，确保了地下厂房洞室群施工期和运行期安全。厂区渗漏水采取“抽排与自流排水相结合”的方式，排水效果安全、经济、有效。地下厂房洞室开挖完成已有近4年时间，③号～⑥号机组已投入商业运行，目前厂房洞室环境良好。这些说明本电站地下厂房洞室群防渗排水系统是成功有效的，排水系统运行良好。

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