仙游抽水蓄能电站引水高压支管渗流运行性态分析

陈振明，张 猛，乐莉霞

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游，351200；2.国家水电站大坝安全和应急工程技术中心，浙江 杭州，311122）

1 工程概述

仙游抽水蓄能电站位于福建省莆田市仙游县西苑乡，总装机容量为1 200 MW（4×300 MW），属一等大（1）型工程。输水系统采用“两洞四机”布置，引水岔管后的引水高压支管采用钢板衬砌，4条钢支管长度均为110 m，支管中心高程201 m，钢板厚30～54 mm，管径3.8～2.3 m。引水高压支管段围岩主要为微新花岗斑岩，岩石坚硬，岩体较完整，围岩以Ⅱ类为主，少量Ⅲ类，对影响围岩稳定及渗透稳定的断层采取刻槽回填混凝土、固结灌浆孔、帷幕灌浆等工程处理措施。在钢管起始位置设置了五道环向帷幕灌浆孔，其中上游侧两道位于引水支管混凝土衬砌段，下游侧三道位于钢衬首部，灌浆孔入岩深度8.0 m，排距2.0 m，每排布置10～12孔。引水压力钢管排水系统包括钢管上方的高压支管排水廊道和钢管外壁的贴壁外排水系统。

引水高压钢支管起始点的上方约42 m（高程244.00 m）处布置有横向排水廊道系统（B1），顺水流方向依次布置A1、A2、A3 廊道，呈“E”字形布置。在B1、A1、A3 排水廊道内向下设置垂直帷幕灌浆，其中B1廊道布置三排，排距1.6 m，梅花型布置，三排垂直帷幕与底部1～4 号压力钢管首部的帷幕灌浆相搭接；A1、A3排水廊道各布置两排。帷幕灌浆孔间距3 m，孔深65～70 m，灌浆压力3.0～6.0 MPa。B1 排水廊道内三排灌浆帷幕，其中上游排和下游排全部采用湿磨超细水泥浆液进行灌浆，中间排高程186.00～217.00 m 之间区域采用化学浆液进行灌浆，高程217.00 m以上和186.00 m以下区域采用湿磨超细水泥浆液进行灌浆。对A2延伸洞，布置与A1相同的帷幕灌浆，并采用C15混凝土回填，见图1。排水廊道内上方设置“人”字形排水孔，排水孔间距3.0 m，孔径φ65，L=27.0 m。渗水通过廊道底板上两侧排水沟流向厂房上层排水廊道，最终汇入厂房底部的集水井。

图1 引水高压支管及排水廊道平面图Fig.1 Plan of high-pressure diversion branch pipes and the drainage gallery

钢管外壁贴壁排水在尾部集水槽钢底部接出两根纵向DN100×5 mm镀锌排水管，镀锌排水管向下游引至厂房底层PS3-1排水廊道，渗水最终流入厂房底部的集水井。

2 监测结果

布置在1号引水高压支管距钢衬起点50 m、73 m的渗压计水头约10 m；布置在2号引水高压支管距钢衬起点3 m 的渗压计水头为下平洞内水水头的85%～95%，83 m 处的渗压计水头约10 m；布置在3号引水高压支管距钢衬起点50 m的渗压计水头约150 m；布置在4号引水高压支管距钢衬起点3 m的渗压计水头约为下平洞内水水头的85%～95%，22 m处的渗压计水头约68.8 m，90 m处的渗压计测值约10 m。部分测值随气温变化。4条钢支管总外排水量在0.1 L/s之内，并随温度呈周期性变化。渗压与渗水随气温变化的主要原因可能是管壁外周缝隙的连通性随温升降低、温降提高。

3号高压支管Pzg2（3）0+897-1～6渗压计测值自2014年逐步抬高，最大测值131.00～168.80 m；4号钢支管Pzg2（4）0+865-1渗压计测值自2018年逐步抬高，最大测值68.8 m，渗压偏大可能与f44断层在该部位出露有关。

B1排水廊道的上游侧2个测压管，水位在250.38～253.25 m之间，相对高压支管约50 m水头；A3廊道2个测压管，水位在240.90～247.84 m之间，相对高压支管约40～47 m水头；A2廊道2个测压管，水位在239.20～249.14 m之间，相对高压支管约40～49 m水头；A1廊道1个测压管，水位在238.10～243.27 m之间，相对钢支管约38～43 m 水头。总体测压管水头较低。

引水高压支管排水廊道最大渗水总量是0.4 L/s；多年平均值0.22 L/s，渗水量很小，且呈减少趋势。

3 运行维护、检查情况

2012 年9月～2013 年9月，输水系统完成充水试验。在充水期间，1～4号引水高压支管外排水系统渗水量均小，呈滴水状，复充水后渗水量均有不同程度的减少。引水高压支管排水廊道岩壁多呈潮湿状，个别地方出现滴水。

投运以来，引水高压支管结构未曾进行补强加固，仅发现排水廊道存在析出物。从2015年开始，廊道析出物析出量明显增大，每隔三个月就要对析出物进行一次清理，每月清理析出物约200 kg。2016年5月～2019年6月清理情况见表1。

表1 2016～2019年排水廊道析出物清理统计Table 1 Statistics of deposits from drainage gallery from 2016 to 2019

2019 年7 月24 日（上库水位约737.13 m，下库水位约274.06 m，本次引水隧洞未放空，现场检查为外部结构巡查）现场检查发现，B1 廊道有8 处渗水析钙点、A3 廊道有2 处渗水点，引水高压支管上方的PD03 探洞未发现有钙化物析出和渗水现象，排水廊道渗水总量小于0.1 L/s；析出物出露点主要集中在B1排水廊道的A2～A3排水廊道之间，其中A2延伸段附近析出量较多。B1廊道析出物主要分布在其上游侧廊道壁面及排水沟内，而在下游侧廊道壁面及排水沟则几乎未出现，析出物颜色以白色为主，偶见颜色泛黄情况；排水沟内析出物呈层状堆积在底部，沟内水量较深部位表面有一层灰白色浑浊薄膜，薄膜下流水透明，无异味，见图2～3。

图2 排水廊道析出物示意图Fig.2 Deposits from drainage gallery

图3 B1排水廊道A2～A3之间析出物情况Fig.3 Deposits at section A2～A3 from the drainage gallery B1

引水高压支管外设置的钢管外排水管引至厂房底层排水廊道，4条排水管单独设置量水堰，各排水管渗流量很小，无明显颗粒带出。

4 排水廊道析出物检测情况

委托科研单位对引水高压支管排水廊道析出物进行检测并分析析出物及渗水来源，检测研究结论如下：

（1）排水廊道地下水呈强碱性，pH 均值为12.0；上下库库水为弱酸性软水，pH 值为6.59～6.92，环境水具有溶出型中等腐蚀。

（2）排水廊道析出物烧失量非常接近且均大于40%，ICP-AES测试结果表明其化学成分以含钙物质为主；析出物X射线衍射结果表明析出物中物质主要以碳酸钙形式存在，析出物红外光谱测试结果显示其基本不含有机物。

（3）引水高压支管排水廊道渗水的主要原因为高压岔管衬砌开裂，输水系统的高压内水外渗，并经高压岔管围岩内的渗流通道流出，而所在区域赋存地下水对渗流地下水贡献较少。

（4）上水库库水Ca含量均值仅为3.52 mg/L，围岩中CaO 仅占0.94%，且析出物中不含围岩主要成分，故析出物物质并不来源于库水和围岩。排水廊道析出物的物质来源主要为后期工程施工物，包括高压岔管混凝土衬砌、固结灌浆、回填灌浆等。

（5）上水库库水为软水，具有中等溶出性侵蚀性，上库来水进入引水系统后，经开裂的混凝土衬砌进入围岩中连通裂隙，使灌浆工程中水化产物Ca（OH）2不断溶解运移，同时高水头作用及侵蚀性CO2加速了此过程的进行，产生压力溶蚀作用。渗水在高压支管排水廊道排渗水处排出后与空气中CO2反应使Ca质以CaCO3形式沉淀。

（6）防渗帷幕后排水强碱性化、围岩渗透压力小、量水堰排水量小等渗流宏观特征表明目前高压岔管防渗帷幕性态良好，同时室内红外光谱检测析出物，未发现化学灌浆的相关有机物，进一步确认了廊道析出物主要来源于高压水道钢筋混凝土衬砌、高压岔管回填灌浆、固结灌浆，析出物的析出对防渗帷幕性能影响较小。

5 结语

（1）目前引水高压支管首部渗压计监测表明，外水压力与混凝土衬砌段内水基本一致，原因可能是4 条高压支管钢衬起点在平面上依次相差约8 m、呈台阶布置，且距钢衬起点3～15 m范围内发育f42断层，固结灌浆及帷幕灌浆未能有效阻隔混凝土衬砌段内水导致。该部位钢管壁厚30 mm，加劲环环高0.20 m，厚22 mm，加劲环间距1.5 m，钢衬原设计外水压力取值1.97 MPa，实际加劲环间管壁抗外压稳定临界压力计算值为5.44 MPa，高于最大静水压力5.23 MPa，因此该部位外水压力偏高理论上不会影响管壁抗外压安全，但引水系统放空时要控制速率。

（2）3 号高压支管Pzg2（3）0+897-1～6 渗压计及4号钢支管Pzg2（4）0+865-1渗压计渗压偏大，可能与f44断层在该部位出露有关，目前钢衬尾部渗压降低，厂房上游边墙、钢管外排水管、A1～A3廊道、B2廊道及厂房中层、下层排水廊道监测渗水量小，渗压增大不影响厂房运行安全，后续继续关注该部位渗压计变化情况。

（3）引水高压支管排水廊道渗水量小，但自投运后B1 排水廊道析出物较严重，原因可能与实际施工中A2廊道延伸段（位于两条隧洞上方约40 m，长约100 m，帷幕灌浆后期封堵）在运行中受混凝土衬砌高内水渗透影响有关。原封堵混凝土、灌浆材料沿A2 延伸段析出，现场B1 廊道与A2 交界处析出物最为突出。另外，4 条高压钢支管钢衬起点未垂直水流方向、呈台阶状布置，且首部发育f42，灌浆材料也可能在高内水压力下析出。现场检查发现，B1 廊道因承受高内水有析钙现象，而位于支管上方的PD03探洞，运行以来洞壁无明显析钙情况，说明原山体围岩析出物不明显。经专项分析，析出物主要为后期高压岔管混凝土衬砌、帷幕灌浆、固结灌浆、回填灌浆等。综合分析，析出物主要为碳酸钙，来源主要为该部位混凝土衬砌和灌浆材料。目前监测及分析表明，引水高压支管排水廊道析出物的析出目前对防渗帷幕性能影响较小，渗流处于安全状态，后续需关注混凝土及灌浆材料的耐久性。

（4）综合监测、检查及检测成果表明，引水高压支管渗流运行性态总体正常。