宁海抽水蓄能电站地下厂房排水洞设计优化与安全性评价

熊平华，杨经卿

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

浙江宁海抽水蓄能电站位于浙江宁海县城东北面的茶山林场，距宁海县城约19km，属沿海区丘陵地带。电站总装机容量为1400MW（4×350MW），采用两洞四机、发电厂房位于输水系统中部的布置方案，引水线路长约930m。地下厂房系统深埋于山体之中，机组安装高程为▽35.00m，发电机层高程为▽51.20m，尾水管底高程为▽23.00m，远低于下水库死水位▽110.00m，仅略高于6km外的沿海平均海面高程（约▽18.0m），不具备完全自流排水的地形条件。可研设计阶段，根据厂区布置特点和工程经验[1-6]，确定地下厂房的渗漏排水、检修排水及事故排水均采用抽排方案，即厂内外渗水通过排水沟及排水廊道汇流至布置在尾闸洞内的渗漏集水井，再利用渗漏排水泵抽排至厂房排水洞，最终自流出厂外，机组检修排水同样利用检修排水泵抽排至厂房排水洞排出厂外。厂房排水洞出口位于下水库坝下导流泄放洞出口下游，考虑导流泄放洞泄洪影响，出口高程确定为▽50.00m，进口考虑排水坡度，布置在上层排水廊道处，进口高程确定为▽67.5m。厂房排水洞洞线长2542m，综合坡比6.88‰。

2017年7月，宁海抽水蓄能电站招标设计专题报告审查会议认为厂房排水洞布置在厂房洞拱肩高程，对防水淹厂房作用不大，建议对厂房排水方案进行设计优化。

1 地下厂房排水方案设计优化

地下厂房排水设计的关键是寻找合适的厂房排水洞下游出口及洞线布置方案。该工程尾水管底高程为23.0m，而工程区至海岸线沿线最低高程约为20m，不具备完全自流排水条件。根据工程区周边地形勘查结果，涨坑村村址沿涨坑溪一带为本区域最低地势，地面高程约30～40m，处于平地与山地的过渡带，具备布置洞口的地形条件，以此进行厂房排水洞洞线初步布置。

1.1 厂房排水洞出洞口高程

厂房排水洞的洪水设计标准与厂房相同，为200年一遇洪水（P=0.5%）设计，1000年一遇洪水（P=0.1%）校核[7]。对厂房排水洞出洞口剖面进行了水文复核，并考虑了涨坑沟和坦坑沟交叉口滩地的施工场平堆渣的影响，复核结论洞口P=0.1%洪水位为▽41.9m，P=0.5%洪水位为▽40.0m。考虑电站运行后的巡视及检修条件、场地现高程（约▽40m），确定厂房排水洞出洞口高程为▽40m。

1.2 厂房排水洞进口（与集水井交叉口）高程

厂房排水洞进口的高程主要取决于下列因素：

（1）不允许厂房排水洞洪水倒灌，满足厂房防洪要求，即高程须大于▽41.9m并尽可能高。

（2）考虑水淹厂房事故排水尽可能自流，局部水淹厂房情况下尽可能减小损失，即进洞口高程须尽可能低。

（3）考虑厂房排水洞自身的排水坡度，为尽可能增大厂房排水洞的排水能力，排水坡度尽可能大。

厂房内的主要电气设备基本位于母线层以上，为尽量减小水淹厂房事故损失，确定厂房排水洞进口高程为▽44m，稍低于主厂房母线层高程▽45m。即厂房排水洞的设置能最大程度保证母线层以上设备安全。

1.3 厂房排水洞优化方案布置

根据上述设计成果，对厂房排水洞洞线进行详细布置[8]，厂房排水洞穿过下水库库尾并主要布置在右岸山体内，见图1。

图1 厂房排水洞布置设计方案Figure1 Layout design scheme of powerhouse drainage tunnel

优化布置后厂房排水洞全长2550m，综合坡比1.57‰。

2 厂房排水洞方案安全性评价

与可研方案相比，本优化方案厂房排水洞洞线长度基本不变，工程投资基本不变，但在以下方面优势明显：

（1）厂房排水洞进口高程从▽67.5m（厂房洞室拱肩高程）降至母线层以下，在防水淹厂房方面的作用更显著。

对电站进行水淹厂房事故推演受事故性质及严重程度、电站调度和应急响应速度、闸阀关闭耗时等因素影响[9～11]，具备较大的不确定性。本文不在此做深入细致计算，仅简要进行两方面分析：

1）假定压力钢管排水管（DN200）破裂，此时进入厂房的漏水流量为2.323 m3/s，上水库进出水口闸门关闭时间按30min计，闸门关闭前进入厂房的水量为4181.4m3。

经统计，宁海抽水蓄能电站厂房洞室内母线层以下空腔体积约为32000m3，下层排水廊道及施工支洞体积约为11300m3，集水井容积为4600m3，即母线层以下总空腔容积为47900m3。单条引水隧洞管内水量约为28000m3。即厂房内空腔容积大于进入厂房的总水量，厂房内水位不会上升到母线层。集水井深井泵可以正常工作，直至排空厂房内积水。

2）若考虑包括上游侧压力管道破裂、水轮机顶盖破裂等极端的情况，引起输水管道内水泄漏，因水头高、流量大，按单台水轮机额定流量87.6 m3/s计，地下厂房将在10min左右淹没至母线层。之后厂房排水洞开始自流排水，但其排水能力有限，当水面上升到发电机层▽51.2m时，厂房排水洞的泄流能力约15m3/s，在上水库进出水口闸门关闭前，厂房将很快被全部淹没。此时厂房排水洞的作用是可以持续自流排水，在闸门关闭后较快地将洞内水位排至母线层以下，给事故后处理创造有利条件。

（2）渗漏排水泵及检修排水泵扬程减小了23.5m。参照国内类似工程围岩渗水、机组密封渗漏等数据，渗漏排水量按中位数300m3/h考虑。机组每年检修一次，每台机组总排水量约为2800 m3，即每年的排水总量约为264万m3，每年至少能节省电能20万kWh（参考浙江省2020年煤电基准价0.4153元/kWh计，每年能节省电费8.3万元），即长期运行抽排水费用较低。

受地形地质条件限制，本优化方案仍存在一定的不利条件：

（1）洞室排水坡度较缓，仅为1.57‰，排水能力受限，对排水洞施工质量及施工控制精度要求较高。

（2）出洞口高程为▽40m，极端条件下出洞口会局部受淹，但出口洞段仍为明流状态，不影响电站正常抽排水运行。

（3）排水洞洞线穿过下水库库尾，存在一定的渗漏风险，但考虑到洞室上部仍有约90m的岩层厚度，从地勘成果推测排水洞洞身基本位于新鲜岩体内，渗漏风险不大。同时设计上也可通过防渗处理等施工措施来降低风险。

总体而言，本优化方案工程投资基本不变，长期运行费用较省，对防水淹厂房作用也更为显著，所存在的不利条件均不影响正常运行，综合认为优化方案可行。

3 厂房排水洞相关细部设计

为保证厂房排水洞运行安全可靠，对厂房排水洞的边界条件进行细部设计。

3.1 厂房排水洞挡坎

因厂房排水洞总体排水坡度较缓，为保证集水井正常抽排水情况下不发生因洞内水位雍高而倒流，须在厂房排水洞内设置挡水坎防止回水。

厂房排水洞开挖断面考虑施工条件确定为3m×3m（城门洞型），其过流能力按明渠均匀流进行计算复核。

厂房排水洞边墙为喷锚支护，底板设混凝土路面，其综合糙率按式（1）[12]进行计算。

式中：n综——渠道的综合糙率；

X1，X2，…，Xm——相应于n1，n2，…，nm的湿周，m。

考虑厂房渗漏排水系统、检修排水系统同时启用的情况下，排水流量为2550m3/h，合0.71m3/s，经试算，厂房排水洞全洞明流淹没水深约0.35m，再考虑一定的水面波动，取挡坎顶高程为▽44.5m（水淹厂房事故后自流排水高程），见图2和图3。

图2 厂房排水洞挡坎设置（单位：m）Figure2 Design of retaining wall for powerhouse drainage tunnel（unit：m）

图3 中层排水廊道与厂房排水洞交叉口布置（单位：m）Figure3 Layout of intersection between middle drainage gallery and powerhouse drainage tunnel（unit：m）

3.2 中层排水廊道布置优化

为匹配厂房排水洞进口高程（▽44m），对中层排水廊道布置进行相应调整，使中层排水廊道与厂房排水洞平面上交叉，便于开挖施工。同时以中层排水廊道与厂房排水洞交叉点为中层排水廊道最低点，便于中层排水廊道以上渗水实现自流排水。

3.3 集水井排水泵安装高程调整

为保证在局部水淹厂房情况下集水井内渗漏排水泵能正常工作，匹配并适当高于厂房排水洞出口高程，将渗漏排水泵安装高程抬高至▽45.5m。

3.4 集水井设置溢流孔

集水井作为厂房渗漏水的中继站，为保证水淹厂房等特殊情况下能自流排水，在集水井与厂房排水洞交叉口设置溢流孔（见图4）。同时电站正常运行抽排水过程中少量翻过厂房排水洞挡坎的溅水也可通过该溢流孔返流至集水井内，不致积水。

图4 集水井设置溢流孔（单位：m）Figure 4 Overflow hole setting in water collecting well（unit：m）

4 结束语

（1）地下厂房排水洞的设计应结合工程实际，从安全性、经济性、技术性等方面综合考虑，以自流排水洞为优先，不具备条件的，可退而求其次的选择进口高程尽量低的半自流排水方案。要充分发挥其在防水淹厂房方面的作用，同时也要防水流倒灌，通过技术经济比选确定最优的设计方案。

（2）厂房排水洞的设计还要与周边因素如排水廊道等进行综合考虑，通过合理设置排水坡度，尽量使厂房排水洞高程位于区域最低，便于在发生极端情况时能顺畅排水。

（3）厂房排水洞的设计应对其洞口高程、正常排水时的排水能力、非常时期的排水路径与配套措施等进行复核和关联设计，周密考虑，形成系统。

（4）宁海抽水蓄能电站厂房排水洞经优化设计后能显著提高电站防水淹厂房方面的安全性，即使极端情况下发生了水淹厂房也能在后期抢险方面提供极大的便利性，同时也降低了运行费用。优化设计方案在安全性和经济性方面都得到了提高。