洪屏抽水蓄能電站地下廠房排水系統設計探索

王紅濤，朱安龍，彭 強

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

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洪屏抽水蓄能電站地下廠房排水系統設計探索

王紅濤，朱安龍，彭 強

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

洪屏抽水蓄能電站地下廠房水文地質條件復雜，地下水活動強烈。在設計階段，對地下廠房進行了地下水示蹤試驗，并對地下廠房滲水量進行了解析法與數值法的對比分析，為地下廠房排水系統設計提供了依據，最終確定排水系統為5層排水廊道為主，經實踐結果表明，該排水系統設計方案合理有效。

地下廠房；排水系統；滲水量預測；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內，電站裝機容量1 200 MW，為一等大(1)型工程。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面開關站和中控樓組成。地下廠房系統主要由主副廠房洞、主變洞、尾閘洞、母線洞、進廠交通洞、通風兼安全洞、出線洞、排水廊道等組成，與施工支洞、輸水系統一起，構成一個巨大而復雜的地下洞室群。

洪屏抽蓄電站地下廠房排水系統主要由抽排系統、排水廊道和排水孔組成。地下廠房滲水來源主要有山體地下水、上/下水庫滲漏水、輸水系統滲漏水等，排水系統具有截斷外圍來水、降低圍巖滲壓、減少洞室巖壁滲水、改善地下廠房運行環境等功能。

洪屏抽蓄電站于2010年6月開工，目前地下廠房正在進行機電安裝，預計2016年投產發電。

2 地下廠房水文地質條件

洪屏抽水蓄能電站地下廠房位于輸水系統中部，上水庫主溝從地下廠房南側約80 m經過。為查明地下廠房工程地質條件，從下水庫岸邊設置一條勘探平洞PDX4，洞身長1 403 m，在洞深約1 060 m處設置地下廠房勘探支洞PDX4- 1，位于地下廠房正上方約50 m處，在洞深1 270 m處設置岔管勘探支洞PDX4- 2。

地下廠房深埋于地下，軸線方向N47.5°W，上覆巖體厚度為260～370 m。地下廠房洞室群地段圍巖為淺紫紅色變質含礫中粗砂巖，巖石致密堅硬，巖體呈中厚層狀結構，巖性本身含水、透水性差。廠房地段以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，約占93.5%，斷層及其影響帶范圍為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，占6.5%。廠房區域主要發育9條斷層及5組節理，其中f170、f171直接從廠房穿過，斷層及節理走向以NE～NNE向構為主，其中發育2組NNW向節理。

據勘探洞PDX4、PDX4- 1及探洞內鉆孔揭露表明，探洞共有30余斷層或節理發育處出現滴水、線狀流水、小股流水現象，其中PDX4- 2支洞出現滲水，經2005年6月3日～2007年6月23日觀測，探洞總滲流量穩定在1 767～2 556 m3/d之間。

廠區地下水以裂隙性為主，巖體富水及斷層裂隙透水性強，尤其是NE～NEE向和NNW向兩組構造，向上游延展至上水庫，連通性好，控制著地下廠房區地下水運動。地下廠房區地下水的補給來源有三方面：一是直接大氣降雨補給，二是NNE、NNW向斷層的側向徑流補給，三是上水庫和下水庫滲漏補給。

為了驗證上水庫及廠房南側主溝與地下廠房是否存在水力聯系，現場進行了示蹤試驗，示蹤試驗結果表明，上水庫、上水庫主溝存在向勘探平洞PDX4及其支洞PDX4- 1、PDX4- 2滲漏的貫通性斷裂或斷裂網絡，因此存在上水庫向地下廠房滲漏的可能。斷裂或斷裂網絡滲透性都較大，滲透系數數量級在10-3～10-4m/s，地下廠房地下水活動強烈，水文地質條件非常復雜，在施工期和運行期將可能產生滲水，地下水將成為影響地下施工開挖、工程運行效益和地下洞室圍巖穩定性的主要因素，這對地下廠房的排水設施的設計提出了非常高的要求。

3 地下廠房滲水量研究

為了確保地下廠房施工期和運行期的安全，降低地下水滲透對地下廠房的影響，有必要研究分析天然條件下、施工期和運行期地下廠房滲水量，從而為地下廠房區排水方案設計提供可靠的水文地質依據。為了計算地下廠房區的滲水量，分別采用解析法及數值法進行地下廠房滲水量預測。

3.1 解析法預測地下廠房滲水量

首先對計算區域的降雨、徑流及蒸發資料進行整理分析，計算有效降雨入滲補給系數，采用水位恢復試驗及壓水試驗求得巖體滲透系數。

為驗證計算參數及計算方法的合理性，采用水均衡法、狹長坑道法等解析法對勘探平洞PDX4滲水量進行反演分析，計算成果見表1。

表1 勘探平洞PDX4滲水量預測 m3/d

表1預測成果表明，兩種計算結果均在實測結果的范圍之內，水均衡法計算的結果比狹長坑道法小，水均衡法預測值接近實測值下限，狹長坑道法預測值接近實測值上限，這說明采用解析法預測滲水量是可行的，實際的地下廠房區滲水量應在這兩種方法預測值范圍之間。

計算地下廠房施工期滲水量，計算區域選取地下廠房主要洞室群覆蓋區域，平面尺寸為180 m×150 m。預測成果見表2，地下廠房施工期滲水量在5 056～6 940 m3/d之間。

表2 解析法對地下廠房施工期滲水量預測成果 m3/d

3.2 數值法預測地下廠房滲水量

數值法計算區域包括地下廠房和上水庫及上水庫主溝區域，計算時主要考慮影響地下廠房排水量的主要因素：上水庫是天然條件下還是蓄水條件下、上庫是否有帷幕、地下廠房有無開挖、地下廠房排水廊道設置情況、高壓岔管有無帷幕后和排水等。經計算，各種情況下地下廠房滲水量相差不大，計算成果見表3。

表3 數值法對地下廠房滲水量預測成果 m3/d

注：運行期極限工況為考慮輸水隧洞發生水力劈裂的情況。

3.3 地下廠房滲水量的確定

根據表2、表3預測成果，施工期數值法地下廠房滲水量預測成果為7 083 m3/d，與解析法中的狹長坑道法6 940 m3/d基本一致，根據以上分析，狹長坑道法預測成果基本為滲水量的上限，故確定施工期地下廠房滲水量為7 000 m3/d。

運行期地下廠房滲水量在6 252～8 400 m3/d，考慮引水系統采用全鋼襯，極限工況發生概率極小，運行期地下廠房滲水量在正常工況計算成果上，考慮一定的裕度，確定為7 400 m3/d。

地下廠房滲水量的確定，為地下廠房抽排系統及設備、排水系統的設計提供了依據。

4 地下廠房排水系統設計

4.1 地下廠房排水方案的確定

洪屏抽水蓄能電站地下廠房位于輸水系統的中部，距離下庫進出水口1.2 km，深埋于地下，下水庫上下游沿線地形均高于地下廠房高程，故地下廠房滲水不具備自流排水的條件，需要采取抽排的方式排出地下水。

一般抽水蓄能電站地下廠房排水系統通常設置3層排水廊道，洪屏抽蓄電站廠房區地質構造連通性較好，地下水活動強烈，水文地質條件復雜，施工期與運行期滲水量大。為保證地下廠房安全及運行環境，考慮到地下廠房滲水主要來自于上游高處，排水設計時遵循“高水高排，低水低排”的原則，在常規3層排水廊道的基礎上，增設頂層與高層排水廊道，最終確定了在地下廠房周側設置5層排水廊道排水設計方案，排水廊道之間設置封閉排水幕，將圍巖滲水嚴密隔絕在地下廠房之外。地下廠房排水廊道系統如圖1所示。

圖1 地下廠房排水廊道系統剖面

4.2 高層、頂層排水廊道

為了攔截高處的地下滲水，使地下廠房施工時處于相對干燥的環境，同時減少地下廠房滲漏水量，降低地下水抽排系統的壓力，洪屏抽水蓄能電站地下廠房利用已有勘探平洞PDX4及廠房勘探支洞PDX4- 1，在勘探支洞PDX4- 1上下游各設置一條排水廊道形成高層排水廊道系統，排水廊道之間設置“人”字形排水幕，將廠房頂部滲水攔截，并沿PDX4勘探平洞自流排出。

頂層排水廊道位于高層排水廊道下方約30 m處，在廠房上游側設置1條排水廊道，并在廠房左右端彎折一段穿過主廠房范圍。頂層排水廊道向上設置排水幕與高層排水廊道連接，排除地下廠房與高層排水廊道之間的滲水，為避免高層廊道滲水流入頂層廊道，頂層廊道向上排水孔不與高層廊道連通。在施工期，頂層廊道滲水抽至高層廊道，通過PDX4勘探平洞排出。在運行期，頂層廊道滲水通過向下的排水幕，匯入上層廊道，最終匯入地下廠房集水井，抽排出廠房。

為保證高層、頂層排水廊道在地下廠房開挖前形成，將這兩層排水廊道列入籌建期施工。電站地下廠房已于2011年底開始開挖，2013年9月開挖完成，開挖過程中，高層及頂層排水廊道攔截了絕大多數的滲水，地下廠房圍巖滲水量很少，僅有局部邊墻潮濕。這表明，地下廠房高層、頂層排水廊道的設計方案十分有效。

4.3 上層、中層、下層排水廊道

上層排水廊道位于主廠房頂拱部位，沿廠房上下游側設置2條排水廊道，并與廠房左右側2條排水廊道連接，在主廠房、主變洞、尾閘洞周側形成環向排水廊道系統。為了防止滲水穿過高層、頂層排水系統滲入廠房，在主廠房與主變洞、主變洞與尾閘洞之間另設置2條排水廊道，并與上下游排水廊道之間設置“人”字形排水幕，在廠房頂拱部位形成封閉截排水系統，在主要滲水通道上設置二道屏障。

中層排水廊道位于主廠房邊墻中部位置，在主廠房、主變洞、尾閘洞周側形成環向排水廊道系統，并設置向上排水幕與上層排水廊道連接。同時，中層排水廊道下游廊道設置向下帷幕，與尾閘洞下游尾水洞鋼襯末端灌漿帷幕連接，封閉下游滲水通道。

下層排水廊道位于主廠房底部，在主廠房、主變洞周圍形成封閉排水廊道系統，并設置向上排水幕與中層排水廊道連接。這樣，通過上、中、下三層排水廊道及排水幕系統，在地下廠房周圍形成完整的封閉的截排水系統，所有滲水均通過豎向排水幕匯入下層排水廊道，通過匯水廊道匯入地下廠房集水井。

4.4 抽排方案

除了地下滲水之外，廠房運行過程中經處理的廢水及機組檢修排水，最后都匯至集水井。由于下游地形高程均較高，不具備自流排水的條件，集水井匯水需要抽排出地下廠房，抽排高度大約112 m，水泵的選型及數量根據以上排水量及楊程確定。

一般排水路徑是設置排水豎井，抽至一定高度，再通過自流排水洞將水排出。由于本電站設置有尾水調壓井，且尾水調壓井距廠房較近，尾水調壓井的高度適中，滿足抽排高度的需要，其中1號尾水調壓井位于主廠房下游約140 m處，故設計采用排水總管經1號尾水隧洞埋設至1號尾水調壓井，沿1號尾水調壓井向上埋設至尾水調壓室上室，在尾調通氣洞露出，然后檢修及滲漏排水經尾調通氣洞自流至下水庫。該抽排水方案利用已有洞室，節省了土建工程量，降低了施工難度。

5 結 語

洪屏抽水蓄能電站地下廠房排水系統的設計遵循“高水高排，低水低排”的設計原則，綜合了地質勘探、示蹤試驗、滲流場分析、解析法與數值法的對比分析等多種方法，排水廊道結合利用既有勘探平洞，設置多道攔截水屏障，分期施工，有效的解決了施工期與運行期的滲排水問題。

目前，洪屏抽水蓄能電站主體工程已經施工完成，上下庫已經蓄水，1號水道系統正在進行充排水試驗，地下廠房正在進行機電設備的安裝。4年以來，地下廠房排水系統運行正常，經受住了工程開工以來的實踐檢驗，應能達到我們設計的預期目標。本文通過介紹本工程地下廠房排水系統的設計情況和方案，希望給類似工程設計提供有益的參考。

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(責任編輯 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

王紅濤(1980—)，男，河南長垣人，高級工程師，一級注冊結構工程師，一級注冊建造師(水利水電)，主要從事水工建筑物、大跨度洞室圍巖穩定、水電站廠房結構、邊坡防護等方面的設計與研究工作．

TV731.6

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0559- 9342(2016)08- 0038- 03