于生波

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021）

蒲石河抽水蓄能電站地下廠房洞室排水設(shè)計

于生波

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林 長春 130021）

文章介紹了蒲石河抽水蓄能電站地下廠房排水方案的確定過程及方法，闡述了地下洞室滲漏水量的計算方法及機械排水泵容量的選擇，探討了地下洞室滲漏排水設(shè)計研究的基本思路。實踐證明蒲石河地下廠房洞室群滲漏水量估算與實際基本相符，排水措施選擇是合理的。

抽水蓄能電站；地下廠房；排水方案；滲漏水量

蒲石河抽水蓄能電站，位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，距丹東市約 60km，該電站是我國東北在建中的第一座大型純抽水蓄能電站，總裝機容量為 1200MW，單機容量為 300MW，共 4 臺機組。

廠房洞室系統(tǒng)是一組空間立體交叉的地下洞室群，以廠房、主變室及尾閘室為核心。三大洞室從上游向下游依次平行布置，廠房與主變室間巖體厚度為 29．8m，主變室與尾閘室間巖體厚度為 19．9 m。三個洞室的縱軸線方位均為 NW279°50’19”。

1 洞室群圍巖狀況

蒲石河抽水蓄能電站廠房樞紐區(qū)基巖主要為混合花崗巖，局部穿插有閃長玢巖巖脈。巖石新鮮、堅硬，上覆巖體較厚。雖有 40 余條斷層破碎帶分布，但寬度較小，傾角較陡，多分布于廠房樞紐區(qū)的東西兩側(cè)，走向多與廠軸交角較大。巖石節(jié)理一般不發(fā)育，多以陡傾角為主，其主要節(jié)理走向與廠軸交角亦較大，多呈微張或鈣質(zhì)膠結(jié)。

從整體看，廠房樞紐地段巖體尚完整，以塊狀砌體結(jié)構(gòu)為主，該區(qū)巖體地應(yīng)力屬中等狀態(tài)，且其最大水平主應(yīng)力方向與廠軸近平行，廠房樞紐地段多以Ⅱ類圍巖為主，約占 80%左右，Ⅲ類圍巖約占 20%。Ⅱ類圍巖的縱波速多為 4000～5000m/s，其中個別地段達(dá)到 Vp=5500～5900m/s，Ⅲ類圍巖縱波速多為 3250～4000m/s。

廠房區(qū)地下水主要為賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶內(nèi)的裂隙水。地下水位埋深約 40～55m，高出廠房頂拱約 190～195m。據(jù)鉆孔壓水試驗資料，廠房區(qū)巖石透水性微弱，其透水率多小于 0．01l/ (min．m．m)。僅在廠房樞紐區(qū)西半部沿 f14斷層破碎帶 、J60、J73號 節(jié)理 和上 游支 洞 F14，f24斷 層破 碎帶 及δπ-13巖脈滲水量較大，約 10～24L/min。

2 地下洞室群圍巖滲漏水量研究

國內(nèi)外大型地下洞室群，如大朝山、小灣、二灘、百色、三板溪、水布埡、天生橋等，均做了較深入的以滲流有限元方法為主的數(shù)值計算。針對蒲石河工程，地下洞室圍巖滲漏水量研究采用“大井法”和三維數(shù)值計算相結(jié)合的方式。

2．1 “大井法”計算

地下水滲漏量估算采用“大井法”，利用潛水裘布依公式進(jìn)行估算。

式中：Q——洞室滲水量，m3/d；K——含水層滲透系數(shù)，m/d)；H——含水層厚度 m，取 235m；S——水位降深 m，取 235m；R——影響半徑 m，取 150 m；χ0——基坑假定半徑 m，取 χ0=50．65m。

巖體滲透系數(shù)∶采用鉆孔壓水試驗結(jié)果進(jìn)行換算，換算公式采用《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》附錄C 之霍斯列夫公式，即：

式中：K——巖體滲透系數(shù)，m/d；Q——壓水試驗流量，m3/d；H——壓水試驗水頭，m；L——試驗段長度，m；γ0——試驗孔半徑，m。

計算 Κ 按平均值取 0.0375m/d，估算地下滲水量為 Q=250m3/h（即 6000m3/d）。

2.2 三維滲流數(shù)值計算

各向異性、非均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，服從達(dá)西定律的穩(wěn)定滲流問題：

式中：H——水頭函數(shù)；kx、ky、kz——x、y、z 主方向的滲透系數(shù)，坐標(biāo)軸方向與滲透主方向一致；Ω——滲流區(qū)域；S1——已知水頭值的邊界曲面；S2——給定流量邊界曲面；S3——浸潤面；S4——逸出段；q——邊界上的單位面積流量，q=0 表示為無流量交換邊界；n——邊界的外法線方向。

根據(jù)變分原理，上述定解問題的求解等價于求下列函數(shù)的極值問題。即：

把所研究區(qū)域進(jìn)行離散化，建立插值函數(shù)，采用多種類型的等參數(shù)單元，最后形成求解各節(jié)點水頭值的線性代數(shù)方程組，對于n個未知水頭節(jié)點共有 n個方程，用矩陣表示為：

［K］｛H｝＝｛F｝

其 中，｛H｝為 未 知水 頭節(jié) 點的 列向 量 ，［K］為 滲透矩陣，｛F｝為右端項。

利用上述滲流計算原理及方法，對所研究的滲流區(qū)域進(jìn)行滲流數(shù)值模擬研究。根據(jù)蒲石河電站工程樞紐的地形、地質(zhì)、水文、氣象等實際情況，建立兩個三維有限元計算分析的滲流模型，一個是可以模擬從上庫進(jìn)出水口到下庫進(jìn)出水口整個地下洞室群大范圍的完整滲流場模型 （“大模型”），另一個是可詳細(xì)模擬地下廠房系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和滲控工程措施的地下洞室群的精細(xì)模型（“小模型”），同時建立兩類模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系。大模型主要用于進(jìn)行地下廠房區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的反演，并為小模型各方案的計算提供較為合理的邊界條件；小模型上下游邊界取廠房上游邊墻到尾閘室下游邊墻距離的5倍左右；豎直方向上部取到地下水面，下部和兩側(cè)邊界基本與大模型一致，主要用于進(jìn)行地下群的滲流場計算分析。

地下洞室群的三維滲流有限元計算分析的計算結(jié)果見表 1，在地下洞室群的上方地下水面形成一個漏斗狀低凹區(qū)，低凹區(qū)接近洞室頂拱，最底部僅離地下主廠房洞室頂拱 24m；在施工開挖后流入地下洞室群的總滲漏量 2831m3/d，蓄水后總滲漏量為 2899m3/d。

表1 地下水位及洞室總滲流量表

由于三維滲流計算模型選取主要是針對地下洞室群集中區(qū)域，廠房交通洞、通風(fēng)洞、排風(fēng)豎井及施工支洞等并未計入在內(nèi)，因此經(jīng)綜合分析，整個地下洞室群蓄水后總滲漏量約為 3400~3800m3/d。

2.3 滲漏水量分析

從上述兩種滲漏水量估算成果上分析，“大井法”估算地下滲水量為 Q=250m3/h（即 6000m3/d），三維滲流計算地下廠房滲漏量大致 3400～3800 m3/d，比大井法估算成果明顯要小。因為三維滲流模型的選取、地質(zhì)條件的模擬等要比“大井法”精確得多，因此推薦采用三維滲流計算成果作為地下洞室排水量的設(shè)計依據(jù)，即 Q=160m3/h（即 3840 m3/d）。

3 排水方案設(shè)計

3.1 排水方案選擇

地下洞室排水一般采用自流排水或機械抽排，有條件的優(yōu)先選用自流排水，可以節(jié)省運行費用。蒲石河地下洞室群埋深約 300m，距下水庫大壩直線距離約 3km，下水庫死水位為 62m，而廠房頂拱開挖高程為 38.6m，地下洞室群不具備自流排水條件，滲漏和檢修排水采用機械抽排的方式。

機械抽排有兩種方案：方案1為泵排至尾水調(diào)壓井和下水庫；方案 2 為泵排至地質(zhì)探洞，通過地質(zhì)探洞排至山體外沖溝內(nèi)。方案2泵排至地質(zhì)探洞時排水出口處理困難，對探洞出口水土保持及環(huán)境保護(hù)不利，經(jīng)綜合分析，推薦采用方案 1。

3.2 排水容量及排水泵選擇

1）滲漏排水。廠房滲漏排水系統(tǒng)主要任務(wù)為排出地下廠房洞室滲漏水、進(jìn)水閥漏水、機組主軸密封排水、頂蓋排水、固定導(dǎo)葉排水、機坑排水、充氣壓水排水、主變壓器空載冷卻排水、部分輔助設(shè)備冷卻排水、變頻裝置冷卻排水和廠內(nèi)設(shè)備檢修沖洗排水等。地下洞室群蓄水后圍巖總滲漏量為160m3/h（3840m3/d），機電設(shè)備滲漏量估算成果約為 100m3/h（2400m3/d）。所以，地下洞室總滲漏量為 260m3/h（即 6240m3/d）。

本著確保安全原則，為保證地下廠房不被水淹，全廠共設(shè) 6 臺潛水電泵，排水泵選用德國威樂公司生產(chǎn)的 KM1300-2+NU122-2/65 型深井潛水泵，其主要參數(shù)為：Q=240m3/h～480m3/h～600 m3/h，H=115m～94m～75m，N=175kW。其中 2臺備用，4 臺工作，抽排水容量遠(yuǎn)大于滲漏量，可滿足滲漏排水要求。

2）檢修排水。機組檢修排水系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)機組檢修時，排除機組進(jìn)水球閥和尾水事故閘門之間流道中的積水，同時兼?zhèn)湟矶椿蛭菜矶礄z修時，排除引水隧洞或尾水隧洞內(nèi)積水的功能。

機組檢修排水量約為 2000m3，排水時間約為2h；引水隧洞/球閥檢修排水量約為 22000m3，排水時間約為 24h；尾水隧洞檢修排水量約為 175500 m3，排水時間約為 200h。所以檢修排水最大排水量約為 1000m3/h。

機組檢修全廠共設(shè) 4臺泵，排水泵選用 DFSS100-310（I）A/2 型臥式雙吸離心泵，其主要參數(shù)為：Q=100 m3/h ～315m3/h ～370m3/h，H=110m ～90m ～77.3 m，N=110kW。排水能力滿足檢修要求。

3.3 排水設(shè)計

1）滲漏排水。廠房滲漏排水系統(tǒng)采用集水井排水方式。借鑒其它工程地下洞室排水設(shè)計經(jīng)驗，排水系統(tǒng)分為外圍排水及內(nèi)部排水兩套滲漏排水體系，兩套排水系統(tǒng)最終均匯至廠房滲漏集水井。外圍排水體系為：廠房洞室及主變洞室周邊布置排水廊道及截排水帷幕，外圍形成一個封閉的、互相貫通的排水體系，將大部分地下滲漏水被攔截在主體洞室外圍；內(nèi)部排水體系為：開挖圍巖巖壁設(shè)置軟式透水管組成的排水網(wǎng)，將少量透過外圍排水體系的滲漏水引至排水溝或廠房集水井內(nèi)；本著從高到低的原則，逐層設(shè)置排水溝或排水管、地漏，將少量滲漏水及設(shè)備滲漏水引至廠房集水井內(nèi)。

全廠設(shè)2個滲漏集水井，中間用排水廊道連通，每個滲漏集水井有效容積為 112.5m3，排水廊道容積約為 1100m3。每個集水井配 3 臺潛水泵，2臺工作，1臺備用。滲漏排水通過排水總管排至尾水調(diào)壓井，尾水隧洞檢修時，通過全廠公用技術(shù)供水總管排至下水庫。

2）檢修排水。機組檢修排水系統(tǒng)采用直接排水方式。機組檢修排水全廠分為兩個單元，每兩臺機組為一個單元，兩個單元互相聯(lián)絡(luò)，每個單元設(shè)兩臺檢修排水泵。

機組檢修時，關(guān)閉球閥和尾水事故閘門，流道中的積水經(jīng)檢修排水泵排至尾水調(diào)壓井；引水隧洞/球閥檢修排水時，先將引水隧洞上庫進(jìn)/出水口檢修閘門關(guān)閉，利用自流排水將隧洞中水位降至下水庫水位，再將需檢修機組的尾水事故閘門關(guān)閉，同時關(guān)閉同一引水系統(tǒng)另一臺機組的球閥，啟動檢修排水泵進(jìn)行排水，積水經(jīng)檢修排水泵排至尾水調(diào)壓井；尾水隧洞檢修排水時，將四臺機組的球閥和下水庫進(jìn)出水口檢修閘門關(guān)閉，流道中的積水經(jīng)檢修排水泵排至下水庫。

4 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站投入運行已經(jīng)近3年的時間，通過廠房監(jiān)測資料顯示，地下廠房總滲漏量小于廠房設(shè)計估算的總滲漏水量，集水井及排水泵均運行正常，目前廠房洞室內(nèi)無積水，實踐證明排水措施設(shè)置合理，排水效果良好，排水系統(tǒng)運行安全有效。

［1］向升．二灘水電站廠內(nèi)排水系統(tǒng)的設(shè)計［J］．四川水力發(fā)電，2000（4）.

［2］黃立財，廖建強等．惠州抽水蓄能電站地下廠房排水方案論證［J］．水利規(guī)劃與設(shè)計，2004（4）.

［3］許孝臣，盛金昌等．地下廠房洞室群排水系統(tǒng)滲流量的粗略估算方法［J］．水利水電科技進(jìn)展，2008（4）.

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2013-10-24