胡林江，馮樹榮，胡育林，郭冬云

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站(以下簡稱“溧陽電站”)位于江蘇省溧陽市境內，為一等大(1)型工程。工程樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及下水庫等4部分組成。地下廠房區(qū)山體雄厚，地形為一扇形山體。山體東南側及西北側有深切沖溝發(fā)育；地下廠房采用首部式布置，距上水庫左壩頭約500 m。

地下廠房內安裝6臺單機容量為250 MW的可逆式水泵水輪機組。地下廠房洞室群由主廠房、主變洞、母線洞、尾閘室、進廠交通洞、⑧施工支洞兼排風洞、自流排水洞和廠周排水廊道等洞室組成。地下廠房洞室垂直埋深230～260 m，洞室開挖尺寸為219.90 m×23.50 m×55.05 m(長×寬×高)。地下洞室群平面布置見圖1。

溧陽電站地質條件十分復雜，地下廠房洞室群圍巖主要為中～厚層巖屑石英砂巖夾少量泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。巖體斷裂構造十分發(fā)育。廠區(qū)斷層多，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，且部分斷層規(guī)模大，性狀差，其中規(guī)模最大的斷層為F10及③號巖脈。圍巖質量總體較差，巖體多屬于鑲嵌結構或鑲嵌碎裂結構，洞室圍巖以Ⅲ2～Ⅳ1類為主，部分為Ⅴ類；且地下水十分豐富，地下水對地下廠房洞室群施工期和運行期安全有至關重要的影響。根據工程自身特點，溧陽電站采取針對性的地下廠房洞室群防滲排水設計，有效降低了地下水對地下廠房洞室群的影響，取得了較好的效果。

圖1 地下廠房洞室群平面布置

2 水文地質條件

地下廠房區(qū)地下水主要是基巖裂隙水，地下水受大氣降水補給，以泉水形式向沖溝排泄。廠區(qū)主要洞室位于③號巖脈及F10斷層交匯帶以西，③號巖脈及F10斷層則屬于阻水體，廠區(qū)巖體則屬于統(tǒng)一的裂隙含水體，十分發(fā)育的節(jié)理裂隙及斷層組成了較好的儲水空間和透水網絡。鉆孔壓水試驗表明，廠區(qū)巖體主要以弱透水為主，72%的壓水試驗段透水率在1～10 Lu之間，18%的壓水試驗段透水率大于10 Lu，平洞開挖揭露表明大部分斷層尤其是NE及NNE走向的斷層屬于強透水的脈狀透水帶，沿斷層最大透水量達到300～500 m3/h。

3 防滲排水系統(tǒng)設計

3.1 上游防滲帷幕必要性分析

地下廠房洞室雖首部式布置，靠近上水庫，但上水庫采用了全庫盆防滲方案。即，上庫庫周及大壩面板均采取混凝土面板防護，庫底也采用土工膜防滲；因此上水庫庫盆滲水量較小。引水系統(tǒng)則采用全鋼襯方式。即，引水系統(tǒng)進水口至廠房上游墻全長均采用壓力鋼管，因此引水系統(tǒng)水道外滲的可能性降低。地下廠房洞室西北側F10斷層以及西南側③號巖脈近乎垂直的布置，對地下水起到阻隔作用。地下廠房洞室群主要受來自東北和東南向地下水的影響。雖在廠房上游側布置防滲帷幕，與F10斷層以及③號巖脈組成封閉的擋水體；但三維滲流計算分析顯示，未設置帷幕工況時，排水廊道的排水量為4 664.96 m3/d，地下廠房排水量為312.34 m3/d。而設置帷幕時，排水廊道的排水量為2 754.38 m3/d，地下廠房的排水量為335.54 m3/d?？梢姡∧豢梢源蟠鬁p小排水廊道的排水量，但無法減少地下廠房的排水量。由于引水系統(tǒng)采用全鋼襯結構，上游防滲帷幕的阻水作用對壓力鋼管不利。由此可見，地下廠房上游側設置防滲帷幕雖可較少排水廊道的排水量，但對廠房排水量影響不大，且對壓力鋼管不利；故，本工程未設置防滲帷幕系統(tǒng)。

3.2 防滲排水系統(tǒng)布置原則及總布置

由防滲帷幕設置的必要性分析可知，防滲排水系統(tǒng)在不設置防滲帷幕的情況下，主要以排水廊道及排水幕的“排”為主。根據溧陽電站地質及自身條件，為有效降低地下水位對地下廠房洞室施工期開挖的影響，廠周排水廊道的布置需充分結合廠房洞室的開挖分層和支護設計一起綜合考慮。

前期勘探平硐和進廠交通洞及施工支洞室開挖時，地下水水位隨廊道開挖降低較為明顯；從而提出了“排水先行”的原則。即，在地下廠房洞室各層開挖前，其地下水水位應降至掌子面高程以下。因此，地下廠房洞室從上至下一次布置4層排水廊道，頂層廊道高程布置在距離頂拱以上25 m位置，且主廠房、主變洞室頂拱以上分別布置2條縱向排水廊道?？v向排水廊道提前在廠房頂拱開挖前形成，利用廊道先行對主廠房和主變洞頂拱圍巖進行預固結灌漿、預應力錨索孔施工和監(jiān)測儀器的埋設；以為地下廠房洞室的開挖創(chuàng)造有利條件。第二、三、四層排水廊道布置除考慮有較好施工通道提前施工排水廊道外，還需兼顧廠房邊墻對穿錨索的布置。對穿錨索施工盡量在廊道內，不影響廠房施工。

為此，廠區(qū)防滲排水系統(tǒng)布置如下：在環(huán)繞地下廠房、主變洞和尾閘室周邊設置4層排水廊道，并在上下層排水廊道之間設置豎向排水幕，以降低廠房邊墻和頂拱的地下水位；在排水幕后廠房邊墻和頂拱設置短排水孔，將洞室周圍的滲水引排至排水廊道或廠房內，經自流至廠區(qū)集水井內抽排至廠頂自流排水洞內自流自流至廠外(見圖2)。

圖2 廠區(qū)排水系統(tǒng)剖面

3.3 廠外排水系統(tǒng)設計

環(huán)繞主廠房和主變洞外圍設置了4層排水廊道：

(1)頂層排水廊道包括外圍排水廊道和主廠房與主變洞頂拱排水廊道，高程8.000～10.330 m，坡度0.5%，廊道斷面為城門洞形，凈空尺寸2.5 m×3.0 m(寬×高)，根據施工需要局部加大至3.0 m×3.0 m，主廠房與主變洞頂拱排水廊道兼預灌漿和對穿預應力錨索的施工廊道，斷面凈空尺寸為3.0 m×3.5 m(寬×高)。該層排水廊道由⑧施工支洞樁號0+969.227 m引岔洞進入。頂層排水廊道在主廠房和主變洞上下游側均布設有斜向排水帷幕孔，兩端垂直向上設有排水帷幕孔，以排除主要洞室頂部滲漏水。該層排水廊道的滲漏水沿⑧施工支洞排水溝流入下層排水廊道。

(2)第二層排水廊道包括外圍排水廊道和主廠房與主變洞中間排水廊道，高程-27.500～-30.151 m，坡度0.5%左右，廊道斷面為城門洞形，凈空尺寸2.5 m×3.0 m(寬×高)，根據施工需要局部加大至3.0 m×3.0 m。該層排水廊道由⑧施工支洞樁號1+257.218 m引岔洞進入，排水廊道在安裝間位置和主變洞左端頭位置均設置了與下層連通的排水豎井，直徑1.5 m，該層廊道滲漏水沿排水豎井流入下層排水廊道。

(3)第三層排水廊道由主廠房上游側、主廠房和主變洞左側及尾閘室下游側排水廊道組成，高程-58.500～-49.830 m，最大縱坡6.21%，廊道斷面為城門洞形，凈空尺寸3.0 m×3.0 m(寬×高)。該層排水廊道由⑩施工支洞進入，廊道在安裝間位置和主變洞左端頭位置均設置與下層連通的的排水豎井，直徑1.5 m，滲漏水沿排水豎井流入下層排水廊道。

(4)第四排水廊道由主廠房和主變洞兩側及主廠房上游側排水廊道組成，高程-70.583～-71.000 m，坡度0.5%、0.15%，廊道斷面為城門洞形，凈空尺寸3.0 m×3.0 m(寬×高)。該層廊道滲漏水沿排水溝流入布置在地下副廠房左端的滲漏集水井中。上、下層排水廊道之間均設有豎向排水幕，排水幕孔徑110，間距3 m。

由于檢修排水采用潛水泵直接抽排方式，不設檢修集水井。地下副廠房北端局部擴挖滲漏排水泵房和滲漏集水井，滲漏集水井布置在排水泵房下部，泵房地面與水泵水輪機層同高。

廠區(qū)的滲漏水，應盡量采用自流排放方式，以降低年運行管理費用。因本工程洞外地面高程相對較高，沒有條件讓廠區(qū)滲漏水全部通過自流排往洞外，所以在廠房頂部位置設置一條自流排水洞。自流排水洞出口位于下水庫環(huán)庫公路排水渠中，洞口高程26.800 m，在山體內通過排水管道豎井(斷面凈空尺寸2.5 m)與滲漏排水泵房相連，洞內高程33.780 m，洞長約1 400 m，城門洞形，斷面凈尺寸為2.0 m×2.5 m(寬×高)，平均縱坡約0.5%，外接環(huán)庫公路排水渠，將廠區(qū)集水井內滲漏水通過泵抽排至自流排水洞內，再自流引排至下水庫環(huán)庫公路周邊排水渠中。

3.4 廠內排水系統(tǒng)設計

主廠房、主變洞和尾閘室圍巖排水孔根據洞室頂拱及邊墻等部位巖壁地下水滲漏情況，按“滲水大、多布孔，滲水小、少布孔”的原則進行布置。各洞室頂拱以對稱軸為中心，徑向輻射布置系統(tǒng)排水孔，在洞室邊墻布置與水平面呈15°仰角的排水孔，以增加排水效果。主廠房和主變洞廠內排水孔孔徑為56 mm，孔深5.0 m，間排距均為4.8 m，呈梅花形布置。廠內排水通過廠房兩側防潮墻內豎向排水管將廠內滲透水引至排水溝和預埋排水管道，集中引至廠區(qū)滲漏集水井。尾閘室廠內排水孔孔徑為56 mm，孔深3.0 m，間排距均為3 m，呈梅花形布置。廠內排水通過兩側防潮墻內豎向排水管將廠內滲透水引至排水溝內，再通過廠周排水廊道引至廠區(qū)滲漏集水井。

為降低廠內的濕度，在主廠房、主變室四壁設置防潮隔墻，并與頂棚形成封閉的防潮體系。

4 滲流場分析計算及對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定影響分析

4.1 滲流場分析計算

根據溧陽水電站地下廠房建筑物分布情況、巖層水文地質特性、地形地貌以及滲流場分析研究的要求，建立三維滲流計算模型，對地下廠房洞室群滲流場進行分析計算，主要選取三種計算工況：①地下廠房開挖前的滲流場分析計算；②正常蓄水運行期滲流場分析計算；③蓄水運行，排水孔幕完全失效，滲流場分析計算。計算結果表明：

(1)計算工況1。巖體初始滲流場的等勢線分布比較均勻、平滑；滲流等水頭線從上到下逐漸減小，壓力線從上游到下游均勻傾斜。這說明在地下洞室開挖前，巖體滲流場受地下水的影響，滲流分布正常。

(2)計算工況2。從廠房縱軸線的滲流等勢線分布規(guī)律看，廠房上部和廠房兩端區(qū)域受排水廊道和排水孔等設施的強排水作用，滲流自由面得到驟降，廠區(qū)滲透壓力降低明顯；尾調室靠近下游，受尾水影響，下游有排水孔幕和排水廊道，尾調室開挖后起到了強排水作用，所以沿尾調室縱軸線分布的滲流等勢線水頭值較小。由此說明，廠外排水廊道及排水孔幕對廠區(qū)和主要洞室圍巖的穩(wěn)定起到了很好的減壓作用，設置排水設施是非常重要的，也是非常必要的。

(3)計算工況3。廠區(qū)排水孔幕失效，只有廠房洞室群具有一定的滲漏能力，所以地下水位較高，廠房和主變洞全部位于地下水位以下，主要洞室周圍滲流水頭梯度變化較大，滲透壓力較大。所以，在地下廠房正常運行后，必須保證廠周排水廊道及排水孔幕等排水設施運行可靠。

4.2 廠區(qū)滲水量

地下廠房進廠交通洞和排水廊道等輔助洞室開挖時，施工掌子面水量較大，但隨著掌子面推進，地下水位線隨掌子面高程降低而降低，廠周下層排水廊道施工后，上層排水廊道基本處于干燥狀態(tài)，地下水水位基本降至開挖掌子面高程。這表明，雖然地下水豐富，但圍巖由于斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育，其排水較通暢。地下廠房洞室開挖掌子面滯后周邊排水廊道施工后，掌子面也基本處于干燥狀態(tài)。這與三維滲流有限元計算成果基本一致。綜合分析確定，地下廠房區(qū)域巖體設計總滲流量取5 000 m3/d，并據此作為滲漏集水井抽排水泵選型的依據之一。

在選取廠房滲漏排水設備時，綜合考慮地下洞室的巖體滲流量和廠內機組管路的滲水量以及設備的運行可靠性，在布置條件許可的情況下，選用適當的水泵機型，并留有必要的排水安全儲備，以保證地下廠房的運行安全。

4.3 巖體滲流場對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定的影響分析

計算分析表明，盡管考慮滲流作用后，洞周圍巖的破壞范圍和破壞深度比不考慮滲流工況的破壞區(qū)有所增加，圍巖的破壞體積和塑性耗散能分別比不考慮滲流作用情況下增加了2.98%、3.68%；開裂破壞區(qū)比不考慮滲流作用情況下增加了2.25%?？傮w看，考慮滲流作用后，圍巖破壞區(qū)、洞周應力、錨桿應力、洞周位移均有一定程度的增大；說明滲流對洞室圍巖穩(wěn)定有一定影響。但從量值和規(guī)律上看，總體影響不太大。故，保證排水孔幕的質量，對減小滲流影響、保證洞室的穩(wěn)定是非常重要的。加強運行期的排水措施和保證防滲帷幕質量，對保證運行期地下洞室圍巖穩(wěn)定具有十分重要的意義。

5 運行期監(jiān)測分析

地下洞室群滲流場三維有限元分析研究成果顯示，廠區(qū)最大滲流量約4 253 m3/d。從目前實際運行情況看，廠區(qū)滲漏排水總量約5 000 m3/d。為保證廠內的滲漏排水設施能夠滿足防滲排水的要求并有較大的安全裕度，滲漏集水井的滲漏設計量按730 m3/h(合17 520 m3/d，其中圍巖滲漏量按5 000 m3/d)考慮，有效容積按匯集約45 min的滲漏水量考慮。即，按有效容積547.5 m3設計，在選擇集水井有效容積和備用容積時，留有一定的余量?？紤]機組及廠房埋深較大，滲漏排水泵揚程較高，對滲漏排水泵的可靠性要求非常高，根據國內抽水蓄能電站的設計和運行經驗，宜選用較多的水泵臺數，以提高其工作的可靠性。因此，考慮設置4臺生產率為550m3/h的深井泵為工作泵，2臺生產率為550m3/h的深井泵為備用泵。對比滲漏排水設備的排水容量可知，目前廠內的滲漏排水設施能夠滿足防滲排水的要求，并且有較大的安全裕度，即使遇到緊急情況，集水井水量突然增大時排水設施也能夠滿足要求。

從目前實際運行情況來看，自流排水洞淹沒水深最大不超過100 mm(與按5 000 m3/d計算成果基本一致)，遠小于自流排水洞的排水能力。

6 結 語

溧陽電站防滲排水系統(tǒng)設計根據工程自身特點，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”，通過排水廊道提前降低地下廠房洞室群的地下水水位，利用排水廊道提前施工錨索孔和預埋監(jiān)測儀器；這些均為地下廠房洞室圍巖開挖穩(wěn)定創(chuàng)造了有利條件，確保了地下廠房洞室群施工期和運行期安全。廠區(qū)滲漏水采取“抽排與自流排水相結合”的方式，排水效果安全、經濟、有效。地下廠房洞室開挖完成已有近4年時間，③號～⑥號機組已投入商業(yè)運行，目前廠房洞室環(huán)境良好。這些說明本電站地下廠房洞室群防滲排水系統(tǒng)是成功有效的，排水系統(tǒng)運行良好。

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