吳 凱

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710065）

0 前 言

抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)可靠、壽命周期長、容量大、技術(shù)成熟的儲能裝置，是新能源發(fā)展的重要組成部分，它可為電網(wǎng)的穩(wěn)定提供保障，對電力系統(tǒng)乃至能源結(jié)構(gòu)調(diào)整均具有重要意義［1-2］。隨著新能源以及核電的發(fā)展，電網(wǎng)穩(wěn)定與調(diào)峰壓力日益增加等促進(jìn)了對抽水蓄能電站的需求。近年來，我國抽水蓄能建設(shè)大幅提速，目前，我國抽水蓄能電站裝機(jī)容量已躍居世界第一。通過配套建設(shè)抽水蓄能電站，可降低核電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、延長機(jī)組壽命；有效減少風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)電場和電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性以及電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。作為目前經(jīng)濟(jì)、清潔的大規(guī)模儲能方式，抽水蓄能電站啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能。為此，國家“十三五”能源和電力規(guī)劃都要求加快抽水蓄能電站建設(shè)，抽水蓄能電站將有力支撐國家“穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、惠民生”戰(zhàn)略部署，為清潔能源消納、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮極大的促進(jìn)作用［2］。因此，做好抽水蓄能電站建設(shè)并保障其安全運(yùn)行，不僅有利于更好地利用新能源資源，而且有利于提升電力系統(tǒng)綜合效益。

然而，目前抽水蓄能電站還存在不少亟待解決的問題［3-6］，其中上庫及下庫滲漏是關(guān)鍵問題之一。由于抽水蓄能電站往往采用尾部式地下廠房布置，且地下廠房位于天然地下水位以下，在抽水蓄能電站地下廠房建成運(yùn)行后，面臨著上庫及下庫向地下廠房的滲流問題［7］。

抽水蓄能電站由于其樞紐布置的特殊性，因此樞紐滲流域形成也比較特殊。抽水蓄能電站下庫滲流形成早于上庫；下庫滲流滲源豐富，是主流，而上庫滲流由于上庫庫容小，滲源有限。

下庫離地下廠房近，地下廠房深埋在天然地下水位以下，所以滲流對地下廠房的作用及危害均較大；與之相反，上庫離地下廠房遠(yuǎn)，兩者高差大，加之上庫滲流量小，上庫滲流只能融合于相應(yīng)天然地下水，對地下廠房幾乎不產(chǎn)生危害。

目前對諸如以上的問題研究較少，因此，作者采用水力學(xué)計算方法對抽水蓄能電站上庫滲流特點(diǎn)、上庫滲流過程提出一些看法，對上庫防滲措施提出建議。另外，重點(diǎn)討論了下庫對地下廠房產(chǎn)生的滲流場及電站運(yùn)行后天然地下水對地下廠房產(chǎn)生的危害，并提出相應(yīng)的防滲措施供大家參考。

1 上庫滲流分析

1.1 上庫滲流特點(diǎn)及防滲措施

抽水蓄能電站上庫不僅水量小，而且上庫所處位置高，庫盆底部離天然地下水位高差大，上庫充水后，上庫底部滲流與天然地下水無直接水力關(guān)聯(lián)。庫盆底部滲水主要經(jīng)上庫迎水面周邊垂直向下及側(cè)向擴(kuò)散滲流。當(dāng)庫盆滲水未到天然地下水位時，庫底滲流并不因地下水位上升而變化，這樣的庫底向天然地下水面滲流，可認(rèn)為是穩(wěn)定自由滲流，如圖1所示。

由于抽水蓄能電站水資源寶貴，一般認(rèn)為上庫日滲流量應(yīng)不超過總庫容的0.2‰～0.5‰。所以需要對上庫做防滲處理。

圖1 抽水蓄能電站引水發(fā)電系統(tǒng)及地下廠房帷幕排水幕布置縱剖面示意

一般常用防滲處理措施有垂直帷幕及水平鋪蓋兩種。垂直防滲帷幕主要是阻止水平向滲流削減其水頭，減少滲流量。而上庫滲流只有在側(cè)擴(kuò)時才產(chǎn)生少量水平滲流，所以如果設(shè)置帷幕灌漿，則防滲效果很差。另一方面，上庫滲流主要受重力垂直庫盆向下流動。為有效減少上庫滲流，沿庫底鋪設(shè)防滲材料直接阻截滲流最為有效。因此，上庫防滲措施采用在上庫庫盆底臨水面設(shè)置水平鋪蓋是一種較好的方案?？紤]到土工膜具有造價經(jīng)濟(jì)、抗?jié)B性能好（k=10-11cm／s）及很好適應(yīng)地基變形能力，所以建議采用土工膜水平鋪蓋［8］。

1.2 上庫單位長度滲流量及鋪蓋防滲效果估計

抽水蓄能電站上庫雖小，但其庫型往往很復(fù)雜，用水力學(xué)方法去分析它的滲流狀況很困難，因此，擬通過將上庫剖面簡化成如圖1所示的梯形渠道剖面，對其滲流量進(jìn)行分析。

假定上庫設(shè)計為土工膜鋪蓋形式，土工膜厚度δ為0.004 m，土工膜滲透系數(shù)ks為8.64×10-9m／d，則上庫單位長度的滲流量q1建議按文獻(xiàn)［7］式（8-52）計算：

式中，q1為上庫單位長度滲流量，m2／d；k為上庫庫底巖土滲透系數(shù)，m／d；h為上庫水深，m；B為庫頂水面寬度，B=b+2mh（b為庫底寬度，m為邊坡系數(shù)），m；A為系數(shù)，取決于 B／h及 m。

按圖1中上庫剖面相應(yīng)參數(shù)：k=10-3m／d，b=150 m，B=250 m，h=50 m，上庫邊坡坡度1:1，m=1；式（1）中A由 B／h及 m=1查文獻(xiàn)［2］中圖8-4得2.6。按式（1）及上述數(shù)據(jù)計算得：q1=0.065 4 m2／d。

如果不設(shè)土工膜鋪蓋，則（1）式中δ=0，上庫單位長度滲流量的計算式為式（1）的分子，即：q1=k（B+Ah）=10-3m／d×（250 m+2.6×50 m）=0.38 m2／d?？梢?，設(shè)置土工膜水平鋪蓋后，上庫單位長度的滲流量約減少83%，防滲效果十分明顯。

由于抽水蓄能電站運(yùn)行時，上庫水位變幅大，水位升降速度快，因此，須設(shè)計好庫岸邊坡，并需在庫水位變幅區(qū)的土工膜鋪蓋下設(shè)排水墊層，保證庫水位快速泄降時土工膜的安全。

2 上庫滲流對地下廠房廠前區(qū)地下水位的影響

由于抽水蓄能電站上庫庫容小、水量有限、位置高、離天然地下水位高差大，上庫蓄水后滲流與廠前區(qū)地下水短期內(nèi)無直接聯(lián)系。因此，上庫滲流只能由向下側(cè)擴(kuò)的穩(wěn)定自由滲流融入到廠前天然地下水。

另外，容納上庫滲流相應(yīng)的天然地下水域非常廣闊，因此，上庫滲流的滲入只能引起兩種滲流交匯區(qū)局部水位抬高（見圖1），不可能改變廠前區(qū)原天然地下水流態(tài)，不會使相應(yīng)天然地下水位大幅提高，更不會對地下廠房形成危害。

上庫滲流與天然地下水混合后，其廠前區(qū)浸潤線建議用裴布依公式估算，見文獻(xiàn)［9］第12頁式（1-36）。

上庫滲流由于上述種種原因，只能使廠前區(qū)原天然地下水位略有抬高，且浸潤線的高程較低，因此，如果將上庫水位與下庫水位連線作為抽水蓄能電站運(yùn)行后引水系統(tǒng)滲流域浸潤線，顯然浸潤線定得太高，這將導(dǎo)致引水系統(tǒng)外水壓力擬定過大，對相應(yīng)高壓管段結(jié)構(gòu)是不安全的；地下廠房廠前區(qū)運(yùn)用排水幕，即可降低廠前區(qū)浸潤線到天然地下水面，無需設(shè)置帷幕灌漿。

上庫滲流流態(tài)及其融入廠前區(qū)地下水有關(guān)問題過程非常復(fù)雜，用上述水力學(xué)方法分析只是初步的，有些問題尚不能解決，因此，建議對重要的大型工程應(yīng)進(jìn)行三維有限元滲流分析［10-11］，仔細(xì)給出上庫至地下廠房滲流浸潤線，作為沿線引水系統(tǒng)及地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

3 下庫及地下廠房滲流分析

3.1 電站運(yùn)行后下庫及地下廠房滲流狀況

下庫離地下廠房較近，下庫因需要滿足“抽水蓄能電站進(jìn)出口應(yīng)具有一定淹沒深度”的要求，下庫水位往往較高，因此，從下庫有大量流向地下廠房的滲流（見圖2）。

由于抽水蓄能電站地下廠房采用大容量的可逆水輪發(fā)電機(jī)組，其吸出高度在-20～-70 m之間，導(dǎo)致電站安裝高程低，地下廠房深埋在天然地下水位之下，當(dāng)廠房運(yùn)行后，天然地下水位將產(chǎn)生大量向地下廠房洞室群的滲流。

3.2 下庫流向地下廠房滲流的防滲措施

對于下庫流向地下廠房滲流的防滲措施，筆者建議采取一般帷幕、排水幕，其主要任務(wù)是削減下庫水位與天然地下水位產(chǎn)生的水頭，帷幕主要在下庫沿地下廠房迎水面布置（見圖2），一面與下庫攔河壩帷幕相接，另一面帷幕沿廠房周邊深入岸內(nèi)阻止繞岸滲流。緊隨帷幕后面設(shè)置相應(yīng)排水幕，通過帷幕及排水幕聯(lián)合作用，控制幕后浸潤線高程不高于相應(yīng)的天然地下水位高程。

圖2 抽水蓄能電站地下廠房帷幕排水幕布置示意

3.3 地下廠房長期埋深在天然地下水下的滲流分析

地下廠房長期深埋在天然地下水以下，使廠房結(jié)構(gòu)承受很大外水壓力，增加了設(shè)計難度和工程投資，特別是對洞室地質(zhì)條件不好的地段，滲流會對洞頂、洞壁圍巖長期侵蝕，使圍巖力學(xué)指標(biāo)惡化，進(jìn)而對洞頂、洞壁安全造成威脅。另外，滲水會使整個地下廠房環(huán)境潮濕，不僅對電器設(shè)備運(yùn)行不利，也對人體健康會造成不良后果。所以，抽水蓄能電站廠房深埋在相應(yīng)的天然地下水面以下是一個需要重點(diǎn)分析與解決的問題。

要改善上述狀況，需大幅降低廠周的天然地下水位，例如將廠周天然地下水浸潤線在洞壁的逸出點(diǎn)高程降低至發(fā)電機(jī)房高程以下，則地下廠房發(fā)電機(jī)層以上的洞頂及大部分洞壁可保持比較干燥，不受滲水侵蝕，相應(yīng)電器設(shè)備及人員將在較干燥的環(huán)境下運(yùn)行或工作。因此，上述地下廠房長期安全運(yùn)行問題及電站運(yùn)行環(huán)境將大大改善。

對于降低廠周天然地下水位措施，筆者建議設(shè)置圍繞廠房四周垂直的排水幕，由排水幕收集滲水至排水幕廊道系統(tǒng)抽排出廠外。采用這種排水措施，排水效果比較可靠，施工方便，施工干擾小，且比較經(jīng)濟(jì)，特別是運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)排水未達(dá)到預(yù)期效果時，可通過在排水廊道內(nèi)補(bǔ)打排水孔予以解決。

要使廠周天然地下水浸潤線在洞壁的逸出點(diǎn)降低至發(fā)電機(jī)高程以下，由于高差很大，往往需要布置兩圈或多圈環(huán)形排水幕系統(tǒng)，連續(xù)分層降低天然地下水位。在設(shè)計排水幕布置時，要控制滲流域浸潤線滲透比降，避免洞周圍巖產(chǎn)生機(jī)械管涌。為了使廠周排水系統(tǒng)收集的大量滲水排出廠外，需建立滲流水抽排系統(tǒng)。由于抽排系統(tǒng)匯集的滲水很干凈，而且水量大，可考慮利用該部分滲水作為機(jī)組冷卻水和生活用水。例如黃河小浪底電站就較好地運(yùn)用壩后滲水在汛期作為機(jī)組的冷卻水。

4 結(jié) 論

（1）上庫滲流是由向下側(cè)擴(kuò)的穩(wěn)定自由滲流融入廠前天然地下水的滲流過程，只能引起兩種滲流交匯區(qū)局部水位抬高，而對廣大的廠前天然地下水影響很小，如果將上庫水位與下庫水位連線作為抽水蓄能電站運(yùn)行后引水系統(tǒng)滲流域的浸潤線是不合適的。

（2）土工膜鋪蓋抗?jié)B性能好，有很好地適應(yīng)地基變形能力，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，是上庫較好的防滲措施。

（3）為改善地下廠房埋深在天然地下水位以下產(chǎn)生的弊端，需大幅抽降廠周的天然地下水位。用多圈、多層連續(xù)分層降低廠周天然地下水位是可行的、且容易實(shí)現(xiàn)的。有了這一排水幕、排水廊道及抽排系統(tǒng)，可促進(jìn)地下廠房長期安全運(yùn)行，改善電站運(yùn)行條件，也可為今后進(jìn)一步完善廠周排水效果創(chuàng)造條件。

（4）由于抽水蓄能電站地下廠房布置的特殊性及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之目前尚未見到有關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則，更無實(shí)測資料印證，因此，為進(jìn)一步探討問題，需進(jìn)行三向滲流有限元分析，加深對問題的認(rèn)識，并給出廠周滲流分布及有關(guān)滲流浸潤線，為廠周防滲及廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。