抽水蓄能電站地下工程關鍵技術研究

羅紹基，劉學山

（1.中國南方電網公司調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510000；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853)

抽水蓄能電站地下工程關鍵技術研究

羅紹基1，劉學山2

（1.中國南方電網公司調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510000；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853)

廣東省已建成了廣州抽水蓄能電站A廠、B廠，惠州抽水蓄能電站A廠、B廠，目前正在建設的有清遠抽水蓄能電站和深圳抽水蓄能電站等。抽水蓄能電站屬于高水頭、埋藏深的地下電站，地下廠房洞室群上下游均處于水庫高水位以下的復雜地質和地下環境條件下，地下廠房位置選擇、開挖支護和地下截排水控制體系至關重要。本文主要介紹廣東抽水蓄能電站在復雜的地質環境條件下地下廠房位置選擇方法、地下廠房的施工控制和高壓岔管、地下廠房系統的防滲排水控制體系，并通過總結，為其他抽水蓄能電站及類似重大地下工程提供參考。

抽水蓄能電站；地下廠房；位置選擇；開挖支護；防滲排水控制

0 引言

隨著社會經濟的快速發展和對電網穩定要求的不斷提高，廣東省已建成廣州抽水蓄能電站A廠、B廠和惠州抽水蓄能電站A廠、B廠，目前正在建設的有清遠抽水蓄能電站和深圳抽水蓄能電站等。

抽水蓄能電站工程由上水庫、下水庫、引水及發電系統等組成，引水及發電系統由長隧洞和地下廠房洞室群組成，廣東省已建的抽水蓄能電站上下庫水頭差一般在500m左右，地下廠房埋深一般在300～400m，屬于高水頭、埋藏深的地下電站。抽水蓄能電站機組采用可逆式水泵水輪機組，考慮在抽水工況下機組吸出高度的要求，地下廠房水泵水輪機安裝高度比下水庫死水位還要低水頭的1/10以上。因此，抽水蓄能電站地下廠房洞室群上下游均處于水庫高水位以下的復雜地質和地下環境條件下。

抽水蓄能電站地下工程中，引水系統主要為長隧洞，包括引水隧洞、高壓岔管、引水支管、尾水支管、尾水岔管、尾水隧洞、調壓井等。廣東省抽水蓄能電站一般采用一洞四機的方式，即一條引水隧洞和尾水隧洞控制4臺機組，引水隧洞通過高壓岔管和4條引水鋼支管與地下廠房連接，尾水隧洞通過尾水岔管和4條尾水支管與地下廠房連接。廣東省已建成蓄能電站引水隧洞和尾水隧洞長度一般在2000～5000m之間，直徑在8.5～9.5m之間。一般設置上游調壓井和尾水調壓井，或僅設置上游調壓井或尾水調壓井，調壓井高度在120～150m之間，包括直徑9m左右的升管和直徑20m左右的大井。地下廠房洞室群包括地下廠房、主變壓器洞、母線洞、尾閘室、交通洞、通風洞（排風井）、高壓電纜洞、排水廊道和自流排水洞等。地下廠房跨度20幾米、高50余米、長150～170m，高壓/尾水岔管與地下廠房間距在130～150m之間。主變壓器洞寬約20m、高約20m、長150m左右，有4條母線洞連接地下廠房與主變壓器洞，為滿足圍巖穩定要求，地下廠房和主變壓器洞間距為40m左右。清遠抽水蓄能電站輸水系統縱剖面如圖1所示。

圖1 清遠抽水蓄能電站輸水系統縱剖面圖Fig.1 Longitudinal section of water delivery system in Qingyuan PSPS

鑒于深埋的輸水隧洞和錯綜復雜的地下洞室關系，且處于地下復雜的工程地質和水文地質環境條件下，地下廠房位置選擇、施工開挖支護控制和地下截排水控制體系至關重要。

1 地下廠房位置選擇

地下廠房洞室群深埋于地面以下300～400m，高壓岔管承受近600～800m的動水頭，且采用鋼筋混凝土襯砌，所以地下廠房和高壓岔管的位置選擇十分重要，而對地下廠房起控制作用的因素主要有斷裂、蝕變、地應力和地下水等，為了將高壓岔管及地下廠房系統布置在相對完整的巖體，在前期地質勘探和廠房位置選擇的設計工作中，根據設計階段不同分步研究分析地下地質情況，逐步優化確定高壓岔管及地下廠房的位置。

首先從地形條件研究確定電站的開發方式，擬定具備布置地下廠房的基本位置范圍，根據地表查勘判斷該區域范圍的地質構造情況，判斷斷層的寬度、走向、傾角等，初步擬定地下廠房的位置［1］。

根據初步擬定的位置，布置400m以上的深勘探孔從地表鉆孔深入廠房底高程以下，判斷經過該區域的斷層、裂隙及地下水等情況，進一步優化地下廠房的位置及軸線。

更關鍵的是，為進一步確定廠房的合理布置，針對基本確定的地下廠房位置，布置長2000m以上的地下探洞。由于廠房埋藏較深，而探洞坡度很小，所以探洞位置只能在廠房頂拱高程以上10m，因工程而異。同時，在探洞內布置輔助的地質鉆孔。通過探洞和輔助的地質鉆孔充分分析、揭示該區域各斷層寬度、走向、傾角等，并長期觀測該區域地下水變化情況，測試該區域地應力，最終分析研究確定高壓岔管和地下廠房等地下工程重要部位布置位置和軸線方向，將高壓岔管及地下廠房系統布置在相對完整的巖體，而且沒有出現過地應力大、變形大和大塌方情況。

盡管如此，在廣州抽水蓄能一期排風洞和交通洞開挖過程中發現花崗巖蝕變現象，經過準確分析判斷主要斷裂的走向，將關鍵的地下洞室置于新鮮完整巖體中。如主廠房、調壓井、高壓岔管等，均是利用長探洞掘進到建筑物上方，再向下補充鉆探工作，了解建筑物位置的地質條件后，修改洞室位置及體型。如地下廠房軸線方向從原來的SN向改為NE80°，使之與主要斷層、蝕變帶的夾角大于40°，整個廠房往西移了40m。蝕變巖被揭露后，遇地下水和潮濕的空氣膨脹崩解，影響部分圍巖的穩定。經過研究摸索，逐步形成了一套處理蝕變巖的工程措施［2］。通過清理蝕變松散物、及時噴護并處理好地下水等措施穩定了圍巖。

經過廣州抽水蓄能一期的地下廠房位置選擇和蝕變巖帶處理，積累了豐富的經驗，廣州抽水蓄能二期，惠州抽水蓄能A廠、B廠和清遠抽水蓄能的地下廠房和高壓岔管等關鍵洞室的位置均很好地避開了較大規模的斷層和裂隙密集帶，特別是清遠抽水蓄能電站廠房位置有效避開近EW向及近NE向斷層帶，將高壓岔管和地下廠房全部布置在Ⅰ類和少量Ⅱ類圍巖中。目前地下廠房已開挖完成，施工過程中未出現巖爆和塌方等現象，將復雜地質和環境條件下重大地下工程安全風險控制到最低，開挖質量受到業內知名專家好評，充分證實了地下廠房位置選定在優越的地質條件范圍內，并有效節省了支護工程量，為縮短工期和節約投資提供良好的基礎。

2 施工開挖支護控制

地下廠房開挖過程控制對地下工程安全也至關重要。廠房開挖過程中采用“薄層開挖、及時支護”，并實時進行監控，及時對開挖爆破參數進行調整，有效地保證了開挖質量、防止圍巖破壞、控制廠房邊墻變形，收到較好效果。

廣東抽水蓄能電站地下廠房跨度20余米、高50余米、長150～170m，在開挖過程中根據相應的施工通道和施工方法，考慮上下分Ⅶ層或Ⅷ層開挖。為確保開挖質量，盡可能減少開挖對圍巖的影響范圍，根據每層的布置特點，考慮不同的施工開挖方案。廣東抽水蓄能電站地下廠房第Ⅰ層開挖采用手風鉆開挖中導洞超前，頂拱擴挖和上、下游側擴挖錯距跟進，周邊孔光爆的綜合開挖控制方式。第Ⅱ層采用中間預裂拉槽，兩側預留5.5m的保護層，周邊孔光爆開挖方式。其中，巖壁吊車梁巖臺采用垂直孔和斜孔光爆開挖。第Ⅲ層至基坑層，采用先對邊墻進行預裂，上、下游開挖錯距跟進或全斷面開挖的方式進行。

清遠抽水蓄能電站地下廠房開挖分層分塊圖如圖2所示。

在選擇較好的地下工程位置和精細的施工開挖控制的基礎上，廣東抽水蓄能電站地下廠房支護充分利用圍巖自穩能力，采用噴混凝土+錨桿的柔性支護方案。根據圍巖不同，頂拱掛網噴混凝土，或取消掛網噴鋼纖維混凝土或摻聚丙烯纖維噴混凝土，設長3.5～3.7m錨桿，拱腳設2～3排長5.3～6m錨桿，錨桿間距1.5～1.8m；邊墻掛網噴混凝土，設長3.5～3.7m和5.5～7m間隔布置的錨桿，錨桿間距1.5～1.8m。在巖壁吊車梁上兩排、下一排布置3排長9m的錨桿，錨桿間距1.5～1.8m。為保證廠房各部位開挖完成后及時支護和保證施工質量，錨桿鉆孔均采用三臂臺車鉆孔，錨桿注漿采用麥斯特注漿機注漿，噴混凝土采用麥斯特噴車濕噴。

地下廠房的開挖質量直接影響圍巖的變形，特別是巖壁吊車梁對圍巖變形要求非常高。通過精細的施工開挖控制和及時支護，廣東抽水蓄能電站廠房開挖有效地保證了開挖質量，未出現塌方等圍巖破壞，廠房邊墻變形控制在允許范圍。

3 防滲排水控制體系

抽水蓄能電站是高水頭、埋藏深的地下電站，高壓引水隧洞和高壓岔管承受600m以上的內水壓力，高壓隧洞和高壓岔管均采用40～60cm厚鋼筋混凝土襯砌，按“高壓透水襯砌”理論，限制裂縫張開寬度設計。因此，運行期間水道中的水由于水頭壓力高，將會產生內水外滲。

根據計算，高壓鋼筋混凝土岔管及引水高壓鋼支管等主要控制工況為外壓情況，尤其在隧洞放空時，會有較高的水壓作用在襯砌上，對鋼襯支管安全很不利。同時，為了減少地下水和高壓滲漏水滲進廠房和主變壓器室，降低廠房邊墻所承受的滲透壓力，改善地下廠房的運行環境，根據水文地質條件，在高壓岔管和地下廠房系統合理設置防滲排水系統，降低外水壓力，對地下廠房、高壓岔管及高壓鋼支管等具有十分重要的意義［3］。

圖2 清遠抽水蓄能電站地下廠房開挖分層分塊圖（單位：高程為m，標注尺寸為mm）Fig.2 Excavation distribution of underground power house in qingyuan PSPS

廣州抽水蓄能電站［4］通過五道安全防線解決高壓岔管和地下廠房的防滲排水，遵循先防滲后排水原則，第一道防線是高壓岔管與廠房之間的引水支管采用鋼板襯砌，保證該段范圍不會產生高壓內水外滲；第二道防線是在高壓岔管與鋼支管設置防滲帷幕，阻止高壓內水在高壓岔管外滲后，滲向高壓鋼支管及廠房區域；第三道防線是在鋼支管外表面設置排水系統，直接排放滲向鋼管表面的水，直接降低鋼管外表面所承受的外水壓力；第四道防線是在高壓岔管與廠房之間的1號排水洞布置排水孔，排除滲向廠房的滲水；第五道防線在廠房和主變壓器洞周圍布置兩層排水廊道，并打排水孔形成排水帷幕，排去這一區域的地下水，以降低外水壓力。

惠州抽水蓄能電站和清遠抽水蓄能電站在上述五道防線的基礎上，根據優越的地形條件，研究增設了自流排水系統，讓地下廠房附屬洞室和排水廊道內的排水通過地下廠房排水系統進入自流排水洞排出廠外，最大限度改善地下廠房的運行環境。

高壓岔管和地下廠房的防滲排水控制系統示意圖如圖3所示。

圖3 高壓岔管和地下廠房防滲排水控制系統示意圖Fig.3 Anti-seepage and drainage control system of manifold and underground power house

抽水蓄能電站高壓岔管和地下廠房區域地下水的滲漏能否得到有效的控制和有序的排放，能否為地下廠房創造適宜的運行環境，防滲排水控制系統的好壞是工程成敗的關鍵。廣東抽水蓄能電站高壓岔管均采用鋼筋混凝土襯砌，按“高壓透水襯砌”理論、限制裂縫張開寬度設計、通過五道安全防線解決高壓岔管和地下廠房的防滲排水等，均取得了成功的經驗，相對昂貴的鋼板襯砌節省了投資。但在實施過程中也有值得借鑒的教訓。

比如廣州抽水蓄能一期尾水支管鋼襯漸變段，在初期充水時發生鼓包現象。其原因是尾水閘門槽外側混凝土回填不密實，灌漿沒有充分回填，尾水洞內水透過尾閘槽混凝土作用到上游鋼襯漸變段外側，形成與下庫水位連通的外水壓力作用，4條尾水支管鋼襯漸變段均出現不同程度的屈服變形鼓包。事后采取切割鋼襯變形部分、焊補修復鋼管、在鋼襯縫隙內設置排水系統等措施進行了有效處理。

廣州抽水蓄能二期在上游水道首次充水時，因水力梯度太大（T=17），位于上游水道系統的鋼筋混凝土岔管上方的排水探洞出現了噴射狀高壓滲水，最大滲水量達31.78L/s。水道放空后進行全面檢查發現：高岔混凝土襯體有42條裂縫、均有外水返滲。裂縫寬度一般為0.5～1mm，個別裂縫寬達2mm，水道放空后大部分裂縫都呈張開狀況。分析認為，高岔襯體開裂是南、東支洞大量滲水的主要原因，NW向微張構造是高岔內水外滲的主要排泄通道。事后進行兩方面的處理：一是對高岔進行系統高壓化學灌漿，在南支洞內對重點懷疑的地段和P4滲壓計孔進行磨細水泥灌漿和化學灌漿；二是對1號排水廊道以南的地質探洞進行混凝土回填。處理工作結束后，上游水道安全已運行近13年，高岔區的總滲水量一直穩定在2.3L/s，區內的滲壓計讀數也保持了良好的穩定狀態。

惠州抽水蓄能電站A廠高壓隧洞段地面高程為425～435m，平均埋深260m，A廠高壓岔管地面高程為475～480m，埋深約340m。在輸水發電系統洞室圍巖分布主要為花崗巖。高壓隧洞及高壓岔管洞周有幾條斷層穿過，其中F304斷層帶寬度達10～15m，破碎程度較為嚴重，為場區控制性斷層。A廠上游水道充水過程中探洞內F304斷層大量涌水，1號灌漿廊道內F59斷層出露段大量噴水。實測探洞總滲漏量為781.5m3/h，水道最大滲漏量為811.4m3/h。A廠上游水道充水試驗在部分隧洞段的混凝土襯砌出現較密集的裂縫。根據充水試驗的情況，在放空后對水道進行高壓化學灌漿和加深加密固結灌漿加強處理，對斷層等部位進行深孔水泥灌漿和回填封堵等處理。第二次充水試驗完成充水后對探洞、A廠廠房區各排水廊道、堵頭等部位滲漏量進行測量統計，總滲漏量約為19m3/h，長3122m的A廠上游水道總滲漏量約為80m3/h。A廠上游水道經放空修復處理后，水道滲漏量大幅減少，滲漏量值在合理范圍內。

4 結束語

（1）高壓岔管和地下廠房的位置選擇對于控制工程風險、節約投資至關重要，前期工作中需要通過地表查勘、深孔勘探和地下探洞等多種綜合手段充分揭示地下洞室區域的工程地質條件和水文地質條件。

（2）地下廠房開挖過程中采用“薄層開挖、及時支護”，并實時進行監控，及時對開挖爆破參數進行調整，通過精細的施工開挖控制和及時支護，有效地保證了開挖質量，未出現塌方等圍巖破壞、控制廠房邊墻變形等，收到較好效果。

（3）高壓岔管和地下廠房等重大地下工程通過五道安全防線解決高壓岔管和地下廠房的防滲排水，遵循“前堵后排”原則，每一道工序都至關重要，是工程成敗的關鍵。

［1］魏炳榮，吳國榮.惠州抽水蓄能電站控制性斷層研究［J］.資源環境與工程，2010，24（5）：461-465.WEI Bingrong,WU Guorong.Research on Control Fault of Huizhou Pumped Storage Power Station［J］.RESOURCES ENVRIONMENT AND ENGINEERING,2010,24(5):461-465.

［2］廖建強.廣州抽水蓄能電站地下洞室區蝕變巖的工程處理［J］.巖土工程界，2002，5（9）：48-50.LIAO Jianqiang,Engineering treatments of altered rocks in the underground chamber areas of the Guangzhou Pumped-Storage Power Station［J］.GEOTECHNICAL ENGINEERING FIELD,2002,5(9):48-50.

［3］劉學山.廣州抽水蓄能電站二期工程鋼筋混凝土岔管高壓滲水的處理及有關問題探討［J］.廣東電力，2006，19（6）：39-42.LIU Xueshan,Study On Treatment and Relevant Problems of HP Leakage In Reinforced Concrete Manifold of Guangzhou Pumped Storage Power Station Phase-Ⅱ Project［J］.GUANGDONG ELECTRIC POWER,2006,19(6):39-42.

［4］黃勇.廣蓄電站二期工程地下廠房的排水設計［J］.水利水電，2001 （2）：88-91.HUANG Yong,Underground Power House Drainage Design in Guangzhou Pumped Storage Power Station Phase-Ⅱ Project［J］.GUANGDONG WATER RESOURCE AND ELECTRIC POWER,2001(2):88-91.

羅紹基（1933—），男，中國工程院院士，主要研究方向：抽水蓄能電站工程管理、施工建設、規劃運行等。

劉學山（1964—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站工程管理、施工建設、規劃運行等。

Study of Key Construction Technology for Underground Power House Complex in Pumped Storage Power Station Project

LUO Shaoji1，LIU Xueshan2
(1.China Southern Power Grid Power Generation Co.,Ltd,Canton,Guangzhou 510000,China)(2.Qingyuan Punped Storage Power Generation Co.,Ltd.,Qingyuan 511852,China)

In Guangdong Province,China,Guangzhou Pumped Storage Power Station(Phase Ⅰ & Ⅱ ) and Huizhou Pumped Storage Power Station(Plant A and B) have been built,while another two,i.e.Qingyuan Pumped Storage Power Station and Shenzhen Pumped Storage Power Station are under construction at present.The pumped storage power station(hereafter simplified as PSPS) is a sort of deeply buried underground power station with high head.Due to the upstream and downstream of underground power house complex are located in complicated geologic underground environment which below the high water level of reservoir,it is of great importance for site selection,excavation and support,as well as underground water interception and drainage control system of underground power house.This paper mainly introduces the methods of site selection,power house construction control and seepage prevention and drainage control system of underground power house,especially for manifold,which have been adopted in PSPS in Guangdong under complicated geologic and underground environment.Experience learned from those projects can provide reference for other pumped storage power stations and similar large-scale underground projects.

pumped storage power station(PSPS); underground power house; site selection; excavation and support; seepage prevention and drainage control

TV743

A 學科代碼：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.001