抽水蓄能電站地下廠房防滲設(shè)計問題的探討

吳 凱

（中國電建集團西北勘測設(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，可降低核電機組運行維護費用、延長機組壽命；有效減少風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的沖擊，提高風電場和電網(wǎng)運行的協(xié)調(diào)性以及電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性。作為目前經(jīng)濟、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)定運行發(fā)揮極大的促進作用［2］。因此，做好抽水蓄能電站建設(shè)并保障其安全運行，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，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，作者采用水力學計算方法對抽水蓄能電站上庫滲流特點、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，重點討論了下庫對地下廠房產(chǎn)生的滲流場及電站運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)向擴散滲流。當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。考慮到土工膜具有造價經(jīng)濟、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，但其庫型往往很復雜，用水力學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［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［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。可見，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［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)問題過程非常復雜，用上述水力學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)進行三維有限元滲流分析［10-11］，仔細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)電機組，其吸出高度在-20～-70 m之間，導致電站安裝高程低，地下廠房深埋在天然地下水位之下，當廠房運行后，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，使圍巖力學指標惡化，進而對洞頂、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高程降低至發(fā)電機房高程以下，則地下廠房發(fā)電機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)境下運行或工作。因此，上述地下廠房長期安全運行問題及電站運行環(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，特別是運行后發(fā)現(xiàn)排水未達到預期效果時，可通過在排水廊道內(nèi)補打排水孔予以解決。

要使廠周天然地下水浸潤線在洞壁的逸出點降低至發(fā)電機高程以下，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組冷卻水和生活用水。例如黃河小浪底電站就較好地運用壩后滲水在汛期作為機組的冷卻水。

4 結(jié) 論

（1）上庫滲流是由向下側(cè)擴的穩(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)濟實惠，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、且容易實現(xiàn)的。有了這一排水幕、排水廊道及抽排系統(tǒng)，可促進地下廠房長期安全運行，改善電站運行條件，也可為今后進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)的復雜性，加之目前尚未見到有關(guān)設(shè)計準則，更無實測資料印證，因此，為進一步探討問題，需進行三向滲流有限元分析，加深對問題的認識，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)。