抽水蓄能電站地下廠房洞室系統排水設計淺析

逄立輝 ，于生波 ，房恩澤 ，尚玉超

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林省長春市 130021；2.水利部寒區工程技術研究中心，吉林省長春市 130021）

0 引言

抽水蓄能電站地下廠房洞室排水主要包括圍巖滲漏水、設備故障或檢修滲漏水、檢修排水及少量生活污水，其中來自山體地下水以及輸水隧洞的滲漏水為地下廠房洞室主要排水對象。地下廠房洞室一般深埋于地下，地下水埋深較深，水文地質條件復雜，普遍存在滲漏問題，尤其是地下水較為豐富或節理裂隙發育的地區，滲漏問題更為突出，因此，為了避免水淹廠房事故發生，減少地下水滲漏對圍巖穩定的不利影響，降低廠房邊墻所承受的滲透壓力，改善地下廠房運行環境，做好洞室系統排水設計尤為重要。

隨著技術進步和環保理念的加強，為保護好綠水青山，抽水蓄能電站地下廠房洞室排水需考慮對含油廢水和山體圍巖滲漏水進行分離設計，含油廢水須經過油水分離措施處理后再回用或排放；寒冷地區抽水蓄能電站的地下洞室排水需考慮冬季結冰問題，靠近附屬洞室出口的排水溝、排水洞（管）的地面出口等處，均應考慮防冰凍措施。

1 地下洞室群圍巖滲水量估算

地下廠房的開挖改變了地下水原始的滲流場，形成大型地下水降落漏斗，使地下水水力坡降增大，向地下廠房基坑集中，影響圍巖穩定性。為確保地下廠房施工期與運行期安全，有必要計算滲漏水量，為排水系統設計提供依據。

國內外大型地下洞室群，地下洞室圍巖滲漏水量研究一般采用解析法和數值法相結合的方式。

（1） “解析法”計算。

解析法包括水均衡法、大井法和狹長坑道法等，地下水滲漏量估算重點在于巖體滲透系數的選取，應充分考慮地下水的埋藏條件、類型、活動特點、巖體的滲透性等因素[1-4]。

（2） 三維滲流數值計算。

數值法通常為三維滲流數值模擬分析，計算中山體圍巖按各向異性、非均質的連續介質考慮，穩定滲流曲線服從達西定律，把所研究區域進行離散化，建立插值函數，采用多種類型的等參數單元，最后形成求解各節點水頭值的線性代數方程組[2]。

為簡化模擬計算，通常可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水庫進出水口到下水庫進出水口整個地下洞室群大范圍的完整滲流場模型 （“大模型”），另一個是可詳細模擬地下廠房系統結構和滲控工程措施的地下洞室群的精細模型（ “小模型”），同時建立兩類模型的轉換關系。

根據上述兩種滲漏水量估算成果，結合地質情況、附屬洞室布置情況，以及勘察過程中探洞等地下圍巖滲漏情況，綜合分析，確定地下洞室圍巖滲漏水量。

2 圍巖滲漏水排水方案設計

地下廠房洞室圍巖滲漏水排水一般采用自流排水或機械抽排，其中自流排水又分為完全自流和半自流兩種，完全自流是指全部圍巖滲漏水均通過自流排水洞排出，半自流一般是指“高水自流、低水抽排”方式。在廠房洞室附近一定區域內有深切鄰谷或下游河道陡降、轉彎較大等有利地形條件時，應優先選用自流排水，有利于廠房防淹且可以節省運行費用[6]。

廠房滲漏排水系統一般采用集中排水，無論是自流排水或機械抽排，均設置外圍排水及內部排水兩套滲漏排水體系，兩套排水系統最終均匯至廠房滲漏集水井或集水坑，再通過自流排水或機械抽排進行排放、回用。

廠房洞室群的主體洞室周邊布置排水廊道及截排水帷幕，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，即為外圍排水體系。目前抽水蓄能電站一般在地下廠房主體洞室外圍設置3層排水廊道[5]：上層、中層和下層，考慮施工出渣、錨索支護等因素，分別設置在主廠房拱腳高程、發電機層高程以及尾水管底板高程。若廠房區域水文地質條件復雜，圍巖節理、裂隙發育，出現地下水豐富的情況，可在廠房頂拱以上增設1～2層排水廊道，以增加截排水能力。 排水廊道斷面尺寸一般采用3m×3m，主要是考慮常規的施工方法和施工設備而確定的，為了加快排水廊道施工進度、縮短工期、保障施工安全，目前國內正在研發用于排水廊道施工的全斷面隧道掘進機（TBM），待推廣后，排水廊道斷面型式、尺寸以及轉彎半徑等參數需適應新的施工工藝、施工方法。

地下洞室開挖圍巖巖壁設置排水孔及排水管，組成面狀排水網絡，將少量透過外圍排水體系的滲漏水引至洞內排水溝或排水主管，本著從高到低的原則，逐層設置排水溝或排水管、地漏，形成內部排水體系，將廠內滲漏水引至廠房集水井內。為降低廠房內濕度，保證機電設備安全運行，在主廠房、主變壓器室四壁設置防潮隔墻，既可以利用圍巖與防潮隔墻之間的空間設置進排風通道，又可與廠房屋頂形成封閉的防潮體系[7，8]。

3 機組檢修排水

機組檢修排水系統的任務是當機組檢修時，排除機組進水球閥和尾水事故閘門之間流道中的積水，同時兼備引水隧洞或尾水隧洞檢修時，排除引水隧洞或尾水隧洞內積水的功能。

機組檢修排水一般采用檢修排水泵抽排至相鄰尾水隧洞或尾水調壓室內，也有的工程直接設置排水豎井抽排至自流排水洞或下水庫，排水量與輸水系統長度、管徑有直接相關關系，根據排水量確定排水泵設置。

主變壓器空載冷卻水、中壓空氣壓縮機冷卻水及變頻裝置冷卻水等，一般通過管路引至尾水隧洞或下水庫，出水口與取水口距離應符合規范要求。

4 設備故障滲漏排水

各種設備或元件故障產生的滲漏水一般均含有油污，如水泵水輪機頂蓋、尾水事故閘門液壓啟閉設備等，為避免對下游河道水體的污染，必須對含油污水進行油水分離措施處理，因此需對含油廢水和山體圍巖滲漏水進行分離設計，一般單獨設置集水井或集水坑收集含油污水，含油污水經處理裝置（包括油水分離器、浮油收集機、水上浮筒、回收油桶及油泵等）處理后再回用或排放。

隨著生態設計、綠色設計的理念加深，未來會對水電工程生產廢水的處理排放越來越重視，水電工程本身為清潔能源，其生產運行不會產生環境污染，但由于設備故障產生的含油廢水易與圍巖滲漏等其他滲漏水混合，以至于造成環境污染，因此，如何避免兩者混合，混合后如何采取措施進行處理，這是今后水電工程排水設計應該重視和研究的方向。

5 生活污水排水

抽水蓄能電站地下廠房一般采用“無人值班，少人值守”的運行管理模式，運行期間廠內人員較少，機組檢修期間人員會有所增加，生活污水較少，主要由衛生間和盥洗池處產生。

通常情況下，生活污水經一體化污水處理設備處理后，形成固體、液體分離，化糞池的上清液通過處理后達到國家一級排放標準后綜合利用，用于綠化或路面灑水等；固體淤泥采用專用運輸車定期運出。

需要注意的是，按照“抽水蓄能電站地下廠房通用設計”，目前蓄能電站存在多個生產副廠房：主副廠房、變副廠房、安裝間副廠房等，因此存在多個衛生間，再加上廠內均勻分布的多個盥洗池，生活污水的產生點較多，以往采用多點分散處理的方法，造成清掏點多、氣味大，污染廠內運行環境[3]。如何將分散處理變成集中處理，如何將清掏點避開主要工作區域，減少對環境的污染，這是地下廠房生活污水排放處理的關鍵問題，值得設計人員深入研究、探索。中水東北勘測設計研究有限責任公司在黑龍江荒溝抽水蓄能電站設計中，將生活污水集中引至與蝸殼層同高程的3號施工支洞內，進行集中處理后排放，有效地避免了清掏過程對主要工作區域的污染，獲得了實用新型專利。

6 地面排水出口設計

寒冷地區抽水蓄能電站排水系統布置與非寒冷地區布置基本一致，但在排水系統地面出口處應進行專門的防寒設計，保證洞外溫度為負溫的情況下，排水出口處不被凍結，排水通暢。對于自流排水洞、附屬洞室等地面出口范圍，根據工程特點在距離出口一定范圍內采用保溫排水溝、深埋暗溝等措施，在洞口設置保溫門或必要時增加采暖設備提高洞口溫度；自流排水洞或集中抽排排水管路出水口應設置保溫出水口或置于主河道凍層水面以下。

7 結束語

隨著經濟的發展和大量抽水蓄能電站建設的興起，抽水蓄能電站地下廠房洞室的排水設計越來越被重視，也成為抽水蓄能電站設計的關鍵技術問題，“以人為本，綠色設計”的理念，要求設計人員要更多地從安全、環保角度開展設計，油水分離措施、生活污水處理等，值得我們去探索、研究，把地下廠房建成安全、環保、舒適、和諧的工作場所。