廣州抽水蓄能電站A廠滲排水方案分析

段自力

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概況

廣州抽水蓄能電站(以下簡稱廣蓄電廠)是我國第一座高水頭、大容量純抽水蓄能電站，裝機容量為2 400 MW，分為A、B兩個廠房，各裝機1 200 MW。A廠于1994年全面竣工投產，其地下廠房由主廠房、安裝間和副廠房組成，廠內共有4臺300 MW立軸單級可逆混流式水泵水輪機發電電動機機組；機組布置在廠房結構中部，由蝸殼外包砼、機墩、風罩等結構支撐。廠房各層結構采用板、梁、柱結構，蝸殼層上、下游側均設置1 m厚砼邊墻，水泵水輪機層以上設有框架柱，柱與柱之間砌筑180 mm厚防潮墻，墻與巖面之間形成通風通道及電纜通道[2-3]。

2 分析方法

為全面了解電廠的滲漏水和排水情況，對電廠的原排水系統設計進行了全面梳理和現場勘驗。

2.1 地下廠房原設計排水系統的組成

為了減少地下水和高壓滲漏水滲進廠房，確保洞室圍巖穩定安全，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，地下廠房同時布置了內、外排水系統[3]。

1) 廠房外圍排水廊道和排水孔系統

圍繞廠房和主變室設置了上、下兩層排水廊道，上游排水廊道中心線距廠房上游邊墻、西端墻及主變室下游墻11 m，離廠房東端墻13.59 m，呈長方形環形布置，上、下兩層鉛直對齊布置。排水廊道斷面為城門洞型，高3 m，寬2.5 m，并設有排水溝。上、下層排水廊道自上而下布設了系統排水孔，以形成包圍廠房和主變室的排水帷幕。

施工中，由于受斷層影響，位于安裝間西端的下層排水廊道未與4#施工支洞貫通，長約30 m，使下層排水廊道形成了兩條盲洞，排水路徑長，且排水帷幕的缺口也降低了排水系統的完整性。

2) 廠房內部排水系統

A廠廠房在水泵水輪機層以上為框架結構，在框架柱間砌筑一道180 mm厚防潮墻與柱內邊齊平，為使巖石滲水引至集水井，每層在防潮墻內靠巖面設排水溝，排水溝內的水通過柱內埋設的水平鑄鐵管流到每層的立管中排至集水井內。水泵水輪機層以下廠房為連續混凝土邊墻，上層排水立管通過埋設在砼墻內排至集水井內，蝸殼層上游邊墻處設有排水溝，排水溝內按一定間距埋設有地漏，通過地漏將排水溝內的水引至集水井中。集水廊道布置在主廠房蝸殼層199.91 m高程以下，集水井處于整個廠房最低處，共設兩個，分別布置在1#及4#機兩端，大小為9.5 m×3 m，兩個集水井通過3 m×3.8 m的集水廊道連接。每個集水井內配置3臺300 m3/h的滲漏排水泵。

2.2 廠房排水系統實地勘驗

1) 廠房外排水系統調查與察勘

2010年4月22日—5月26日，廣州蓄能電廠對A廠下層排水廊道的158個排水孔進行掃孔疏通，并在排水孔孔口更新水壓測量設施。施工完成后，經現場調查，下層排水廊道除3#引支上方的110號排水孔有股涌水，其他各孔均有一定積水，且110號排水孔排水量在800～820 mL/s[4]。A廠下層排水廊道靠近廠房部分排水孔水位見圖1。

圖1 A廠下層排水廊道上游側部分排水孔水位示意

另外在早期察勘過程中留下303探洞的主探洞 P1+310.60～P1+538.50段，位置正好位于排水廊道上方，底板高程為303.82～302.01 m，施工期也曾鉆設了32個排水孔。經分析32個排水孔的實測資料也可作為廠房附近水文地質條件分析的資料。經調查，獲取303探洞內引支鋼管段附近的32個排水孔中12孔的實測資料，其余20個孔由于孔口堵塞和電測水位計量程等原因未取得數據。同時也獲取了探洞洞口的三角堰流量。

2) 廠房內排水系統及滲漏水情況調查

廠房在水泵水輪機層及以上樓層的上下游邊墻在發電機層、中間層墻面基本干燥，沒有發現滲水、滴水現象。但水泵水輪機層上游墻立管基本無水或已堵塞，柱內水平埋設的排水管幾乎全部堵塞。部分機組段墻面滲水嚴重，有乳黃色晶體狀的物體吸附在墻內側巖壁上，但防潮墻內的排水溝間或有積水現象。防潮墻內通風孔壁銹蝕并有乳黃色晶體狀的物體附著。值得注意的是：3#球閥吊物孔孔口上游飄板側邊及底面滲水嚴重，板邊結垢，有滴狀滲水，抹灰層明顯剝落，明顯異常。

廠房滲水最嚴重的部位在蝸殼層，尤其是在上游邊墻，且4臺機組滲水部位基本一致，具體集中在：引支鋼管與混凝土墻接觸面；球閥操作水管與混凝土墻接觸面；混凝土缺陷(裂縫、施工縫及結構縫位置)；墻體風口。其中蝸殼進水鋼管與墻接觸處和球閥操作水管與與混凝土墻接觸面滲漏最為嚴重，球閥操作水管路穿墻段滴水嚴重，管路下加設的接水托盤已全部被晶體狀析出物填滿(見圖2)，部分上游邊墻風口有滲水并結垢(見圖3)；蝸殼層上游邊墻排水溝內有積水，埋設的地漏有部分堵塞。

圖2 4#機組球閥操作水管與上游邊墻滲水情況示意

圖3 上游邊墻風口滲水情況示意

3 結果與分析

3.1 廠房區水文地質條件變化

A廠地下廠房洞室地下水及廠房周邊排水廊道排水量多年來基本穩定，但近年來，主要在3#引支鋼管附近的下層排水廊道的排水孔的涌水急劇增大。廠房邊墻滲水情況和中層排水廊道排水孔涌水情況出現較明顯的變化，應與廠房上游邊墻圍巖的水文地質條件變化有關，可能的變化有：

1) 以f7 012斷層的為代表的廠房區北西向斷層裂隙組，因與高岔、排水洞和廠房均相通，可能造成高岔內高壓水沿斷層形成水力劈裂[5]。

2) 引支鋼管灌漿封堵孔漏水，造成引支鋼管內高壓水外泄，造成上游邊墻較大的水壓力。或引支鋼管外排水失效，高壓岔管內高壓水通過混凝土裂縫，沿引支鋼管與混凝土接觸面向廠房方向滲漏。

據現有資料分析，f7 012斷層主要影響廠房西側端墻及4#機組段，而4#多年滲水變化不大的情況不符，推斷斷層影響造成邊墻滲水的可能性不大。而現場可以觀察到引支鋼管及與引支鋼管相連球閥操作水管周邊滲水，呈滴水狀，說明廠房邊墻與鋼管間的滲漏通道是存在的。另引支鋼管的固結灌漿孔排距為3 m，每排8～9個，沿線梅花型布置，每條引支鋼管有眾多固結灌漿開孔，約300多個，存在鋼管焊接不嚴密，年久銹蝕的可能。通過現場查勘，球閥上游孔口上游飄板側邊及底面滲水嚴重，抹灰層明顯剝落，3#機引支鋼管附近的下層排水廊道的排水孔水量激增，其它部位排水孔均無明顯滲漏水等情況驗證，3#機引支鋼管滲漏水的可能性較大。具體的原因需進一步通過水道放空，現場勘驗進行驗證。

3.2 廠房內原排水設計失效

由于部分排水系統在防潮墻內和暗埋的，未能全面勘驗到，但根據現有現場調查資料：廠房內原排水設計方案基本失效，具體原因如下：

1) 排水立管側向開孔采用火工燒焊開孔，開孔且較小，遇滲漏水易于結垢堵塞孔口。

2) 水泵水輪機水輪機層防潮墻內排水溝失效。排水溝內垃圾較多，且柱間埋管大多結垢堵塞，不能形成系統排水，造成上游防潮墻內部分排水溝積水，下游防潮墻內有水滲出，在樓板面積水。

3) 電廠排水改造方案部分失效，電廠曾針對原設計方案失效，相應制定了疏通，改用明管等補救措施。但疏通方案費用高且難以完全可靠疏通，改建排水明管也部分堵塞，造成排水改造方案部分失效。

4) 對滲透水結垢沉積速度估計不足，從本次查勘發現，電廠對排水系統疏通短短幾年，就又發現排水管路堵塞，說明滲透水結垢速度超過預期，在排水改造設計中應重視該方面問題。

4 防排水方案探討

4.1 防排水設計思路

對于地下工程，應該遵循以防為主，以排為輔的基本原則，應優先研究外排水系統的防水方案，但電站本著按先易后難的原則，采取疏通廠房建筑排水系統以及在廠房邊墻采取堵排結合的表層處理等措施，先對廠房內排水系統進行改造的防排水方案。目前已實施，取得了一定效果。但為徹底處理廠房墻體滲水問題，降低廠區地下水位高程，尚需考慮結合現有的地下洞室作為施工通道，研究增設一條A廠下層排水廊道和排水帷幕的廠房外排水方案，盡量降低廠房區域地下水位[6]。

4.2 廠房外防水方案研究

為較好的解決廠房上游邊墻滲漏水問題，基于前期對竣工資料的查閱、現場查勘和現有觀測資料的收集，擬定3個增設排水洞方案進行比選[7]。

1) 新增底層排水洞方案(以下簡稱方案1)

在2#施工支洞樁號0+458.70進洞向右側新開1個排水洞，以8%的縱坡自東向西以北東80°方位開挖。經半徑為30 m的回頭彎排水洞以北東80°方向向東開挖，并近垂直向從2#施工支洞下方通過。廠房上游側新增排水洞與廠房原下層排水廊道增打排水孔，形成排水帷幕，將219.93～184 m高程的廠房上游側圍巖滲水進行攔截。

2) 新增探洞底層排水洞方案(引支管上方方案，以下簡稱方案2)

同樣，在2#施工支洞樁號0+458.70進洞向右側新開1個排水洞，以8%的縱坡上坡開挖，以30 m的轉彎半徑自西向東以北東65°方位開挖，平面位置與303探洞位置重合。廠房上游側新增排水洞與原探洞垂直排水孔貫通，原有排水孔如有堵塞，則進行疏通，并按3 m間距，在探洞增打直徑75 mm的排水孔，形成排水帷幕，將210～303 m高程的探洞上游側圍巖滲水進行攔截。根據本方案的初步設計，引水鋼支管洞頂距排水洞洞底凈距太小，僅約2.9 m。同時進一步查閱資料： 2#引水鋼支管開挖底板高程在施工中由199.616 m提高至202.616 m，相應頂拱也提高3 m進行開挖，則2#引水鋼支管洞頂高程為210.404 m。本方案實際開挖將影響到2#引支鋼管。

3) 新增探洞底層排水洞方案(引支管下方方案，以下簡稱方案3)

方案3是在方案2的基礎上，采用方案1的思路進行了改進，即：仍在2#施工支洞樁號0+458.70進洞向右側新開1個排水洞，以8%的縱坡自東向西以北東80°方位開挖。經半徑為30 m的回頭彎排水洞以北東80°方向向東開挖，并近垂直向從2#施工支洞下方通過。經過2#施工支洞后，采用兩個半徑為20 m的轉彎后，轉向自西向東，向北東65°方位開挖，平面位置與303探洞位置重合。上游側新增排水洞與原探洞垂直排水孔貫通，堵塞孔進行疏通，并按3 m間距，在探洞增打直徑75 mm的排水孔，形成排水帷幕，將210～303 m高程的探洞上游側圍巖滲水進行攔截。3種方案平立面布置見圖4、圖5所示。

圖4 新增排水洞各方案平面布置示意(單位：m)

圖5 新增排水洞各方案立面示意

4) 各方案比較

在布置方面，方案1新增排水洞高程較低，可更好地降低廠房上游圍巖地下水位，較好的解決廠房上游邊墻滲水問題；距離高壓岔管距離較遠，對巖石抗水力劈裂較為有利。方案2新增排水洞距離廠房邊墻較方案1和方案3遠，對廠房安全有利；排水洞均采用上坡洞，有利于收集滲水，節省抽水費用。但方案2高程最高，降低廠房上游圍巖地下水位效果不如方案1和方案3，解決廠房上游邊墻滲水問題效果有限。從探洞到排水洞垂直高差約90 m，排水孔從探洞高程掃孔和增打排水孔，為防止打到引支鋼管，對鉆孔孔斜控制要求較方案1高。由于建設時施工方案的修改，方案2與2#引支隧洞洞頂交叉，對電站的安全運行影響最大。方案3新增排水洞高程最低，可降低廠房上游圍巖地下水位，較好的解決廠房上游邊墻滲水問題；距離高壓岔管距離也較遠，對巖石抗水力劈裂也較為有利。

在施工方面，以上3個方案均距離廠房和引支隧洞較近，雖然可采取控制爆破等施工技術方案，對已在運行的電站的重要部位開挖，仍存在較大風險。施工爆破在對現有設備設施的影響方面，主要取決于兩個因素：① 保證洞室之間圍巖穩定；② 保證增設排水洞在施工爆破時能不影響A廠的正常運行和發電。根據《廣州抽水蓄能電站二期地下廠房工程開挖爆破施工對A廠廠房已運行機組振動影響的實測與安全控制研究報告》[8]和爆破地震安全距離經驗公式[9]：

(1)

爆破地點藥量分布的幾何中心至被保護對象的距離R主要受炸藥量Q的控制(見表1所示)。由表1可知：以上3方案洞挖如采用鉆爆法均難以完全避免對A廠廠房的現有設備設施的影響，須考慮采取如靜壓爆破等特殊爆破方案。

表1 廣蓄A廠爆破地震安全距離計算

在滲透穩定安全方面，目前國內一般以水力梯度的大小來初步判斷，參考廣蓄電站建設經驗，選擇水力梯度為6作為初步判斷的經驗值[10]。從目前3個方案的布置來看，方案1距離高岔最遠，水力梯度小于6.0；方案2距離高壓岔管最近點約75.0 m，水力梯度約8.5；方案3距離高壓岔管最近點約82.0 m，水力梯度約7.7，小于8.0。方案1與其他兩個方案相比較，水力梯度最小，且洞室布置在5#施工支洞下游側，理論上發生水力劈裂的概率相對較低。

在對高岔管及廠房邊墻的影響方面，以上3個方案均能較好的解決廠房上游邊墻滲水問題，但均存在一定的風險：3方案均需穿過斷層f7 012，斷層f7 012是擠壓性斷層，走向和傾角都是扭曲的。而f7 012斷層的為代表的廠房區北西向斷層裂隙組均與高岔、排水洞和廠房相通，開挖排水洞可能造成高岔內高壓水沿斷層形成水力劈裂，造成大量透水，易造成施工透水事故[9]。

綜上所述，方案3能較好兼顧降低廠房上游地下水位及滲透穩定安全，較好地解決廠房上游邊墻滲漏水問題，但仍需慎重考慮施工開挖中可能遇到的高壓水外滲劈裂和鉆爆法爆破振動問題。新增排水洞能較徹底解決廠房滲水量較大的問題，但施工難度較大，對電站安全運行造成一定影響，考慮施工期間的透水風險以及廣蓄電站在電網的重要作用，應慎重采用該方案。另外，根據下層排水廊道排水孔的水位觀測，近兩年在3#引支鋼管上方排水孔大量涌水，且廠房上游邊墻引支鋼管和球閥操作水管滲水嚴重；可能與引支鋼管灌漿封堵孔漏水有關。建議在采用增設排水洞方案前，先對引支鋼管有固結灌漿孔進行檢查。在確認未出現滲漏點的情況下，委托專業爆破公司對新增排水洞的施工方案進行專題研究，制訂詳細的施工方案和安全預案。

5 結語

2013年12月24日，廣蓄組織召開地下廠房墻體滲水處理專家咨詢會，對廣蓄地廠房墻體滲水處理進行咨詢。2014年3月至9月期間，根據專家會建議，在增設下層排水廊道之前，按先易后難的原則，先疏通廠房建筑排水系統，以及在廠房邊墻采取堵排結合的表層處理措施，有序疏導滲水。處理完畢后，廠房邊墻整體外觀效果良好且無滲水，集水溝及通風通道等區域已無積水且排水通暢。廠房滲水處理完成以后，303探洞內可觀察排水孔，絕大部分排水孔水位有大幅下降，僅有1個排水孔水位有所上升；下層排水廊道內排水孔，#110排水孔已無明水，其他可觀察排水孔水位存在波動且均底于地面高程，但沒有一致規律表明水位有下降趨勢；A廠高壓岔管地下水位，并未發現明顯變化趨勢。由于測值序列較短，以及排水孔和滲壓計設置及安裝位置的局限性，排水孔水位及高岔地下水位是否由于受滲水處理的影響而發生變化，目前尚無法確定。因此，電廠決定新增排水洞方案可利用引水隧洞排空機會，擇機實施。