抽水蓄能电站地下厂房防渗设计问题的探讨

吴 凯

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

0 前 言

抽水蓄能电站是电力系统中经济可靠、寿命周期长、容量大、技术成熟的储能装置，是新能源发展的重要组成部分，它可为电网的稳定提供保障，对电力系统乃至能源结构调整均具有重要意义［1-2］。随着新能源以及核电的发展，电网稳定与调峰压力日益增加等促进了对抽水蓄能电站的需求。近年来，我国抽水蓄能建设大幅提速，目前，我国抽水蓄能电站装机容量已跃居世界第一。通过配套建设抽水蓄能电站，可降低核电机组运行维护费用、延长机组寿命；有效减少风电场并网运行对电网的冲击，提高风电场和电网运行的协调性以及电网运行的安全稳定性。作为目前经济、清洁的大规模储能方式，抽水蓄能电站启停灵活、反应迅速，具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能。为此，国家“十三五”能源和电力规划都要求加快抽水蓄能电站建设，抽水蓄能电站将有力支撑国家“稳增长、调结构、惠民生”战略部署，为清洁能源消纳、保障电力系统安全稳定运行发挥极大的促进作用［2］。因此，做好抽水蓄能电站建设并保障其安全运行，不仅有利于更好地利用新能源资源，而且有利于提升电力系统综合效益。

然而，目前抽水蓄能电站还存在不少亟待解决的问题［3-6］，其中上库及下库渗漏是关键问题之一。由于抽水蓄能电站往往采用尾部式地下厂房布置，且地下厂房位于天然地下水位以下，在抽水蓄能电站地下厂房建成运行后，面临着上库及下库向地下厂房的渗流问题［7］。

抽水蓄能电站由于其枢纽布置的特殊性，因此枢纽渗流域形成也比较特殊。抽水蓄能电站下库渗流形成早于上库；下库渗流渗源丰富，是主流，而上库渗流由于上库库容小，渗源有限。

下库离地下厂房近，地下厂房深埋在天然地下水位以下，所以渗流对地下厂房的作用及危害均较大；与之相反，上库离地下厂房远，两者高差大，加之上库渗流量小，上库渗流只能融合于相应天然地下水，对地下厂房几乎不产生危害。

目前对诸如以上的问题研究较少，因此，作者采用水力学计算方法对抽水蓄能电站上库渗流特点、上库渗流过程提出一些看法，对上库防渗措施提出建议。另外，重点讨论了下库对地下厂房产生的渗流场及电站运行后天然地下水对地下厂房产生的危害，并提出相应的防渗措施供大家参考。

1 上库渗流分析

1.1 上库渗流特点及防渗措施

抽水蓄能电站上库不仅水量小，而且上库所处位置高，库盆底部离天然地下水位高差大，上库充水后，上库底部渗流与天然地下水无直接水力关联。库盆底部渗水主要经上库迎水面周边垂直向下及侧向扩散渗流。当库盆渗水未到天然地下水位时，库底渗流并不因地下水位上升而变化，这样的库底向天然地下水面渗流，可认为是稳定自由渗流，如图1所示。

由于抽水蓄能电站水资源宝贵，一般认为上库日渗流量应不超过总库容的0.2‰～0.5‰。所以需要对上库做防渗处理。

图1 抽水蓄能电站引水发电系统及地下厂房帷幕排水幕布置纵剖面示意

一般常用防渗处理措施有垂直帷幕及水平铺盖两种。垂直防渗帷幕主要是阻止水平向渗流削减其水头，减少渗流量。而上库渗流只有在侧扩时才产生少量水平渗流，所以如果设置帷幕灌浆，则防渗效果很差。另一方面，上库渗流主要受重力垂直库盆向下流动。为有效减少上库渗流，沿库底铺设防渗材料直接阻截渗流最为有效。因此，上库防渗措施采用在上库库盆底临水面设置水平铺盖是一种较好的方案。考虑到土工膜具有造价经济、抗渗性能好（k=10-11cm／s）及很好适应地基变形能力，所以建议采用土工膜水平铺盖［8］。

1.2 上库单位长度渗流量及铺盖防渗效果估计

抽水蓄能电站上库虽小，但其库型往往很复杂，用水力学方法去分析它的渗流状况很困难，因此，拟通过将上库剖面简化成如图1所示的梯形渠道剖面，对其渗流量进行分析。

假定上库设计为土工膜铺盖形式，土工膜厚度δ为0.004 m，土工膜渗透系数ks为8.64×10-9m／d，则上库单位长度的渗流量q1建议按文献［7］式（8-52）计算：

式中，q1为上库单位长度渗流量，m2／d；k为上库库底岩土渗透系数，m／d；h为上库水深，m；B为库顶水面宽度，B=b+2mh（b为库底宽度，m为边坡系数），m；A为系数，取决于 B／h及 m。

按图1中上库剖面相应参数：k=10-3m／d，b=150 m，B=250 m，h=50 m，上库边坡坡度1:1，m=1；式（1）中A由 B／h及 m=1查文献［2］中图8-4得2.6。按式（1）及上述数据计算得：q1=0.065 4 m2／d。

如果不设土工膜铺盖，则（1）式中δ=0，上库单位长度渗流量的计算式为式（1）的分子，即：q1=k（B+Ah）=10-3m／d×（250 m+2.6×50 m）=0.38 m2／d。可见，设置土工膜水平铺盖后，上库单位长度的渗流量约减少83%，防渗效果十分明显。

由于抽水蓄能电站运行时，上库水位变幅大，水位升降速度快，因此，须设计好库岸边坡，并需在库水位变幅区的土工膜铺盖下设排水垫层，保证库水位快速泄降时土工膜的安全。

2 上库渗流对地下厂房厂前区地下水位的影响

由于抽水蓄能电站上库库容小、水量有限、位置高、离天然地下水位高差大，上库蓄水后渗流与厂前区地下水短期内无直接联系。因此，上库渗流只能由向下侧扩的稳定自由渗流融入到厂前天然地下水。

另外，容纳上库渗流相应的天然地下水域非常广阔，因此，上库渗流的渗入只能引起两种渗流交汇区局部水位抬高（见图1），不可能改变厂前区原天然地下水流态，不会使相应天然地下水位大幅提高，更不会对地下厂房形成危害。

上库渗流与天然地下水混合后，其厂前区浸润线建议用裴布依公式估算，见文献［9］第12页式（1-36）。

上库渗流由于上述种种原因，只能使厂前区原天然地下水位略有抬高，且浸润线的高程较低，因此，如果将上库水位与下库水位连线作为抽水蓄能电站运行后引水系统渗流域浸润线，显然浸润线定得太高，这将导致引水系统外水压力拟定过大，对相应高压管段结构是不安全的；地下厂房厂前区运用排水幕，即可降低厂前区浸润线到天然地下水面，无需设置帷幕灌浆。

上库渗流流态及其融入厂前区地下水有关问题过程非常复杂，用上述水力学方法分析只是初步的，有些问题尚不能解决，因此，建议对重要的大型工程应进行三维有限元渗流分析［10-11］，仔细给出上库至地下厂房渗流浸润线，作为沿线引水系统及地下结构设计的依据。

3 下库及地下厂房渗流分析

3.1 电站运行后下库及地下厂房渗流状况

下库离地下厂房较近，下库因需要满足“抽水蓄能电站进出口应具有一定淹没深度”的要求，下库水位往往较高，因此，从下库有大量流向地下厂房的渗流（见图2）。

由于抽水蓄能电站地下厂房采用大容量的可逆水轮发电机组，其吸出高度在-20～-70 m之间，导致电站安装高程低，地下厂房深埋在天然地下水位之下，当厂房运行后，天然地下水位将产生大量向地下厂房洞室群的渗流。

3.2 下库流向地下厂房渗流的防渗措施

对于下库流向地下厂房渗流的防渗措施，笔者建议采取一般帷幕、排水幕，其主要任务是削减下库水位与天然地下水位产生的水头，帷幕主要在下库沿地下厂房迎水面布置（见图2），一面与下库拦河坝帷幕相接，另一面帷幕沿厂房周边深入岸内阻止绕岸渗流。紧随帷幕后面设置相应排水幕，通过帷幕及排水幕联合作用，控制幕后浸润线高程不高于相应的天然地下水位高程。

图2 抽水蓄能电站地下厂房帷幕排水幕布置示意

3.3 地下厂房长期埋深在天然地下水下的渗流分析

地下厂房长期深埋在天然地下水以下，使厂房结构承受很大外水压力，增加了设计难度和工程投资，特别是对洞室地质条件不好的地段，渗流会对洞顶、洞壁围岩长期侵蚀，使围岩力学指标恶化，进而对洞顶、洞壁安全造成威胁。另外，渗水会使整个地下厂房环境潮湿，不仅对电器设备运行不利，也对人体健康会造成不良后果。所以，抽水蓄能电站厂房深埋在相应的天然地下水面以下是一个需要重点分析与解决的问题。

要改善上述状况，需大幅降低厂周的天然地下水位，例如将厂周天然地下水浸润线在洞壁的逸出点高程降低至发电机房高程以下，则地下厂房发电机层以上的洞顶及大部分洞壁可保持比较干燥，不受渗水侵蚀，相应电器设备及人员将在较干燥的环境下运行或工作。因此，上述地下厂房长期安全运行问题及电站运行环境将大大改善。

对于降低厂周天然地下水位措施，笔者建议设置围绕厂房四周垂直的排水幕，由排水幕收集渗水至排水幕廊道系统抽排出厂外。采用这种排水措施，排水效果比较可靠，施工方便，施工干扰小，且比较经济，特别是运行后发现排水未达到预期效果时，可通过在排水廊道内补打排水孔予以解决。

要使厂周天然地下水浸润线在洞壁的逸出点降低至发电机高程以下，由于高差很大，往往需要布置两圈或多圈环形排水幕系统，连续分层降低天然地下水位。在设计排水幕布置时，要控制渗流域浸润线渗透比降，避免洞周围岩产生机械管涌。为了使厂周排水系统收集的大量渗水排出厂外，需建立渗流水抽排系统。由于抽排系统汇集的渗水很干净，而且水量大，可考虑利用该部分渗水作为机组冷却水和生活用水。例如黄河小浪底电站就较好地运用坝后渗水在汛期作为机组的冷却水。

4 结 论

（1）上库渗流是由向下侧扩的稳定自由渗流融入厂前天然地下水的渗流过程，只能引起两种渗流交汇区局部水位抬高，而对广大的厂前天然地下水影响很小，如果将上库水位与下库水位连线作为抽水蓄能电站运行后引水系统渗流域的浸润线是不合适的。

（2）土工膜铺盖抗渗性能好，有很好地适应地基变形能力，经济实惠，是上库较好的防渗措施。

（3）为改善地下厂房埋深在天然地下水位以下产生的弊端，需大幅抽降厂周的天然地下水位。用多圈、多层连续分层降低厂周天然地下水位是可行的、且容易实现的。有了这一排水幕、排水廊道及抽排系统，可促进地下厂房长期安全运行，改善电站运行条件，也可为今后进一步完善厂周排水效果创造条件。

（4）由于抽水蓄能电站地下厂房布置的特殊性及结构的复杂性，加之目前尚未见到有关设计准则，更无实测资料印证，因此，为进一步探讨问题，需进行三向渗流有限元分析，加深对问题的认识，并给出厂周渗流分布及有关渗流浸润线，为厂周防渗及厂房结构设计的依据。