抽水蓄能电站地下厂房洞室系统排水设计浅析

逄立辉 ，于生波 ，房恩泽 ，尚玉超

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林省长春市 130021；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林省长春市 130021）

0 引言

抽水蓄能电站地下厂房洞室排水主要包括围岩渗漏水、设备故障或检修渗漏水、检修排水及少量生活污水，其中来自山体地下水以及输水隧洞的渗漏水为地下厂房洞室主要排水对象。地下厂房洞室一般深埋于地下，地下水埋深较深，水文地质条件复杂，普遍存在渗漏问题，尤其是地下水较为丰富或节理裂隙发育的地区，渗漏问题更为突出，因此，为了避免水淹厂房事故发生，减少地下水渗漏对围岩稳定的不利影响，降低厂房边墙所承受的渗透压力，改善地下厂房运行环境，做好洞室系统排水设计尤为重要。

随着技术进步和环保理念的加强，为保护好绿水青山，抽水蓄能电站地下厂房洞室排水需考虑对含油废水和山体围岩渗漏水进行分离设计，含油废水须经过油水分离措施处理后再回用或排放；寒冷地区抽水蓄能电站的地下洞室排水需考虑冬季结冰问题，靠近附属洞室出口的排水沟、排水洞（管）的地面出口等处，均应考虑防冰冻措施。

1 地下洞室群围岩渗水量估算

地下厂房的开挖改变了地下水原始的渗流场，形成大型地下水降落漏斗，使地下水水力坡降增大，向地下厂房基坑集中，影响围岩稳定性。为确保地下厂房施工期与运行期安全，有必要计算渗漏水量，为排水系统设计提供依据。

国内外大型地下洞室群，地下洞室围岩渗漏水量研究一般采用解析法和数值法相结合的方式。

（1） “解析法”计算。

解析法包括水均衡法、大井法和狭长坑道法等，地下水渗漏量估算重点在于岩体渗透系数的选取，应充分考虑地下水的埋藏条件、类型、活动特点、岩体的渗透性等因素[1-4]。

（2） 三维渗流数值计算。

数值法通常为三维渗流数值模拟分析，计算中山体围岩按各向异性、非均质的连续介质考虑，稳定渗流曲线服从达西定律，把所研究区域进行离散化，建立插值函数，采用多种类型的等参数单元，最后形成求解各节点水头值的线性代数方程组[2]。

为简化模拟计算，通常可建立两个三维有限元计算分析的渗流模型，一个是可以模拟从上水库进出水口到下水库进出水口整个地下洞室群大范围的完整渗流场模型 （“大模型”），另一个是可详细模拟地下厂房系统结构和渗控工程措施的地下洞室群的精细模型（ “小模型”），同时建立两类模型的转换关系。

根据上述两种渗漏水量估算成果，结合地质情况、附属洞室布置情况，以及勘察过程中探洞等地下围岩渗漏情况，综合分析，确定地下洞室围岩渗漏水量。

2 围岩渗漏水排水方案设计

地下厂房洞室围岩渗漏水排水一般采用自流排水或机械抽排，其中自流排水又分为完全自流和半自流两种，完全自流是指全部围岩渗漏水均通过自流排水洞排出，半自流一般是指“高水自流、低水抽排”方式。在厂房洞室附近一定区域内有深切邻谷或下游河道陡降、转弯较大等有利地形条件时，应优先选用自流排水，有利于厂房防淹且可以节省运行费用[6]。

厂房渗漏排水系统一般采用集中排水，无论是自流排水或机械抽排，均设置外围排水及内部排水两套渗漏排水体系，两套排水系统最终均汇至厂房渗漏集水井或集水坑，再通过自流排水或机械抽排进行排放、回用。

厂房洞室群的主体洞室周边布置排水廊道及截排水帷幕，形成一个封闭的、互相贯通的排水体系，将大部分地下渗漏水被拦截在主体洞室外围，即为外围排水体系。目前抽水蓄能电站一般在地下厂房主体洞室外围设置3层排水廊道[5]：上层、中层和下层，考虑施工出渣、锚索支护等因素，分别设置在主厂房拱脚高程、发电机层高程以及尾水管底板高程。若厂房区域水文地质条件复杂，围岩节理、裂隙发育，出现地下水丰富的情况，可在厂房顶拱以上增设1～2层排水廊道，以增加截排水能力。 排水廊道断面尺寸一般采用3m×3m，主要是考虑常规的施工方法和施工设备而确定的，为了加快排水廊道施工进度、缩短工期、保障施工安全，目前国内正在研发用于排水廊道施工的全断面隧道掘进机（TBM），待推广后，排水廊道断面型式、尺寸以及转弯半径等参数需适应新的施工工艺、施工方法。

地下洞室开挖围岩岩壁设置排水孔及排水管，组成面状排水网络，将少量透过外围排水体系的渗漏水引至洞内排水沟或排水主管，本着从高到低的原则，逐层设置排水沟或排水管、地漏，形成内部排水体系，将厂内渗漏水引至厂房集水井内。为降低厂房内湿度，保证机电设备安全运行，在主厂房、主变压器室四壁设置防潮隔墙，既可以利用围岩与防潮隔墙之间的空间设置进排风通道，又可与厂房屋顶形成封闭的防潮体系[7，8]。

3 机组检修排水

机组检修排水系统的任务是当机组检修时，排除机组进水球阀和尾水事故闸门之间流道中的积水，同时兼备引水隧洞或尾水隧洞检修时，排除引水隧洞或尾水隧洞内积水的功能。

机组检修排水一般采用检修排水泵抽排至相邻尾水隧洞或尾水调压室内，也有的工程直接设置排水竖井抽排至自流排水洞或下水库，排水量与输水系统长度、管径有直接相关关系，根据排水量确定排水泵设置。

主变压器空载冷却水、中压空气压缩机冷却水及变频装置冷却水等，一般通过管路引至尾水隧洞或下水库，出水口与取水口距离应符合规范要求。

4 设备故障渗漏排水

各种设备或元件故障产生的渗漏水一般均含有油污，如水泵水轮机顶盖、尾水事故闸门液压启闭设备等，为避免对下游河道水体的污染，必须对含油污水进行油水分离措施处理，因此需对含油废水和山体围岩渗漏水进行分离设计，一般单独设置集水井或集水坑收集含油污水，含油污水经处理装置（包括油水分离器、浮油收集机、水上浮筒、回收油桶及油泵等）处理后再回用或排放。

随着生态设计、绿色设计的理念加深，未来会对水电工程生产废水的处理排放越来越重视，水电工程本身为清洁能源，其生产运行不会产生环境污染，但由于设备故障产生的含油废水易与围岩渗漏等其他渗漏水混合，以至于造成环境污染，因此，如何避免两者混合，混合后如何采取措施进行处理，这是今后水电工程排水设计应该重视和研究的方向。

5 生活污水排水

抽水蓄能电站地下厂房一般采用“无人值班，少人值守”的运行管理模式，运行期间厂内人员较少，机组检修期间人员会有所增加，生活污水较少，主要由卫生间和盥洗池处产生。

通常情况下，生活污水经一体化污水处理设备处理后，形成固体、液体分离，化粪池的上清液通过处理后达到国家一级排放标准后综合利用，用于绿化或路面洒水等；固体淤泥采用专用运输车定期运出。

需要注意的是，按照“抽水蓄能电站地下厂房通用设计”，目前蓄能电站存在多个生产副厂房：主副厂房、变副厂房、安装间副厂房等，因此存在多个卫生间，再加上厂内均匀分布的多个盥洗池，生活污水的产生点较多，以往采用多点分散处理的方法，造成清掏点多、气味大，污染厂内运行环境[3]。如何将分散处理变成集中处理，如何将清掏点避开主要工作区域，减少对环境的污染，这是地下厂房生活污水排放处理的关键问题，值得设计人员深入研究、探索。中水东北勘测设计研究有限责任公司在黑龙江荒沟抽水蓄能电站设计中，将生活污水集中引至与蜗壳层同高程的3号施工支洞内，进行集中处理后排放，有效地避免了清掏过程对主要工作区域的污染，获得了实用新型专利。

6 地面排水出口设计

寒冷地区抽水蓄能电站排水系统布置与非寒冷地区布置基本一致，但在排水系统地面出口处应进行专门的防寒设计，保证洞外温度为负温的情况下，排水出口处不被冻结，排水通畅。对于自流排水洞、附属洞室等地面出口范围，根据工程特点在距离出口一定范围内采用保温排水沟、深埋暗沟等措施，在洞口设置保温门或必要时增加采暖设备提高洞口温度；自流排水洞或集中抽排排水管路出水口应设置保温出水口或置于主河道冻层水面以下。

7 结束语

随着经济的发展和大量抽水蓄能电站建设的兴起，抽水蓄能电站地下厂房洞室的排水设计越来越被重视，也成为抽水蓄能电站设计的关键技术问题，“以人为本，绿色设计”的理念，要求设计人员要更多地从安全、环保角度开展设计，油水分离措施、生活污水处理等，值得我们去探索、研究，把地下厂房建成安全、环保、舒适、和谐的工作场所。