段自力

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)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(jī)容量為2 400 MW，分為A、B兩個(gè)廠房，各裝機(jī)1 200 MW。A廠于1994年全面竣工投產(chǎn)，其地下廠房由主廠房、安裝間和副廠房組成，廠內(nèi)共有4臺(tái)300 MW立軸單級(jí)可逆混流式水泵水輪機(jī)發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組；機(jī)組布置在廠房結(jié)構(gòu)中部，由蝸殼外包砼、機(jī)墩、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)支撐。廠房各層結(jié)構(gòu)采用板、梁、柱結(jié)構(gòu)，蝸殼層上、下游側(cè)均設(shè)置1 m厚砼邊墻，水泵水輪機(jī)層以上設(shè)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(fēng)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(duì)電廠的原排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面梳理和現(xiàn)場勘驗(yàn)。

2.1 地下廠房原設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的組成

為了減少地下水和高壓滲漏水滲進(jìn)廠房，確保洞室圍巖穩(wěn)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(yùn)行環(huán)境，地下廠房同時(shí)布置了內(nèi)、外排水系統(tǒng)[3]。

1) 廠房外圍排水廊道和排水孔系統(tǒng)

圍繞廠房和主變室設(shè)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(huán)形布置，上、下兩層鉛直對(duì)齊布置。排水廊道斷面為城門洞型，高3 m，寬2.5 m，并設(shè)有排水溝。上、下層排水廊道自上而下布設(shè)了系統(tǒng)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(tǒng)的完整性。

2) 廠房內(nèi)部排水系統(tǒng)

A廠廠房在水泵水輪機(jī)層以上為框架結(jié)構(gòu)，在框架柱間砌筑一道180 mm厚防潮墻與柱內(nèi)邊齊平，為使巖石滲水引至集水井，每層在防潮墻內(nèi)靠巖面設(shè)排水溝，排水溝內(nèi)的水通過柱內(nèi)埋設(shè)的水平鑄鐵管流到每層的立管中排至集水井內(nèi)。水泵水輪機(jī)層以下廠房為連續(xù)混凝土邊墻，上層排水立管通過埋設(shè)在砼墻內(nèi)排至集水井內(nèi)，蝸殼層上游邊墻處設(shè)有排水溝，排水溝內(nèi)按一定間距埋設(shè)有地漏，通過地漏將排水溝內(nèi)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(gè)廠房最低處，共設(shè)兩個(gè)，分別布置在1#及4#機(jī)兩端，大小為9.5 m×3 m，兩個(gè)集水井通過3 m×3.8 m的集水廊道連接。每個(gè)集水井內(nèi)配置3臺(tái)300 m3/h的滲漏排水泵。

2.2 廠房排水系統(tǒng)實(shí)地勘驗(yàn)

1) 廠房外排水系統(tǒng)調(diào)查與察勘

2010年4月22日—5月26日，廣州蓄能電廠對(duì)A廠下層排水廊道的158個(gè)排水孔進(jìn)行掃孔疏通，并在排水孔孔口更新水壓測量設(shè)施。施工完成后，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，下層排水廊道除3#引支上方的110號(hào)排水孔有股涌水，其他各孔均有一定積水，且110號(hào)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(cè)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(shè)了32個(gè)排水孔。經(jīng)分析32個(gè)排水孔的實(shí)測資料也可作為廠房附近水文地質(zhì)條件分析的資料。經(jīng)調(diào)查，獲取303探洞內(nèi)引支鋼管段附近的32個(gè)排水孔中12孔的實(shí)測資料，其余20個(gè)孔由于孔口堵塞和電測水位計(jì)量程等原因未取得數(shù)據(jù)。同時(shí)也獲取了探洞洞口的三角堰流量。

2) 廠房內(nèi)排水系統(tǒng)及滲漏水情況調(diào)查

廠房在水泵水輪機(jī)層及以上樓層的上下游邊墻在發(fā)電機(jī)層、中間層墻面基本干燥，沒有發(fā)現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象。但水泵水輪機(jī)層上游墻立管基本無水或已堵塞，柱內(nèi)水平埋設(shè)的排水管幾乎全部堵塞。部分機(jī)組段墻面滲水嚴(yán)重，有乳黃色晶體狀的物體吸附在墻內(nèi)側(cè)巖壁上，但防潮墻內(nèi)的排水溝間或有積水現(xiàn)象。防潮墻內(nèi)通風(fēng)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(cè)邊及底面滲水嚴(yán)重，板邊結(jié)垢，有滴狀滲水，抹灰層明顯剝落，明顯異常。

廠房滲水最嚴(yán)重的部位在蝸殼層，尤其是在上游邊墻，且4臺(tái)機(jī)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(jié)構(gòu)縫位置)；墻體風(fēng)口。其中蝸殼進(jìn)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(yán)重，球閥操作水管路穿墻段滴水嚴(yán)重，管路下加設(shè)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(fēng)口有滲水并結(jié)垢(見圖3)；蝸殼層上游邊墻排水溝內(nèi)有積水，埋設(shè)的地漏有部分堵塞。

圖2 4#機(jī)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(fēng)口滲水情況示意

3 結(jié)果與分析

3.1 廠房區(qū)水文地質(zhì)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(wěn)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(xiàn)較明顯的變化，應(yīng)與廠房上游邊墻圍巖的水文地質(zhì)條件變化有關(guān)，可能的變化有：

1) 以f7 012斷層的為代表的廠房區(qū)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(nèi)高壓水沿?cái)鄬有纬伤ε裑5]。

2) 引支鋼管灌漿封堵孔漏水，造成引支鋼管內(nèi)高壓水外泄，造成上游邊墻較大的水壓力?；蛞т摴芡馀潘?，高壓岔管內(nèi)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(jù)現(xiàn)有資料分析，f7 012斷層主要影響廠房西側(cè)端墻及4#機(jī)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(xiàn)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(jié)灌漿孔排距為3 m，每排8～9個(gè)，沿線梅花型布置，每條引支鋼管有眾多固結(jié)灌漿開孔，約300多個(gè)，存在鋼管焊接不嚴(yán)密，年久銹蝕的可能。通過現(xiàn)場查勘，球閥上游孔口上游飄板側(cè)邊及底面滲水嚴(yán)重，抹灰層明顯剝落，3#機(jī)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(yàn)證，3#機(jī)引支鋼管滲漏水的可能性較大。具體的原因需進(jìn)一步通過水道放空，現(xiàn)場勘驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 廠房內(nèi)原排水設(shè)計(jì)失效

由于部分排水系統(tǒng)在防潮墻內(nèi)和暗埋的，未能全面勘驗(yàn)到，但根據(jù)現(xiàn)有現(xiàn)場調(diào)查資料：廠房內(nèi)原排水設(shè)計(jì)方案基本失效，具體原因如下：

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

2) 水泵水輪機(jī)水輪機(jī)層防潮墻內(nèi)排水溝失效。排水溝內(nèi)垃圾較多，且柱間埋管大多結(jié)垢堵塞，不能形成系統(tǒng)排水，造成上游防潮墻內(nèi)部分排水溝積水，下游防潮墻內(nèi)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(duì)原設(shè)計(jì)方案失效，相應(yīng)制定了疏通，改用明管等補(bǔ)救措施。但疏通方案費(fèi)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(duì)滲透水結(jié)垢沉積速度估計(jì)不足，從本次查勘發(fā)現(xiàn)，電廠對(duì)排水系統(tǒng)疏通短短幾年，就又發(fā)現(xiàn)排水管路堵塞，說明滲透水結(jié)垢速度超過預(yù)期，在排水改造設(shè)計(jì)中應(yīng)重視該方面問題。

4 防排水方案探討

4.1 防排水設(shè)計(jì)思路

對(duì)于地下工程，應(yīng)該遵循以防為主，以排為輔的基本原則，應(yīng)優(yōu)先研究外排水系統(tǒng)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(tǒng)以及在廠房邊墻采取堵排結(jié)合的表層處理等措施，先對(duì)廠房內(nèi)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造的防排水方案。目前已實(shí)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(qū)地下水位高程，尚需考慮結(jié)合現(xiàn)有的地下洞室作為施工通道，研究增設(shè)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(qū)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(duì)竣工資料的查閱、現(xiàn)場查勘和現(xiàn)有觀測資料的收集，擬定3個(gè)增設(shè)排水洞方案進(jìn)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(hào)0+458.70進(jìn)洞向右側(cè)新開1個(gè)排水洞，以8%的縱坡自東向西以北東80°方位開挖。經(jīng)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(cè)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(cè)圍巖滲水進(jìn)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(hào)0+458.70進(jìn)洞向右側(cè)新開1個(gè)排水洞，以8%的縱坡上坡開挖，以30 m的轉(zhuǎn)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(cè)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(jìn)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(cè)圍巖滲水進(jìn)行攔截。根據(jù)本方案的初步設(shè)計(jì)，引水鋼支管洞頂距排水洞洞底凈距太小，僅約2.9 m。同時(shí)進(jìn)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(yīng)頂拱也提高3 m進(jìn)行開挖，則2#引水鋼支管洞頂高程為210.404 m。本方案實(shí)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(chǔ)上，采用方案1的思路進(jìn)行了改進(jìn)，即：仍在2#施工支洞樁號(hào)0+458.70進(jìn)洞向右側(cè)新開1個(gè)排水洞，以8%的縱坡自東向西以北東80°方位開挖。經(jīng)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(jīng)過2#施工支洞后，采用兩個(gè)半徑為20 m的轉(zhuǎn)彎后，轉(zhuǎn)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(cè)新增排水洞與原探洞垂直排水孔貫通，堵塞孔進(jìn)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(cè)圍巖滲水進(jìn)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(yuǎn)，對(duì)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(yuǎn)，對(duì)廠房安全有利；排水洞均采用上坡洞，有利于收集滲水，節(jié)省抽水費(fèi)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(duì)鉆孔孔斜控制要求較方案1高。由于建設(shè)時(shí)施工方案的修改，方案2與2#引支隧洞洞頂交叉，對(duì)電站的安全運(yùn)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(yuǎn)，對(duì)巖石抗水力劈裂也較為有利。

在施工方面，以上3個(gè)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(shù)方案，對(duì)已在運(yùn)行的電站的重要部位開挖，仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)。施工爆破在對(duì)現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施的影響方面，主要取決于兩個(gè)因素：① 保證洞室之間圍巖穩(wěn)定；② 保證增設(shè)排水洞在施工爆破時(shí)能不影響A廠的正常運(yùn)行和發(fā)電。根據(jù)《廣州抽水蓄能電站二期地下廠房工程開挖爆破施工對(duì)A廠廠房已運(yùn)行機(jī)組振動(dòng)影響的實(shí)測與安全控制研究報(bào)告》[8]和爆破地震安全距離經(jīng)驗(yàn)公式[9]：

(1)

爆破地點(diǎn)藥量分布的幾何中心至被保護(hù)對(duì)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(duì)A廠廠房的現(xiàn)有設(shè)備設(shè)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(yù)廠爆破地震安全距離計(jì)算

在滲透穩(wěn)定安全方面，目前國內(nèi)一般以水力梯度的大小來初步判斷，參考廣蓄電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，選擇水力梯度為6作為初步判斷的經(jīng)驗(yàn)值[10]。從目前3個(gè)方案的布置來看，方案1距離高岔最遠(yuǎn)，水力梯度小于6.0；方案2距離高壓岔管最近點(diǎn)約75.0 m，水力梯度約8.5；方案3距離高壓岔管最近點(diǎn)約82.0 m，水力梯度約7.7，小于8.0。方案1與其他兩個(gè)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(cè)，理論上發(fā)生水力劈裂的概率相對(duì)較低。

在對(duì)高岔管及廠房邊墻的影響方面，以上3個(gè)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(fēng)險(xiǎn)：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(qū)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(nèi)高壓水沿?cái)鄬有纬伤ε眩斐纱罅客杆自斐墒┕ね杆鹿蔥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(wěn)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(dòng)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(duì)電站安全運(yùn)行造成一定影響，考慮施工期間的透水風(fēng)險(xiǎn)以及廣蓄電站在電網(wǎng)的重要作用，應(yīng)慎重采用該方案。另外，根據(jù)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(yán)重；可能與引支鋼管灌漿封堵孔漏水有關(guān)。建議在采用增設(shè)排水洞方案前，先對(duì)引支鋼管有固結(jié)灌漿孔進(jìn)行檢查。在確認(rèn)未出現(xiàn)滲漏點(diǎn)的情況下，委托專業(yè)爆破公司對(duì)新增排水洞的施工方案進(jìn)行專題研究，制訂詳細(xì)的施工方案和安全預(yù)案。

5 結(jié)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(huì)，對(duì)廣蓄地廠房墻體滲水處理進(jìn)行咨詢。2014年3月至9月期間，根據(jù)專家會(huì)建議，在增設(shè)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(tǒng)，以及在廠房邊墻采取堵排結(jié)合的表層處理措施，有序疏導(dǎo)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(fēng)通道等區(qū)域已無積水且排水通暢。廠房滲水處理完成以后，303探洞內(nèi)可觀察排水孔，絕大部分排水孔水位有大幅下降，僅有1個(gè)排水孔水位有所上升；下層排水廊道內(nèi)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(dòng)且均底于地面高程，但沒有一致規(guī)律表明水位有下降趨勢(shì)；A廠高壓岔管地下水位，并未發(fā)現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)。由于測值序列較短，以及排水孔和滲壓計(jì)設(shè)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(fā)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(jī)會(huì)，擇機(jī)實(shí)施。