罗绍基，刘学山

（1.中国南方电网公司调峰调频发电公司，广东省广州市 510000；2.清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853)

抽水蓄能电站地下工程关键技术研究

罗绍基1，刘学山2

（1.中国南方电网公司调峰调频发电公司，广东省广州市 510000；2.清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853)

广东省已建成了广州抽水蓄能电站A厂、B厂，惠州抽水蓄能电站A厂、B厂，目前正在建设的有清远抽水蓄能电站和深圳抽水蓄能电站等。抽水蓄能电站属于高水头、埋藏深的地下电站，地下厂房洞室群上下游均处于水库高水位以下的复杂地质和地下环境条件下，地下厂房位置选择、开挖支护和地下截排水控制体系至关重要。本文主要介绍广东抽水蓄能电站在复杂的地质环境条件下地下厂房位置选择方法、地下厂房的施工控制和高压岔管、地下厂房系统的防渗排水控制体系，并通过总结，为其他抽水蓄能电站及类似重大地下工程提供参考。

抽水蓄能电站；地下厂房；位置选择；开挖支护；防渗排水控制

0 引言

随着社会经济的快速发展和对电网稳定要求的不断提高，广东省已建成广州抽水蓄能电站A厂、B厂和惠州抽水蓄能电站A厂、B厂，目前正在建设的有清远抽水蓄能电站和深圳抽水蓄能电站等。

抽水蓄能电站工程由上水库、下水库、引水及发电系统等组成，引水及发电系统由长隧洞和地下厂房洞室群组成，广东省已建的抽水蓄能电站上下库水头差一般在500m左右，地下厂房埋深一般在300～400m，属于高水头、埋藏深的地下电站。抽水蓄能电站机组采用可逆式水泵水轮机组，考虑在抽水工况下机组吸出高度的要求，地下厂房水泵水轮机安装高度比下水库死水位还要低水头的1/10以上。因此，抽水蓄能电站地下厂房洞室群上下游均处于水库高水位以下的复杂地质和地下环境条件下。

抽水蓄能电站地下工程中，引水系统主要为长隧洞，包括引水隧洞、高压岔管、引水支管、尾水支管、尾水岔管、尾水隧洞、调压井等。广东省抽水蓄能电站一般采用一洞四机的方式，即一条引水隧洞和尾水隧洞控制4台机组，引水隧洞通过高压岔管和4条引水钢支管与地下厂房连接，尾水隧洞通过尾水岔管和4条尾水支管与地下厂房连接。广东省已建成蓄能电站引水隧洞和尾水隧洞长度一般在2000～5000m之间，直径在8.5～9.5m之间。一般设置上游调压井和尾水调压井，或仅设置上游调压井或尾水调压井，调压井高度在120～150m之间，包括直径9m左右的升管和直径20m左右的大井。地下厂房洞室群包括地下厂房、主变压器洞、母线洞、尾闸室、交通洞、通风洞（排风井）、高压电缆洞、排水廊道和自流排水洞等。地下厂房跨度20几米、高50余米、长150～170m，高压/尾水岔管与地下厂房间距在130～150m之间。主变压器洞宽约20m、高约20m、长150m左右，有4条母线洞连接地下厂房与主变压器洞，为满足围岩稳定要求，地下厂房和主变压器洞间距为40m左右。清远抽水蓄能电站输水系统纵剖面如图1所示。

图1 清远抽水蓄能电站输水系统纵剖面图Fig.1 Longitudinal section of water delivery system in Qingyuan PSPS

鉴于深埋的输水隧洞和错综复杂的地下洞室关系，且处于地下复杂的工程地质和水文地质环境条件下，地下厂房位置选择、施工开挖支护控制和地下截排水控制体系至关重要。

1 地下厂房位置选择

地下厂房洞室群深埋于地面以下300～400m，高压岔管承受近600～800m的动水头，且采用钢筋混凝土衬砌，所以地下厂房和高压岔管的位置选择十分重要，而对地下厂房起控制作用的因素主要有断裂、蚀变、地应力和地下水等，为了将高压岔管及地下厂房系统布置在相对完整的岩体，在前期地质勘探和厂房位置选择的设计工作中，根据设计阶段不同分步研究分析地下地质情况，逐步优化确定高压岔管及地下厂房的位置。

首先从地形条件研究确定电站的开发方式，拟定具备布置地下厂房的基本位置范围，根据地表查勘判断该区域范围的地质构造情况，判断断层的宽度、走向、倾角等，初步拟定地下厂房的位置［1］。

根据初步拟定的位置，布置400m以上的深勘探孔从地表钻孔深入厂房底高程以下，判断经过该区域的断层、裂隙及地下水等情况，进一步优化地下厂房的位置及轴线。

更关键的是，为进一步确定厂房的合理布置，针对基本确定的地下厂房位置，布置长2000m以上的地下探洞。由于厂房埋藏较深，而探洞坡度很小，所以探洞位置只能在厂房顶拱高程以上10m，因工程而异。同时，在探洞内布置辅助的地质钻孔。通过探洞和辅助的地质钻孔充分分析、揭示该区域各断层宽度、走向、倾角等，并长期观测该区域地下水变化情况，测试该区域地应力，最终分析研究确定高压岔管和地下厂房等地下工程重要部位布置位置和轴线方向，将高压岔管及地下厂房系统布置在相对完整的岩体，而且没有出现过地应力大、变形大和大塌方情况。

尽管如此，在广州抽水蓄能一期排风洞和交通洞开挖过程中发现花岗岩蚀变现象，经过准确分析判断主要断裂的走向，将关键的地下洞室置于新鲜完整岩体中。如主厂房、调压井、高压岔管等，均是利用长探洞掘进到建筑物上方，再向下补充钻探工作，了解建筑物位置的地质条件后，修改洞室位置及体型。如地下厂房轴线方向从原来的SN向改为NE80°，使之与主要断层、蚀变带的夹角大于40°，整个厂房往西移了40m。蚀变岩被揭露后，遇地下水和潮湿的空气膨胀崩解，影响部分围岩的稳定。经过研究摸索，逐步形成了一套处理蚀变岩的工程措施［2］。通过清理蚀变松散物、及时喷护并处理好地下水等措施稳定了围岩。

经过广州抽水蓄能一期的地下厂房位置选择和蚀变岩带处理，积累了丰富的经验，广州抽水蓄能二期，惠州抽水蓄能A厂、B厂和清远抽水蓄能的地下厂房和高压岔管等关键洞室的位置均很好地避开了较大规模的断层和裂隙密集带，特别是清远抽水蓄能电站厂房位置有效避开近EW向及近NE向断层带，将高压岔管和地下厂房全部布置在Ⅰ类和少量Ⅱ类围岩中。目前地下厂房已开挖完成，施工过程中未出现岩爆和塌方等现象，将复杂地质和环境条件下重大地下工程安全风险控制到最低，开挖质量受到业内知名专家好评，充分证实了地下厂房位置选定在优越的地质条件范围内，并有效节省了支护工程量，为缩短工期和节约投资提供良好的基础。

2 施工开挖支护控制

地下厂房开挖过程控制对地下工程安全也至关重要。厂房开挖过程中采用“薄层开挖、及时支护”，并实时进行监控，及时对开挖爆破参数进行调整，有效地保证了开挖质量、防止围岩破坏、控制厂房边墙变形，收到较好效果。

广东抽水蓄能电站地下厂房跨度20余米、高50余米、长150～170m，在开挖过程中根据相应的施工通道和施工方法，考虑上下分Ⅶ层或Ⅷ层开挖。为确保开挖质量，尽可能减少开挖对围岩的影响范围，根据每层的布置特点，考虑不同的施工开挖方案。广东抽水蓄能电站地下厂房第Ⅰ层开挖采用手风钻开挖中导洞超前，顶拱扩挖和上、下游侧扩挖错距跟进，周边孔光爆的综合开挖控制方式。第Ⅱ层采用中间预裂拉槽，两侧预留5.5m的保护层，周边孔光爆开挖方式。其中，岩壁吊车梁岩台采用垂直孔和斜孔光爆开挖。第Ⅲ层至基坑层，采用先对边墙进行预裂，上、下游开挖错距跟进或全断面开挖的方式进行。

清远抽水蓄能电站地下厂房开挖分层分块图如图2所示。

在选择较好的地下工程位置和精细的施工开挖控制的基础上，广东抽水蓄能电站地下厂房支护充分利用围岩自稳能力，采用喷混凝土+锚杆的柔性支护方案。根据围岩不同，顶拱挂网喷混凝土，或取消挂网喷钢纤维混凝土或掺聚丙烯纤维喷混凝土，设长3.5～3.7m锚杆，拱脚设2～3排长5.3～6m锚杆，锚杆间距1.5～1.8m；边墙挂网喷混凝土，设长3.5～3.7m和5.5～7m间隔布置的锚杆，锚杆间距1.5～1.8m。在岩壁吊车梁上两排、下一排布置3排长9m的锚杆，锚杆间距1.5～1.8m。为保证厂房各部位开挖完成后及时支护和保证施工质量，锚杆钻孔均采用三臂台车钻孔，锚杆注浆采用麦斯特注浆机注浆，喷混凝土采用麦斯特喷车湿喷。

地下厂房的开挖质量直接影响围岩的变形，特别是岩壁吊车梁对围岩变形要求非常高。通过精细的施工开挖控制和及时支护，广东抽水蓄能电站厂房开挖有效地保证了开挖质量，未出现塌方等围岩破坏，厂房边墙变形控制在允许范围。

3 防渗排水控制体系

抽水蓄能电站是高水头、埋藏深的地下电站，高压引水隧洞和高压岔管承受600m以上的内水压力，高压隧洞和高压岔管均采用40～60cm厚钢筋混凝土衬砌，按“高压透水衬砌”理论，限制裂缝张开宽度设计。因此，运行期间水道中的水由于水头压力高，将会产生内水外渗。

根据计算，高压钢筋混凝土岔管及引水高压钢支管等主要控制工况为外压情况，尤其在隧洞放空时，会有较高的水压作用在衬砌上，对钢衬支管安全很不利。同时，为了减少地下水和高压渗漏水渗进厂房和主变压器室，降低厂房边墙所承受的渗透压力，改善地下厂房的运行环境，根据水文地质条件，在高压岔管和地下厂房系统合理设置防渗排水系统，降低外水压力，对地下厂房、高压岔管及高压钢支管等具有十分重要的意义［3］。

图2 清远抽水蓄能电站地下厂房开挖分层分块图（单位：高程为m，标注尺寸为mm）Fig.2 Excavation distribution of underground power house in qingyuan PSPS

广州抽水蓄能电站［4］通过五道安全防线解决高压岔管和地下厂房的防渗排水，遵循先防渗后排水原则，第一道防线是高压岔管与厂房之间的引水支管采用钢板衬砌，保证该段范围不会产生高压内水外渗；第二道防线是在高压岔管与钢支管设置防渗帷幕，阻止高压内水在高压岔管外渗后，渗向高压钢支管及厂房区域；第三道防线是在钢支管外表面设置排水系统，直接排放渗向钢管表面的水，直接降低钢管外表面所承受的外水压力；第四道防线是在高压岔管与厂房之间的1号排水洞布置排水孔，排除渗向厂房的渗水；第五道防线在厂房和主变压器洞周围布置两层排水廊道，并打排水孔形成排水帷幕，排去这一区域的地下水，以降低外水压力。

惠州抽水蓄能电站和清远抽水蓄能电站在上述五道防线的基础上，根据优越的地形条件，研究增设了自流排水系统，让地下厂房附属洞室和排水廊道内的排水通过地下厂房排水系统进入自流排水洞排出厂外，最大限度改善地下厂房的运行环境。

高压岔管和地下厂房的防渗排水控制系统示意图如图3所示。

图3 高压岔管和地下厂房防渗排水控制系统示意图Fig.3 Anti-seepage and drainage control system of manifold and underground power house

抽水蓄能电站高压岔管和地下厂房区域地下水的渗漏能否得到有效的控制和有序的排放，能否为地下厂房创造适宜的运行环境，防渗排水控制系统的好坏是工程成败的关键。广东抽水蓄能电站高压岔管均采用钢筋混凝土衬砌，按“高压透水衬砌”理论、限制裂缝张开宽度设计、通过五道安全防线解决高压岔管和地下厂房的防渗排水等，均取得了成功的经验，相对昂贵的钢板衬砌节省了投资。但在实施过程中也有值得借鉴的教训。

比如广州抽水蓄能一期尾水支管钢衬渐变段，在初期充水时发生鼓包现象。其原因是尾水闸门槽外侧混凝土回填不密实，灌浆没有充分回填，尾水洞内水透过尾闸槽混凝土作用到上游钢衬渐变段外侧，形成与下库水位连通的外水压力作用，4条尾水支管钢衬渐变段均出现不同程度的屈服变形鼓包。事后采取切割钢衬变形部分、焊补修复钢管、在钢衬缝隙内设置排水系统等措施进行了有效处理。

广州抽水蓄能二期在上游水道首次充水时，因水力梯度太大（T=17），位于上游水道系统的钢筋混凝土岔管上方的排水探洞出现了喷射状高压渗水，最大渗水量达31.78L/s。水道放空后进行全面检查发现：高岔混凝土衬体有42条裂缝、均有外水返渗。裂缝宽度一般为0.5～1mm，个别裂缝宽达2mm，水道放空后大部分裂缝都呈张开状况。分析认为，高岔衬体开裂是南、东支洞大量渗水的主要原因，NW向微张构造是高岔内水外渗的主要排泄通道。事后进行两方面的处理：一是对高岔进行系统高压化学灌浆，在南支洞内对重点怀疑的地段和P4渗压计孔进行磨细水泥灌浆和化学灌浆；二是对1号排水廊道以南的地质探洞进行混凝土回填。处理工作结束后，上游水道安全已运行近13年，高岔区的总渗水量一直稳定在2.3L/s，区内的渗压计读数也保持了良好的稳定状态。

惠州抽水蓄能电站A厂高压隧洞段地面高程为425～435m，平均埋深260m，A厂高压岔管地面高程为475～480m，埋深约340m。在输水发电系统洞室围岩分布主要为花岗岩。高压隧洞及高压岔管洞周有几条断层穿过，其中F304断层带宽度达10～15m，破碎程度较为严重，为场区控制性断层。A厂上游水道充水过程中探洞内F304断层大量涌水，1号灌浆廊道内F59断层出露段大量喷水。实测探洞总渗漏量为781.5m3/h，水道最大渗漏量为811.4m3/h。A厂上游水道充水试验在部分隧洞段的混凝土衬砌出现较密集的裂缝。根据充水试验的情况，在放空后对水道进行高压化学灌浆和加深加密固结灌浆加强处理，对断层等部位进行深孔水泥灌浆和回填封堵等处理。第二次充水试验完成充水后对探洞、A厂厂房区各排水廊道、堵头等部位渗漏量进行测量统计，总渗漏量约为19m3/h，长3122m的A厂上游水道总渗漏量约为80m3/h。A厂上游水道经放空修复处理后，水道渗漏量大幅减少，渗漏量值在合理范围内。

4 结束语

（1）高压岔管和地下厂房的位置选择对于控制工程风险、节约投资至关重要，前期工作中需要通过地表查勘、深孔勘探和地下探洞等多种综合手段充分揭示地下洞室区域的工程地质条件和水文地质条件。

（2）地下厂房开挖过程中采用“薄层开挖、及时支护”，并实时进行监控，及时对开挖爆破参数进行调整，通过精细的施工开挖控制和及时支护，有效地保证了开挖质量，未出现塌方等围岩破坏、控制厂房边墙变形等，收到较好效果。

（3）高压岔管和地下厂房等重大地下工程通过五道安全防线解决高压岔管和地下厂房的防渗排水，遵循“前堵后排”原则，每一道工序都至关重要，是工程成败的关键。

［1］魏炳荣，吴国荣.惠州抽水蓄能电站控制性断层研究［J］.资源环境与工程，2010，24（5）：461-465.WEI Bingrong,WU Guorong.Research on Control Fault of Huizhou Pumped Storage Power Station［J］.RESOURCES ENVRIONMENT AND ENGINEERING,2010,24(5):461-465.

［2］廖建强.广州抽水蓄能电站地下洞室区蚀变岩的工程处理［J］.岩土工程界，2002，5（9）：48-50.LIAO Jianqiang,Engineering treatments of altered rocks in the underground chamber areas of the Guangzhou Pumped-Storage Power Station［J］.GEOTECHNICAL ENGINEERING FIELD,2002,5(9):48-50.

［3］刘学山.广州抽水蓄能电站二期工程钢筋混凝土岔管高压渗水的处理及有关问题探讨［J］.广东电力，2006，19（6）：39-42.LIU Xueshan,Study On Treatment and Relevant Problems of HP Leakage In Reinforced Concrete Manifold of Guangzhou Pumped Storage Power Station Phase-Ⅱ Project［J］.GUANGDONG ELECTRIC POWER,2006,19(6):39-42.

［4］黄勇.广蓄电站二期工程地下厂房的排水设计［J］.水利水电，2001 （2）：88-91.HUANG Yong,Underground Power House Drainage Design in Guangzhou Pumped Storage Power Station Phase-Ⅱ Project［J］.GUANGDONG WATER RESOURCE AND ELECTRIC POWER,2001(2):88-91.

罗绍基（1933—），男，中国工程院院士，主要研究方向：抽水蓄能电站工程管理、施工建设、规划运行等。

刘学山（1964—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站工程管理、施工建设、规划运行等。

Study of Key Construction Technology for Underground Power House Complex in Pumped Storage Power Station Project

LUO Shaoji1，LIU Xueshan2
(1.China Southern Power Grid Power Generation Co.,Ltd,Canton,Guangzhou 510000,China)(2.Qingyuan Punped Storage Power Generation Co.,Ltd.,Qingyuan 511852,China)

In Guangdong Province,China,Guangzhou Pumped Storage Power Station(Phase Ⅰ & Ⅱ ) and Huizhou Pumped Storage Power Station(Plant A and B) have been built,while another two,i.e.Qingyuan Pumped Storage Power Station and Shenzhen Pumped Storage Power Station are under construction at present.The pumped storage power station(hereafter simplified as PSPS) is a sort of deeply buried underground power station with high head.Due to the upstream and downstream of underground power house complex are located in complicated geologic underground environment which below the high water level of reservoir,it is of great importance for site selection,excavation and support,as well as underground water interception and drainage control system of underground power house.This paper mainly introduces the methods of site selection,power house construction control and seepage prevention and drainage control system of underground power house,especially for manifold,which have been adopted in PSPS in Guangdong under complicated geologic and underground environment.Experience learned from those projects can provide reference for other pumped storage power stations and similar large-scale underground projects.

pumped storage power station(PSPS); underground power house; site selection; excavation and support; seepage prevention and drainage control

TV743

A 学科代码：570.35

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.001