抽水蓄能电站高压水道排水廊道析出物来源分析

抽水蓄能电站高压水道排水廊道析出物来源分析

 邹仕鑫

（中核国电漳州能源有限公司 福建 363300）

摘要：抽水蓄能电站高压水道防渗帷幕体长期处于渗透压力高、水力梯度大、非线性强的地下水环境中，防渗帷幕的自身性能与渗流控制效果受到了极大挑战。本文以福建仙游抽水蓄能电站为研究对象，通过现场调查、取样、多手段测试及资料分析等手段，对其输水发电系统排水廊道渗水析出物的组成和来源进行分析，。研究结果表明：排水廊道析出物的主要成分为CaCO₃，其产生的原因为高压内水外渗，使灌浆工程中水化产物Ca(OH)₂不断溶解运移，同时高水头作用及侵蚀性CO₂加速此过程的进行，渗流地下水在高压支管排水廊道排渗水处排出后与空气中CO₂反应以CaCO₃形式沉淀。

关键词：抽水蓄能电站；高压水道；析出物；防渗帷幕

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1 引言

抽水蓄能电站一般由上水库、下水库以及输水发电系统组成。输水发电系统负责在抽水时把下水库的水量输送到上水库，在发电时将上水库放出的水量通过厂房送到下水库。而抽水蓄能电站一般采用高水头以达到高效率低水耗，因此输水发电系统也同样承受高压。输水发电系统除了进入厂房部分采用大口径压力钢管外，其余部分一般采用隧洞或者钢筋混凝土衬砌隧洞。输水发电系统长期处于高压渗流、溶蚀、冲刷等恶劣的自然与运行环境中，使防渗帷幕遭受不断地侵蚀和损伤，水泥水化物溶出和分解并不断被渗水带走，导致帷幕体微观结构改变和孔隙率增加、渗透性增大、化学侵蚀逐步加重，帷幕体因而逐渐损失胶凝性和强度耐久性，并且随着运行年龄的增加帷幕体防渗性能的衰减更加剧烈。因而，准确评价高压水道防渗帷幕防渗效果及其长期时效性是抽水蓄能电站亟需解决的重大安全课题。

本文以福建仙游抽水蓄能电站为研究对象，通过现场调查、取样、多手段测试及资料分析等手段，对其输水发电系统排水廊道渗水析出物进行聚类分析，定量分析其矿物成分、物质组分、理化指标等；依据钙质守恒重点分析廊道白色析出物的来源，在此基础上研究防渗帷幕的性能和安全性，从而为电站的安全运行提供决策依据。

2 工程概况与运行情况

2．1 工程概况

仙游抽水蓄能电站位于福建省莆田市仙游县西苑乡，为周调节抽水蓄能电站。电站装机容量为1200MW，设计年发电量18.96亿kW·h，年发电利用小时数1580h。电站枢纽主要包括上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库。输水发电系统采用两洞四机布置方式，高压水道总长度为2253.59m，其中引水隧洞长1149.09m。在高压岔管前采用钢筋混凝土衬砌，在其后采用钢衬砌。

高压岔管周围大范围岩体均为新鲜花岗斑岩，其呈岩株状产出，以Ⅱ类围岩为主，局部断层破碎带及岩脉接触带为Ⅲ~Ⅳ类。高压岔管附近区域构造以断裂为主，发育断层有F20、F22、f44、f45，其中F20、f44、f45断层距离岔管位置远，且规模小，陡倾角，未见渗水，对岔管无影响。F22断层距离岔管较近，为张扭性，其产状N20°WNE∠85°，充填有角砾岩、碎块岩、面铁锰质侵染。另外在该区域内还发育一组高倾角节理带Jm，宽度约0.1~0.2m，与其它不规则短小节理组合，极易发生机械破碎，造成岩芯破碎，该组高倾角节理渗水，在高压水头压力工况作用下，对钢筋混凝土衬砌岔管的渗透稳定不利。

2.2 渗流安全控制措施

为提高仙游抽水蓄能电站高压岔管周围围岩的承载、防渗能力，对高压岔管沿线进行了系统的高压固结灌浆和帷幕灌浆，高压岔管高压灌浆平面布置方案如下：

（1）固结灌浆：高压固结灌浆孔深入岔管内部围岩5~6m，灌浆孔环距2m，排与排之间梅花形布置，每排4-14孔，最大灌浆压力7.0MPa。固结灌浆环间分Ⅰ、Ⅱ序，均采用强度等级为42.5的超细湿磨硅酸盐水泥灌浆，固结灌浆采用稳定浆液、其结石强度大于20MPa。

（2）帷幕灌浆：在钢衬起始位置设置了5排高压环向帷幕灌浆孔，在引水隧洞高压岔管斜上方，引水高压支管中心线上方约42m处设置了高压支管排水廊道，排水廊道下方设置垂直帷幕灌浆，兼作灌浆廊道。高压环向帷幕灌浆孔入岩9m，环距2m，排与排之间梅花形布置，每排10孔~12孔，最大灌浆压力7.0MPa。5排高压环向帷幕灌浆孔中两道位于上游侧引水支管混凝土衬砌段，三道位于下游侧钢衬首部。

2.3 运行情况

福建仙游抽水蓄能电站首台机组于2013年4月16日投入了商业运行，2~4#机组相继于2013年6月18日、2013年11月20日、2013年12月19投入商业运行。在运行1年后，在高压岔管上方排水廊道及上层排水廊道内日常巡检发现较多白色析出物（如图1所示），廊道析出物主要分布在其上游侧廊道壁面及排水沟内，而在下游侧廊道壁面及排水沟则几乎不可见。析出物呈幔状，宽度由几厘米至几十厘米不等，高度由几十厘米至几米不等，部分可蔓延至洞顶，厚度可达2厘米；表层呈珠状，颜色以白色为主，偶见颜色泛黄情况出现；排水沟内析出物呈层状堆积在底部，沟内水量较大，表面有一层灰白色浑浊薄膜，薄膜下流水透明，无异味。析出物的析出量每月在200kg左右，堆积在排水沟内，严重影响了排水沟的排水效果。

（a） （b）

（c） （d）

图1 排水廊道析出物现场照片

Fig.1 Photos of precipitates in the drainage corridor

3 析出物来源检测与防渗帷幕性能分析

3.1 析出物取样

排水廊道析出物为特定水文、地质条件下液相-固相系列间相互作用的产物，为确定排水廊道析出物的来源，依据《GB50487-2008水利水电工程地质勘察规范》、《DLT5178-2016混凝土坝安全监测技术规范》、《HJ/T 164-2004地下水环境监测技术规范》进行水质和析出物的取样与检测。本次共采集析出物样品13组，样品采集地点如图2所示。

图2 样品采集点示意图

Fig.2 Location of samples collection

3.2 析出物检测结果

析出物由强酸完全溶解后经过ICP-AES测试其化学元素含量，测试数据处理后用元素的氧化物表示，固体样品的烧失量和化学成分检测结果如表1所示。不同位置析出物的烧失量在41.64%-43.36%之间，非常接近且均大于40%；经ICP-AES测试发现析出物中化学元素含量最高的为Ca，其换算成CaO后质量分数在52.53%-54.90%之间，不同位置样品Ca含量相差不大；元素含量第二多的为S，含量波动不大，用氧化物表示在1.25%-1.74%之间；其余元素如Fe、Mn等含量均在1%以下；Si和Mg含量较低，但不同区域含量有明显差别，上层廊道析出物中Mg和Si的含量明显高于B1和A3廊道。

对样品B1-01、B1-05、B1-07和上廊-02处析出物样品进行傅里叶红外光谱分析，四个样品的红外光谱图基本一致，主要峰位为水分子（3438），C-O伸缩振动峰（1800），C-O反对称伸缩振动（1418），碳酸根面外变形振动（873），C-O面内变形振动峰（712），析出物样品中并未发现有有机基团。通过对析出物的化学元素、烧失量以及红外光谱图谱进行综合分析，可判断析出物中主要成分为碳酸钙CaCO₃，并无有机物的存在。

表1 析出物化学成分检测结果

Table 1 Chemical composition of precipitates

3.3 析出物来源分析

高压支管廊道析出物中CaO含量高达52.53%，含量极大，而围岩中Ca的含量较少，因此不能为析出物提供足够的Ca质来源；同时析出物中SiO₂的含量较少，除上廊-02处外，含量均在1%以内，与围岩以Si元素为主的化学成分特征存在较大差异，因此廊道析出物的物质来源可以排除周围围岩。高压岔管衬砌为钢筋混凝土衬砌，回填灌浆采用强度等级42.5普通硅酸盐水泥，固结灌浆和帷幕灌浆均采用超细湿磨硅酸盐水泥，B1廊道中间排中间段化学灌浆采用低粘度环氧树脂灌浆材料。通过对高压岔管所使用的水泥样品化学成分分析，发现其CaO占比可达14.22%，钙含量较高，可为析出物提供足够的Ca质来源。同时引水系统中锚喷支护、混凝土中的钢筋材料，也可为析出物的铁质提供物质来源。考虑到析出物红外光谱测试结果显示析出物中不含有相关有机物质，所以高压支管廊道布设的化学灌浆并未对析出物提供物质来源。综上所述，排水廊道析出物的物质来源主要为后期工程措施，包括高压岔管混凝土衬砌、固结灌浆、回填灌浆等。

3.4 防渗帷幕防渗性能分析

为进一步分析排水廊道析出物否会影响高压岔管的渗流安全，本节结合高压岔管区域防渗帷幕前、后布置的渗透压力、渗流量监测数据对其做进一步分析研究。高压水道系统充水后，对帷幕前高压支管埋设的渗压计测值影响明显，在充水过程中随流道内水位上升压力逐渐增大，防渗帷幕前渗压计最大压力超过500m水头，与高压引水系统下平端水头几乎平压，排水后压力测值又迅速下降至低值；防渗帷幕后的渗压计测值非常小，最大仅在0.15MPa左右，同时布置在帷幕后的量水堰排水量小。因此，由帷幕前后渗流的监测结果可判断，高压岔管防渗帷幕起到了较好的阻截渗流的作用，其防渗性能良好。

造成高压支管围岩地下水压力升降的原因是，高内水压力导致高压水道衬砌开裂，高压内水通过裂缝进入隧道围岩，再进一步通过围岩内的连通裂隙发生水力联系，这就为高压支管排水廊道渗流地下水提供了来源。综上可以判断高压支管排水廊道渗流地下水的主要来源为由于高压岔管衬砌开裂，输水系统的高压内水外渗，并经高压岔管围岩内的渗流通道流出而形成，而所在区域赋存地下水对渗流地下水贡献较少。

4 主要结论

本文通过分析福建仙游抽水蓄能电站高压岔管排水廊道析出物的化学组分特征及物相特征、及高压岔管区渗流监测资料，分析了排水廊道析出物的来源以及防渗帷幕的防渗性能，得到的主要结论如下：

（1）排水廊道析出物烧失量非常接近且均大于40%，ICP-AES测试结果表明其化学成分以含钙物质为主；析出物X射线衍射结果表明析出物中物质主要以碳酸钙形式存在，析出物红外光谱测试结果显示其基本不含有机物。

（2）析出物中并不含有围岩中主要成分，故析出物物质并不来源于库水和围岩。排水廊道析出物的物质来源主要为后期工程措施，包括高压岔管混凝土衬砌、固结灌浆、回填灌浆等。

（3）防渗帷幕后排水强碱性化、围岩渗透压力小、量水堰排水量小等渗流宏观特征表明目前高压岔管防渗帷幕性态良好，高压岔管渗流处于安全状态，但在电站正常运行过程中需持续关注帷幕前、后的渗流监测成果，以保障电站运行安全。

参考文献：

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