錦屏二級長大引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗及其實踐

陳祥榮,張 洋,楊安林

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.雅礱江流域水電開發(fā)公司錦屏建設管理局,四川 西昌 615000)

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錦屏二級長大引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗及其實踐

陳祥榮1,張 洋1,楊安林2

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.雅礱江流域水電開發(fā)公司錦屏建設管理局,四川 西昌 615000)

本文介紹了錦屏二級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗的設計和現(xiàn)場實施情況，包括充排水總體流程設計、實施方式、各類控制標準、組織保障管理和試驗效果等。經(jīng)驗成果可以為今后類似工程充排水設計提供參考。

錦屏二級；引水發(fā)電系統(tǒng)；充排水；流程設計；實施方式

0 前 言

錦屏二級水電站位于雅礱江下游干流河段上，電站總裝機容量4 800 MW，引水發(fā)電系統(tǒng)采用兩洞四機布置，其中4條引水隧洞單洞長約16.7 km，具有洞線長、埋深大、洞徑大、沿線地質條件復雜、施工組織難度高等特點，隧洞建設過程中相繼遭遇高壓大流量突涌水、高地應力巖爆、巖溶、塌方、軟巖大變形等不良工程地質問題，是目前世界上已建、在建總體規(guī)模最大、綜合建造難度最高的地下洞室群工程。

電站引水發(fā)電系統(tǒng)作為水力發(fā)電建筑物的主要組成部分，其整體施工質量的保證和既定功能的實現(xiàn)最終主要依靠投運前的充排水試驗進行系統(tǒng)的檢驗。此外，充排水試驗中充排水流程的合理性、充排水時水位上升及下降速度標準等也是指導電站運行的重要依據(jù)。

1 引水發(fā)電系統(tǒng)布置

錦屏二級水電站四條引水發(fā)電系統(tǒng)布置基本相同，順發(fā)電水流方向依次為進水口、進水口事故閘門室、引水隧洞、上游調壓室、高壓管道、發(fā)電廠房、尾水隧洞、尾閘室和尾水出口等建筑物。為滿足主要建筑物檢修排水的需要，設置有引水隧洞檢修排水系統(tǒng)、蝸殼檢修排水系統(tǒng)和機組檢修排水系統(tǒng)。為滿足長引水隧洞施工需要，隧洞沿線布置多條施工排水通道，封堵后形成封堵體總計161個。

四條引水發(fā)電系統(tǒng)體量基本相當，單條系統(tǒng)總體量約為200萬m3，其中單條引水隧洞體量為180萬m3。以1號發(fā)電機組為例，1號引水發(fā)電系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 1號引水發(fā)電系統(tǒng)示意

2 充排水試驗流程設計

2.1 總體步驟

充排水試驗總體上分為引水隧洞、高壓管道和尾水隧洞三個部分，根據(jù)建筑物的布置、各部位充排水的實施方式及機組調試等要求進行總體試驗步驟的安排。引水隧洞、高壓管道(包括蝸殼)和尾水隧洞分別作為獨立單元各自進行充排水試驗，原則上按照先尾水隧洞、引水隧洞，后高壓管道的總體順序進行，機組調試工作視情況穿插其中。引水系統(tǒng)充排水試驗、機組帶水調試完成后進行機組并網(wǎng)調試。

引水隧洞充排水是整個流程設計的核心部分，試驗耗時長，存在的不確定因素多，正式充水試驗前進行隧洞預充水，對同試驗相關的充水閥、放空閥等金屬結構設備進行調試。引水隧洞充水完成后放空檢查，對發(fā)現(xiàn)的問題進行處理，完成后再進行第二次充水。此外，為滿足機組過流的水質要求，在引水隧洞和尾水隧洞充水前進行基坑的清淤檢查。

2.2 試驗控制標準

充排水試驗控制標準包括引水隧洞水量滲漏控制標準和高壓管道水位升降控制標準。

2.2.1 引水隧洞滲漏量控制標準

綜合考慮錦屏二級引水隧洞的工程規(guī)模、地質條件的復雜程度、承受的內水壓力、滲漏影響以及應急處理的可操作性等因素，引水隧洞滲漏量控制標準分為隧洞沿程允許滲漏量、集中允許滲漏量和累計允許滲漏量三個部分。沿程允許滲漏量分別對應引水隧洞充水的兩個階段，分為控制標準和警戒標準，滲漏量超過警戒標準時應停止充水，滲漏量在控制標準和警戒標準之間時參建單位應共同分析原因，討論決定是否繼續(xù)充水。集中允許滲漏量指可見的、可以實施應急處理的集中滲漏點的滲漏量，若集中出水點出現(xiàn)在引水隧洞末端、廠區(qū)洞室區(qū)域時應分析具體情況再決定是否繼續(xù)充水(見表1)。

表1 引水隧洞滲漏量控制標準

2.2.2 水位升降控制標準

引水隧洞和尾水隧洞均為緩坡布置，水位升降速率不成為充排水期間建筑物結構安全的控制因素，水位升降控制標準主要針對高壓管道豎井進行設置。高壓管道采用全鋼襯設計，豎井高度250 m，利用調壓井事故閘門充水閥全開充水，充水速率不限制，分為100 m和250 m充水高度兩個階段，中間穩(wěn)壓檢查，排水速率按1 m/min控制。

2.3 建筑物充排水

本工程四條引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物充排水實施方式相同，現(xiàn)以1號引水發(fā)電系統(tǒng)為例介紹各建筑物的充排水實施方式。

2.3.1 引水隧洞充水

引水隧洞建筑物充水主要包括進水口事故檢修閘門井、進水口事故閘門井后～上游調壓室前之間引水隧洞段和上游調壓室，水位最終充至水庫正常蓄水位1 646 m，充水高度81.3 m(高程1 564.7～1 646.0 m)，充水總體積約為178.7萬m3。

引水隧洞正式充水前，通過水庫調度滿足上游水位要求，隧洞沿線控制閘門、封堵門、放空閥等關閉，通過進水口事故閘門頂2×Ф50 cm充水閥充水，設計充水能力約4.5 m3/s。

引水隧洞立面為平坡+緩坡+平坡布置，中間緩坡洞段近15 km，洞長長且地質條件復雜，因此，引水隧洞充水分兩個階段進行。第一階段：引水隧洞末端平坡段底板高程1 564.7 m～首端平坡段底板高程1 618.0 m充水，完成后穩(wěn)壓24 h；第二階段引水隧洞首端平坡段底板高程1 618.0 m～水庫正常蓄水位1 646.0 m充水，完成后穩(wěn)壓72 h。

2.3.2 引水隧洞排水

引水隧洞排水設計了兩種方案。第一種方案是在機組不具備過流條件時，利用引水隧洞檢修排水系統(tǒng)排水，通過隧洞末端底板設置的一趟Ф70 cm排水管路排水至施工排水洞，設計排水能力約為3.5 m3/s；第二種方案是在機組具備過水條件時，先通過機組空轉排水至機組設計最小水頭對應的洞內水位，剩余部分再通過引水隧洞檢修排水系統(tǒng)排水。

2.3.3 高壓管道充排水

高壓管道充水分為下平段、下彎段反向充水和豎井段、上彎段、上平段充水兩部分，1號、2號高壓管道容積各約1.9萬m3。

下游尾水位高程以下的高壓管道下平段和下彎段通過尾水隧洞倒充，即開啟機組導葉和筒閥，將尾水水源以自流方式引入高壓管道的下平段和下彎段，完成后關閉機組導葉和筒閥。高壓管道豎井段、上彎段、上平段通過對應上游調壓室事故閘門頂Ф50 cm充水閥全開充水，按100 m和250 m充水高度分為兩個階段，最終高壓管道內水位同水庫水位相平。每階段充水完成后穩(wěn)壓24 h。

高壓管道排水過程同充水過程相對應，豎井段、上彎段、上平段利用水位落差自流排水，通過高壓管道末端的蝸殼檢修排水管或機組導葉小開度開啟排至下游。剩余的下平段、下彎段通過蝸殼檢修排水管排水至下游尾水隧洞，再通過機組檢修排水管抽排。

2.3.4 尾水隧洞充排水

尾水隧洞充排水建筑物主要包括機組錐管段、肘管段和尾水擴散段和尾水擴散段～尾水事故閘門之間尾水隧洞段。充排水高度22.2 m，1號、2號尾水隧洞總體積各約為2萬m3。尾水事故閘門～尾水出口檢修閘門之間尾水隧洞不進行充排水試驗。

尾水隧洞充水應在機組無水調試完成后開展，并結合機組的有水調試工作進行。充水前尾水事故檢修閘門下閘擋水，通過閘門頂2×Ф50 cm充水閥進行充水，完成后穩(wěn)壓24 h。尾水隧洞排水通過相應機組檢修排水系統(tǒng)進行抽排。

2.4 充排水試驗監(jiān)測

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充排水試驗監(jiān)測包括建筑物安全監(jiān)測、充水過程中的水位水壓監(jiān)測和建筑物滲漏量監(jiān)測。引水發(fā)電系統(tǒng)各建筑物均布置有大量的結構應力應變、滲透壓力等監(jiān)測儀器，試驗過程中進行實時的監(jiān)測分析。上游調壓室和引水隧洞末端封堵體各設有水位監(jiān)測儀器，實時監(jiān)控隧洞內水位水壓情況；高壓管道水位水壓監(jiān)測通過機組蝸殼壓力監(jiān)測儀器測讀。引水發(fā)電系統(tǒng)各建筑物滲漏水通過施工通道、排水廊道等集中疏導至隧洞相鄰的施工排水洞、廠房滲漏集水井和廠區(qū)PD1探洞，通過以上部位的水量監(jiān)測分析建筑物總體滲漏量的變化情況，封堵體等單體部位滲漏通過量水堰、集水量杯等進行測讀。

3 充排水試驗組織管理

引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗是檢驗工程質量、試驗電站初期運行效果、保證電站長期安全穩(wěn)定運行的一項系統(tǒng)性工作，牽涉面廣，工序銜接緊密，組織實施和現(xiàn)場管理要求高。本工程引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗組織管理由建設單位統(tǒng)一牽頭負責，設計、監(jiān)理、施工、機組調試、試驗保障、應急搶險、后勤保障等單位參與，成立充排水試驗現(xiàn)場工作機構，下設充水試驗領導小組、現(xiàn)場工作小組、監(jiān)測技術小組，分別負責充排水試驗的過程決策、現(xiàn)場實施和監(jiān)測分析。

試驗開始前，建設單位組織制定試驗總體計劃方案和應急搶險預案，各責任單位制定相應的應急搶險實施方案并配備應急處理人員和設備物質，核對現(xiàn)場工程面貌是否具備充水試驗要求。試驗過程中，各項試驗計劃和步驟指令由試驗領導小組統(tǒng)一決策發(fā)出，現(xiàn)場工作小組組織具體操作指令的傳遞和落實，明確指令傳遞流程并落實到人，嚴防試驗誤操作，監(jiān)測小組對試驗過程中各項監(jiān)測數(shù)據(jù)和巡查情況進行統(tǒng)計分析，信息反饋給試驗領導小組進行各項指令的下達決策。充排水試驗過程信息保持通暢，確保參與單位時刻掌握試驗信息。

4 試驗實施情況

錦屏二級水電站四條引水發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模巨大，單條引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗若考慮必要的建筑物檢修時間，則完成一次完整的充排水試驗時間在25天左右。根據(jù)工程總體進度計劃，1～4號引水發(fā)電系統(tǒng)基本上按照每半年順序投產(chǎn)的安排開展現(xiàn)場的施工組織生產(chǎn)，加之充排水試驗受限于機組安裝和調試工作進度以及內外部諸多客觀因素的影響，四條引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗步驟和實施過程各不相同。以下以1號和2號引水發(fā)電系統(tǒng)為代表介紹充排水試驗的實施情況。

4.1 1號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗實施情況

1號引水隧洞于2012年10月7日開始進行正式充排水試驗，受此前工區(qū)泥石流地質災害和機組并網(wǎng)調試倒送電時間推遲的影響，充排水試驗計劃步驟和機組調試步驟按照2012年底雙機投產(chǎn)的里程碑節(jié)點目標控制而向前進行了倒排，充分利用工程已經(jīng)具備的條件，通過合理組織安排、整合資源、設計優(yōu)化等綜合手段開展試驗工作。具體采取如下主要措施：

(1)引水隧洞第一次充水過程中結合穩(wěn)壓試驗，間歇利用隧洞內存水進行1號機組的帶水調試。機組每天調試8 h，隧洞補充充水16 h，保證了隧洞的飽水穩(wěn)壓和機組在規(guī)定的水頭下開展帶水調試工作，節(jié)省了大量的試驗時間；

(2)引水隧洞第二次充水和2號機組帶水調試完成后，利用錦屏一級電站導流洞封堵轉流、二級水庫斷流的有限時間，放空二級水庫，排空進水口基坑和引水隧洞平坡段水體，對二級水庫和進水口基坑進行了干地清淤，大大減除了工區(qū)泥石流對進水口的淤積風險。

1號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗和機組調試關鍵線路實施步驟見圖2。

圖2 1號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗和機組調試實施步驟(關鍵線路)

4.2 2號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗實施情況

2號引水隧洞于2013年8月21日開始正式充排水試驗，試驗期間錦屏二級水庫已投入正常運行，試驗步驟基本上按計劃順序進行，期間因調壓室4號事故閘門水封出現(xiàn)異常滲漏，隧洞第一次充水未達到既定水位，放空檢修后在第二次充水時完成穩(wěn)壓試驗。2號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗和機組調試關鍵線路實施步驟見圖3。3號和4號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗總體步驟同2號基本相同，稍有差異。

圖3 2號引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗和機組調試實施步驟(關鍵線路)

4.3 引水隧洞滲漏量分析

引水隧洞沿線水文地質條件復雜，為確保地下水的有效控制和隧洞結構在高外水壓力環(huán)境下的安全，地下水通過灌漿封堵、集中引排和襯砌減壓孔等綜合性工程措施進行處理，隧洞完建后洞內均有不同程度的外水內滲情況，充水前進行了準確的滲水量測量。

引水隧洞的滲漏量分析主要通過穩(wěn)壓期間上游調壓室液位計水位測值的變化情況計算隧洞的相對滲漏量(絕對滲漏量同隧洞充水前洞內外水內滲量之差)，疊加充水前隧洞外水內滲量，推算引水隧洞絕對滲漏量，作為評價隧洞總體質量的標準。圖4和圖5分別為2號和3號引水隧洞充水期間調壓室水位變化過程。

經(jīng)統(tǒng)計，四條引水隧洞滲漏量見表2。綜合考慮錦屏二級工程引水隧洞的規(guī)模和建設難度，對比參照國內外已建水電水利工程地下引水隧洞的滲漏量，本工程引水隧洞滲漏量控制在比較低的水平，充水期間隧洞未發(fā)生異常滲漏，隧洞放空檢查也未發(fā)現(xiàn)大面積因充排水而產(chǎn)生的結構破壞，引水隧洞施工質量總體上較好，隧洞防滲承載結構安全可靠。

圖4 2號引水隧洞充水期間調壓室水位變化過程

圖5 3號引水隧洞充水期間調壓室水位變化過程

隧洞編號計算相對滲漏量/L·s-1實測洞內外水內滲量/L·s-1推算絕對滲漏量/L·s-1備 注1號引水隧洞175269穩(wěn)壓期間水位下降2號引水隧洞-75．4202126．6穩(wěn)壓期間水位上升3號引水隧洞37．792129．72穩(wěn)壓期間水位下降4號引水隧洞31．63061．6穩(wěn)壓期間水位下降

5 結 語

錦屏二級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模巨大，技術問題復雜，工程建設難度大，通過近8年的艱苦建設，電站四條引水發(fā)電系統(tǒng)均通過充排水試驗的檢驗，相繼投入商業(yè)運行，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟和社會效益。本工程引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗總體計劃和步驟安排合理，緊密結合工程實際情況，現(xiàn)場實施組織和試驗效果達到了檢驗工程施工質量、并為電站運行提供參考依據(jù)的目的，可為今后類似工程提供參考。

[1] 張洋,等.錦屏二級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗計劃安排報告[R].華東勘測設計研究院,2013.

[2] 侯靖,等.泰安抽水蓄能電站輸水道系統(tǒng)充排水試驗設計要求[R].華東勘測設計研究院,2013.

2015-06-26

陳祥榮(1963- )，男，福建福清人，教授級高級工程師，錦屏二級設計總工程師，從事水電工程設計、項目管理和咨詢工作。

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