桐柏抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行及檢修技術(shù)研究

趙賢學(xué)，張士平，徐軍陽

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098）

桐柏抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行及檢修技術(shù)研究

趙賢學(xué)1，張士平1，徐軍陽2

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江天臺(tái)317200；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098）

桐柏抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)在圍巖巖性固有基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋼筋混凝土襯砌，靠近廠房段高壓支管采用鋼板襯砌，并對(duì)相應(yīng)圍巖進(jìn)行了灌漿，既降低了輸水系統(tǒng)糙率又保障了其結(jié)構(gòu)安全；運(yùn)行后對(duì)輸水系統(tǒng)排充水速率要求嚴(yán)謹(jǐn)，保障了輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和防滲體系安全；對(duì)局部襯砌和防滲存在缺陷檢修技術(shù)進(jìn)行研究比較，采用化學(xué)灌漿技術(shù)進(jìn)行修復(fù)處理，進(jìn)一步保證了輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

鋼筋混凝土襯砌；排充水；化學(xué)灌漿

1 引言

桐柏抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)連接上、下水庫，由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)組成。主要建筑物包括：上庫進(jìn)/出水口和事故檢修閘門井、引水隧洞、壓力鋼管、尾水隧洞、尾水事故閘門井、下庫進(jìn)/出水口等。引水系統(tǒng)為兩洞四機(jī)，尾水系統(tǒng)為單洞單機(jī)，均未設(shè)調(diào)壓室，但上下水庫進(jìn)出水口事故閘門井兼有調(diào)壓室功能；上水庫進(jìn)出水口選用岸坡豎井式進(jìn)水口，底板高程360 m，兩條引水隧洞的中心間距為48 m，洞徑9 m，斜井斜長(zhǎng)390.2 m傾角為50°，鋼筋混凝土岔管將主管分為兩條支管，支管直徑5.5～3.1 m，鋼襯長(zhǎng)度107.6～141.9 m，從上水庫進(jìn)出水口到機(jī)組中心線引水系統(tǒng)的長(zhǎng)度是872.85～884.57 m；尾水隧洞采用單機(jī)單管，從廠房機(jī)組中心線至下水庫進(jìn)出水口尾水系統(tǒng)長(zhǎng)391.79 m，洞徑7 m，尾水管鋼襯長(zhǎng)度72.85 m，其余為鋼筋混凝土襯砌。下平段通過50°的斜井與下水庫進(jìn)出水口相接。下水庫4個(gè)進(jìn)出水口平行布置，底板高程93.5 m，其余與上水庫進(jìn)出水口相類似。

2 輸水系統(tǒng)受力分析及襯砌灌漿參數(shù)

2.1.水系統(tǒng)受力分析

抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)停機(jī)頻繁、工況復(fù)雜且變化多樣，在運(yùn)行工況變化引起的水力瞬變過程中，因水流慣性及系統(tǒng)中能量的不平衡，將引起輸水系統(tǒng)內(nèi)水壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速的劇烈變化，產(chǎn)生壓力急劇上升或下降及機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇加快，可能危及電站的安全運(yùn)行，影響輸水系統(tǒng)和機(jī)組的壽命。根據(jù)水力過渡過程計(jì)算，機(jī)組蝸殼進(jìn)口最大壓力為4.056 MPa，發(fā)生工況：上庫水位396.2 m，下庫水位141.2 m，兩臺(tái)機(jī)組超出力316 MW發(fā)電甩全負(fù)荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉；蝸殼進(jìn)口最小壓力為2.39 MPa，發(fā)生工況：兩機(jī)全抽水失電，一關(guān)一拒，球閥關(guān)閉；機(jī)組尾水管進(jìn)口最大壓力達(dá)到1.258 MPa，發(fā)生工況：兩機(jī)抽水全失電，兩導(dǎo)葉全關(guān)，球閥不動(dòng)作；尾水管進(jìn)口最小壓力為0.36 MPa，發(fā)生工況：上庫水位396.2 m，下庫水位110.0 m，兩臺(tái)機(jī)組超出力336 MW發(fā)電甩全負(fù)荷，導(dǎo)葉正常關(guān)閉。輸水系統(tǒng)縱剖面見圖1，受力計(jì)算部分?jǐn)嗝鏀?shù)據(jù)見表1。

圖1.水系統(tǒng)縱剖面圖

表1.水隧洞各典型斷面內(nèi)、外水壓力單位：m

2.2.水系統(tǒng)襯砌及灌漿參數(shù)

為減小輸水系統(tǒng)糙率和加固圍巖，輸水系統(tǒng)自上庫進(jìn)出水口至岔管采用鋼筋混凝土襯砌，支管采用鋼板襯砌；上水庫進(jìn)出水口及上平段混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25W8；引水隧洞混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25W 10；斜井及下平段鋼筋混凝土襯砌采用透水襯砌，不設(shè)貫穿襯砌的減壓孔，斜井及下平段襯砌厚均為0.5 m，采用限裂設(shè)計(jì)進(jìn)行構(gòu)造配筋，限裂計(jì)算時(shí)不考慮水錘壓力；高壓鋼管采用NK-HITEN610U2的600 MPa級(jí)鋼板襯砌，厚46 mm，鋼管直徑3.1 m，考慮鋼管銹蝕裕量2 mm后，鋼管可承受470 m水壓力。

引水隧洞混凝土襯砌因其固有的性能在高壓內(nèi)水作用下必然開裂。為提高隧洞的防滲能力，必須做好襯砌與圍巖之間的回填灌漿以及圍巖的固結(jié)灌漿；引水隧洞從上平段至下平段，內(nèi)水壓力由40 m增加至340 m，隧洞沿線灌漿參數(shù)根據(jù)內(nèi)水壓力的變化分區(qū)設(shè)計(jì)，灌漿設(shè)計(jì)壓力自上平洞至高程300 m為1.5 MPa，高程300至150為3.8 MPa，高程150至下平洞段為5.2 MPa；排距2～3 m，單排徑向布孔15至18個(gè)，孔深5～6 m；經(jīng)高壓灌漿試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)，確定高壓灌漿參數(shù)、灌漿材料和配比以及灌漿的合理程序；斜井、下平段和岔管部位的高壓帷幕灌漿和高壓固結(jié)灌漿，斜井高程80 m以下環(huán)間分Ⅰ、Ⅱ序，環(huán)內(nèi)逐步加密，斜井高程80 m以上環(huán)間不分序。Ⅰ序孔采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅱ序孔采用P.O42.5改性磨細(xì)水泥進(jìn)行灌漿。

3 輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行研究

3.1.常運(yùn)行監(jiān)測(cè)

自2006年電站發(fā)電運(yùn)行后，輸水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)滲水量在20 L/s左右，主要滲水逸出點(diǎn)集中在廠房右側(cè)（發(fā)電方向）A3及A6廊道內(nèi)F46、F13等處；滲水主要因素有：襯砌混凝土因本身的水化熱產(chǎn)生溫度裂縫和圍巖約束產(chǎn)生的應(yīng)力裂縫，混凝土襯砌在100 m水頭以上是透水設(shè)計(jì)和襯砌混凝土圍巖的固結(jié)灌漿孔封堵不好而產(chǎn)生的內(nèi)水外滲。日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)次按規(guī)范執(zhí)行。現(xiàn)僅述及滲水壓力及滲水量，見表2及表3。

表2.管滲壓計(jì)滲壓水位監(jiān)測(cè)成果表單位：m

正常運(yùn)行時(shí)輸水系統(tǒng)滲水在壓力變化情況下可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)面薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生水力作用造成通道擴(kuò)大，繼而滲水增大，破壞輸水系統(tǒng)防滲體系，危及電站安全運(yùn)行；桐柏電站輸水系統(tǒng)運(yùn)行正常。

表3.水系統(tǒng)滲漏量監(jiān)測(cè)成果表單位：L/s

3.2.水系統(tǒng)放空排充水速率控制

輸水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)僅在關(guān)停機(jī)時(shí)產(chǎn)生水錘的壓力波動(dòng)對(duì)水道有影響外，一般情況影響較小，但每次輸水系統(tǒng)放空就是對(duì)防滲體系一次損壞考驗(yàn)。為了防止出現(xiàn)防滲體系擊穿，在機(jī)組檢修中輸水系統(tǒng)放空過程中排充水速率控制極為關(guān)鍵，特別是排水過程中輸水系統(tǒng)內(nèi)水外滲到巖體里水反向流回，其破壞性尤其嚴(yán)重。2008年放空檢查，2014年10月15日至11月30日1號(hào)輸水系統(tǒng)放空處理，2016年11月1日至11月21日2號(hào)輸水系統(tǒng)放空檢查。桐柏輸水系統(tǒng)排水速度控制原則為：（1）240 m高程以上每小時(shí)下降水位4 m，240 m高程以下每小時(shí)下降水位2～3 m；（2）引水隧洞內(nèi)外水頭差不得大于100 m。當(dāng)排水設(shè)備流量調(diào)節(jié)不能滿足上述要求時(shí)（即水位下降速率過快），應(yīng)采取間歇（臺(tái)階）式排水方法使其時(shí)間平均值滿足上述水位下降速率要求。排水初期實(shí)際操作中由于通氣孔水量較小（庫水位至360高程段），排水閥開度亦較小；進(jìn)入上平段后由于其水量較大，調(diào)節(jié)排水閥100%開度；進(jìn)入斜井直線段后且在240 m高程以上時(shí)，調(diào)整排水針閥開度25%～30%，水位下降平均速率控制在4 m/h以內(nèi)，在240 m高程～下水庫庫水位之間時(shí)，水位下降速率控制在3 m/h。在接近檢修排水自流排水出口高程（90 m高程）時(shí)采用檢修泵排水，排水水位下降速率控制在3 m/h，直至水全部排完。充水速度控制原則為：50.45～240 m高程充水速率為10.0 m/h，240～386 m (上庫水位)充水速率為5 m/h。由于嚴(yán)格控制排充水速率和襯砌內(nèi)外壓力差，較好保護(hù)了防滲體系，輸水系統(tǒng)充水運(yùn)行后滲水沒有發(fā)生變化。

3.3.水系統(tǒng)自激振影響

桐柏電站在2014年9月至10月期間，兩條輸水系統(tǒng)先后共發(fā)生了4次水力自激振動(dòng)現(xiàn)象，壓力脈動(dòng)最大值已接近球閥上游靜壓力2倍，1號(hào)輸水系統(tǒng)首次發(fā)生水力自激振時(shí)間為2014年09月12日01:06～01:18，當(dāng)時(shí)上游靜水壓力為3.34 MPa，而脈動(dòng)壓力值約6.6 MPa；處理完畢時(shí)間為2014年09月12日01:20，前后時(shí)長(zhǎng)1 h，當(dāng)時(shí)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài)，緊接出現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)機(jī)主進(jìn)水閥工作密封在不停的投退，1號(hào)、2號(hào)機(jī)主進(jìn)水閥有振動(dòng)，高壓鋼管處監(jiān)測(cè)壓力脈動(dòng)。雖然壓力脈動(dòng)很大但歷時(shí)短，輸水系統(tǒng)未出現(xiàn)滲水異常情況。

4 輸水系統(tǒng)檢修技術(shù)研究及實(shí)施

4.1.修方案研究

輸水系統(tǒng)自首次充水檢查至2016年已運(yùn)行11年，觀測(cè)數(shù)據(jù)表明兩條輸水系統(tǒng)滲水主要在1號(hào)輸水系統(tǒng)；經(jīng)過2008年首次檢查后確定結(jié)合機(jī)組大修僅進(jìn)行下平洞段檢修；2014年三季度1號(hào)機(jī)組A修，為保障1號(hào)輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，1號(hào)引水下平洞段0+405.700（下彎段起點(diǎn)）～0+629.748（引水鋼襯起點(diǎn)）約224 m；1號(hào)尾水隧洞尾0+274.000（尾水鋼襯末端）～尾0+171.160（平洞末端）約103 m，進(jìn)行滲水處理；滲水處理是結(jié)合機(jī)組A級(jí)大修，給滲水處理時(shí)間僅45 d；進(jìn)出通道為一個(gè)直徑為0.615 m的進(jìn)人孔。按照常規(guī)應(yīng)該采用水泥灌漿，作為傳統(tǒng)灌漿其具有強(qiáng)度高耐久性好無毒造價(jià)低，但水泥顆粒較粗可灌性差，設(shè)備需要空間大，只能布置在廠房?jī)?nèi)，易污染工作面，造成環(huán)境污染，水泥漿液的進(jìn)回漿管等存在影響其他機(jī)組安全運(yùn)行隱患；再者時(shí)間緊，輔助工作準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)；化學(xué)灌漿因材料顆粒細(xì)類似水，可灌性好，抗?jié)B性能好，施工設(shè)備簡(jiǎn)單，施工快捷；灌漿材料選擇環(huán)保材料就無污染，固化快，最后選用方案為采用水溶性聚胺脂HW（低強(qiáng)度）/LW（高強(qiáng)度）混合漿液進(jìn)行化學(xué)灌漿（見表4），混合漿液優(yōu)點(diǎn)是即可有效控制漿液的凝結(jié)時(shí)間，確保漿液擴(kuò)散半徑，又可提高漿液的抗拉、抗壓強(qiáng)度，以彌補(bǔ)HW或LW單一漿液灌漿的不足；該材料具有粘度小、凝固時(shí)間可調(diào)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的細(xì)微裂縫、溫度裂縫、施工縫、冷接縫等灌漿后可以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性和密實(shí)性，并且在有水、潮濕和干燥的基面上均可進(jìn)行施工，對(duì)桐柏電站中等水頭的輸水系統(tǒng)檢修是可行的。

表4.溶性聚氨酯化灌材料的物理力學(xué)性能

4.2.案實(shí)施

滲水處理的對(duì)象為襯砌混凝土滲水裂縫、施工縫以及滲水量較大部位的圍巖；處理措施主要為化學(xué)灌漿及表面封閉即對(duì)集中滲水點(diǎn)灌漿（單點(diǎn)滲水部位或成片滲水部位），對(duì)該部位圍巖進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)灌漿處理，封閉襯砌外圍巖裂隙，孔距3 m左右，孔深入巖2.0 m（后調(diào)整為0.2 m）；滲水裂縫處理施工，用角磨機(jī)磨去裂縫兩邊各10 cm表面各種雜物，沿縫鉆設(shè)與裂縫斜交45°灌漿孔，間距30～50 cm，孔徑14 mm，確保鉆孔與裂縫面相交。

集中滲水點(diǎn)灌漿。1號(hào)引水下平洞進(jìn)行了33處圍巖化灌處理，布設(shè)灌漿孔106個(gè)，鉆孔151.18 m，灌入水溶性聚胺脂6 462.96 kg。根據(jù)滲水點(diǎn)檢查成果分布看，滲水點(diǎn)主要分布在洞頂120°范圍弧線內(nèi)，軸線方向主要集中在1號(hào)引水下平段0+473.7～0+600.3 m段內(nèi)，鉆孔發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌存地脫空現(xiàn)象（1～3 cm），與襯砌接觸的圍巖較為完整；在灌前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，鉆孔間串孔現(xiàn)象較多，說明混凝土襯砌與基礎(chǔ)之間存在脫空現(xiàn)象；灌漿吸漿量大的主要集中3個(gè)部位：0+562.5 m灌入水溶性聚胺脂1636.8 kg；0+519.9 m灌入水溶性聚胺脂1 084.5 kg；0+501.7 m灌入水溶性聚胺脂696.2 kg；3個(gè)部位共設(shè)鉆孔11個(gè)，灌入水溶性聚胺脂3 417.5 kg，占圍巖化灌量的52.8%。

裂縫灌漿。1號(hào)引水隧洞下平段采用化學(xué)灌漿滲水裂縫202條，總長(zhǎng)度為1 287.5 m；滲水裂縫水溶性聚胺脂灌漿365 kg。按每100 m布置不少于3個(gè)檢查孔；采用單點(diǎn)壓水試驗(yàn)40點(diǎn)，壓水檢查壓力0.4 MPa，持續(xù)壓水5 min所有縫面均不滲水。

4.3.漿后滲水量比較

2014年11.1.輸水系統(tǒng)防滲處理前和處理后比較滲水量減少明顯，處理后2015年1～12月同比減少率為39.7%～71%；2016年1～12月同比減少率為37.7%～75.3%，表明灌漿效果非常顯著，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語

桐柏抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)在圍巖巖性固有基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋼筋混凝土襯砌，靠近廠房段高壓支管采用鋼板襯砌，并對(duì)相應(yīng)圍巖進(jìn)行了固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，這種結(jié)構(gòu)形式是合適的，既降低了輸水系統(tǒng)糙率又保障了其結(jié)構(gòu)安全。運(yùn)行后對(duì)輸水系統(tǒng)排充水速率嚴(yán)格按照設(shè)定的速率進(jìn)行排充水，保障了輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全和防滲體系安全。對(duì)局部襯砌和防滲存在缺陷檢修技術(shù)進(jìn)行研究比較，采用水溶性聚氨酯進(jìn)行化學(xué)灌漿技術(shù)是合適的，提高了防滲體系可靠性，保證了輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

[1]陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京：水利電力出版社，1992.

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TV743

B

1672-5387（2017）09-0056-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.020

2017-06-19

趙賢學(xué)（1962-），男,高級(jí)工程師，研究方向：水電站建設(shè)及運(yùn)行管理。