引水隧洞充排水試驗(yàn)滲壓計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

引水隧洞充排水試驗(yàn)滲壓計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

劉毓福李數(shù)林張杰

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

充排水試驗(yàn)是對(duì)引水隧洞進(jìn)行安全檢查的重要手段之一。通過(guò)對(duì)泰山抽水蓄能電站1號(hào)和2號(hào)引水隧洞充排水試驗(yàn)的滲壓計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究高壓隧洞內(nèi)水外滲時(shí)圍巖承載、外水內(nèi)滲時(shí)襯砌承載、滲流速率與襯砌裂隙發(fā)育關(guān)系。結(jié)果表明，內(nèi)水外滲時(shí)，內(nèi)水壓力可以利用固結(jié)灌漿的圍巖承載，同時(shí)圍巖可以抵抗地下水滲入。通過(guò)對(duì)充排水試驗(yàn)滲壓計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以查明引水隧洞的安全狀況，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工有一定的參考作用。

充排水；滲壓計(jì)；內(nèi)外水壓差；設(shè)計(jì)參考值

1 工程概況和引水隧洞充排水簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

山東泰山抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠(chǎng)房系統(tǒng)、地面開(kāi)關(guān)站及下水庫(kù)等建筑物組成，電站裝有四臺(tái)單機(jī)容量250MW的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)組和發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)容量為1000MW，機(jī)組裝機(jī)高程為101.00m，發(fā)電額定水頭為225.00m。

輸水道系統(tǒng)布置于橫嶺南坡北東向山梁及山前丘陵區(qū)內(nèi)，引水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)布置，尾水系統(tǒng)為四機(jī)兩洞布置。引水系統(tǒng)包括1號(hào)引水隧洞和2號(hào)引水隧洞，其組成部分主要有上水庫(kù)側(cè)向豎井式進(jìn)/出水口及閘門(mén)井、引水上平洞、引水豎井及下平洞、鋼筋混凝土引水岔管、分岔后的高壓支管；尾水系統(tǒng)包括尾水支管、鋼筋混凝土尾水岔管、合并后的尾水隧洞、尾水調(diào)壓井及下水庫(kù)側(cè)向塔式進(jìn)/出水口和尾水明渠等。引水系統(tǒng)總長(zhǎng)為572.59～580.48m，1號(hào)引水隧洞與2號(hào)引水隧洞平行布置，其初始軸線(xiàn)方向?yàn)镹E61.5°，經(jīng)豎井轉(zhuǎn)為NE25°至65°斜向進(jìn)入廠(chǎng)房，其中引水平洞和高壓豎井洞直徑均為8.0m，高壓支管洞徑為4.8m，尾水支管洞徑為6.0m，尾水隧洞洞徑為8.5m。

1.2 引水隧洞充排水實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

引水隧洞洞徑大、水頭高，加之地質(zhì)條件復(fù)雜，定期對(duì)其進(jìn)行放空檢查是完全有必要的。充排水試驗(yàn)主要包括放空、檢查(修補(bǔ))和充水等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證電站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，可為今后指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確有效的資料。

2號(hào)引水隧洞于2014年5月31日13點(diǎn)40分開(kāi)始排水，歷時(shí)197小時(shí)40分鐘(含保壓時(shí)間)，充水開(kāi)始于2014年6月12日15點(diǎn)02分，累計(jì)耗時(shí)161小時(shí)58分鐘，放空期間由于豎井段內(nèi)外水壓力差居高不下，保壓時(shí)間較長(zhǎng)，后文將重點(diǎn)介紹。1號(hào)引水隧洞于2016年9月22日16點(diǎn)開(kāi)始排水，歷時(shí)138小時(shí)34分鐘(含保壓時(shí)間)，充水開(kāi)始于2016年10月23日8點(diǎn)，累計(jì)耗時(shí)108小時(shí)左右。由于有了2號(hào)引水隧洞充排水的成功經(jīng)驗(yàn)，1號(hào)引水隧洞充排水試驗(yàn)進(jìn)行得更為順利。

2 滲壓計(jì)埋設(shè)位置介紹

由于1號(hào)引水隧洞地質(zhì)條件相對(duì)較好，1號(hào)引水隧洞儀器較2號(hào)引水隧洞少。在1號(hào)引水主岔管段引10+232.480m處埋設(shè)2支滲壓計(jì)，儀器編號(hào)分別為Pcg1-1～Pcg1-2；在分岔管段埋設(shè)3支滲壓計(jì)，儀器編號(hào)為Pcg1-3～Pcg1-5，監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)情況如圖1所示。

圖1 1號(hào)引水隧洞滲壓計(jì)布置

2號(hào)引水隧洞豎井段EL260.00m高程處埋設(shè)4支滲壓計(jì)，儀器編號(hào)分別為Pp1～Pp4，在下平段引20+202.083m處埋設(shè)三支滲壓計(jì)，儀器編號(hào)為Pp5～Pp7，在2號(hào)引水分岔管段埋設(shè)3支滲壓計(jì)，儀器編號(hào)為Pcg2-1～Pcg2-3，于3號(hào)鋼支管段引2(3)0+251.150m處埋設(shè)2支滲壓計(jì)，對(duì)應(yīng)儀器編號(hào)為Pcg2-4～Pcg2-5，監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)情況如圖2所示。

圖2 2號(hào)引水隧洞滲壓計(jì)布置圖

3 排水過(guò)程觀(guān)測(cè)成果分析

3.1 2號(hào)引水隧洞排水過(guò)程滲壓計(jì)觀(guān)測(cè)成果分析

滲壓計(jì)用來(lái)測(cè)量隧洞鋼筋混凝土襯砌外側(cè)水壓力，通過(guò)測(cè)量該數(shù)據(jù)可以了解隧洞襯砌內(nèi)外壓力差，從而了解隧洞襯砌所受的內(nèi)水壓力情況[1]。泰山電站內(nèi)外水壓差設(shè)計(jì)參考值為1.2MPa。

3.1.1 豎井段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖3可知，隨著水道水位下降至滲壓計(jì)埋設(shè)高程(EL260.00m)，豎井段滲壓計(jì)數(shù)值下降，降幅最大為Pp2。此時(shí)內(nèi)水下降126m，滲壓水頭最大降幅為24.28m。由圖4可知，在EL260.00m高程以上，水道水位與滲壓水頭下降速率有很好的相關(guān)性，說(shuō)明滲壓計(jì)埋設(shè)部位部分水頭是由隧洞內(nèi)水外滲造成。此時(shí)最大內(nèi)外水壓差為87.77m，小于設(shè)計(jì)參考值。

由圖3可知，當(dāng)水道水位下降至EL260.00m以下之后，滲壓計(jì)水頭下降很慢。由于從EL260.00m高程至下平段無(wú)監(jiān)測(cè)儀器，無(wú)法監(jiān)測(cè)到此段豎井的外水壓力。在此，假如從EL260.00m高程往下是連通的(最壞工況)，當(dāng)水道水位下降至225.70m時(shí)，此時(shí)該處內(nèi)外水壓差達(dá)到119.2m，處于臨界破壞狀態(tài)。此時(shí)停止排水，穩(wěn)壓14h之后發(fā)現(xiàn)內(nèi)外水壓差沒(méi)有減小，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組討論，決定放下1號(hào)引水隧洞閘門(mén)，觀(guān)察1號(hào)、2號(hào)引水隧洞內(nèi)水位變化情況，以確定兩水道之間的連通關(guān)系。結(jié)果表明，1號(hào)隧洞水位下降9m，而滲壓計(jì)測(cè)值無(wú)明顯變化。

圖3 2號(hào)引水隧洞排水過(guò)程中水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 2號(hào)引水隧洞水道水位與滲壓水頭下降速率關(guān)系曲線(xiàn)

3.1.2 下平段監(jiān)測(cè)成果分析

如圖5所示，隨著水道水位的下降，下平段滲壓計(jì)測(cè)值無(wú)明顯下降趨勢(shì)，特別是Pp5測(cè)值較大，且前期還有略微升高。當(dāng)水位下降至225.71m時(shí)，豎井段內(nèi)外水壓差達(dá)到臨界值，下平段內(nèi)外水壓差為98.19m，且由于下平段Pp5、Pp7滲壓計(jì)讀數(shù)下降緩慢，下平段內(nèi)外水壓力上升速率與排水速率幾乎一致，經(jīng)過(guò)充分論證，認(rèn)為可按照當(dāng)時(shí)排水速率繼續(xù)進(jìn)行引水系統(tǒng)放水。根據(jù)安全計(jì)算，提出下一步放水關(guān)注的控制參數(shù)：

a. 放水速率嚴(yán)格控制在2.5m/s以下。

b. sph6測(cè)值不大于-550με。

c. Rp5、Rp6、Rp7數(shù)值絕對(duì)值不大于300MPa，且趨勢(shì)變化正常。

在下一步放水過(guò)程中，應(yīng)密切關(guān)注2號(hào)下平段的襯砌應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力等情況。

最終，雖然豎井段最大內(nèi)外水壓差達(dá)到243m，下平段最大內(nèi)外水壓差達(dá)到209m，但襯砌應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力均在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。說(shuō)明豎井段襯砌接縫灌漿效果良好，圍巖固結(jié)灌漿效果明顯，山體地下水滲入較少；利用豎井段滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)來(lái)推測(cè)該儀器埋設(shè)高程以下部位內(nèi)外水壓差不合理。同時(shí)，下平段滲壓計(jì)測(cè)值居高不下，排除儀器損壞可能性，經(jīng)分析有可能是該處滲壓計(jì)埋設(shè)時(shí)混凝土將滲壓計(jì)整體包裹，導(dǎo)致滲壓計(jì)周?chē)乃畨毫Σ荒苎杆傧ⅰ?/p>

圖5 2號(hào)引水隧洞下平段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

3.1.3 引水岔管段監(jiān)測(cè)成果分析

由于岔管部位施工條件相對(duì)復(fù)雜，分岔部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂隙發(fā)育較多。由圖6可知，隨著水道水位下降，2號(hào)岔管處滲壓計(jì)測(cè)值隨之下降，有很好的相關(guān)性。當(dāng)放空時(shí)，水道水位累計(jì)下降286.4m，而岔管部位滲壓計(jì)測(cè)值最大的Pcg2-1累計(jì)下降了274.29m，表明岔管部位滲壓水頭全部由內(nèi)水外滲造成。此現(xiàn)象也表明襯砌混凝土雖已開(kāi)裂，但高內(nèi)水壓力可以利用經(jīng)高壓固結(jié)灌漿的圍巖來(lái)承載，因此設(shè)計(jì)襯砌厚度時(shí)可以將周?chē)刭|(zhì)條件考慮在內(nèi)，減小襯砌厚度。

圖6 2號(hào)引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

3.1.4 壓力鋼管段監(jiān)測(cè)成果分析

鋼管段不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)水外滲，但由圖7可知，隨著水道水位下降，鋼管外滲壓水頭也隨之下降。當(dāng)水道水位降至岔管滲壓計(jì)埋設(shè)高程以后，岔管段外水壓力迅速消散，同時(shí)鋼管段外水壓力趨于穩(wěn)定。表明岔管與鋼管之間防滲帷幕阻水效果不好，岔管段的內(nèi)水外滲至襯砌，是由襯砌處的外水通過(guò)帷幕滲透至鋼管處造成。

圖7 2號(hào)引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 1號(hào)引水隧洞排水過(guò)程滲壓計(jì)觀(guān)測(cè)成果分析

3.2.1 引水岔管段監(jiān)測(cè)成果分析

與2號(hào)引水隧洞類(lèi)似，由圖8可知，隨著水道水位下降，1號(hào)岔管處滲壓計(jì)測(cè)值隨之下降，二者有很好的相關(guān)性。當(dāng)放空時(shí)，水道水位累計(jì)下降291.49m，而岔管部位滲壓計(jì)測(cè)值最大的Pcg1-1累計(jì)下降了165.75m,此時(shí)岔管滲壓水頭最大為39.06m。表明岔管部位滲壓水頭幾乎全部是內(nèi)水外滲造成。

由圖1可知，Pcg1-3和Pcg1-4兩支儀器布置于同一高程，相隔5m，中間有防滲帷幕。同時(shí)，由圖8可知，兩支儀器滲壓水頭幾乎一致，表明該處防滲帷幕阻水效果不好。

圖8 1號(hào)引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

3.2.2 壓力鋼管段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖9可知，1號(hào)引水隧洞與2號(hào)引水隧洞一樣，壓力鋼管外滲壓水頭隨著水道水位下降也有下降。分析原因是由于鋼管段上 接混凝土岔管，岔管與鋼管之間防滲帷幕阻水效果不好，岔管段的內(nèi)水外滲至襯砌，襯砌處的外水通過(guò)帷幕滲透至鋼管處造成。

圖9 1號(hào)引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

4 充水過(guò)程觀(guān)測(cè)成果分析

4.1 2號(hào)引水隧洞充水過(guò)程滲壓計(jì)觀(guān)測(cè)成果分析

4.1.1 豎井段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖10可知，2號(hào)引水隧洞充水過(guò)程與排水過(guò)程相反，當(dāng)水道水位位于EL260.00m以下時(shí)，滲壓水頭上升緩慢；當(dāng)水道水位上升至EL260.00m以上之后，滲壓水頭與水道水位的相關(guān)性則非常明顯。說(shuō)明豎井段內(nèi)水外滲是客觀(guān)存在的，但是由于內(nèi)水外滲造成的滲壓水頭相對(duì)較小，說(shuō)明豎井段的防滲效果較好。

圖10 2號(hào)引水隧洞豎井段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

4.1.2 下平段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖11可知，2號(hào)引水隧洞經(jīng)過(guò)放空94小時(shí)后，Pp5滲壓水頭下降14.6m，Pp7滲壓水頭下降3.55m，與以上分析該處滲壓計(jì)被混凝土包裹一致。隨著水道水位的上升，兩支滲壓計(jì)測(cè)值沒(méi)有明顯變化。

圖11 2號(hào)引水隧洞下平段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

4.1.3 引水岔管段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖12可知，2號(hào)引水隧洞充水過(guò)程岔管部位滲壓水頭與排水過(guò)程相反，其與水道水位相關(guān)性很好，當(dāng)水道水位恢復(fù)至放空前高程時(shí)，岔管部位滲壓計(jì)恢復(fù)至放空前水頭。表明2號(hào)引水隧洞岔管段裂隙沒(méi)有繼續(xù)發(fā)育，經(jīng)固結(jié)灌漿處理過(guò)的圍巖能較好地承受較高的內(nèi)水壓力。

圖12 2號(hào)引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

4.1.4 壓力鋼管段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖13可知，隨著水道水位上升，鋼管外滲壓水頭逐漸恢復(fù)至放空前。Pg3-1最大達(dá)到了77m。當(dāng)水道水位處于保壓狀態(tài)時(shí)，鋼管外滲壓水頭過(guò)程線(xiàn)有明顯臺(tái)階狀，說(shuō)明岔管至鋼管段水壓力能很快地達(dá)到平衡狀態(tài)，進(jìn)一步說(shuō)明岔管至鋼管段帷幕灌漿阻水較差。

圖13 2號(hào)引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

4.2 1號(hào)引水隧洞排水過(guò)程滲壓計(jì)觀(guān)測(cè)成果分析

4.2.1 引水岔管段監(jiān)測(cè)成果分析

與排水過(guò)程相反，岔管部位滲壓水頭與水道水位相關(guān)性很好，當(dāng)水道水位恢復(fù)至放空前高程時(shí)，岔管部位滲壓計(jì)恢復(fù)至放空前水頭。由圖14可知，當(dāng)水道水位處于保壓狀態(tài)時(shí)，岔管部位滲壓計(jì)測(cè)值有較明顯的波動(dòng)，這是由于內(nèi)水穩(wěn)定之后，該部位內(nèi)水外滲和外水內(nèi)滲交替進(jìn)行，直到達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖14 1號(hào)引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

4.2.2 壓力鋼管段監(jiān)測(cè)成果分析

由圖15可知，隨著水道水位上升，1號(hào)鋼管外滲壓水頭逐步上升，當(dāng)水道水位處于保壓狀態(tài)時(shí)，鋼管外滲壓水頭沒(méi)有明顯臺(tái)階狀。這是由于岔管段裂隙較為明顯，岔管外很快達(dá)到飽和，導(dǎo)致岔管段滲壓水頭較大；同時(shí)岔管至鋼管段帷幕防滲效果較好，岔管部位高水頭持續(xù)作用在帷幕上，使鋼管段滲壓水頭持續(xù)緩慢增加。

圖15 1號(hào)引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線(xiàn)

5 山體地下水位觀(guān)測(cè)成果分析

山體地下水位與水道水位過(guò)程線(xiàn)如圖16所示，從圖中可以看出，1號(hào)、2號(hào)引水隧洞充排水過(guò)程中，山體地下水位并不隨水道水位下降而下降，表明隧洞與山體之間并無(wú)連通，兩者沒(méi)有相互滲漏。

圖16 引水隧洞充排水期間水道水位與山體水位關(guān)系曲線(xiàn)

6 總 結(jié)

泰山抽水蓄能電站1號(hào)、2號(hào)引水隧洞充排水試驗(yàn)期間通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)值的分析，在保證電站安全的前提下，高效及時(shí)解決了充排水過(guò)程中遇到的各種隱患，得出以下結(jié)論，供其他電站進(jìn)行同類(lèi)試驗(yàn)時(shí)參考。

a. 充排水過(guò)程，控制水道水位升降速率是保證充排水試驗(yàn)安全進(jìn)行的關(guān)鍵。

b. 當(dāng)內(nèi)外水壓差達(dá)到設(shè)計(jì)參考值時(shí)，應(yīng)分析滲壓計(jì)埋設(shè)斷面處其他類(lèi)型儀器，如：應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)和測(cè)縫計(jì)，通過(guò)其他儀器進(jìn)一步分析各斷面是否處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。若各斷面其他儀器測(cè)值正常，則可選定其他設(shè)計(jì)參考值來(lái)進(jìn)行控制監(jiān)測(cè)。

c. 通過(guò)內(nèi)水外滲速率以及滲壓水頭過(guò)程線(xiàn)的波動(dòng)性可以判斷該斷面裂隙發(fā)育情況，明確放空檢查重點(diǎn)。

d. 岔管外圍巖高壓固結(jié)灌漿效果較好，在岔管段裂隙發(fā)育時(shí)，起到了很好的承載和防滲作用。

鄒仕鑫. 仙游抽水蓄能電站2號(hào)引水隧洞充排水試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析[J]. 中國(guó)水能及電氣化, 2014(2)： 48-52.

Analysisonthemeasureddataofwaterfillinganddrainageexperimentosmometerinthewaterdiversiontunnel

LIU Yufu, LI Shulin, ZHANG Jie

(ZhejiangHuadongEngineeringSafetyTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou310014,China)

Water filling and draining experiment is one of the important means of safety inspection of water diversion tunnels. Through analyzing the osmometer data of water filling and draining experiment in No. 1 and No. 2 water diversion tunnel of Taishan pumped storage power plant, surrounding rock bearing during internal water outward seepage, lining bearing during external water inward seepage, seepage rate and lining crack development relations in high pressure tunnels are studied. The results show that the internal water pressure can be carried by the surrounding rock of consolidation grouting during internal water outward seepage. Meanwhile, the surrounding rock can resist infiltration of groundwater. The security situation of the water diversion tunnel can be found through the analysis of the osmometer data of water filling and drainage experiment, which has certain reference effect on the improvement design and construction guidance.

water filling and drainage; osmometer; internal and external water pressure difference; design reference value

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.013

TV698.1+2

B

1005-4774(2017)010-0052-05