萬家口子水電站引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗設(shè)計

孫 健

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概況

引水發(fā)電系統(tǒng)采用一洞兩機型式布置于右岸山體內(nèi)，主要包括進水塔、引水隧洞、發(fā)電廠房、尾閘室和尾水渠等水工建筑物，其中引水隧洞由上平段、上彎段、斜井段、下彎段和下平段組成。引水隧洞上平段和上彎段采用混凝土襯砌結(jié)構(gòu)型式，隧洞內(nèi)徑DN7000mm；下彎段和下平段因壓力水頭較高采用內(nèi)襯鋼管，外包混凝土襯砌結(jié)構(gòu)型式，隧洞內(nèi)徑DN6000mm；兩種結(jié)構(gòu)型式管徑在斜井段高程1339.975～1349.675m完成漸變，如圖1所示。

2 充排水試驗步驟

引水隧洞充水原則上應(yīng)在尾水管充排水完成的情況下進行。引水隧洞的充排水試驗是整個引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗過程中的控制性部分，試驗耗時長，也是存在不確定性因素最多的部分，為確保隧洞充排水試驗的順利進行，在正式試驗前對與試驗相關(guān)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進行調(diào)試試驗。同時，為滿足機組調(diào)試過機組水流的水質(zhì)要求，應(yīng)在引水隧洞充水前完成進水口、尾水出口基坑的清淤檢查工作。

3 充排水試驗實施方式

3.1 尾水管充排水試驗

3.1.1 尾水管充水

觀測并記錄尾水渠水位，通過技術(shù)供水設(shè)備向1#機組尾水管內(nèi)充水，待閘門前后平壓穩(wěn)定，開啟1#機組尾水閘門向尾水管道內(nèi)充水。充水過程中，應(yīng)隨時檢查水輪機頂蓋、導(dǎo)水機構(gòu)、主軸密封、測壓系統(tǒng)管路、尾水管進人門等處的漏水情況。

圖1 引水發(fā)電系統(tǒng)示意圖

充水過程中如發(fā)現(xiàn)有異常，應(yīng)立即報告指揮部，由指揮部根據(jù)情況研究處理。必要時，指揮部可以下令停止充水，待問題消除后再恢復(fù)充水，以確保廠房及其他機組的安全。

3.1.2 尾水管排水

關(guān)閉1#機組尾水閘門，開啟尾水管底部液壓操作盤型排水閥，將尾水管內(nèi)水排至檢修集水井，利用機組排水系統(tǒng)排水，其最大排水能力約為Q=2×180m3/h=360m3/h。

3.2 引水隧洞充水

引水隧洞充水建筑物主要包括進水口事故閘門井、混凝土襯砌引水隧洞和鋼管襯砌引水隧洞。引水隧洞總長約535.0m，充水總體積約為2.0萬m3。為保證機組帶水調(diào)試具備良好的水質(zhì)環(huán)境，引水隧洞充水前應(yīng)對進水口、尾水出口基坑進行清淤檢查。

3.2.1 引水隧洞試充水

為確保隧洞充排水試驗的順利進行，在正式試驗前應(yīng)對與試驗相關(guān)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進行調(diào)試，開展試充水試驗。

引水隧洞充水系統(tǒng)、檢修排水系統(tǒng)設(shè)備試驗前工作正常，排水系統(tǒng)管路通暢，具體調(diào)試試驗步驟如下：

(1)引水隧洞充水前先將引水隧洞末端檢修排水系統(tǒng)放空閥完全開啟，然后開啟進水口事故閘門充水閥充水；充水排泄期間先進行充水閥的關(guān)閉和開啟試驗，隨后進行放空閥關(guān)閉和開啟試驗(開展此項試驗時必須在充水閥關(guān)閉時進行)。

進水口事故閘門充水閥的關(guān)閉和開啟試驗主要包括：充水閥開啟關(guān)閉動作2～3次，充水時要求充水閥全開或全關(guān)，不允許半開充水。

檢修排水系統(tǒng)放空閥關(guān)閉和開啟試驗主要包括：帶荷載條件下開啟和關(guān)閉閥門2～3次，確保閥門關(guān)閉完整不漏水。

(2)在完成上述(1)充排水等試驗后，關(guān)閉放空閥，開啟充水閥，對引水隧洞試充水12h，然后關(guān)閉充水閥，穩(wěn)壓12h。

(3)在進行上述充排水及穩(wěn)壓試驗期間，若堵頭、進人門以及放空閥等部位發(fā)生較大滲漏水時，須立即停止試驗，關(guān)閉充水閥，放空洞內(nèi)水體，查明原因后進行消缺處理，符合要求后重新進行試驗。

在試充水穩(wěn)壓期間，巡視并觀察進人門漏水量，要求閘門在承受設(shè)計水頭壓力時，通過任意1m長止水橡皮范圍內(nèi)漏水量不應(yīng)超過0.1L/s。

待以上調(diào)試試驗項目完成并檢查合格后方能進行引水隧洞的正式充排水試驗。

3.2.2 引水隧洞正式充水

引水隧洞正式充水前，通過水庫調(diào)節(jié)，滿足引水隧洞充水的洞外水庫水位保持在1415m要求，進水口事故閘門下閘擋水，引水隧洞檢修排水系統(tǒng)控制閥門關(guān)閉，進入充水試驗階段。

引水隧洞充水通過進水口事故閘門頂2×Ф60cm充水閥進行，充水閥高程1406.68m，經(jīng)計算，充水閥充水能力為4.5～5.5m3/s，綜合考慮水位變動以及隧洞滲漏水等因素，按5.0m3/s近似取值。

完成引水隧洞充水，觀測并記錄上游水位，穩(wěn)壓72h；引水隧洞充水、穩(wěn)壓完成后，將進水口事故閘門提起并鎖定在開啟運行位置，進行1#機組的帶水調(diào)試，調(diào)試結(jié)束后進行隧洞排水試驗、放空檢查，消缺處理后再進行隧洞第二次充水，充水過程原則上同第一次充水。

3.2.3 水位觀測

引水隧洞預(yù)充水通過水位計進行全程水位觀測，數(shù)據(jù)傳送至中控室監(jiān)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)控分析。

3.2.4 滲漏控制標(biāo)準(zhǔn)

引水隧洞滲漏控制標(biāo)準(zhǔn)分為隧洞沿程滲漏量、集中滲漏量和累計滲漏量3個部分，具體要求如下：

(1)隧洞沿程滲漏量標(biāo)準(zhǔn)(以下允許滲漏量控制標(biāo)準(zhǔn)均未考慮集中滲漏量)。完成引水隧洞充水并穩(wěn)壓72h。隧洞沿程允許滲漏量標(biāo)準(zhǔn)按照200L/s控制，警戒滲漏量標(biāo)準(zhǔn)按照700L/s控制，沿程滲漏量超過200L/s而小于700L/s時，經(jīng)過各方綜合分析研究確定是否繼續(xù)充水。

(2)集中滲漏量標(biāo)準(zhǔn)。集中滲漏量是指可見的、可以實施應(yīng)急處理的集中滲漏點的水量，允許滲漏量標(biāo)準(zhǔn)以能夠?qū)嵤┛焖俜舛拢挥绊懡ㄖ锝Y(jié)構(gòu)安全和能夠繼續(xù)充水為原則，暫定集中允許滲漏量為50～100L/s，具體可根據(jù)應(yīng)急處理效果作適當(dāng)調(diào)整。若集中出水點出現(xiàn)在引水隧洞末端、廠區(qū)洞室區(qū)域，則應(yīng)分析具體情況，各方綜合分析研究確定是否繼續(xù)充水。

(3)累積滲漏量標(biāo)準(zhǔn)。累積滲漏量是指隧洞沿程滲漏量和集中滲漏量之和，累積允許滲漏量標(biāo)準(zhǔn)按照1.5m3/s控制，累積滲漏量超過1.5m3/s時，經(jīng)過各方綜合分析研究確定是否繼續(xù)充水。

3.2.5 引水隧洞排水

引水隧洞排水主要通過1#機組空轉(zhuǎn)運行排水、剩余少量水體通過引水隧洞末端檢修排水系統(tǒng)排放的方式進行。主要步驟及要求如下：

(1)隧洞排水前，關(guān)閉引水隧洞進水口事故閘門。

(2)啟動1#機組并使機組控制在額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)，使引水隧洞內(nèi)的水體通過1#機組流道排至下游河道。

(3)引水隧洞下游尾水渠水位高程以下的剩余水體通過開啟位于尾水管底部液壓操作盤型排水閥將剩余水體排至檢修集水井，再利用機組排水系統(tǒng)完成排水。

4 充排水時間分析及計劃安排

4.1 充排水時間分析

引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗分為引水隧洞和尾水管2個獨立的部分，各部分分別有各自獨立的充排水系統(tǒng)。引水系統(tǒng)充排水試驗總體步驟，按順序完成一次尾水管充(排)水→引水隧洞第一次充水→引水隧洞排水→放空檢查，在不考慮突發(fā)情況的處理耗時的條件下，引水隧洞充排水總計時間約100h。

4.2 充排水計劃安排

考慮引水發(fā)電系統(tǒng)自身特點和一定的應(yīng)急事情處理時間，初步擬定引水發(fā)電系統(tǒng)充排水計劃如下：

(1)以引水發(fā)電系統(tǒng)具備充水條件為首日；

(2)第2天，尾水管開始充排水(約2d)；

(3)第4天，引水隧洞開始第一次充水(約2d)；

(4)第6天，機組開始帶水調(diào)試(約2d)；

(5)第8天，引水隧洞開始排水放空(約2d)；

(6)第10天，引水隧洞開始檢查消缺(約7d)；

(7)第17天，引水隧洞開始第二次充水(約2d)；

(8)第19天，1#機組開始進行并網(wǎng)調(diào)試和72h試運行。

5 充排水過程中的事故處理預(yù)案

(1)引水隧洞充水過程中，應(yīng)加強引水隧洞沿線各施工封堵堵頭、施工輔助洞室、排水廊道、主廠房及相關(guān)洞室、廠區(qū)邊坡的安全巡查和滲漏觀測，對隧洞通風(fēng)洞等部位應(yīng)重點巡查，設(shè)置應(yīng)急排水設(shè)備，并安排專門應(yīng)急處理施工隊伍待命，一旦出現(xiàn)集中滲漏情況應(yīng)及時進行抽排和封堵處理。逆坡施工通道內(nèi)除正常的巡查和觀測人員外，禁止閑雜人員進入、停留。引水隧洞沿線施工封堵堵頭應(yīng)依次編號，并安排專人進行滲漏量的量測。引水隧洞充水過程中，應(yīng)保持至各需巡視檢查工作面的交通順暢，以便進行巡查和應(yīng)急處理；保證施工排水洞排水通道的順暢，一旦充水過程中有集中漏水，可以通過施工排水洞臨時排泄。

(2)引水隧洞充水過程中若滲漏量超過標(biāo)準(zhǔn)，需通過現(xiàn)場參建各方共同討論分析確定是否繼續(xù)充水，若隧洞內(nèi)出現(xiàn)危及洞內(nèi)施工和人生安全的超量集中滲漏水、或主廠房、廠區(qū)邊坡出現(xiàn)集中大流量滲漏水、或大流量滲漏水不知去向時，應(yīng)立即停止充水，通過引水隧洞檢修排水系統(tǒng)進行排水放空檢查處理。

(3)引水隧洞充水過程中應(yīng)加強隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、圍巖應(yīng)力及圍巖滲壓狀態(tài)等的安全監(jiān)測，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化，需要參建各方共同討論分析原因和確定處理措施，必要時停止充水。

(4)隧洞充水過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水位上升速度，分級充水應(yīng)確保穩(wěn)壓時間，加強廠區(qū)排水廊道、主廠房及相關(guān)洞室內(nèi)的巡視和滲漏檢查，一旦發(fā)現(xiàn)滲漏情況并經(jīng)分析確認(rèn)為高壓管道充水所引起，則應(yīng)停止充水放空檢查。

(5)隧洞排水過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水位下降速度。

(6)引水系統(tǒng)充排水試驗過程中，一旦發(fā)生閘門或各相關(guān)閥門滲漏、速率控制超過設(shè)計要求等意外情況，應(yīng)及時向現(xiàn)場監(jiān)理工程師匯報，必要時經(jīng)各方討論研究后確定是否繼續(xù)進行充排水試驗。

(7)引水系統(tǒng)充排水過程中應(yīng)確保工程區(qū)內(nèi)的電源安全供電，且與引水系統(tǒng)充排水相關(guān)的區(qū)域應(yīng)設(shè)置備用電源并具備投運條件。

(8)引水系統(tǒng)充排水過程中應(yīng)確保工程區(qū)內(nèi)的相關(guān)觀測點、重要部位的通訊通暢。

6 結(jié)語

萬家口子水電站工引水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)簡單，工程安全風(fēng)險小，充排水試驗是檢驗工程質(zhì)量、消除安全隱患，保證電站安全的重要工程措施之一。通過萬家口子水電站引水發(fā)電系統(tǒng)充排水試驗方案的設(shè)計探索，以及實際實施過程中問題的出現(xiàn)和解決，對于類似規(guī)模的引水式電站的系統(tǒng)布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機電、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計以及監(jiān)測設(shè)計具有重要的借鑒參考意義。