深圳抽水蓄能電站引水系統(tǒng)充水進(jìn)水閥關(guān)鍵設(shè)備試驗(yàn)研究

楊 昭，顧志堅(jiān)，雷 慧，陳弘昊，李 展，裴 軍

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

深圳抽水蓄能電站(以下簡(jiǎn)稱“深蓄電站”)位于廣東省深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)交界處，毗鄰香港特別行政區(qū)，站址距深圳市中心約20 km，電站裝機(jī)容量1 200 MW，平均水頭448.30 m，按日調(diào)節(jié)運(yùn)行。樞紐工程由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)、開(kāi)關(guān)站、場(chǎng)內(nèi)永久道路等部分組成。

1 試驗(yàn)介紹

深蓄電站引水系統(tǒng)在進(jìn)行階段性驗(yàn)收及完成下游尾水隧洞充水試驗(yàn)后，為確保調(diào)試工作順利進(jìn)行，開(kāi)展上游水道充水試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)水道土建結(jié)構(gòu)、壓力鋼管、球閥、尾水管等水道過(guò)水結(jié)構(gòu)的滲漏及其他相關(guān)情況，水道充水試驗(yàn)耗時(shí)近15 d。由于施加水壓力過(guò)程緩慢，采用靜態(tài)法，檢驗(yàn)在上游水道充水過(guò)程中壓力鋼管、球閥進(jìn)水接管、球閥本體、球閥相對(duì)支墩的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、伸縮節(jié)、蝸殼上游延伸段壓力鋼管的靜態(tài)應(yīng)力和位移，結(jié)合廠房建筑物、地下滲流場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，考核球閥體系的制造、安裝是否滿足設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)水道結(jié)構(gòu)是否正常工作[1]。

深蓄電站進(jìn)水球型閥公稱直徑2 300 mm，最大凈水頭468.35 m，設(shè)計(jì)水頭720 m，升壓水頭920 m。球閥制造商為安德里茨公司，球閥支墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于球閥閥體與球閥支墩采用2種力學(xué)性能完全不同的材料，在球閥與混凝土之間設(shè)有滑動(dòng)裝置，以緩沖球閥作用于球閥混凝土支墩的水平推力。此外，為緩解因溫度等因素產(chǎn)生的附加力，球閥和蝸殼延伸段之間設(shè)有伸縮節(jié)，用于消除各種廣義力對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)的影響，避免蝸殼等構(gòu)件出現(xiàn)穩(wěn)定問(wèn)題。

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)獲得引水系統(tǒng)壓力鋼管、進(jìn)水閥混凝土支墩、伸縮節(jié)、蝸殼上游延伸段鋼管等構(gòu)件的最大應(yīng)力，驗(yàn)證上述構(gòu)件實(shí)際受力是否滿足設(shè)計(jì)要求，參照設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)條款，評(píng)估引水壓力鋼管、球閥混凝土支墩等結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求[2]。

(2)了解在上游水道水位增加的過(guò)程中，進(jìn)水球閥前后壓力鋼管、蝸殼延伸段壓力鋼管的應(yīng)力變化規(guī)律，分析隨水道水位增加時(shí)上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律，評(píng)價(jià)機(jī)組引水系統(tǒng)是否能正常工作。

(3)了解在上游引水道水位增加的過(guò)程中，球閥相對(duì)于混凝土支墩的位移、伸縮節(jié)的位移是否與設(shè)計(jì)值吻合；通過(guò)監(jiān)測(cè)上述位移的變化規(guī)律，檢驗(yàn)球閥與混凝土支墩之間滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作可靠性；評(píng)價(jià)伸縮節(jié)的工作性態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)檢驗(yàn)進(jìn)水球閥、引水壓力鋼管、混凝土支墩等結(jié)構(gòu)的安裝、制造、施工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)引水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施其他可能存在的安全隱患。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)監(jiān)測(cè)充水過(guò)程中球閥進(jìn)水口接管的靜態(tài)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的大小與應(yīng)力分布或變化規(guī)律。

(2)監(jiān)測(cè)充水過(guò)程中蝸殼上游延伸段壓力鋼管的靜態(tài)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力大小與應(yīng)力分布或變化規(guī)律。

(3)監(jiān)測(cè)充水過(guò)程中球閥混凝土支墩結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力大小與變化規(guī)律。

(4)監(jiān)測(cè)充水過(guò)程中球閥體與混凝土支墩之間的相對(duì)滑動(dòng)位移大小與變化規(guī)律，評(píng)價(jià)球閥滑動(dòng)機(jī)構(gòu)工作的可靠性。

(5)監(jiān)測(cè)充水過(guò)程中伸縮節(jié)的靜態(tài)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力大小與應(yīng)力分布或變化規(guī)律，評(píng)價(jià)伸縮節(jié)工作過(guò)程中的受力性能。

(6)監(jiān)測(cè)充水過(guò)程中球閥體相對(duì)于機(jī)組蝸殼的相對(duì)位移，以此評(píng)估伸縮節(jié)工作的可靠性。

(7)其他相應(yīng)工作。

3 試驗(yàn)方法與測(cè)點(diǎn)布置

3.1 試驗(yàn)方法

(1)靜應(yīng)力測(cè)量—電測(cè)法。應(yīng)變/應(yīng)力測(cè)量采用電測(cè)法，按照應(yīng)變計(jì)安裝規(guī)范，在應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)變計(jì)，將應(yīng)變計(jì)采集到的模擬信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線輸入到靜態(tài)應(yīng)變儀，利用分析軟件分析監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)充水進(jìn)程設(shè)置采樣時(shí)間為1次/1～2 h，讀出連續(xù)采樣得到的數(shù)據(jù)，最后得到被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際受力大小與變化規(guī)律。

(2)位移測(cè)量—機(jī)械法。由于上游水道充水是一個(gè)水位變化較慢的過(guò)程，球閥、伸縮節(jié)、混凝土支墩控制點(diǎn)的位移變化也是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，因此位移監(jiān)測(cè)采用通用的機(jī)械讀數(shù)法。在控制測(cè)點(diǎn)布置百分表或千分表，人工讀取數(shù)據(jù)，以此可以有效避免各種間接的讀數(shù)誤差。

3.2 應(yīng)變/應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)變/應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在球閥前后壓力鋼管，共選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(A、B、C)，主要監(jiān)測(cè)引水鋼管控制斷面的應(yīng)力在不同充水位下應(yīng)力值以及各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨上游水位變化規(guī)律，用于全面評(píng)估4臺(tái)機(jī)組球閥進(jìn)水接管、蝸殼上游延伸段壓力鋼管、伸縮節(jié)的受力性能與工作狀態(tài)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面分布見(jiàn)圖1。

圖1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面分布

A斷面選在球閥進(jìn)水接管，監(jiān)測(cè)在充水壓力作用下球閥前端壓力鋼管軸向和環(huán)向應(yīng)力，球閥前端引水壓力鋼管是可逆式機(jī)組引水道最關(guān)鍵的受力結(jié)構(gòu)，將實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)力結(jié)果與根據(jù)壓力鋼管理論計(jì)算應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證壓力鋼管受力是否與理論推算值一致，并評(píng)價(jià)引水壓力鋼管工作的可靠性；B斷面選在伸縮節(jié)上，伸縮節(jié)僅在充尾水時(shí)才會(huì)承載受力，主要監(jiān)測(cè)充尾水時(shí)伸縮節(jié)應(yīng)力大小與分布規(guī)律；C斷面為蝸殼上游延伸段壓力鋼管，主要監(jiān)測(cè)蝸殼前端壓力鋼管的應(yīng)力大小與應(yīng)力變化規(guī)律。B、C斷面的鋼管應(yīng)力還可以評(píng)價(jià)伸縮節(jié)的工作狀況。

3.2.1球閥進(jìn)水口鋼管應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

以1號(hào)機(jī)組為例，共選擇6個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)斷面為A、B、C斷面，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置在鋼管左右兩側(cè)，兩邊對(duì)稱布置可以互相驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)精度。每個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)沿管道軸線和環(huán)向2個(gè)方向?qū)ΨQ布置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)共布置2個(gè)應(yīng)變計(jì)，共計(jì)12個(gè)。1號(hào)機(jī)組壓力鋼管測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 1號(hào)機(jī)組壓力鋼管應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

3.2.2混凝土支墩應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

混凝土與球閥是2種力學(xué)性能相差較大的材料。為緩解通過(guò)球閥傳遞到混凝土支墩上的上游水推力，球閥與混凝土支墩之間設(shè)有滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以評(píng)估滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能，還可以獲得混凝土支墩承受的應(yīng)力大小?；炷林Ф展膊贾昧?個(gè)應(yīng)變計(jì)，布置在混凝土支墩底部垂直方向，用于監(jiān)測(cè)水推力對(duì)混凝土支墩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。理論上講，混凝土支墩底部上游面承受拉應(yīng)力，下游承受壓應(yīng)力。1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在混凝土支墩下游面(水輪機(jī)工況)，3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在混凝土支墩上游面。根據(jù)球閥廠家技術(shù)要求，球閥全關(guān)閉時(shí)水推力將傳遞到上游壓力鋼管，球閥可以在基礎(chǔ)板上滑動(dòng)，因此球閥底座不承受軸向力?；炷林Ф諔?yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 混凝土支墩應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

3.3 位移測(cè)點(diǎn)布置

3.3.1球閥體相對(duì)于混凝土支墩的位移

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，球閥全關(guān)時(shí)上游水推力將傳遞至上游壓力鋼管，球閥底座不承受水平軸向力，球閥可以在基礎(chǔ)板上滑動(dòng)，球閥靜態(tài)最大允許滑動(dòng)量為1 mm。球閥相對(duì)混凝土支墩的滑移主要反應(yīng)上游水道充水過(guò)程中，球閥相對(duì)于混凝土支墩之間的滑動(dòng)量，只有球閥與混凝土支墩之間存在相對(duì)位移，才能說(shuō)明球閥與混凝土支墩之間的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是有效的。由于球閥體和混凝土支墩體積都比較大，為提高監(jiān)測(cè)精度并有效評(píng)估上游水道充水時(shí)球閥體是否均勻滑動(dòng)，球閥相對(duì)混凝土支墩的滑移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在球閥下游端，以混凝土支墩為固定參考點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)按左右布置。為觀測(cè)水道充水時(shí)球閥相對(duì)于支墩可能產(chǎn)生的偏移量，在1號(hào)機(jī)組沿廠房軸線方向布置了2個(gè)位移計(jì)，2～4號(hào)機(jī)組球閥體沒(méi)有布置沿廠房軸向的位移計(jì)。1號(hào)機(jī)組球閥位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 1號(hào)機(jī)組球閥位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3.3.2伸縮節(jié)位移測(cè)點(diǎn)

伸縮節(jié)在充水過(guò)程中軸向位移為1 mm。伸縮節(jié)位移測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)伸縮節(jié)在上游水道充水過(guò)程中位移量。為提高觀測(cè)精度并了解球閥在上游水推力作用下球閥整體的移動(dòng)是否均勻，伸縮節(jié)位移測(cè)點(diǎn)分別布置在伸縮節(jié)的頂端和伸縮節(jié)的正下方。每臺(tái)機(jī)組伸縮節(jié)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置2個(gè)百分表，沿壓力鋼管軸向布置。1、2、3、4號(hào)機(jī)組球閥伸縮節(jié)位移計(jì)布置位置相同。伸縮節(jié)位移測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5 伸縮節(jié)位移測(cè)點(diǎn)布置

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

球閥前進(jìn)水接管環(huán)向應(yīng)力是球閥體系壓力鋼管最主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，1～4號(hào)機(jī)組進(jìn)水接管最大環(huán)向應(yīng)力分別為109.0、113.3、104.0、112.9 MPa。根據(jù)壓力鋼管尺寸參數(shù)，參照NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》可以推算鋼管環(huán)向應(yīng)力理論值。

當(dāng)充水位達(dá)到上庫(kù)水位506 m時(shí)，球閥中心高程壓徑向均布?jí)毫0=5.11 MPa，鋼管內(nèi)半徑R=1 150 mm，鋼管管壁計(jì)算厚度為50 mm，由此推得進(jìn)水接管最大環(huán)向應(yīng)力理論值σθ=117.53 MPa。1、2、3、4號(hào)機(jī)組進(jìn)水接管最大實(shí)測(cè)環(huán)向應(yīng)力與理論值的誤差分別為7%、3.5%、11.5%、3.9%。各臺(tái)機(jī)組進(jìn)水接管環(huán)向應(yīng)力與理論推算值接近，誤差小于10%，充水過(guò)程球閥前進(jìn)水接管環(huán)向應(yīng)力變化規(guī)律合理。圖6為各機(jī)組球閥進(jìn)水接管環(huán)向靜應(yīng)力隨充水位變化。

圖6 各機(jī)組球閥進(jìn)水接管環(huán)向靜應(yīng)力隨充水位變化

伸縮節(jié)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，整個(gè)充水試驗(yàn)過(guò)程中伸縮節(jié)的環(huán)向與軸向應(yīng)力都處于較低的水平，且有正有負(fù)，但主要以受壓為主，伸縮節(jié)最大受壓應(yīng)力為-16 MPa。在達(dá)到一定上游水位后，伸縮節(jié)軸向應(yīng)力隨水位繼續(xù)增加而增加，說(shuō)明部分水推力可以通過(guò)球閥傳遞至伸縮節(jié)。上游水道充水過(guò)程中，伸縮節(jié)軸向應(yīng)力變化規(guī)律符合實(shí)際受力情況，伸縮節(jié)工作正常。充水過(guò)程各機(jī)組伸縮節(jié)測(cè)點(diǎn)靜壓力見(jiàn)表1。

混凝土支墩應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水道充水初期受溫度應(yīng)力和施工殘余應(yīng)力影響，混凝土支墩應(yīng)力變化較復(fù)雜，不完全符合上游面受拉力、下游面受壓力的規(guī)律，與加載初期應(yīng)變值較小產(chǎn)生的測(cè)量誤差有關(guān)。水道水位達(dá)到92 m后，混凝土支墩應(yīng)力變化正常。充水結(jié)束時(shí)，實(shí)測(cè)各機(jī)組混凝土支墩上游面最大拉應(yīng)力1、2、3、4號(hào)機(jī)組分別為0.85、0.74、0.82、0.71 MPa。根據(jù)GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行混凝土支墩強(qiáng)度校核，各機(jī)組混凝土支墩最大拉應(yīng)力小于規(guī)范給出的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)允許值，混凝土支墩結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。1號(hào)機(jī)組球閥混凝土支墩應(yīng)力隨充水水位增加變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

表1 充水過(guò)程各機(jī)組伸縮節(jié)測(cè)點(diǎn)靜應(yīng)力

圖7 1號(hào)機(jī)組球閥混凝土支墩應(yīng)力隨充水水位增加變化

混凝土支墩內(nèi)安裝有鋼支架，上游水壓力作用時(shí)鋼支架與混凝土支墩共同受力，安裝鋼支架可以改善混凝土支墩的受力狀態(tài)。

4.2 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

水道水位達(dá)到庫(kù)水位時(shí)，1、2、3、4號(hào)機(jī)組球閥相對(duì)于支墩座的最大位移分別為0.54、0.76、0.62、0.76 mm。比較左右兩側(cè)位移量值可知，1、3號(hào)機(jī)組球閥兩側(cè)相對(duì)于支座的滑移略有差異，2、4號(hào)機(jī)組情況較好，兩側(cè)位移完全相同。整體來(lái)看，球閥滑動(dòng)基本平穩(wěn)。充水過(guò)程2號(hào)機(jī)組控制點(diǎn)位移隨水位變化規(guī)律見(jiàn)圖8。

表2 充水水位高度與上庫(kù)水位持平時(shí)球閥最大滑移量 mm

表3 充水水位達(dá)到上庫(kù)水位時(shí)伸縮節(jié)上下測(cè)點(diǎn)位移 mm

充水過(guò)程中，各臺(tái)機(jī)組球閥相對(duì)于混凝土支墩以及伸縮節(jié)的位移(相對(duì)于蝸殼上游延伸段鋼管)隨著上游水位增加而增加；球閥左右兩端位移總體均衡，說(shuō)明球閥向下游滑動(dòng)正常。充水水位高度與上庫(kù)水位持平時(shí)球閥最大滑移量見(jiàn)表2。

伸縮節(jié)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，上游水道水位增加時(shí)，各臺(tái)機(jī)組位移的總體趨勢(shì)相近，各測(cè)點(diǎn)的靜位移隨水道水頭的增加呈線性增長(zhǎng)，1、2、3、4號(hào)機(jī)組伸縮節(jié)頂端最大位移分別為1.12、1.16、1.15、1.25 mm，伸縮節(jié)下測(cè)點(diǎn)位移普遍略小于上測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明在上游水壓力作用下球閥向下游的位移不是剛體平動(dòng)，而是存在向下游略微傾斜的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種狀況主要與球閥和支座的連接較緊有關(guān)。整體來(lái)看，伸縮節(jié)位移基本接近設(shè)計(jì)值。充水水位達(dá)到上庫(kù)水位時(shí)伸縮節(jié)上下測(cè)點(diǎn)位移見(jiàn)表3。

5 結(jié) 語(yǔ)

水道充水試驗(yàn)是機(jī)組調(diào)試前針對(duì)上游引水道進(jìn)行的第1次安全檢測(cè)。深蓄電站引水系統(tǒng)充水應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，壓力鋼管、閥門(mén)進(jìn)水接管、球閥本體、伸縮節(jié)、蝸殼上游延伸段、混凝土支墩制造、安裝等滿足設(shè)計(jì)要求，各部件均工作正常。深蓄電站水道系統(tǒng)一次充水成功，可為后續(xù)抽水蓄能電站引水系統(tǒng)充水試驗(yàn)提供參考[3]。