周寧抽水蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗問題分析

朱正龍，王 曉

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330001)

1 工程背景

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機(jī)容量1200MW(4×300MW)，電站和周寧縣城的直線距離為19km，與福安、寧德、福州等三市公路里程分別為39km、96km、185km。該抽水蓄能電站樞紐主要包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等水工建筑物。電站引水系統(tǒng)工程主要由引水系統(tǒng)部分上平洞往下水庫方向的地下洞室開挖、支護(hù)、鉆孔和灌漿、壓力鋼管制造和安裝(除引水岔管制作外)、混凝土工程施工、埋件和埋管的制作和安裝工程施工等工作組成。該抽水蓄能電站2#引水隧洞于2020年9月初竣工，在運行前必須通過充排水試驗進(jìn)行該引水隧洞引水系統(tǒng)施工質(zhì)量及運行情況的試驗檢測。

2 試驗方案設(shè)計

2#引水隧洞充排水試驗水道內(nèi)高壓充水至蝸殼球閥，球閥發(fā)生機(jī)械鎖定后以密封形式擋水。待上庫庫盆完成驗收后便可利用供水系統(tǒng)從下庫攔砂壩抽水至上庫，再由上庫供水。在上水庫進(jìn)出水口檢修閘門處設(shè)置充水閥門，并通過該閥門向上游輸水系統(tǒng)間歇式充水，控制水位上升塑料。上游輸水系統(tǒng)的水通過球閥前設(shè)置的高壓鋼管排水閥排出至尾水管，再由排水管和排水閥排出至自流排水洞。

為進(jìn)行引水隧洞充排水試驗，并進(jìn)行引水隧洞各工況下運行過程的實時監(jiān)測，在2#引水隧洞中進(jìn)行了觀測斷面的布置，所使用到的監(jiān)測儀器主要有滲壓計、鋼筋應(yīng)力計、水位計等，結(jié)合地勘資料，文章僅對其中幾個最具代表性的觀測斷面進(jìn)行列舉分析，并對不同高程下隧洞內(nèi)山體水位在高水頭影響下的變化趨勢分析。蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗觀測斷面設(shè)置情況，見表1。

表1 蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗觀測斷面設(shè)置情況

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

為進(jìn)行蓄能電站引水系統(tǒng)充排水過程中以及排水后設(shè)備運行情況校驗，必須進(jìn)行充排水試驗，校驗內(nèi)容主要有引水系統(tǒng)堵頭滲漏情況、各預(yù)埋監(jiān)測儀器性情況、閘門及球閥等擋水設(shè)備運行情況、電氣及抽排水設(shè)備運行及性能可靠性、周圍圍巖水文地質(zhì)變化、地下洞室滲漏情況、高壓排水廊道防滲帷幕及排水孔效果、引水系統(tǒng)鋼管外排水效果[1]等。

2.2 試驗程序

2#引水隧洞充排水試驗在2020年9月10日-11月12日期間進(jìn)行，充水試驗靜水水頭為設(shè)計值的94.3%。首先將精度等級為0.5級的精密壓力表和精度等級0.5級、量測范圍0-10MPa的壓力變送器安裝在球閥前鋼管，進(jìn)行水道內(nèi)水位監(jiān)測及內(nèi)水壓力測讀，以保證沖水水位高度的精確控制。

充水試驗分7個階段進(jìn)行，前5個階段充水速率10m/h，后兩個階段因沖水水頭較高，水道內(nèi)壓力已經(jīng)比工程最小地應(yīng)力小，所以只需按照5m/h的充水速率進(jìn)行小臺階充水。前3個階段穩(wěn)壓時間按照48h控制，后4個階段穩(wěn)壓時間至少72h，在第1階段的充水過程中必須加強(qiáng)水位控制并做好排水設(shè)施運行可靠性檢查。

排水與充水對與抽水蓄能電站安全運行同樣重要，故應(yīng)保證排水程序及水位下降速率的合理性，防止應(yīng)排水速率過大、管道外水壓力過高而導(dǎo)致輸水管道破壞。排水試驗參數(shù)的設(shè)計應(yīng)在總結(jié)和借鑒充水試驗數(shù)據(jù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際分階段進(jìn)行：①第1階段，水道內(nèi)水位在800-765m高程，并打開1#機(jī)組針閥排水，水位降幅為0.85-1.25m/h；②第2階段，水道內(nèi)水位在765-650m，主要借助水道內(nèi)水量自由外滲方式排水，水位按照1.65-2.00m/h的速率下降；③第3階段水道內(nèi)水位高程在650-225m，并分為5次排水，每次排水時間間隔為5h，水位下降速率在1.85-2.20m/h之間。

該抽水蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗過程設(shè)計情況，2#引水隧洞充排水試驗過程設(shè)計，見表2。

表2 2#引水隧洞充排水試驗過程設(shè)計

3 試驗觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 滲壓計觀測數(shù)據(jù)分析

采用滲壓計觀測引水隧洞鋼筋混凝土襯砌外側(cè)水壓力[2]，根據(jù)測量結(jié)果，進(jìn)行隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外水壓力差，并了解隧洞襯砌結(jié)構(gòu)所承受的內(nèi)水壓力情況。引水隧洞1#斷面(高程516m)、4#斷面(高程201m)充水階段水位從225m升至800m，排水階段水位降至原水位實測內(nèi)水壓力、引水隧洞1#斷面(高程516m)滲壓計隧洞水位實測結(jié)果，見圖1；引水隧洞4#斷面(高程201m)滲壓計隧洞水位實測結(jié)果，見圖2。

圖1 引水隧洞1#斷面(高程516m)滲壓計隧洞水位實測結(jié)果

圖2 引水隧洞4#斷面(高程201m)滲壓計隧洞水位實測結(jié)果

根據(jù)觀測結(jié)果，當(dāng)引水隧洞內(nèi)水壓接近0.75-1.62MPa時，滲水壓力增大趨勢明顯且與內(nèi)水壓力較為接近，表明引水隧洞內(nèi)水壓力達(dá)到這一壓力水平時襯砌混凝土已經(jīng)發(fā)生透水，此后隨著引水隧洞內(nèi)水壓力的變化，滲壓值同步升降。在充排水試驗過程中，隧洞襯砌內(nèi)外水存在水頭差，這表明引水隧洞內(nèi)襯砌混凝土雖然發(fā)生開裂，但是裂縫寬度并不大，襯砌結(jié)構(gòu)自身具有一定的承受內(nèi)水壓力能力。在排水試驗過程中，隧洞外滲透壓力降低比內(nèi)水壓力降低略顯滯后，且2#斷面隧洞內(nèi)水位351.8m時隧洞右側(cè)內(nèi)外水頭壓力差較大外，其余斷面內(nèi)外水壓力差均較小。

引水隧洞4#斷面滲壓計高程610m時滲壓計讀數(shù)下降，直至洞內(nèi)水位升至655m后，其讀數(shù)才開始上升，與其余3個斷面讀數(shù)相比，該斷面滲壓計讀數(shù)增幅比隧洞內(nèi)水壓力增幅小，且在充水至上庫水位水平后隧洞內(nèi)水壓力值達(dá)到5.4MPa，但滲壓計讀數(shù)卻僅為3.26MPa，這主要在于2#引水隧洞充排水試驗過程中暫停10d，導(dǎo)致洞內(nèi)水位降至540.2m，重新開始充排水試驗后充水速率較快，但內(nèi)水外滲受到斷面帷幕灌漿的限制，比隧洞內(nèi)水位上漲趨勢滯后，所以導(dǎo)致滲壓計讀數(shù)減小的反常趨勢。

3.2 鋼筋計觀測數(shù)據(jù)分析

通過鋼筋計進(jìn)行引水隧洞鋼混襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)配筋應(yīng)力分析[3]，根據(jù)觀測結(jié)果，實測引水隧洞4個斷面襯砌鋼筋受力情況良好，且鋼筋拉應(yīng)力均較小，主要原因在于，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后大部分內(nèi)水壓力均由圍巖承擔(dān)了，襯砌結(jié)構(gòu)受力較小，鋼筋強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，所以該引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)只需設(shè)置構(gòu)造配筋即可。

根據(jù)1#斷面實測結(jié)果，隧洞右側(cè)滲壓比較大且與內(nèi)水壓力值更為接近，右側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力也較大。主要原因在于該斷面右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫較多，存在內(nèi)水外滲，所以滲壓比大；該斷面總內(nèi)水壓力小，當(dāng)引水隧洞水位上漲至斷面高程以上后在內(nèi)水壓力的作用幾乎全部由鋼筋承擔(dān)，所以右側(cè)鋼筋環(huán)向應(yīng)力較大。所以，引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)初始裂縫越多，則隧洞內(nèi)水外滲效果越好，且對斷面應(yīng)力分布影響也更大。

1#和3#斷面環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨引水隧洞水位變化而變化，但縱向鋼筋應(yīng)力并未表現(xiàn)出此趨勢，而且縱向鋼筋承受更大的拉應(yīng)力。主要原因在于這兩個斷面距離斜井較近，隨斜井深度增大其內(nèi)水壓力隨之增大，內(nèi)水外滲后在圍巖間形成滲流場，滲流力作用于襯砌后產(chǎn)生產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，且此拉應(yīng)力的作用在外部水壓回流，壓力消散后方可消失，所以導(dǎo)致這兩個斷面縱向拉應(yīng)力隨水位下降表現(xiàn)出一定的滯后性。

3.3 山體水位計觀測數(shù)據(jù)分析

通過山體水位計進(jìn)行引水隧洞充排水試驗過程中沿線山體水位孔滲壓值變動情況的觀測，并根據(jù)觀測結(jié)果進(jìn)行隧洞沿線山體圍巖水文地質(zhì)條件受充排水過程影響的分析。根據(jù)山體水位計實測結(jié)果，在充排水試驗過程中，隧洞沿線山體水位變動并不大，且隧洞內(nèi)水體不存在向圍巖滲漏的趨勢，也不改變隧洞山體原地下水位及圍巖水文地質(zhì)條件。

4 結(jié) 論

通過文章對周寧抽水蓄能電站引水隧洞充排水試驗過程及結(jié)果分析可以看出，隧洞圍巖帷幕灌漿和固結(jié)灌漿防滲效果良好，而且原襯砌結(jié)構(gòu)開裂、通過圍巖固結(jié)灌漿以抵抗內(nèi)水壓力、承擔(dān)防滲任務(wù)的處理也十分合理，能夠確保引水隧洞正常運行。

本電站引水隧洞襯砌混凝土開裂后大部分內(nèi)水壓力由圍巖承擔(dān)，因襯砌結(jié)構(gòu)受力較小，故其內(nèi)部環(huán)向鋼筋和縱向鋼筋拉應(yīng)力也不大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，也表明該隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)配筋合理。總之，周寧抽水蓄能電站引水隧洞充排水試驗程序、試驗設(shè)計及速度控制較為合理，隧洞建筑物質(zhì)量可靠，可順利投運。