超高水頭鋼筋混凝土水道充、排水試驗(yàn)方法探討

饒柏京，馬秀玲，賀高年，陳 涵

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)在進(jìn)行階段性驗(yàn)收之后、機(jī)組啟動(dòng)前，應(yīng)通過(guò)水道系統(tǒng)充排水試驗(yàn)，水道系統(tǒng)充水、排水試驗(yàn)是加載、卸載、檢查、監(jiān)測(cè)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和處理問(wèn)題的過(guò)程，是對(duì)輸水系統(tǒng)安全運(yùn)行的第一次檢驗(yàn)。

現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程要求，充水時(shí)先進(jìn)行尾水系統(tǒng)充水，經(jīng)尾水系統(tǒng)充水并檢查確認(rèn)尾水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、堵頭、檢修閘門及尾水事故閘門等沒(méi)有問(wèn)題，再進(jìn)行機(jī)組段充水，充水后檢查確認(rèn)廠房尾水管、導(dǎo)水葉等沒(méi)有問(wèn)題，可正常運(yùn)行后，方可實(shí)施引水系統(tǒng)充水。[1]

陽(yáng)江抽水蓄能電站下平洞和岔管段靜水壓力799 m，上水庫(kù)與下平洞高差大達(dá)730 m，單級(jí)豎井高差達(dá)350 m，充水試驗(yàn)難度超出現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)[2-5]，常規(guī)輸水系統(tǒng)充水方案存在水體因落差大、自重加速度帶來(lái)的高流速水流對(duì)下平洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題[6]，以及下平洞未提前形成滲流場(chǎng)，在引水系統(tǒng)充水期間因充水速率出現(xiàn)襯砌裂縫不可控等問(wèn)題[7-11]。在現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)需采取相應(yīng)的工程應(yīng)對(duì)措施。

2 輸水系統(tǒng)及充水、排水設(shè)施布置

2.1 輸水系統(tǒng)布置

陽(yáng)江抽水蓄能電站(以下簡(jiǎn)稱“陽(yáng)蓄”)水道全長(zhǎng)為3 619 m。其中，引水系統(tǒng)長(zhǎng)為2 213 m，由上庫(kù)進(jìn)出水口、上游調(diào)壓井、引水隧洞(上平洞、上豎井、中平洞、下豎井、下平洞)、引水岔管、引水支管、施工支洞堵頭等組成，水道最大靜水頭為798.7 m。引水隧洞內(nèi)徑均為7.5 m。引水隧洞和岔管采用鋼筋混凝土襯砌，引水隧洞襯砌厚度為0.6 m，引水岔管襯砌厚度為1 m。引水支管內(nèi)徑為2.3～3.0 m，采用600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板內(nèi)襯，鋼板厚44～85 mm。上游調(diào)壓井升管和大井內(nèi)徑分別為7.5 m、16 m，襯砌厚0.6 m。尾水系統(tǒng)長(zhǎng)為1 319 m，由尾水支管、尾水岔管、尾水調(diào)壓井、尾水隧洞、下庫(kù)進(jìn)出水口、施工支洞堵頭等組成，水道最大靜水頭為135 m。尾水隧洞內(nèi)徑為7.5 m。尾水隧洞和尾水岔管采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.6 m；尾水支管內(nèi)徑為4.5 m，采用Q345D鋼板內(nèi)襯，鋼板厚26～30 mm；尾水調(diào)壓井升管和大井內(nèi)徑分別為7.5 m、16 m，襯砌厚0.6 m。

2.2 充水、排水設(shè)施

1)充水設(shè)施

① 上庫(kù)進(jìn)出水口事故檢修閘門充水閥(直徑為200 mm、2個(gè))[12-13]；

② 下庫(kù)進(jìn)出水口檢修閘門充水閥(直徑為200 mm、2個(gè))[12-13]；

充水閥流量與開(kāi)度關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 充水閥流量與開(kāi)度關(guān)系曲線示意

③ 尾水事故閘門旁通閥(直徑為300 mm，節(jié)流孔徑為100 mm，每扇閘門1個(gè))。

2)排水設(shè)施

① 2#施工支洞排水管(DN200 mm、2條，排向中平洞)；

② 進(jìn)水球閥前排水管(DN200 mm，排向尾水管)；

③ 尾水管檢修排水設(shè)備(每個(gè)尾水管的檢修排水管上設(shè)2臺(tái)DN400檢修排水球閥，4臺(tái)檢修泵，通過(guò)兩條埋設(shè)在尾水隧洞的DN600排水管直接抽排至下水庫(kù))；

水道縱剖面及充水、排水設(shè)施示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 水道縱剖面及充水、排水設(shè)施示意

3 充水試驗(yàn)方案

3.1 充水水位上升速率控制

1)考慮到上下豎井高差較大，充水速率控制在3 m/h，其余部位控制在4 m/h內(nèi)。

2)充水時(shí)結(jié)合水道布置的特點(diǎn)，按照水頭段分級(jí)，確定穩(wěn)壓次序和時(shí)間，或采用小流量緩慢充水代替穩(wěn)壓。原則上，尾水系統(tǒng)充水過(guò)程中不設(shè)置穩(wěn)壓時(shí)間，引水系統(tǒng)的上、下豎井段水頭變幅大，充水過(guò)程中需設(shè)置24～48 h的穩(wěn)壓時(shí)間或采用小流量緩慢充水代替穩(wěn)壓，小流量緩慢充水的總用時(shí)不少于采用分級(jí)穩(wěn)壓方式充水的總用時(shí)。

3)尾水隧洞水量較大、水位升幅不大，充水時(shí)按700～1 500 m3/h大流量控制，水位上升速率為2.56～3.46 m/h。

4)下平洞、引水岔管、引水支管水量約21 886 m3，水位升幅小(約35.6 m)，充水時(shí)按1 600 m3/h大流量控制，水位上升速率為2.60 m/h。

5)上、下豎井水量少，水位升幅大(最大約353 m)，充水時(shí)按130 m3/h小流量控制，水位上升速率小于3 m/h。

6)充水時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充水水量以計(jì)算實(shí)際流量，再根據(jù)水位上升速率控制要求及有關(guān)儀器監(jiān)測(cè)情況調(diào)整充水閥的開(kāi)度。

3.2 充水程序

1)尾水系統(tǒng)充水程序

尾水系統(tǒng)充水按以下4個(gè)階段進(jìn)行：

① 尾水岔管、尾水支管(尾閘下游側(cè))充水；

② 尾水隧洞、尾水調(diào)壓井(63.479 m高程以下)充水；

③ 下庫(kù)閘門井通氣孔、尾水調(diào)壓井(63.479 m高程以上)充水；

④ 1#尾水支管(尾閘上游側(cè))充水[14]。

第①～③階段均利用下庫(kù)進(jìn)出水口閘門上的充水閥(2×?200)充水；第④階段利用1#尾水事故閘門旁通閥(?300)向尾水支管(尾閘上游側(cè))充水。

充水時(shí)應(yīng)有專人監(jiān)測(cè)各個(gè)排氣閥的狀態(tài)，充水時(shí)排氣閥開(kāi)啟，排完氣后應(yīng)關(guān)上，以免漏水。

2)引水系統(tǒng)充水程序

為解決上水庫(kù)與下平洞高差較大，水體自重加速度對(duì)下平洞混凝土結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題，引水系統(tǒng)充水程序調(diào)整為：引水系統(tǒng)充水首先利用尾水進(jìn)行反向充水，先充下豎井，充至一定高程形成水墊(引水系統(tǒng)充水仿真示意見(jiàn)圖3)，再利用上庫(kù)進(jìn)出水口閘門上的充水閥進(jìn)行整個(gè)引水系統(tǒng)的充水。反充水的臨時(shí)管路是從2#機(jī)側(cè)消防取水管濾水器前DN350檢修蝶閥接到進(jìn)水閥前壓力鋼管的DN200排水管的球閥之下，這種充水程序可在尾水系統(tǒng)充水期間，對(duì)下平洞提前充水，既緩解了引水系統(tǒng)充水周期較長(zhǎng)的問(wèn)題，也在下平洞鋼筋砼區(qū)域提前形成初始滲流場(chǎng)，對(duì)后期引水系統(tǒng)充水提供安全保障。

圖3 引水系統(tǒng)充水仿真示意

充水時(shí)應(yīng)有專人監(jiān)測(cè)各個(gè)排氣閥的狀態(tài)，充水時(shí)排氣閥開(kāi)啟，排完氣后應(yīng)關(guān)上，以免漏水。

引水系統(tǒng)充水按以下6個(gè)階段進(jìn)行：

① 拆掉1#機(jī)壓力鋼管排水管的消能器，換成配套的短管，打開(kāi)進(jìn)水閥前壓力鋼管排水管上的球閥，利用反充水的臨時(shí)管路，從2#機(jī)側(cè)消防取水管充水至下平洞20 m高程；

② 下豎井▽20 m以上充水；

③ 中平洞充水；

④ 上豎井充水；

⑤ 上庫(kù)閘門井后上平洞、上游調(diào)壓井(733.909 m高程以下)充水；

⑥ 上庫(kù)閘門井通氣孔、上游調(diào)壓井(733.909 m高程以上)充水。

引水系統(tǒng)充水方案利用尾水先充下平洞及下豎井下部分，充到20 m高程后，再利用上庫(kù)進(jìn)出水口閘門上的充水閥(2×?200)充水。

4 排水試驗(yàn)方案

4.1 排水水位上升速率控制

1)輸水系統(tǒng)最大排水速率上下豎井控制在3 m/h，其余部位控制在4 m/h內(nèi)；

2)上、下豎井水量少、水位降幅大(最大約353 m)，排水時(shí)嚴(yán)格控制排水流量，水位下降速率控制小于3 m/h。

3)下平洞、引水岔管、引水支管水量約21 886 m3，水位低，排水速度慢，為便于及時(shí)進(jìn)入洞內(nèi)檢查，排水時(shí)盡量全部開(kāi)啟可用的排水設(shè)施排水，加快排水速度。

4)尾水隧洞水量較大、水位降幅不大，為便于及時(shí)進(jìn)入洞內(nèi)檢查，排水時(shí)宜盡量開(kāi)啟多臺(tái)檢修排水泵，加快排水，但確保水位下降速率不超過(guò)4 m/h。

5)輸水系統(tǒng)其他部位水量較大、水位降幅不大，根據(jù)不同的水頭和排水途徑控制排水流量和水位下降速率。

6)輸水系統(tǒng)最大內(nèi)、外水壓力差控制(即外水壓力值-內(nèi)水壓力值)：

① 上豎井至中平洞：壓力差不大于197 m；

② 下豎井至引水岔管：壓力差不大于325 m；

③ 引水鋼支管：壓力差不大于226 m；

④ 尾水鋼支管：尾水閘門上游側(cè)壓力差不大于41 m，尾水閘門下游側(cè)壓力差不大于68 m；

⑤ 排水時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排水流量以計(jì)算實(shí)際流量，再根據(jù)水位下降速率控制及有關(guān)儀器監(jiān)測(cè)情況調(diào)整排水閥的開(kāi)度。

4.2 排水程序

1)引水系統(tǒng)排水程序

引水系統(tǒng)排水按以下6個(gè)階段進(jìn)行：

① 上庫(kù)閘門井通氣孔、上游調(diào)壓井(733.909 m高程以上)排水；

② 上庫(kù)閘門井后上平洞、上游調(diào)壓井(733.909 m高程以下)排水；

③ 上豎井排水；

④ 中平洞排水；

⑤ 下豎井排水；

⑥ 下平洞、引水岔管、引水支管排水。

引水系統(tǒng)第①～④階段利用2#施工支洞排水管排水，第⑤～⑥階段利用1#進(jìn)水球閥前排水管排水至尾水管，經(jīng)尾水隧洞流入下庫(kù)，排至下豎井水位與下庫(kù)水位持平后，就需要利用檢修排水泵進(jìn)行排水。

2)尾水系統(tǒng)排水程序

尾水系統(tǒng)排水按以下3個(gè)階段進(jìn)行：

① 下庫(kù)閘門井通氣孔、尾水調(diào)壓井(63.479 m高程以上)排水；

② 尾水隧洞、尾水調(diào)壓井(63.479 m高程以下)排水；

③ 尾水岔管、尾水支管排水。

尾水系統(tǒng)排水是打開(kāi)1#尾水管的2臺(tái)DN400檢修排水球閥，再利用4臺(tái)檢修水泵直接抽排至下水庫(kù)，當(dāng)檢修水泵自動(dòng)停泵后，手動(dòng)打開(kāi)管廊道的2臺(tái)DN200的閘閥，將剩余水體排至集水廊道[15]。

5 試驗(yàn)實(shí)施情況

引水道充水時(shí)段為2021年11月02日至2021年11月21日，充水試驗(yàn)主要包括3個(gè)階段：水道反充水至下平洞20高程→穩(wěn)壓8 h→充水至上豎井484高程→穩(wěn)壓24 h→充水至上豎井584高程→穩(wěn)壓24 h→充水至上豎井684高程→穩(wěn)壓48 h→充水至上豎井684高程→穩(wěn)壓48 h(充水結(jié)束)。

尾水道充水時(shí)段為2021年10月20日至2021年10月22日，尾水道充水過(guò)程中不設(shè)置穩(wěn)壓時(shí)間。

1)鋼筋應(yīng)力

下平洞設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，由于高壓灌漿預(yù)壓應(yīng)力影響，沖水完成后其他斷面鋼筋應(yīng)力均處于壓應(yīng)力狀態(tài)，1-1斷面(f751斷層位置)鋼筋最大拉應(yīng)力也不足100 MPa；高壓岔管主管設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，1-1斷面(位于1#機(jī)岔口位置)鋼筋應(yīng)力變化介于21.84～205.22 MPa，其余兩個(gè)斷面鋼筋最大拉應(yīng)力不足130 MPa(見(jiàn)圖4)。

圖4 高壓岔管、下平洞鋼筋計(jì)變化過(guò)程線

其余部位鋼筋計(jì)拉應(yīng)力值均偏小，鋼筋應(yīng)力值均滿足設(shè)計(jì)要求[16]。

2)滲透壓力

引水系統(tǒng)充水過(guò)程中，灌漿帷幕上游埋設(shè)的滲壓計(jì)普遍在充水水頭達(dá)到150 m左右，滲壓值開(kāi)始上升，但總體上升幅度不大，不足50 m。灌漿帷幕下游埋設(shè)的滲壓計(jì)讀數(shù)無(wú)明顯變化，但總體上所有滲壓計(jì)讀數(shù)，除4#施工堵頭外均較小，最大讀數(shù)不超過(guò)160 m。4#堵頭滲流通道通過(guò)灌漿封堵后，滲壓計(jì)讀數(shù)也逐漸回落(見(jiàn)圖5～圖6所示)。

圖5 灌漿帷幕上游典型位置滲壓計(jì)變化過(guò)程線(PD01探洞位置)

圖6 灌漿帷幕下游典型位置滲壓計(jì)變化過(guò)程線(PD01-4支探洞位置)

綜合來(lái)看，陽(yáng)蓄電站引水水道充水及穩(wěn)壓過(guò)程中，圍巖及水工結(jié)構(gòu)等部位安裝的安全監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值變化規(guī)律正常，在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，反映引水水道能夠在800 m靜水頭條件下安全運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能電站超高水頭鋼筋混凝土水道，引水系統(tǒng)充水方案建議采用尾水進(jìn)行反向充水，設(shè)置反充水的臨時(shí)管路，從機(jī)組側(cè)公共消防取水管濾水器前蝶閥處，接至機(jī)組進(jìn)水閥前DN200壓力鋼管排水管球閥后，先充下平洞，充至一定高程形成水墊，再利用上庫(kù)進(jìn)出水口閘門上的充水閥進(jìn)行整個(gè)引水系統(tǒng)充水的程序，既避免了高速水流對(duì)混凝土襯砌的破壞，也縮短了引水系統(tǒng)充水周期，并提前形成了下平洞滲流場(chǎng)。同時(shí)減緩豎井或斜井充排水速率，通過(guò)以上措施解決了超高水頭引水道充水方案設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2021年11月陽(yáng)蓄輸水系統(tǒng)充水試驗(yàn)順利進(jìn)行并一次成功，也驗(yàn)證了充水方案的合理性。