桐柏抽水蓄能電站輸水系統安全運行及檢修技術研究

趙賢學，張士平，徐軍陽

（1.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江天臺317200；2.河海大學，江蘇南京210098）

桐柏抽水蓄能電站輸水系統安全運行及檢修技術研究

趙賢學1，張士平1，徐軍陽2

（1.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江天臺317200；2.河海大學，江蘇南京210098）

桐柏抽水蓄能電站輸水系統在圍巖巖性固有基礎上進行了鋼筋混凝土襯砌，靠近廠房段高壓支管采用鋼板襯砌，并對相應圍巖進行了灌漿，既降低了輸水系統糙率又保障了其結構安全；運行后對輸水系統排充水速率要求嚴謹，保障了輸水系統結構和防滲體系安全；對局部襯砌和防滲存在缺陷檢修技術進行研究比較，采用化學灌漿技術進行修復處理，進一步保證了輸水系統安全運行。

鋼筋混凝土襯砌；排充水；化學灌漿

1 引言

桐柏抽水蓄能電站輸水系統連接上、下水庫，由引水系統和尾水系統組成。主要建筑物包括：上庫進/出水口和事故檢修閘門井、引水隧洞、壓力鋼管、尾水隧洞、尾水事故閘門井、下庫進/出水口等。引水系統為兩洞四機，尾水系統為單洞單機，均未設調壓室，但上下水庫進出水口事故閘門井兼有調壓室功能；上水庫進出水口選用岸坡豎井式進水口，底板高程360 m，兩條引水隧洞的中心間距為48 m，洞徑9 m，斜井斜長390.2 m傾角為50°，鋼筋混凝土岔管將主管分為兩條支管，支管直徑5.5～3.1 m，鋼襯長度107.6～141.9 m，從上水庫進出水口到機組中心線引水系統的長度是872.85～884.57 m；尾水隧洞采用單機單管，從廠房機組中心線至下水庫進出水口尾水系統長391.79 m，洞徑7 m，尾水管鋼襯長度72.85 m，其余為鋼筋混凝土襯砌。下平段通過50°的斜井與下水庫進出水口相接。下水庫4個進出水口平行布置，底板高程93.5 m，其余與上水庫進出水口相類似。

2 輸水系統受力分析及襯砌灌漿參數

2.1.水系統受力分析

抽水蓄能機組啟動停機頻繁、工況復雜且變化多樣，在運行工況變化引起的水力瞬變過程中，因水流慣性及系統中能量的不平衡，將引起輸水系統內水壓力及機組轉速的劇烈變化，產生壓力急劇上升或下降及機組轉速急劇加快，可能危及電站的安全運行，影響輸水系統和機組的壽命。根據水力過渡過程計算，機組蝸殼進口最大壓力為4.056 MPa，發生工況：上庫水位396.2 m，下庫水位141.2 m，兩臺機組超出力316 MW發電甩全負荷，導葉正常關閉；蝸殼進口最小壓力為2.39 MPa，發生工況：兩機全抽水失電，一關一拒，球閥關閉；機組尾水管進口最大壓力達到1.258 MPa，發生工況：兩機抽水全失電，兩導葉全關，球閥不動作；尾水管進口最小壓力為0.36 MPa，發生工況：上庫水位396.2 m，下庫水位110.0 m，兩臺機組超出力336 MW發電甩全負荷，導葉正常關閉。輸水系統縱剖面見圖1，受力計算部分斷面數據見表1。

圖1.水系統縱剖面圖

表1.水隧洞各典型斷面內、外水壓力單位：m

2.2.水系統襯砌及灌漿參數

為減小輸水系統糙率和加固圍巖，輸水系統自上庫進出水口至岔管采用鋼筋混凝土襯砌，支管采用鋼板襯砌；上水庫進出水口及上平段混凝土強度等級C25W8；引水隧洞混凝土強度等級C25W 10；斜井及下平段鋼筋混凝土襯砌采用透水襯砌，不設貫穿襯砌的減壓孔，斜井及下平段襯砌厚均為0.5 m，采用限裂設計進行構造配筋，限裂計算時不考慮水錘壓力；高壓鋼管采用NK-HITEN610U2的600 MPa級鋼板襯砌，厚46 mm，鋼管直徑3.1 m，考慮鋼管銹蝕裕量2 mm后，鋼管可承受470 m水壓力。

引水隧洞混凝土襯砌因其固有的性能在高壓內水作用下必然開裂。為提高隧洞的防滲能力，必須做好襯砌與圍巖之間的回填灌漿以及圍巖的固結灌漿；引水隧洞從上平段至下平段，內水壓力由40 m增加至340 m，隧洞沿線灌漿參數根據內水壓力的變化分區設計，灌漿設計壓力自上平洞至高程300 m為1.5 MPa，高程300至150為3.8 MPa，高程150至下平洞段為5.2 MPa；排距2～3 m，單排徑向布孔15至18個，孔深5～6 m；經高壓灌漿試驗、壓水試驗，確定高壓灌漿參數、灌漿材料和配比以及灌漿的合理程序；斜井、下平段和岔管部位的高壓帷幕灌漿和高壓固結灌漿，斜井高程80 m以下環間分Ⅰ、Ⅱ序，環內逐步加密，斜井高程80 m以上環間不分序。Ⅰ序孔采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅱ序孔采用P.O42.5改性磨細水泥進行灌漿。

3 輸水系統安全運行研究

3.1.常運行監測

自2006年電站發電運行后，輸水系統監測滲水量在20 L/s左右，主要滲水逸出點集中在廠房右側（發電方向）A3及A6廊道內F46、F13等處；滲水主要因素有：襯砌混凝土因本身的水化熱產生溫度裂縫和圍巖約束產生的應力裂縫，混凝土襯砌在100 m水頭以上是透水設計和襯砌混凝土圍巖的固結灌漿孔封堵不好而產生的內水外滲。日常運行監測項目及測次按規范執行。現僅述及滲水壓力及滲水量，見表2及表3。

表2.管滲壓計滲壓水位監測成果表單位：m

正常運行時輸水系統滲水在壓力變化情況下可能會對結構面薄弱環節產生水力作用造成通道擴大，繼而滲水增大，破壞輸水系統防滲體系，危及電站安全運行；桐柏電站輸水系統運行正常。

表3.水系統滲漏量監測成果表單位：L/s

3.2.水系統放空排充水速率控制

輸水系統正常運行時僅在關停機時產生水錘的壓力波動對水道有影響外，一般情況影響較小，但每次輸水系統放空就是對防滲體系一次損壞考驗。為了防止出現防滲體系擊穿，在機組檢修中輸水系統放空過程中排充水速率控制極為關鍵，特別是排水過程中輸水系統內水外滲到巖體里水反向流回，其破壞性尤其嚴重。2008年放空檢查，2014年10月15日至11月30日1號輸水系統放空處理，2016年11月1日至11月21日2號輸水系統放空檢查。桐柏輸水系統排水速度控制原則為：（1）240 m高程以上每小時下降水位4 m，240 m高程以下每小時下降水位2～3 m；（2）引水隧洞內外水頭差不得大于100 m。當排水設備流量調節不能滿足上述要求時（即水位下降速率過快），應采取間歇（臺階）式排水方法使其時間平均值滿足上述水位下降速率要求。排水初期實際操作中由于通氣孔水量較小（庫水位至360高程段），排水閥開度亦較小；進入上平段后由于其水量較大，調節排水閥100%開度；進入斜井直線段后且在240 m高程以上時，調整排水針閥開度25%～30%，水位下降平均速率控制在4 m/h以內，在240 m高程～下水庫庫水位之間時，水位下降速率控制在3 m/h。在接近檢修排水自流排水出口高程（90 m高程）時采用檢修泵排水，排水水位下降速率控制在3 m/h，直至水全部排完。充水速度控制原則為：50.45～240 m高程充水速率為10.0 m/h，240～386 m (上庫水位)充水速率為5 m/h。由于嚴格控制排充水速率和襯砌內外壓力差，較好保護了防滲體系，輸水系統充水運行后滲水沒有發生變化。

3.3.水系統自激振影響

桐柏電站在2014年9月至10月期間，兩條輸水系統先后共發生了4次水力自激振動現象，壓力脈動最大值已接近球閥上游靜壓力2倍，1號輸水系統首次發生水力自激振時間為2014年09月12日01:06～01:18，當時上游靜水壓力為3.34 MPa，而脈動壓力值約6.6 MPa；處理完畢時間為2014年09月12日01:20，前后時長1 h，當時機組運行狀態為1號機和2號機抽水調相穩態，緊接出現1號、2號機主進水閥工作密封在不停的投退，1號、2號機主進水閥有振動，高壓鋼管處監測壓力脈動。雖然壓力脈動很大但歷時短，輸水系統未出現滲水異常情況。

4 輸水系統檢修技術研究及實施

4.1.修方案研究

輸水系統自首次充水檢查至2016年已運行11年，觀測數據表明兩條輸水系統滲水主要在1號輸水系統；經過2008年首次檢查后確定結合機組大修僅進行下平洞段檢修；2014年三季度1號機組A修，為保障1號輸水系統安全穩定運行，1號引水下平洞段0+405.700（下彎段起點）～0+629.748（引水鋼襯起點）約224 m；1號尾水隧洞尾0+274.000（尾水鋼襯末端）～尾0+171.160（平洞末端）約103 m，進行滲水處理；滲水處理是結合機組A級大修，給滲水處理時間僅45 d；進出通道為一個直徑為0.615 m的進人孔。按照常規應該采用水泥灌漿，作為傳統灌漿其具有強度高耐久性好無毒造價低，但水泥顆粒較粗可灌性差，設備需要空間大，只能布置在廠房內，易污染工作面，造成環境污染，水泥漿液的進回漿管等存在影響其他機組安全運行隱患；再者時間緊，輔助工作準備時間長；化學灌漿因材料顆粒細類似水，可灌性好，抗滲性能好，施工設備簡單，施工快捷；灌漿材料選擇環保材料就無污染，固化快，最后選用方案為采用水溶性聚胺脂HW（低強度）/LW（高強度）混合漿液進行化學灌漿（見表4），混合漿液優點是即可有效控制漿液的凝結時間，確保漿液擴散半徑，又可提高漿液的抗拉、抗壓強度，以彌補HW或LW單一漿液灌漿的不足；該材料具有粘度小、凝固時間可調、操作方便等優點，對混凝土結構中的細微裂縫、溫度裂縫、施工縫、冷接縫等灌漿后可以恢復結構的整體性和密實性，并且在有水、潮濕和干燥的基面上均可進行施工，對桐柏電站中等水頭的輸水系統檢修是可行的。

表4.溶性聚氨酯化灌材料的物理力學性能

4.2.案實施

滲水處理的對象為襯砌混凝土滲水裂縫、施工縫以及滲水量較大部位的圍巖；處理措施主要為化學灌漿及表面封閉即對集中滲水點灌漿（單點滲水部位或成片滲水部位），對該部位圍巖進行適當的化學灌漿處理，封閉襯砌外圍巖裂隙，孔距3 m左右，孔深入巖2.0 m（后調整為0.2 m）；滲水裂縫處理施工，用角磨機磨去裂縫兩邊各10 cm表面各種雜物，沿縫鉆設與裂縫斜交45°灌漿孔，間距30～50 cm，孔徑14 mm，確保鉆孔與裂縫面相交。

集中滲水點灌漿。1號引水下平洞進行了33處圍巖化灌處理，布設灌漿孔106個，鉆孔151.18 m，灌入水溶性聚胺脂6 462.96 kg。根據滲水點檢查成果分布看，滲水點主要分布在洞頂120°范圍弧線內，軸線方向主要集中在1號引水下平段0+473.7～0+600.3 m段內，鉆孔發現混凝土襯砌存地脫空現象（1～3 cm），與襯砌接觸的圍巖較為完整；在灌前進行壓水試驗，鉆孔間串孔現象較多，說明混凝土襯砌與基礎之間存在脫空現象；灌漿吸漿量大的主要集中3個部位：0+562.5 m灌入水溶性聚胺脂1636.8 kg；0+519.9 m灌入水溶性聚胺脂1 084.5 kg；0+501.7 m灌入水溶性聚胺脂696.2 kg；3個部位共設鉆孔11個，灌入水溶性聚胺脂3 417.5 kg，占圍巖化灌量的52.8%。

裂縫灌漿。1號引水隧洞下平段采用化學灌漿滲水裂縫202條，總長度為1 287.5 m；滲水裂縫水溶性聚胺脂灌漿365 kg。按每100 m布置不少于3個檢查孔；采用單點壓水試驗40點，壓水檢查壓力0.4 MPa，持續壓水5 min所有縫面均不滲水。

4.3.漿后滲水量比較

2014年11.1.輸水系統防滲處理前和處理后比較滲水量減少明顯，處理后2015年1～12月同比減少率為39.7%～71%；2016年1～12月同比減少率為37.7%～75.3%，表明灌漿效果非常顯著，達到預期效果。

5 結語

桐柏抽水蓄能電站輸水系統在圍巖巖性固有基礎上進行了鋼筋混凝土襯砌，靠近廠房段高壓支管采用鋼板襯砌，并對相應圍巖進行了固結灌漿和帷幕灌漿，這種結構形式是合適的，既降低了輸水系統糙率又保障了其結構安全。運行后對輸水系統排充水速率嚴格按照設定的速率進行排充水，保障了輸水系統結構安全和防滲體系安全。對局部襯砌和防滲存在缺陷檢修技術進行研究比較，采用水溶性聚氨酯進行化學灌漿技術是合適的，提高了防滲體系可靠性，保證了輸水系統安全運行。

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TV743

B

1672-5387（2017）09-0056-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.020

2017-06-19

趙賢學（1962-），男,高級工程師，研究方向：水電站建設及運行管理。