萬家口子水電站引水發電系統充排水試驗設計

孫 健

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概況

引水發電系統采用一洞兩機型式布置于右岸山體內，主要包括進水塔、引水隧洞、發電廠房、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構型式，隧洞內徑DN7000mm；下彎段和下平段因壓力水頭較高采用內襯鋼管，外包混凝土襯砌結構型式，隧洞內徑DN6000mm；兩種結構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電系統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的金屬結構設備進行調試試驗。同時，為滿足機組調試過機組水流的水質要求，應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，通過技術供水設備向1#機組尾水管內充水，待閘門前后平壓穩定，開啟1#機組尾水閘門向尾水管道內充水。充水過程中，應隨時檢查水輪機頂蓋、導水機構、主軸密封、測壓系統管路、尾水管進人門等處的漏水情況。

圖1 引水發電系統示意圖

充水過程中如發現有異常，應立即報告指揮部，由指揮部根據情況研究處理。必要時，指揮部可以下令停止充水，待問題消除后再恢復充水，以確保廠房及其他機組的安全。

3.1.2 尾水管排水

關閉1#機組尾水閘門，開啟尾水管底部液壓操作盤型排水閥，將尾水管內水排至檢修集水井，利用機組排水系統排水，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。為保證機組帶水調試具備良好的水質環境，引水隧洞充水前應對進水口、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，在正式試驗前應對與試驗相關的金屬結構設備進行調試，開展試充水試驗。

引水隧洞充水系統、檢修排水系統設備試驗前工作正常，排水系統管路通暢，具體調試試驗步驟如下：

(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閉和開啟試驗，隨后進行放空閥關閉和開啟試驗(開展此項試驗時必須在充水閥關閉時進行)。

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

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

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

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

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

待以上調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，通過水庫調節，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控制閥門關閉，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，穩壓72h；引水隧洞充水、穩壓完成后，將進水口事故閘門提起并鎖定在開啟運行位置，進行1#機組的帶水調試，調試結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

引水隧洞預充水通過水位計進行全程水位觀測，數據傳送至中控室監控系統進行實時監控分析。

3.2.4 滲漏控制標準

引水隧洞滲漏控制標準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)隧洞沿程滲漏量標準(以下允許滲漏量控制標準均未考慮集中滲漏量)。完成引水隧洞充水并穩壓72h。隧洞沿程允許滲漏量標準按照200L/s控制，警戒滲漏量標準按照700L/s控制，沿程滲漏量超過200L/s而小于700L/s時，經過各方綜合分析研究確定是否繼續充水。

(2)集中滲漏量標準。集中滲漏量是指可見的、可以實施應急處理的集中滲漏點的水量，允許滲漏量標準以能夠實施快速封堵，不影響建筑物結構安全和能夠繼續充水為原則，暫定集中允許滲漏量為50～100L/s，具體可根據應急處理效果作適當調整。若集中出水點出現在引水隧洞末端、廠區洞室區域，則應分析具體情況，各方綜合分析研究確定是否繼續充水。

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

3.2.5 引水隧洞排水

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

(1)隧洞排水前，關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速空轉，使引水隧洞內的水體通過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

引水發電系統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。引水系統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

考慮引水發電系統自身特點和一定的應急事情處理時間，初步擬定引水發電系統充排水計劃如下：

(1)以引水發電系統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#機組開始進行并網調試和72h試運行。

5 充排水過程中的事故處理預案

(1)引水隧洞充水過程中，應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、主廠房及相關洞室、廠區邊坡的安全巡查和滲漏觀測，對隧洞通風洞等部位應重點巡查，設置應急排水設備，并安排專門應急處理施工隊伍待命，一旦出現集中滲漏情況應及時進行抽排和封堵處理。逆坡施工通道內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準，需通過現場參建各方共同討論分析確定是否繼續充水，若隧洞內出現危及洞內施工和人生安全的超量集中滲漏水、或主廠房、廠區邊坡出現集中大流量滲漏水、或大流量滲漏水不知去向時，應立即停止充水，通過引水隧洞檢修排水系統進行排水放空檢查處理。

(3)引水隧洞充水過程中應加強隧洞襯砌結構應力應變、圍巖應力及圍巖滲壓狀態等的安全監測，一旦監測數據發生異常變化，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)隧洞充水過程中應嚴格控制水位上升速度，分級充水應確保穩壓時間，加強廠區排水廊道、主廠房及相關洞室內的巡視和滲漏檢查，一旦發現滲漏情況并經分析確認為高壓管道充水所引起，則應停止充水放空檢查。

(5)隧洞排水過程中應嚴格控制水位下降速度。

(6)引水系統充排水試驗過程中，一旦發生閘門或各相關閥門滲漏、速率控制超過設計要求等意外情況，應及時向現場監理工程師匯報，必要時經各方討論研究后確定是否繼續進行充排水試驗。

(7)引水系統充排水過程中應確保工程區內的電源安全供電，且與引水系統充排水相關的區域應設置備用電源并具備投運條件。

(8)引水系統充排水過程中應確保工程區內的相關觀測點、重要部位的通訊通暢。

6 結語

萬家口子水電站工引水發電系統工程地質簡單，工程安全風險小，充排水試驗是檢驗工程質量、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電系統充排水試驗方案的設計探索，以及實際實施過程中問題的出現和解決，對于類似規模的引水式電站的系統布置、結構設計、機電、金屬結構設計以及監測設計具有重要的借鑒參考意義。