南湃水電站長輸水系統排空檢查的必要性分析

李守志，李付棟，齊 岳

（北方國際合作股份有限公司 北京100040）

1 引言

老撾南湃（Nam Phay）水電站額定水頭700 m，裝設2臺43 MW沖擊式水輪發電機組，其輸水系統由岸塔式進水口、輸水隧洞、壓力鋼管組成。其中，輸水隧洞長6705.12 m，壓力鋼管長1468.96 m。整個輸水系統的充水量約為69023 m3。

電站充水發電1年來運行平穩，考慮到經濟效益等諸多因素，一直未能進行輸水系統的排空檢查工作。工程竣工驗收在即，圍繞是否應該排空輸水系統進行檢查存在爭議。有1種說法是有壓輸水隧洞在放空后，隧洞內外壓力發生較大變化，存在因檢查而導致的意外坍塌風險。另外，對排水過程有嚴格的限制，尤其是整個輸水系統的充水量大，需要很長的放空時間。

本文針對長輸水電站排空檢查的必要性進行分析，總結諸多類似電站的排空檢查經驗，同時，針對這種長輸水電站的監測設計提出一些建設性建議。

2南湃水電站輸水系統概況

南湃水電站工程隧洞為有壓輸水隧洞，總長度6705.12 m，采用圓形平底斷面，開挖洞徑4.4 m，襯砌后洞徑3.5 m，洞內設計流速為1.04～1.62 m/s。由3個平段和2個豎井段組成。

為沉積異物，分別在上平段、中平段、下平段設有3個集渣坑，集渣坑在隧洞底板下挖而成，并用鋼筋混凝土襯砌，上部設鋼篦子。

施工時設置3個施工支洞，分別位于3個平段，在每個施工支洞封堵段設置永久進人孔，進人孔斷面均為圓形，斷面直徑150 cm。各封堵體前部均設橢球形閘門。

南湃水電站輸水系統設計時，進行了滲流計算分析，主要包含初始地下水壓的構造、施工開挖期的外水變化過程模擬、運行期充水過程模擬、檢修期放水工程模擬等，充分考慮了運行期和檢修期不同的內外水壓力狀況下輸水系統結構的安全性。

上平段隧洞長2372.95 m，隧洞底坡為5%，局部為0.5%和0%，進口底板高程1114 m，末端高程997.71 m。上豎井段長84.03 m，豎井斷面為直徑3.66 m圓形斷面。

圖1 上平段洞軸線工程地質（圍巖分類）剖面圖

中平段隧洞長2550.67 m，隧洞底坡為5%。上游端底板高程921.52 m，末端高程793.15 m。下豎井段長141.73 m，豎井斷面為直徑3.46 m圓形斷面。

圖2 中平段洞軸線工程地質（圍巖分類）剖面圖

下平段輸水隧洞長1555.73 m，隧洞底坡為5%，局部為0.75%；上游端底板高程658.21 m，末端高程629.88 m，末端接壓力鋼管埋管段。

圖3 下平段洞軸線工程地質（圍巖分類）剖面圖

壓力鋼管總長1468.96 m，其中洞內埋管段長829.17 m，外包鋼筋混凝土段長639.96 m，高差224.40 m，采用內徑2 m厚32 mm的WDB620型鋼管。埋管段出口布置有進人孔。

圖4 埋管段洞軸線-明管段管槽工程地質剖面圖

南湃輸水隧洞承受內水壓力較高，上平段、中平段、下平段、壓力鋼管末端承受內水壓力（靜水壓力）分別為142 m、347 m、510 m、700 m。因此襯砌混凝土僅為傳力結構，無法完全承擔內水壓力的作用。內水壓力主要靠圍巖來承擔。理論上只要隧洞埋深滿足要求，不發生水力劈裂和滲透破壞，則隧洞無需進行襯砌，襯砌混凝土起到降糙的作用?；诖?，南湃水電站輸水隧洞襯砌設計的原則采用：“透水襯砌型式”，在隧洞自穩的情況下，Ⅲ類巖掛網噴護，Ⅳ類巖鋼筋混凝土襯砌，全斷面固結灌漿。

3 輸水系統排空要求及排空方式選擇

壓力輸水隧洞的排空速度取決于輸水系統的結構形式和圍巖的地質狀況。參考其他電站排水速度要求，南湃水電站輸水系統排空速度控制在2 m/h以內，選擇排放流量時應考慮圍巖滲水量，可以參考建設期圍巖滲水情況，適度加大計算排水流量。

根據南湃水電站輸水系統的結構特點分以下7個階段進行排水：

3.1 第1階段：上平段排水

上平段截面12.49 m2，長2373 m，高差119.29 m，儲水量約為29639 m3。按照排空速度2 m/h計算排水時間應大于60 h，允許的最大排水流量為494 m3/h，即0.14 m3/s。南湃水電站單臺43 MW沖擊式機組的空載流量約為0.14 m3/s。因此，第1階段排空可以采用1臺機組間斷空載運轉方式進行，排水時間約3 d。

3.2 第2階段：上豎井段排水

上豎井段截面10.52 m2，高差84.03 m，儲水量約為884 m3。按照高差計算排水時間應大于42 h，允許的最大排水流為21 m3/h。因此，第2階段排水可以采用停機方式，即采用1臺機組中的2套針閥附加相應折流板的方式排水，排水時間約2 d。

3.3 第3階段：中平段排水

中平段截面12.49m2，長2550.67m，高差131.85m，儲水量約為31858 m3。按照高差計算排水時間應大于66 h，允許的最大排水流量為482.7 m3/h，即0.13 m3/s。南湃水電站單臺43 MW沖擊式機組的空載流量約為0.14 m3/s。因此，第3階段排空可以采用1臺機組間斷空載運轉方式進行，排水時間約3 d。

3.4 第4階段：下豎井段排水

下豎井段截面9.4 m2，高差141.73 m，儲水量約為1333 m3。按照高差計算排水時間應大于71 h，允許的最大排水流量為18.76 m3/h。因此，第4階段排水可以采用停機方式，即采用1臺機組中的2套針閥附加相應折流板的方式排水，排水時間約3 d。

3.5 第5階段：下平段排水

下平段隧洞截面8.78 m2，長1555.73 m，高差31.83 m，加上埋管段2693 m3，總儲水量約為16352 m3。按照高差計算排水時間應大于16 h，允許的最大排水流量為1022 m3/h，即0.28 m3/s。南湃水電站單臺43 MW沖擊式機組的額定水頭下空載流量約為0.14 m3/s。因此，考慮到此時水頭降低，機組達到額定轉速的流量變大，按照單臺機組達到額定轉速需要0.2 m3/s計算，第5階段排空可以采用1臺機組間斷空載運轉方式進行，排水時間約1 d。

3.6 第6階段：鋼管段排水

鋼管段高差224.4 m，鋼管長度615.93 m，儲水量約為2003 m3。鋼管段排水不受水頭下降影響，排水可以采用停機方式，即采用1臺機組中的2套針閥附加相應折流板的方式排水，也可以通過進水球閥前的放水閥排水，按照100 m3/h的排放速度計算，排空需要約1 d。

3.7 第7階段：滲漏水排水

為保障檢查檢修期間的安全，輸水系統排空后，為排除滲漏水，需要打開2臺機組的進水球閥前的排水管，將滲漏水直接排放至尾水。

4 輸水系統排空檢查的必要性分析

南湃水電站輸水系統設計滿足排空檢查的強度要求，但是，有壓隧洞尤其是超高壓輸水隧洞在放空后，隧洞內外壓力變化較大，存在因檢查而導致的意外坍塌風險。明敷的壓力鋼管在放空后隨早晚溫差伸縮，尤其是早晚溫差過大時容易出現異常超限變形，引起壓力鋼管移位或塌落，如西藏羊湖電站。當然，南湃水電站的壓力鋼管采用了0.5 m厚的鋼筋混凝土包裹，這種影響很小。

通過上文排水方式，排空全部輸水系統需要14 d時間。加上檢查檢修和充水時間，整個電站停機時間超過30 d。按照80%的負荷率來計算，相應的電量損失約4953.6萬kW·h。按照0.07美元/kW·h電價計算，電站收入減少346.752萬美元。因此，在決定是否做程序性的輸水系統排空檢查時，不得不考量這種檢查驗收所導致的巨額經濟損失?；蛘?，將這種檢查的時間安排跟水庫調度綜合考量，選擇損失最少的時機完成。

國家標準《水電工程安全鑒定規程》（NB/T35064-2015）就輸水式電站的輸水隧洞在竣工驗收時是否必須做排空檢查并沒有明確規定，只是規定“重要的輸水隧洞在投入充水運行前”需要進行“專項安全鑒定”，這項工作在充水前已經完成。對于“竣工安全鑒定”的范圍包括了“輸水發電建筑物”，并規定驗收條件是：“工程運行已經過至少一個洪水期的考驗，多年調節水庫已經過至少兩個洪水期考驗；最高庫水位已經達到或者基本達到正常蓄水位；全部機組均已按額定出力運行；常規水電站每臺機組至少已運行2000 h以上”，驗收的內容主要是：“重點檢查評價關鍵部位、出現過質量缺陷和事故等部位的施工質量狀況，必要時應使用技術手段進行檢驗檢測加以確認”，具體驗收方法也沒有規定輸水系統必須進行排空檢查。

國家標準《水電工程驗收規程》（NB/T 35048-2015）中針對“竣工驗收”的主要工作內容規定為“檢查各專項驗收遺留問題的處理情況和尾工完成情況，遺留的特殊單項工程建設和竣工計劃，評價遺留的特殊單項工程對工程安全運行的影響”，同樣沒有提到輸水系統必須進行排空檢查。

當然，南湃水電站投入運營1年來，整個輸水系統未發現異常。且充水調試試運行前就輸水系統進行的檢查驗收未發現質量問題和遺留問題。目前，南湃水電站運行平穩，水庫已經達到最高庫水位，2臺機組正在滿發運行。鑒于此，暫不進行輸水系統排空檢查，根據運行情況，必要時可以在水庫水位下降到可以容納30 d來水量時擇機進行排空檢查。

5 水電站長輸水系統設計建議

建議一：設計較大的集渣坑?？紤]到隨水流帶人的泥沙以及隧洞中可能掉落的渣塊，分別在上平段、中平段、下平段設有3個集渣坑收集異物。隨著時間的推移，輸水隧洞內可能脫落的異物會越來越少，因此，在條件允許的情況下，這種集渣坑盡可能設計大一些，足以收納前期運行中出現的容易脫落的掉塊和雜物。建議施工支洞的地面高程低于引水隧洞一點，這樣在初次充水過程中未清理干凈及容易脫落的碎塊將沉積在這個部位，不占用集渣坑的容量，同時，需要清理時，這個部位的沉積物距離進入門最近，易于清理。

建議二：在隧洞出口的壓力鋼管上設截斷閥。一旦集渣坑填滿后，再有異物將向下游鋼管機組方向推進，最終沉積到進水球閥前，在此設置沉渣坑截留異物。如果在隧洞出口處設置截斷閥，就無需排空整個輸水隧洞，只需排空鋼管就可以清除這些異物。

建議三：對集渣坑的沉積物數量進行監測。通過設計專門的監測裝置對集渣坑內沉積物的數量進行實時監測，就能夠知道輸水隧洞的狀況，當短時間出現較大的異物沉積時，就可以斷定輸水隧洞出現異常。

6 結論

對于水電站輸水系統的檢查，應根據工程地質和水文情況、施工質量和機組運行情況具體分析論證，以確定是否有必要進行排空檢查。同時，應充分利用設置在水電站輸水系統上的集渣坑來監測輸水系統的運行狀況。