蓋孜水電站引水隧洞充排水實踐探討

伊聰慧

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

蓋孜水電站工程為中型Ⅲ等工程，主要建筑物包括引水調節池、引泄水建筑物、發電引水系統、水電站廠房、尾水建筑物，臨時建筑物包括圍堰工程等建筑物組成。引水調節池長110 m，發電引水洞全長10.01 km，電站加權水頭360.48 m。引水調節池正常引水位2625.670 m，引水調節池最低引水位2624.792 m，電站總裝機容量為116 MW(3×38.7 MW)，保證出力38.3 MW，多年平均發電量3.83億kW·h。

發電引水系統布置在調節池末端，進口緊靠調節池尾部，進口底部高程2613.022 m。引水系統采用一洞三機聯合供水的布置型式，電站共三臺機組，設計引用流量3×12.6 m3/s，額定水頭為347 m，引水隧洞總長10.01 km，其中埋涵段長度1206.936 m、引水隧洞段長8803.153 m。在引水隧洞末端樁號發8+803.152 m(調壓井中心線)設置阻抗式調壓井，并設置蝶閥室。壓力管道布置采用兩級斜井布置。在2401.6 m高程上布置了長32.68 m的平臺。高壓管道水平距離長1191.206 m，斜長1379.077 m，由一斜井段、中水平段、二斜井段及下平洞段組成。圓形斷面，內徑為3.2 m。岔管為明管，采用“卜”形月牙肋岔管，通過1#岔管一分為二，再通過2#岔管分為兩個支管。支管共有3根，長度分別為37.806 m、22.008 m、27.008 m，支管垂直廠房縱軸線，管徑1.40 m、1.20 m，發電引水系統構成見圖1。引水隧洞埋深大、洞線長、洞徑大，到目前為止，蓋孜水電站引水隧洞已進行多次充排水操作，為引水隧洞充排水檢修提供了實踐經驗。

圖1 發電引水系統構成圖

2 引水隧洞充排水實踐

2.1 引水隧洞充水

引水隧洞段總容積為138781 m3。根據類似工程經驗和本工程的特點，綜合發電引水隧洞水頭和沿線地質情況，本次發電引水隧洞充水分3個階段進行控制，并對引水隧洞、調壓井、各施工支洞(包括堵頭和檢修門)進行保壓觀測。引水隧洞(含調壓井)內的水位上升速度應控制在3.5 m/h以內，相應充水流量應應控制在3.95 m3/s以內。

第1階段：充水至2587.989 m高程(3#支洞底板)，該階段水量約16013 m3。觀察蝶閥上游側水位變動情況，水位控制在充水至預定高程后停止充水，保壓12 h，記錄觀測數據，監視各部位是否正常。如無異常，即可進行下一階段充水。

第2階段：充水至2596.842 m高程(1#支洞底板)，該階段水量約75056 m3，預計充水時間5.5 h。觀察蝶閥上游側水位變動情況，充水至預定高程后停止充水，保壓12 h，記錄觀測數據，監視各部位是否正常。如無異常，即可進行下一階段充水。

第3階段：充水至2625.67 m高程(正常引水位)，該階段水量約47712 m3，預計充水時間8.5 h。充水至預定高程后停止充水，保壓24 h，記錄觀測數據，監視各部位是否正常。

在隧洞充水和穩壓觀測中，須密切注意觀察蝶閥壓力表讀數和施工支洞檢修門的密封情況，如有滲漏，應及時均勻擰緊法蘭螺栓；并注意觀察引水隧洞、各施工支洞沿線外圍岸坡及施工支洞堵頭的滲漏情況，特別要觀察引水隧洞支洞段邊坡、山體滲漏情況。如發現引水涵管滲漏、引水隧洞沿線滲漏、邊坡變形、失穩；廠房處山坡滲漏、邊坡變形、失穩；支洞封堵門變形、滲漏量大；施工支洞堵頭滲漏量大；觀測數據偏離正常范圍等異常情況，應立即報告領導小組，采取相應處理措施。

發電引水系統充水及保壓觀測期間，在發電引水系統的沿線，領導小組要安排各專業組進行觀測和巡視，將獲取的信息第一時間報給領導小組。經對發電引水隧洞充水的情況進行檢查，結果正常，即對發電洞進水口事故檢修門進行靜水試驗[1]。靜水試驗合格后，提起發電洞進水口事故檢修門并鎖定。

2.2 引水隧洞排水

2.2.1 引水隧洞排水方式選擇

蓋孜水電站引水隧洞主要采用水輪機空轉排水和引水隧洞檢修排水閥排水兩種排水方式：(1)引水隧洞的水在水輪機空轉狀態下通過水輪發電機組排放至尾水，在機組額定轉速以內通過水輪機導葉開度的增減以調節排水量。水輪機空轉排水方式排水量大，排水速度快，可使引水隧洞同一水力單元2臺水輪發電機組退備時間大大縮短。但水輪機在空轉排水狀態下可能會因其排水速率過快而失控，引發隧洞主體錨桿、混凝土襯砌等支護結構應力應變甚至引水隧洞的破壞。(2)引水隧洞檢修排水閥排水方式下引水隧洞水通過設置于隧洞末端底板處的70 cm排水閥排出至排水洞，該方式下排水流量小，流量調節也更為靈活可控，有助于確保排水過程中引水隧洞本身的安全性。但排水時間較長，引水隧洞同一水力單元2臺水輪發電機組退備時間也因此而延長。

考慮到蓋孜水電站引水隧洞直徑大、體量大、隧洞長，水頭高，地質條件復雜，排水風險較大，結合該水電站引水隧洞排水實踐，應采用分階段排水方式，即在水輪發電機組過水條件較好時，可采用機組空轉方式排水至毛水頭295.0 m，剩余部分通過隧洞檢修排水閥排水。

2.2.2 引水隧洞排水過程控制

在蓋孜水電站引水隧洞同一水力單元水輪發電機組具備過流條件的情況下，應按照以下階段排水：第1階段，充分利用水輪機空轉完成排水過程，并待排水至機組毛水頭290 m(即引水隧洞進水口底坎處高程1624.0 m)時停機，并加強水輪發電機組運行狀態的實時監測，對于出現機組擺度、振動、溫度等參數異常時必須立即停機檢查，此階段耗時不超過7.5 h；第2階段，利用引水隧洞檢修排水閥排水至隧洞末端底坎高程1575.0 m，排水過程中所監測的滲漏量超出正常范圍，必須立即處理，耗時130 h；第3階段，利用機組壓力鋼管將引水隧洞內余水排出。

3 引水隧洞充排水過程監測

蓋孜水電站引水隧洞充排水過程中，所監測到的各主體工程圍巖變形、錨桿應力、錨索荷載、圍巖滲透壓力、鋼筋應力、混凝土應變、巖體孔隙水壓力等結果見表1。

表1 蓋孜水電站引水隧洞充排水過程監測結果

通過對表1監測結果的分析可以發現，引水隧洞充排水過程中圍巖變形最值位于-0.43 mm～0.16 mm范圍內，平均值在-0.01 mm～-0.08 mm之間，表明圍巖狀況穩定性良好。且引水隧洞充排水過程中，啟閉機動作可靠準確，充水閥和碟閥開閉及時準確，進水口、調壓井和發電廠房等構筑物邊坡并未出現位移異常，附近沖溝流量也并未發生改變。各主體工程錨桿應力、錨索荷載、圍巖滲透壓力、鋼筋應力、混凝土應變、巖體孔隙水壓力等應力應變狀態也基本穩定。

考慮到蓋孜水電站引水隧洞地質條件復雜、所承受的內水壓力及滲漏影響較大，若充排水速度過快會破壞引水隧洞襯砌結構，進水口閘門關閉不嚴會引發閘門漏水，誤提進水口閘門會造成廠房淹沒和人員傷亡，空轉排水會導致開度和排水速率過大而排水失控。為應對上述風險，引水隧洞充排水過程中如遇滲漏量超標，集中滲漏水超量[2]，大量滲漏水集中于邊坡或不知去向等現象，則應立即停止充排水，并通過檢修排水系統放空排水后全面檢查。加強充排水速率控制并在各階段充排水結束后穩壓一段時間，監測結果確認后再開始下一階段充排水試驗。

4 結論

通過本文分析可以看出，引水隧洞充排水方案選擇的過程中，必須充分考慮內水壓力、充水速度、襯砌結構承受能力、過程能耗等方面，并應在考慮襯砌及圍巖受力水平的情況下加強充水速度及水力梯度增加速度的控制。蓋孜水電站引水隧洞多次充排水操作取得了一定的實踐經驗，并通過分析充排水過程中主要的風險點及針對性強的風控措施，確保充排水過程的安全。本文所取得的實踐經驗對蓋孜水電站以及類似高水頭、長距離、大直徑引水隧洞采用閘門充水閥間歇式充排水、分級穩壓過程具有重要的借鑒參考價值。