蓋孜水電站壓力鋼管水壓試驗研究

胥細望

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 水電站概況

蓋孜水電站工程是《喀什噶爾河流域蓋孜河中游段水電規劃報告》中推薦的“一庫五級”開發方案中的第二個梯級。工程任務是水力發電，與布倫口-公格爾水電站同步調峰運行，電站設計水平年為2020年，供電范圍為喀克電網。電站裝機容量116 MW，保證處理量38.3 MW，額定水頭247 m，多年平均年發電量3.83億kW·h，裝機利用小時數3308 h，工程等別為Ⅲ等工程，工程規模為中型。

發電引水系統布置在引水調節池末端，進口閘井底板高程2613.022 m，長15 m，頂高程為2628.50 m。進水口內設置4.0 m×6.0 m攔污柵一道，兩孔；設置4.0 m×5.0 m擋水門一道，兩孔；設置3.5 m×4.0 m事故檢修閘門一道。整個引水系統總長10.002 km，其中埋涵段長度1201.792 m、引水隧洞段長8800.660 m，采用C25鋼筋混凝土襯砌。在引水隧洞末端設置阻抗式調壓井，調壓井后部設置蝶閥室。壓力鋼管布置采用二級斜井布置，內徑3.2 m。岔管通過1#岔管一分為二，再通過2#岔管分為兩個支管，支管管徑1.4/1.2 m。

蓋孜水電站水道系統長，壓力管道洞徑較大且水頭高，要求1#和2#壓力管道在未完工時就應充水運行。為進行工程設計合理性及施工質量情況的檢查，并獲取結構安全及滲水原型觀測數據，檢驗充排水設施運行的可靠性，為機組調試創造條件，為高水頭壓力管道施工積累經驗，進行蓋孜水電站壓力鋼管管道充水試驗。

2 充水試驗過程

在進行1#壓力管道充水試驗前，先進行尾水洞充水，同時進行1#壓力管道進口事故門實際泄水量的測量。兩次沖洗下平洞并放空后的檢查結果表明，第一次放空過程中發現數塊混凝土塊，此外，水道結構、排水廊道、支洞堵頭等均無異常。之后開始正式充水，并根據水道實際布置情況，分成八個水頭段進行升壓速率與穩壓時間等參數的確定，考慮到豎井段水頭變幅較大，穩壓時間應確定在12 h及以上，不同水頭段充水試驗及穩壓情況[1]分析如下：

2017年5月29日21:10打開壓力管道進口閘門充水閥門準備充水，并將充水速率控制在10 m/h以內，到次日17:00，水位高程從521.5 m上升至685.4 m，充水歷時20.667 h。待水位高程上升至685.4 m后穩壓24 h，5月31日17:00水位測量結果為690.5 m，扣除充水前閘門實測滲水量0.054 L/s后，地下水補水流量均值為1.4 L/s。

2017年5月31日17:00進行調蓄水庫潛水泵充水，并將豎井水位上升速率控制在10 m/h以內，至次日5:00水位高程從690.5 m升至720 m，充水歷時12 h。待水位上升至720 m后穩壓24 h，6月1日5:00所測得的水位高程下降為711.5 m，漏水流量平均值為2.5 L/s。

6月1日5:00開始充水，將水位上升速率控制在5 m/h以內，至次日凌晨4:00水位高程從711.5 m升至810.3 m，充水歷時23 h。待水位到達810.3 m后穩壓24 h，在6月3日凌晨4:00所測得的水位高程為805.2 m，漏水流量平均值為1.1 L/s。

6月3日凌晨4:00開始充水后將水位上升速率控制在5 m/h以內，至當日15:30水位高程由805.2 m再升至850.0 m，充水歷時11.5 h。待水位到達850.0 m后穩壓17.5 h，在次日上午9:00所測得的水位為845.6 m，漏水流量均值為1.6 L/s。

6月4日上午9:00開始充水，并將水位上升速度控制在5 m/h以內，到當日23:00水位高程由845.6 m升至895.0 m，充水歷時14 h，待水位高程到達895.0 m后穩壓18.5 h，在6月6日17:00所觀測的數位高程890.3 m，漏水流量均值2.5 L/s。為控制水位下降速度，補水至當日19:00，水位高程升至1003 m后穩壓16 h，之后至次日11:00所觀測的水位高程均值為1001.3 m，滲漏量均值2.6 L/s。

6月7日18:00將事故閥門充水閥進口打開后充水，并將水位高程上升速率控制在10 m/h以內，至次日凌晨2:30水位高程由1001.3 m升至1085.4 m，充水歷時8.5 h。待充水水位達蓄水位后，關閉閘門，采用水泵計量充水的方式進行1#和2#壓力管道漏水量量測，所測得的滲流量18.5 L/s～19.5 L/s。不補水時通氣孔內水位下降值為3.0 m，可以折算成18.5 L/s的漏水量。

6月9日8:00提起壓力管道進水口事故閘門后調試機電設備并結束壓力管道充水試驗，對監測設施還應繼續進行1個月的加密監測[2]。

3 充水試驗監測數據及分析

若不考慮壓力管道沖洗時間，水壓試驗耗時近14 d，充水試驗過程中主要進行監測儀表儀器、量水堰等觀測設施的讀數，以及相關建筑物表面的巡視。

3.1 充水試驗監測結果

3.1.1 滲壓計監測結果

蓋孜水電站1#壓力管道滲壓觀測斷面3個，具體在樁號1+140下平段鋼襯段、0+650混凝土襯砌段、高程875 m處。在各斷面開挖邊線0.5 m圍巖內均埋設3支滲壓計，高程875 m處滲壓計因出現故障，并未取得有效的試驗數據。2#壓力管道滲壓觀測斷面布設情況與1#壓力管道類似，分別在豎井及下平段鋼襯段布設3個永久性觀測斷面。

1#和2#壓力鋼管下平段滲壓觀測結果見表1。

表1 1#和2#壓力鋼管下平段滲壓觀測結果

3.1.2 滲水量監測結果

壓力管道充水試驗期間采用量水堰等測量方法進行施工洞堵頭及各排水洞滲水點滲水量的監測，結果見表2。

表2 滲水量監測結果

3.1.3 混凝土應變計監測結果

蓋孜水電站1#和2#壓力鋼管下平段混凝土襯砌段和豎井段分別埋設5支和4支混凝土應變計，混凝土襯砌段儀器檢測成果具有代表性，見表3。

表3 1#和2#壓力鋼管混凝土應變計監測結果

3.2 充水試驗結果分析

3.2.1 滲漏結果分析

1#和2#壓力鋼管下平段滲壓及滲水量監測結果(表1)表明，壓力管道混凝土、固結灌漿及鋼襯等結構參數設計合理、施工質量有保障，充水試驗結果良好。實際漏水量比設計值小，而且在上平段充水試驗的過程中有較大幅度增加，其原因可能包括：下平段和豎井下部圍巖透水性預計值較小，且豎井段襯砌施工前井壁設置了土工膜，形成混凝土-土工膜的復合襯砌結構[3]；襯砌混凝土有較高的強度等級，且施工裂縫均經過化學灌漿處理后形成了一定的預應力，導致裂縫實際開裂寬度小于設計值。

3.2.2 襯砌結構受力狀態

通過分析1#下平段頂拱中心線混凝土應變情況可以看出，在充水試驗前1#壓力管道下平段襯砌呈受壓狀態，在充水試驗過程中壓應力逐漸轉變為拉應力。應變計讀數的變化趨勢規律與襯砌受力情況相吻合，也即充水試驗前主要受圍巖壓力、地下水及高壓固結灌漿殘余壓力的影響而處于受壓狀態，充水試驗過程中內水壓力不斷增大，壓應力下降，拉應力增大，待襯砌結構開裂后，應力狀況將重新分布[4]。

所埋設監測儀器、滲流量讀數變化情況及外觀巡視結果表明，蓋孜水電站1#壓力管道充水對2#壓力管道及近洞邊坡、進水口、廠房、排水洞等周圍建筑物均無不利影響。

4 結論

本文分析結果表明，蓋孜水電站1#和2#壓力管道充水程序設計合理，充水過程中并未出現任何異常情況，下平段最大水頭所對應的總滲漏量低于設計水平，表明1#壓力鋼管襯砌、混凝土襯砌及固結灌漿設計科學合理，施工質量良好。此外，500 m以上的高水頭壓力管道應進行透水襯砌設計，并通過施工質量的控制，以達到控制滲水、提升結構安全性及節省投資的目的。在混凝土襯砌與圍巖間設置土工膜復合襯砌結構，既有利于施工排水，又能控制壓力鋼管運行過程中可能的滲漏。