長(zhǎng)距離、大體積、有壓輸水隧洞充水試驗(yàn)研究

王 強(qiáng)

(黃河明珠水利水電建設(shè)有限公司，河南 三門峽 472000)

長(zhǎng)距離、大體積、有壓輸水隧洞充水試驗(yàn)，是水電站、引水工程、泵站等水利工程運(yùn)行管理中的一項(xiàng)重要操作。輸水隧洞首次充水是對(duì)設(shè)計(jì)、施工成果的一項(xiàng)檢驗(yàn)，同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的一個(gè)過程[1]。目前，水利工程輸水隧洞充水方式主要有旁通閥充水、閘門節(jié)間充水、小開度提門充水、門上設(shè)充水閥充水等。結(jié)合蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目取水口僅布置事故檢修門的特點(diǎn)，首次充水采用小開度提門、控制取水口事故檢修門啟閉頻次及提升高度的方式完成對(duì)充水時(shí)長(zhǎng)、充水體積及穩(wěn)壓時(shí)間的控制[2]，并對(duì)存在的問題和積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，旨在為我國(guó)長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞的設(shè)計(jì)、施工、充水試驗(yàn)及運(yùn)行管理提供參考與借鑒。

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目是將劉家峽水庫(kù)作為引水水源向蘭州市供水。工程包括取水口、輸水隧洞、分水井等。輸水隧洞為壓力引水隧洞，主要采用管片襯砌，全長(zhǎng)31.57km，洞徑4.6m，設(shè)計(jì)引水流量26.3m3/s，充水總量約為55萬(wàn)m3。輸水隧洞取水口設(shè)置尺寸為4.6m×4.6m事故檢修門， T16+160處設(shè)置通氣井， T30+771.375處設(shè)置DN3000檢修閥，末端設(shè)置分水井，分水井后設(shè)置彭家坪輸水支線、蘆家坪輸水支線，分別向凈水廠輸送水源。蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞縱剖面如圖1所示，高程采用大沽高程，單位為m。

圖1 蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞縱剖面圖

2 充水試驗(yàn)前的必備條件

輸水隧洞充水試驗(yàn)前，需對(duì)充水過程中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校核，同時(shí)對(duì)充水涉及的水工設(shè)備、輸水隧洞進(jìn)行試驗(yàn)和檢查，檢查項(xiàng)目符合規(guī)程、規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，輸水隧洞才可以充水。

2.1 充水參數(shù)校核

查閱國(guó)內(nèi)外小開度提門充水案例，最高運(yùn)用水頭53m的廣西巖灘電站右沖沙孔，事故閘門尺寸為2.8m×4.5m，較本項(xiàng)目小一半，且充水總量、充水總時(shí)長(zhǎng)、啟閉頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本項(xiàng)目。分析小開度提門運(yùn)用工況，充水過程中需對(duì)閘門的開度進(jìn)行精確控制。閘門開度如出現(xiàn)差異，將會(huì)導(dǎo)致門井噴水、水錘沖擊閘門，或引發(fā)事故閘門振動(dòng)、水工建筑物破壞等嚴(yán)重事故[3-4]，大伙房電站進(jìn)口、三門峽泄洪隧洞進(jìn)口閘門等在充水過程中，曾因控制不當(dāng)，均出現(xiàn)過進(jìn)口門井嚴(yán)重噴水現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備、水工建筑物和操作人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)小開度提門充水參數(shù)的確定，是確保充水順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

2.1.1 小開度提門啟閉力計(jì)算

靜水中啟閉閘門的啟閉力應(yīng)包括主支承摩阻力、水封摩阻力、水柱重力。計(jì)算充水過程中在不同水位下的啟閉力，以便在充水過程中予以參照。其中，閉門力計(jì)算結(jié)果為正時(shí)，需要加重(加重方式有加重快、水柱或機(jī)械下壓力等)；為負(fù)值時(shí)，依靠自重可以關(guān)閉。

2.1.2 小開度提門充水孔口出流方式的確定及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

a.由小開度提門孔口大小與水頭高度的比值可確定為小孔口出流：

表1 取水口事故檢修門啟閉力

式中：e為小開度充水提門孔高,m，通常取0.05～0.20m；H為充水水頭,m，為30m。

b.由小開度提門充水孔口作用水頭(或壓力)的穩(wěn)定情況，確定為恒定孔口出流。

c.由取水口事故檢修門高程及輸水隧洞高程變化、出口出流后的周圍介質(zhì)，確定為自由出流。

d.根據(jù)取水口事故檢修門水流方式確定為薄壁孔口。

綜上所述，取水口事故檢修門在小開度提門充水孔口出流方式為薄壁小孔口恒定自由出流，孔口出流流量為

式中：μ為流量系數(shù)，取0.60～0.62；A為出流孔口面積，m2；H為充水水頭，m；g為重力加速度，m/s2。

參照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50628—2008)及設(shè)計(jì)要求，輸水隧洞充水過程中，水柱上升速率不超過10m/h[5]，確定劉家峽庫(kù)區(qū)水位在1730.00m、取水口事故檢修門充水提升高度為0.05m時(shí)，孔口流速v為14.54m/s，流量Q為3.35m3/s。

2.2 取水口水工建筑物、機(jī)電設(shè)備檢查

a.取水口土建工程、安全監(jiān)測(cè)工程、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、水力機(jī)械設(shè)備、消防系統(tǒng)、電氣設(shè)備已達(dá)到充水要求。

b.取水口事故檢修門孔口、攔污柵孔口等孔口安全圍欄安裝完成，設(shè)備設(shè)施孔洞封堵完成，樓梯欄桿安裝完成，設(shè)備標(biāo)牌、安全標(biāo)志、警示標(biāo)志等標(biāo)識(shí)牌配備齊全。

c.充水期間取水口各處及對(duì)外通信暢通。

d.取水口啟閉機(jī)操作人員明確充水總體安排。

e.取水口相關(guān)設(shè)備廠家已到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

f.取水口各崗位人員責(zé)任已劃分。

g.取水口處安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、液位均已正常顯示。

h.取水口安全保證措施已落實(shí)到位。

i.應(yīng)急預(yù)案已完善，所需設(shè)備、材料、人員已就位，并已進(jìn)行演練。

2.3 輸水隧洞水工建筑物、機(jī)電設(shè)備檢查

a.輸水隧洞土建工程、安全監(jiān)測(cè)工程、水力機(jī)械設(shè)備已滿足充水要求。

b.輸水隧洞支洞排水通道、寺兒溝防洪渠、小金溝、蘆家坪尾水渠等排水通道已做好安全警示標(biāo)志，并已宣傳到位，人員監(jiān)護(hù)已安排到位。

c.輸水隧洞巡回線路明確、通信暢通，能夠準(zhǔn)確、清晰地傳達(dá)信息指令。

d.輸水隧洞沿線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均已顯示正常。

e.輸水隧洞充水安全保證措施已落實(shí)到位。

f.輸水隧洞末端檢修閥、放空閥所在位置正確。

g.應(yīng)急預(yù)案已完善，所需設(shè)備、材料、人員已就位，并已進(jìn)行演練。

3 充水過程

3.1 輸水隧洞充水試驗(yàn)

輸水隧洞充水試驗(yàn)采用小開度提門、分級(jí)充水、多次穩(wěn)壓的方式進(jìn)行。充水過程根據(jù)水頭變化分階段進(jìn)行，每一級(jí)充水達(dá)到預(yù)定水位后進(jìn)行穩(wěn)壓觀測(cè)。充水過程中將啟閉機(jī)開度儀顯示數(shù)值、載荷儀顯示數(shù)值、鋼絲繩狀態(tài)及輸水隧洞過流聲音、事故檢修門啟閉力理論計(jì)算值作為依據(jù)，及時(shí)調(diào)整事故檢修門狀態(tài)。

蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞充水工作于2019年10月12日開始，2019年11月9日結(jié)束，歷時(shí)30天。具體充水參數(shù)見表2。

表2 輸水隧洞充水過程

3.2 充水試驗(yàn)的安全監(jiān)測(cè)

充水試驗(yàn)安全監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)輸水隧洞充水過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及分水井水位變化情況，為輸水隧洞分級(jí)充水、穩(wěn)壓及各工作面的組織協(xié)調(diào)提供決策信息。輸水隧洞充水試運(yùn)行期間應(yīng)準(zhǔn)確記錄水工建筑物及輸水隧洞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析建筑物在充水期間的工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)建筑物的安全性。

3.2.1 觀測(cè)設(shè)備

輸水隧洞沿線布置滲壓計(jì)、錨桿測(cè)力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、土壓力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)等觀測(cè)儀器，用以觀察充水、穩(wěn)壓及后期正常運(yùn)行時(shí)輸水隧洞狀態(tài)。

3.2.2 觀測(cè)頻次

充水試運(yùn)行期間，應(yīng)準(zhǔn)確記錄每個(gè)充水保壓等級(jí)監(jiān)測(cè)的初始值和最終值，充水過程前后各觀測(cè)一次，穩(wěn)壓過程每8h向試運(yùn)行領(lǐng)導(dǎo)小組匯報(bào)一次。

3.2.3 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

在輸水隧洞充水過程中，隨著水位高程不短增加，滲壓計(jì)、土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備隨高程變化，測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際充水情況基本一致，未見異常突變，具體變化見圖2。

圖2 輸水隧洞充水過程安全監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

4 充水試驗(yàn)的問題與經(jīng)驗(yàn)

4.1 小開度提門過程控制

輸水隧洞正式充水前，取水口事故檢修門啟閉機(jī)僅完成空載條件下相關(guān)試驗(yàn)，額定工況下啟閉機(jī)工作狀態(tài)未知。在首次靜水提門時(shí)出現(xiàn)啟閉機(jī)開度儀顯示值異常、載荷儀顯示數(shù)值異常等情況。

在確保輸水隧洞及水工建筑物安全的前提下，充水現(xiàn)場(chǎng)重新對(duì)啟閉機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢查、調(diào)整，校驗(yàn)鋼絲繩收縮系數(shù)，設(shè)定提升限位，從而保證充水順利進(jìn)行。

4.2 輸水隧洞充水過程控制

輸水隧洞充水過程控制主要參照前期計(jì)算成果和充水期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)受提門孔高影響。在對(duì)啟閉設(shè)備重新進(jìn)行校驗(yàn)后，按照計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)充水過程進(jìn)行控制，但實(shí)際充水量均小于計(jì)算值、計(jì)算充水時(shí)長(zhǎng)均大于計(jì)算值。

5 結(jié) 語(yǔ)

蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞充水試驗(yàn)準(zhǔn)備充分，組織協(xié)調(diào)有序，各參建方責(zé)任落實(shí)到位。通過對(duì)試驗(yàn)過程所取得的安全監(jiān)測(cè)資料分析和對(duì)輸水隧洞沿線檢查結(jié)果表明，充水試驗(yàn)獲得圓滿成功，為后續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)我國(guó)長(zhǎng)距離、大體積、有壓輸水隧洞的設(shè)計(jì)、施工、充排水試驗(yàn)及運(yùn)行管理有著較大的指導(dǎo)意義。