超高水頭鋼筋混凝土水道充、排水試驗方法探討

饒柏京，馬秀玲，賀高年，陳 涵

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

抽水蓄能電站輸水系統在進行階段性驗收之后、機組啟動前，應通過水道系統充排水試驗，水道系統充水、排水試驗是加載、卸載、檢查、監測、發現問題和處理問題的過程，是對輸水系統安全運行的第一次檢驗。

現有技術規程要求，充水時先進行尾水系統充水，經尾水系統充水并檢查確認尾水系統結構、堵頭、檢修閘門及尾水事故閘門等沒有問題，再進行機組段充水，充水后檢查確認廠房尾水管、導水葉等沒有問題，可正常運行后，方可實施引水系統充水。[1]

陽江抽水蓄能電站下平洞和岔管段靜水壓力799 m，上水庫與下平洞高差大達730 m，單級豎井高差達350 m，充水試驗難度超出現有工程經驗[2-5]，常規輸水系統充水方案存在水體因落差大、自重加速度帶來的高流速水流對下平洞混凝土襯砌結構破壞問題[6]，以及下平洞未提前形成滲流場，在引水系統充水期間因充水速率出現襯砌裂縫不可控等問題[7-11]。在現有工程經驗及規程基礎上，設計需采取相應的工程應對措施。

2 輸水系統及充水、排水設施布置

2.1 輸水系統布置

陽江抽水蓄能電站(以下簡稱“陽蓄”)水道全長為3 619 m。其中，引水系統長為2 213 m，由上庫進出水口、上游調壓井、引水隧洞(上平洞、上豎井、中平洞、下豎井、下平洞)、引水岔管、引水支管、施工支洞堵頭等組成，水道最大靜水頭為798.7 m。引水隧洞內徑均為7.5 m。引水隧洞和岔管采用鋼筋混凝土襯砌，引水隧洞襯砌厚度為0.6 m，引水岔管襯砌厚度為1 m。引水支管內徑為2.3～3.0 m，采用600 MPa級高強鋼板內襯，鋼板厚44～85 mm。上游調壓井升管和大井內徑分別為7.5 m、16 m，襯砌厚0.6 m。尾水系統長為1 319 m，由尾水支管、尾水岔管、尾水調壓井、尾水隧洞、下庫進出水口、施工支洞堵頭等組成，水道最大靜水頭為135 m。尾水隧洞內徑為7.5 m。尾水隧洞和尾水岔管采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.6 m；尾水支管內徑為4.5 m，采用Q345D鋼板內襯，鋼板厚26～30 mm；尾水調壓井升管和大井內徑分別為7.5 m、16 m，襯砌厚0.6 m。

2.2 充水、排水設施

1)充水設施

① 上庫進出水口事故檢修閘門充水閥(直徑為200 mm、2個)[12-13]；

② 下庫進出水口檢修閘門充水閥(直徑為200 mm、2個)[12-13]；

充水閥流量與開度關系曲線見圖1。

圖1 充水閥流量與開度關系曲線示意

③ 尾水事故閘門旁通閥(直徑為300 mm，節流孔徑為100 mm，每扇閘門1個)。

2)排水設施

① 2#施工支洞排水管(DN200 mm、2條，排向中平洞)；

② 進水球閥前排水管(DN200 mm，排向尾水管)；

③ 尾水管檢修排水設備(每個尾水管的檢修排水管上設2臺DN400檢修排水球閥，4臺檢修泵，通過兩條埋設在尾水隧洞的DN600排水管直接抽排至下水庫)；

水道縱剖面及充水、排水設施示意圖見圖2。

圖2 水道縱剖面及充水、排水設施示意

3 充水試驗方案

3.1 充水水位上升速率控制

1)考慮到上下豎井高差較大，充水速率控制在3 m/h，其余部位控制在4 m/h內。

2)充水時結合水道布置的特點，按照水頭段分級，確定穩壓次序和時間，或采用小流量緩慢充水代替穩壓。原則上，尾水系統充水過程中不設置穩壓時間，引水系統的上、下豎井段水頭變幅大，充水過程中需設置24～48 h的穩壓時間或采用小流量緩慢充水代替穩壓，小流量緩慢充水的總用時不少于采用分級穩壓方式充水的總用時。

3)尾水隧洞水量較大、水位升幅不大，充水時按700～1 500 m3/h大流量控制，水位上升速率為2.56～3.46 m/h。

4)下平洞、引水岔管、引水支管水量約21 886 m3，水位升幅小(約35.6 m)，充水時按1 600 m3/h大流量控制，水位上升速率為2.60 m/h。

5)上、下豎井水量少，水位升幅大(最大約353 m)，充水時按130 m3/h小流量控制，水位上升速率小于3 m/h。

6)充水時應實時監測充水水量以計算實際流量，再根據水位上升速率控制要求及有關儀器監測情況調整充水閥的開度。

3.2 充水程序

1)尾水系統充水程序

尾水系統充水按以下4個階段進行：

① 尾水岔管、尾水支管(尾閘下游側)充水；

② 尾水隧洞、尾水調壓井(63.479 m高程以下)充水；

③ 下庫閘門井通氣孔、尾水調壓井(63.479 m高程以上)充水；

④ 1#尾水支管(尾閘上游側)充水[14]。

第①～③階段均利用下庫進出水口閘門上的充水閥(2×?200)充水；第④階段利用1#尾水事故閘門旁通閥(?300)向尾水支管(尾閘上游側)充水。

充水時應有專人監測各個排氣閥的狀態，充水時排氣閥開啟，排完氣后應關上，以免漏水。

2)引水系統充水程序

為解決上水庫與下平洞高差較大，水體自重加速度對下平洞混凝土結構破壞問題，引水系統充水程序調整為：引水系統充水首先利用尾水進行反向充水，先充下豎井，充至一定高程形成水墊(引水系統充水仿真示意見圖3)，再利用上庫進出水口閘門上的充水閥進行整個引水系統的充水。反充水的臨時管路是從2#機側消防取水管濾水器前DN350檢修蝶閥接到進水閥前壓力鋼管的DN200排水管的球閥之下，這種充水程序可在尾水系統充水期間，對下平洞提前充水，既緩解了引水系統充水周期較長的問題，也在下平洞鋼筋砼區域提前形成初始滲流場，對后期引水系統充水提供安全保障。

圖3 引水系統充水仿真示意

充水時應有專人監測各個排氣閥的狀態，充水時排氣閥開啟，排完氣后應關上，以免漏水。

引水系統充水按以下6個階段進行：

① 拆掉1#機壓力鋼管排水管的消能器，換成配套的短管，打開進水閥前壓力鋼管排水管上的球閥，利用反充水的臨時管路，從2#機側消防取水管充水至下平洞20 m高程；

② 下豎井▽20 m以上充水；

③ 中平洞充水；

④ 上豎井充水；

⑤ 上庫閘門井后上平洞、上游調壓井(733.909 m高程以下)充水；

⑥ 上庫閘門井通氣孔、上游調壓井(733.909 m高程以上)充水。

引水系統充水方案利用尾水先充下平洞及下豎井下部分，充到20 m高程后，再利用上庫進出水口閘門上的充水閥(2×?200)充水。

4 排水試驗方案

4.1 排水水位上升速率控制

1)輸水系統最大排水速率上下豎井控制在3 m/h，其余部位控制在4 m/h內；

2)上、下豎井水量少、水位降幅大(最大約353 m)，排水時嚴格控制排水流量，水位下降速率控制小于3 m/h。

3)下平洞、引水岔管、引水支管水量約21 886 m3，水位低，排水速度慢，為便于及時進入洞內檢查，排水時盡量全部開啟可用的排水設施排水，加快排水速度。

4)尾水隧洞水量較大、水位降幅不大，為便于及時進入洞內檢查，排水時宜盡量開啟多臺檢修排水泵，加快排水，但確保水位下降速率不超過4 m/h。

5)輸水系統其他部位水量較大、水位降幅不大，根據不同的水頭和排水途徑控制排水流量和水位下降速率。

6)輸水系統最大內、外水壓力差控制(即外水壓力值-內水壓力值)：

① 上豎井至中平洞：壓力差不大于197 m；

② 下豎井至引水岔管：壓力差不大于325 m；

③ 引水鋼支管：壓力差不大于226 m；

④ 尾水鋼支管：尾水閘門上游側壓力差不大于41 m，尾水閘門下游側壓力差不大于68 m；

⑤ 排水時應實時監測排水流量以計算實際流量，再根據水位下降速率控制及有關儀器監測情況調整排水閥的開度。

4.2 排水程序

1)引水系統排水程序

引水系統排水按以下6個階段進行：

① 上庫閘門井通氣孔、上游調壓井(733.909 m高程以上)排水；

② 上庫閘門井后上平洞、上游調壓井(733.909 m高程以下)排水；

③ 上豎井排水；

④ 中平洞排水；

⑤ 下豎井排水；

⑥ 下平洞、引水岔管、引水支管排水。

引水系統第①～④階段利用2#施工支洞排水管排水，第⑤～⑥階段利用1#進水球閥前排水管排水至尾水管，經尾水隧洞流入下庫，排至下豎井水位與下庫水位持平后，就需要利用檢修排水泵進行排水。

2)尾水系統排水程序

尾水系統排水按以下3個階段進行：

① 下庫閘門井通氣孔、尾水調壓井(63.479 m高程以上)排水；

② 尾水隧洞、尾水調壓井(63.479 m高程以下)排水；

③ 尾水岔管、尾水支管排水。

尾水系統排水是打開1#尾水管的2臺DN400檢修排水球閥，再利用4臺檢修水泵直接抽排至下水庫，當檢修水泵自動停泵后，手動打開管廊道的2臺DN200的閘閥，將剩余水體排至集水廊道[15]。

5 試驗實施情況

引水道充水時段為2021年11月02日至2021年11月21日，充水試驗主要包括3個階段：水道反充水至下平洞20高程→穩壓8 h→充水至上豎井484高程→穩壓24 h→充水至上豎井584高程→穩壓24 h→充水至上豎井684高程→穩壓48 h→充水至上豎井684高程→穩壓48 h(充水結束)。

尾水道充水時段為2021年10月20日至2021年10月22日，尾水道充水過程中不設置穩壓時間。

1)鋼筋應力

下平洞設置了4個監測斷面，由于高壓灌漿預壓應力影響，沖水完成后其他斷面鋼筋應力均處于壓應力狀態，1-1斷面(f751斷層位置)鋼筋最大拉應力也不足100 MPa；高壓岔管主管設置3個監測斷面，1-1斷面(位于1#機岔口位置)鋼筋應力變化介于21.84～205.22 MPa，其余兩個斷面鋼筋最大拉應力不足130 MPa(見圖4)。

圖4 高壓岔管、下平洞鋼筋計變化過程線

其余部位鋼筋計拉應力值均偏小，鋼筋應力值均滿足設計要求[16]。

2)滲透壓力

引水系統充水過程中，灌漿帷幕上游埋設的滲壓計普遍在充水水頭達到150 m左右，滲壓值開始上升，但總體上升幅度不大，不足50 m。灌漿帷幕下游埋設的滲壓計讀數無明顯變化，但總體上所有滲壓計讀數，除4#施工堵頭外均較小，最大讀數不超過160 m。4#堵頭滲流通道通過灌漿封堵后，滲壓計讀數也逐漸回落(見圖5～圖6所示)。

圖5 灌漿帷幕上游典型位置滲壓計變化過程線(PD01探洞位置)

圖6 灌漿帷幕下游典型位置滲壓計變化過程線(PD01-4支探洞位置)

綜合來看，陽蓄電站引水水道充水及穩壓過程中，圍巖及水工結構等部位安裝的安全監測儀器測值變化規律正常，在設計要求的范圍內，反映引水水道能夠在800 m靜水頭條件下安全運行。

6 結語

抽水蓄能電站超高水頭鋼筋混凝土水道，引水系統充水方案建議采用尾水進行反向充水，設置反充水的臨時管路，從機組側公共消防取水管濾水器前蝶閥處，接至機組進水閥前DN200壓力鋼管排水管球閥后，先充下平洞，充至一定高程形成水墊，再利用上庫進出水口閘門上的充水閥進行整個引水系統充水的程序，既避免了高速水流對混凝土襯砌的破壞，也縮短了引水系統充水周期，并提前形成了下平洞滲流場。同時減緩豎井或斜井充排水速率，通過以上措施解決了超高水頭引水道充水方案設計難點。

2021年11月陽蓄輸水系統充水試驗順利進行并一次成功，也驗證了充水方案的合理性。