锦屏二级长大引水发电系统充排水试验及其实践

陈祥荣,张 洋,杨安林

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.雅砻江流域水电开发公司锦屏建设管理局,四川 西昌 615000)



锦屏二级长大引水发电系统充排水试验及其实践

陈祥荣1,张 洋1,杨安林2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.雅砻江流域水电开发公司锦屏建设管理局,四川 西昌 615000)

本文介绍了锦屏二级水电站引水发电系统充排水试验的设计和现场实施情况，包括充排水总体流程设计、实施方式、各类控制标准、组织保障管理和试验效果等。经验成果可以为今后类似工程充排水设计提供参考。

锦屏二级；引水发电系统；充排水；流程设计；实施方式

0 前 言

锦屏二级水电站位于雅砻江下游干流河段上，电站总装机容量4 800 MW，引水发电系统采用两洞四机布置，其中4条引水隧洞单洞长约16.7 km，具有洞线长、埋深大、洞径大、沿线地质条件复杂、施工组织难度高等特点，隧洞建设过程中相继遭遇高压大流量突涌水、高地应力岩爆、岩溶、塌方、软岩大变形等不良工程地质问题，是目前世界上已建、在建总体规模最大、综合建造难度最高的地下洞室群工程。

电站引水发电系统作为水力发电建筑物的主要组成部分，其整体施工质量的保证和既定功能的实现最终主要依靠投运前的充排水试验进行系统的检验。此外，充排水试验中充排水流程的合理性、充排水时水位上升及下降速度标准等也是指导电站运行的重要依据。

1 引水发电系统布置

锦屏二级水电站四条引水发电系统布置基本相同，顺发电水流方向依次为进水口、进水口事故闸门室、引水隧洞、上游调压室、高压管道、发电厂房、尾水隧洞、尾闸室和尾水出口等建筑物。为满足主要建筑物检修排水的需要，设置有引水隧洞检修排水系统、蜗壳检修排水系统和机组检修排水系统。为满足长引水隧洞施工需要，隧洞沿线布置多条施工排水通道，封堵后形成封堵体总计161个。

四条引水发电系统体量基本相当，单条系统总体量约为200万m3，其中单条引水隧洞体量为180万m3。以1号发电机组为例，1号引水发电系统示意见图1。

图1 1号引水发电系统示意

2 充排水试验流程设计

2.1 总体步骤

充排水试验总体上分为引水隧洞、高压管道和尾水隧洞三个部分，根据建筑物的布置、各部位充排水的实施方式及机组调试等要求进行总体试验步骤的安排。引水隧洞、高压管道(包括蜗壳)和尾水隧洞分别作为独立单元各自进行充排水试验，原则上按照先尾水隧洞、引水隧洞，后高压管道的总体顺序进行，机组调试工作视情况穿插其中。引水系统充排水试验、机组带水调试完成后进行机组并网调试。

引水隧洞充排水是整个流程设计的核心部分，试验耗时长，存在的不确定因素多，正式充水试验前进行隧洞预充水，对同试验相关的充水阀、放空阀等金属结构设备进行调试。引水隧洞充水完成后放空检查，对发现的问题进行处理，完成后再进行第二次充水。此外，为满足机组过流的水质要求，在引水隧洞和尾水隧洞充水前进行基坑的清淤检查。

2.2 试验控制标准

充排水试验控制标准包括引水隧洞水量渗漏控制标准和高压管道水位升降控制标准。

2.2.1 引水隧洞渗漏量控制标准

综合考虑锦屏二级引水隧洞的工程规模、地质条件的复杂程度、承受的内水压力、渗漏影响以及应急处理的可操作性等因素，引水隧洞渗漏量控制标准分为隧洞沿程允许渗漏量、集中允许渗漏量和累计允许渗漏量三个部分。沿程允许渗漏量分别对应引水隧洞充水的两个阶段，分为控制标准和警戒标准，渗漏量超过警戒标准时应停止充水，渗漏量在控制标准和警戒标准之间时参建单位应共同分析原因，讨论决定是否继续充水。集中允许渗漏量指可见的、可以实施应急处理的集中渗漏点的渗漏量，若集中出水点出现在引水隧洞末端、厂区洞室区域时应分析具体情况再决定是否继续充水(见表1)。

表1 引水隧洞渗漏量控制标准

2.2.2 水位升降控制标准

引水隧洞和尾水隧洞均为缓坡布置，水位升降速率不成为充排水期间建筑物结构安全的控制因素，水位升降控制标准主要针对高压管道竖井进行设置。高压管道采用全钢衬设计，竖井高度250 m，利用调压井事故闸门充水阀全开充水，充水速率不限制，分为100 m和250 m充水高度两个阶段，中间稳压检查，排水速率按1 m/min控制。

2.3 建筑物充排水

本工程四条引水发电系统建筑物充排水实施方式相同，现以1号引水发电系统为例介绍各建筑物的充排水实施方式。

2.3.1 引水隧洞充水

引水隧洞建筑物充水主要包括进水口事故检修闸门井、进水口事故闸门井后～上游调压室前之间引水隧洞段和上游调压室，水位最终充至水库正常蓄水位1 646 m，充水高度81.3 m(高程1 564.7～1 646.0 m)，充水总体积约为178.7万m3。

引水隧洞正式充水前，通过水库调度满足上游水位要求，隧洞沿线控制闸门、封堵门、放空阀等关闭，通过进水口事故闸门顶2×Ф50 cm充水阀充水，设计充水能力约4.5 m3/s。

引水隧洞立面为平坡+缓坡+平坡布置，中间缓坡洞段近15 km，洞长长且地质条件复杂，因此，引水隧洞充水分两个阶段进行。第一阶段：引水隧洞末端平坡段底板高程1 564.7 m～首端平坡段底板高程1 618.0 m充水，完成后稳压24 h；第二阶段引水隧洞首端平坡段底板高程1 618.0 m～水库正常蓄水位1 646.0 m充水，完成后稳压72 h。

2.3.2 引水隧洞排水

引水隧洞排水设计了两种方案。第一种方案是在机组不具备过流条件时，利用引水隧洞检修排水系统排水，通过隧洞末端底板设置的一趟Ф70 cm排水管路排水至施工排水洞，设计排水能力约为3.5 m3/s；第二种方案是在机组具备过水条件时，先通过机组空转排水至机组设计最小水头对应的洞内水位，剩余部分再通过引水隧洞检修排水系统排水。

2.3.3 高压管道充排水

高压管道充水分为下平段、下弯段反向充水和竖井段、上弯段、上平段充水两部分，1号、2号高压管道容积各约1.9万m3。

下游尾水位高程以下的高压管道下平段和下弯段通过尾水隧洞倒充，即开启机组导叶和筒阀，将尾水水源以自流方式引入高压管道的下平段和下弯段，完成后关闭机组导叶和筒阀。高压管道竖井段、上弯段、上平段通过对应上游调压室事故闸门顶Ф50 cm充水阀全开充水，按100 m和250 m充水高度分为两个阶段，最终高压管道内水位同水库水位相平。每阶段充水完成后稳压24 h。

高压管道排水过程同充水过程相对应，竖井段、上弯段、上平段利用水位落差自流排水，通过高压管道末端的蜗壳检修排水管或机组导叶小开度开启排至下游。剩余的下平段、下弯段通过蜗壳检修排水管排水至下游尾水隧洞，再通过机组检修排水管抽排。

2.3.4 尾水隧洞充排水

尾水隧洞充排水建筑物主要包括机组锥管段、肘管段和尾水扩散段和尾水扩散段～尾水事故闸门之间尾水隧洞段。充排水高度22.2 m，1号、2号尾水隧洞总体积各约为2万m3。尾水事故闸门～尾水出口检修闸门之间尾水隧洞不进行充排水试验。

尾水隧洞充水应在机组无水调试完成后开展，并结合机组的有水调试工作进行。充水前尾水事故检修闸门下闸挡水，通过闸门顶2×Ф50 cm充水阀进行充水，完成后稳压24 h。尾水隧洞排水通过相应机组检修排水系统进行抽排。

2.4 充排水试验监测

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充排水试验监测包括建筑物安全监测、充水过程中的水位水压监测和建筑物渗漏量监测。引水发电系统各建筑物均布置有大量的结构应力应变、渗透压力等监测仪器，试验过程中进行实时的监测分析。上游调压室和引水隧洞末端封堵体各设有水位监测仪器，实时监控隧洞内水位水压情况；高压管道水位水压监测通过机组蜗壳压力监测仪器测读。引水发电系统各建筑物渗漏水通过施工通道、排水廊道等集中疏导至隧洞相邻的施工排水洞、厂房渗漏集水井和厂区PD1探洞，通过以上部位的水量监测分析建筑物总体渗漏量的变化情况，封堵体等单体部位渗漏通过量水堰、集水量杯等进行测读。

3 充排水试验组织管理

引水发电系统充排水试验是检验工程质量、试验电站初期运行效果、保证电站长期安全稳定运行的一项系统性工作，牵涉面广，工序衔接紧密，组织实施和现场管理要求高。本工程引水发电系统充排水试验组织管理由建设单位统一牵头负责，设计、监理、施工、机组调试、试验保障、应急抢险、后勤保障等单位参与，成立充排水试验现场工作机构，下设充水试验领导小组、现场工作小组、监测技术小组，分别负责充排水试验的过程决策、现场实施和监测分析。

试验开始前，建设单位组织制定试验总体计划方案和应急抢险预案，各责任单位制定相应的应急抢险实施方案并配备应急处理人员和设备物质，核对现场工程面貌是否具备充水试验要求。试验过程中，各项试验计划和步骤指令由试验领导小组统一决策发出，现场工作小组组织具体操作指令的传递和落实，明确指令传递流程并落实到人，严防试验误操作，监测小组对试验过程中各项监测数据和巡查情况进行统计分析，信息反馈给试验领导小组进行各项指令的下达决策。充排水试验过程信息保持通畅，确保参与单位时刻掌握试验信息。

4 试验实施情况

锦屏二级水电站四条引水发电系统规模巨大，单条引水发电系统充排水试验若考虑必要的建筑物检修时间，则完成一次完整的充排水试验时间在25天左右。根据工程总体进度计划，1～4号引水发电系统基本上按照每半年顺序投产的安排开展现场的施工组织生产，加之充排水试验受限于机组安装和调试工作进度以及内外部诸多客观因素的影响，四条引水发电系统充排水试验步骤和实施过程各不相同。以下以1号和2号引水发电系统为代表介绍充排水试验的实施情况。

4.1 1号引水发电系统充排水试验实施情况

1号引水隧洞于2012年10月7日开始进行正式充排水试验，受此前工区泥石流地质灾害和机组并网调试倒送电时间推迟的影响，充排水试验计划步骤和机组调试步骤按照2012年底双机投产的里程碑节点目标控制而向前进行了倒排，充分利用工程已经具备的条件，通过合理组织安排、整合资源、设计优化等综合手段开展试验工作。具体采取如下主要措施：

(1)引水隧洞第一次充水过程中结合稳压试验，间歇利用隧洞内存水进行1号机组的带水调试。机组每天调试8 h，隧洞补充充水16 h，保证了隧洞的饱水稳压和机组在规定的水头下开展带水调试工作，节省了大量的试验时间；

(2)引水隧洞第二次充水和2号机组带水调试完成后，利用锦屏一级电站导流洞封堵转流、二级水库断流的有限时间，放空二级水库，排空进水口基坑和引水隧洞平坡段水体，对二级水库和进水口基坑进行了干地清淤，大大减除了工区泥石流对进水口的淤积风险。

1号引水发电系统充排水试验和机组调试关键线路实施步骤见图2。

图2 1号引水发电系统充排水试验和机组调试实施步骤(关键线路)

4.2 2号引水发电系统充排水试验实施情况

2号引水隧洞于2013年8月21日开始正式充排水试验，试验期间锦屏二级水库已投入正常运行，试验步骤基本上按计划顺序进行，期间因调压室4号事故闸门水封出现异常渗漏，隧洞第一次充水未达到既定水位，放空检修后在第二次充水时完成稳压试验。2号引水发电系统充排水试验和机组调试关键线路实施步骤见图3。3号和4号引水发电系统充排水试验总体步骤同2号基本相同，稍有差异。

图3 2号引水发电系统充排水试验和机组调试实施步骤(关键线路)

4.3 引水隧洞渗漏量分析

引水隧洞沿线水文地质条件复杂，为确保地下水的有效控制和隧洞结构在高外水压力环境下的安全，地下水通过灌浆封堵、集中引排和衬砌减压孔等综合性工程措施进行处理，隧洞完建后洞内均有不同程度的外水内渗情况，充水前进行了准确的渗水量测量。

引水隧洞的渗漏量分析主要通过稳压期间上游调压室液位计水位测值的变化情况计算隧洞的相对渗漏量(绝对渗漏量同隧洞充水前洞内外水内渗量之差)，叠加充水前隧洞外水内渗量，推算引水隧洞绝对渗漏量，作为评价隧洞总体质量的标准。图4和图5分别为2号和3号引水隧洞充水期间调压室水位变化过程。

经统计，四条引水隧洞渗漏量见表2。综合考虑锦屏二级工程引水隧洞的规模和建设难度，对比参照国内外已建水电水利工程地下引水隧洞的渗漏量，本工程引水隧洞渗漏量控制在比较低的水平，充水期间隧洞未发生异常渗漏，隧洞放空检查也未发现大面积因充排水而产生的结构破坏，引水隧洞施工质量总体上较好，隧洞防渗承载结构安全可靠。

图4 2号引水隧洞充水期间调压室水位变化过程

图5 3号引水隧洞充水期间调压室水位变化过程

隧洞编号计算相对渗漏量/L·s-1实测洞内外水内渗量/L·s-1推算绝对渗漏量/L·s-1备 注1号引水隧洞175269稳压期间水位下降2号引水隧洞-75．4202126．6稳压期间水位上升3号引水隧洞37．792129．72稳压期间水位下降4号引水隧洞31．63061．6稳压期间水位下降

5 结 语

锦屏二级水电站引水发电系统规模巨大，技术问题复杂，工程建设难度大，通过近8年的艰苦建设，电站四条引水发电系统均通过充排水试验的检验，相继投入商业运行，发挥了巨大的经济和社会效益。本工程引水发电系统充排水试验总体计划和步骤安排合理，紧密结合工程实际情况，现场实施组织和试验效果达到了检验工程施工质量、并为电站运行提供参考依据的目的，可为今后类似工程提供参考。

[1] 张洋,等.锦屏二级水电站引水发电系统充排水试验计划安排报告[R].华东勘测设计研究院,2013.

[2] 侯靖,等.泰安抽水蓄能电站输水道系统充排水试验设计要求[R].华东勘测设计研究院,2013.

2015-06-26

陈祥荣(1963- )，男，福建福清人，教授级高级工程师，锦屏二级设计总工程师，从事水电工程设计、项目管理和咨询工作。

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