抽水蓄能电站引水系统充排水试验监测成果分析

沈 慧，孔 松，胡 波，单海年

[南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211106]

0 引言

充排水试验是抽水蓄能电站输水系统正式运行前的第一次受荷试验，原型监测必不可少。通过监测资料可反映结构性态变化，为了解施工质量，查找异常情况提供数据支撑，是电站可靠运行的重要保证。

抽水蓄能电站一般水头较高，输水管道长，且多采用地下隧洞的布置型式，对地质条件有较高要求。水道系统中的下平段高压岔管部位水头最大，且岔管结构相对复杂[1]。在第一次受荷试验中，岔管部位的结构性态与普通低水头或普通圆形隧洞断面相比，更为复杂。

本文以某抽水蓄能电站为例，研究充、排水试验中引水隧洞围岩变形、支护应力、渗透压力等监测项目的变化规律，并结合国内其他工程充排水试验期间监测成果，对影响因素进行分析，可为同类工程设计、施工及资料分析提供参考。

1 工程概况及监测情况

某抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4部分组成。电站安装6台单机容量250MW的可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量1500MW。

输水系统布置在上水库左侧，两条输水隧洞采用一洞三机供水方式。单条输水隧洞总长度为1969.1～2153.3m。高压管道内水压力可高达近4MPa。

两条引水隧洞由引水主洞、引水岔管、引水支洞等组成，引水隧洞全段采用钢板衬砌，外包0.6～0.7m厚素混凝土。主管钢衬洞径均为9.2m，以下部位洞径渐变为8.1、7.0、4.0m。

每条引水主洞经两个对称Y形岔管与引水支洞相连。引水岔管的主管直径为7.0、5.7m，支管直径5.7、4.0m，管壁采用800MPa级高强钢材，每条引水主洞两个岔管之间的连接段管壁采用600MPa钢材。

为降低竖井及下平段钢管的外水压力，在高程-27m和高程68m设置了两层排水洞[2]。

①号引水主洞共计布设5个监测断面，主要监测项目有渗透压力、锚杆应力、围岩变形、结合缝变形、钢板应力、钢筋应力、混凝土应力。主要监测布置如图1～图2所示。

2 充排水试验过程

2016年5月9日15时，开始1号引水系统充水，初始水位-69.35m，5月29日8时，1号引水系统充水至254m高程，充水历时19天17小时；2016年7月31日9时，开始1号引水系统排水试验，8月20日18时，排除引水系统下平段内蓄水，排水历时约20天。充排水试验过程见表1。

图1 ①号引水主洞断面布置示意图Fig．1 Lay-out drawing of diversion tunnel①

图2 ①号引水岔洞A3断面布置示意图Fig．2 Lay-out drawing of A3 Section of diversion tunnel①

表1 充排水试验过程Tab.1 Process of charge and drainage test

3 监测成果分析

3.1 围岩变形

采用多点位移计监测引水洞不同深度处的围岩变形。从监测成果来看，多数断面围岩变形与充、排水过程有明显相关性，充水期整体呈压缩状变化，排水期呈拉伸状变化，如图3所示。充水后位移最大变幅0.85mm，出现在引水洞上平洞段。

3.2 结合缝变形

结合缝采用测缝计观测，各断面分别监测钢衬和混凝土衬砌之间的结合缝，以及混凝土衬砌和围岩间的结合缝。充排水期间，各缝隙变化量以岔管部位变化较明显，充水期间，钢衬结合缝整体呈闭合状变化，岔管顶拱两支仪器变化大于两腰，最大压缩变化量-1.22mm；排水试验期间，钢衬结合缝呈张开变化，且仍为顶拱两支仪器变化大于两腰，最大张开变化量0.97mm，如图4所示。

衬砌混凝土与围岩结合缝变化量较小，少数测点与充排水有相关性，如a2断面顶拱，充水后缝隙闭合，变化量为-0.26mm。

图3 围岩变形与充水水位过程线Fig．3 Time-history of displacement of surrounding rock and water level

图4 钢衬与混凝土衬砌结合缝与充水水位过程线Fig．4 Time-history of joint deformation between steel and concrete lining and waterlevel

3.3 锚杆应力

采用锚杆应力计监测锚杆应力。分别在顶拱、两腰及45°方向布置锚杆应力计。多数锚杆应力与充排水水位相关性明显，充水期，锚杆应力向受压方向变化，排水期锚杆应力向受拉方向变化，如图5所示。充水期间，各断面应力最大变化量在-34.95～-72.61MPa，最大变化位于a2断面左侧45°测点，排水期间各断面应力最大变化量在34.36～88.11MPa，充排水应力变幅基本相当，说明锚杆应力在弹性范围变化。

3.4 钢衬应力

采用钢板计监测钢衬应力。监测结果表明，钢衬应力受充排水影响明显。充水时，当水位到达相应断面时，该断面的钢衬应力显著增大，由于温度变化量很小，因此钢板应力主要受水压影响；排水时，钢衬应力减小，直至水位降低至断面以下。充水期，各断面钢衬应力变幅在32.49～315.93MPa，排水期，应力变幅在-32.94～-366.34MPa，充排水钢衬应力变化量值基本相当，说明钢板处于弹性变化状态，而且应力水平远低于钢板屈服强度。①号引水岔管月牙肋部位的钢衬应力最大，应该是由于岔管的结构较为复杂之故，如图6所示。另外，由于①号引水大岔在混凝土回填前未进行压力试验（②号引水大岔进行压力试验），致使该部位钢衬充水期间应力变化相较②引水大岔偏大（②号引水大岔充排水期间拉应力最大增长值为76.82MPa），可能是应力变化偏大的主因。

3.5 渗透压力

采用渗压计监测①号引水洞外水压力。监测结果表明，在充排水期间各渗压计基本没有变化，未见明显渗漏。

图5 锚杆应力与充水水位过程线Fig．5 Time-history of bolt stress and water level

图6 月牙肋钢板应力与充水水位过程线Fig．6 Time-history of steel plate stress and water level

4 工程对比

表2列举了国内其他两个抽水蓄能电站引水道充排水试验期间监测数据，并与某抽水蓄能电站（抽蓄乙）进行比较。从各项监测成果统计来看，充水后，大部分监测量有不同程度的反应，变化量则与地质条件、洞室结构、衬砌形式和厚度、水头增长幅度均有关系。由于各工程水文地质条件、工程特点、结构布置均不相同，而监测成果是上述因素的综合反映，在量值上不便直接对比，但总体来看有以下共同点：钢板应力均以岔管部位最大，尤其是月牙肋部位。说明岔管结构复杂，充水后易产生应力集中。从渗透压力来看，有钢板衬砌的洞段都没有发生渗漏；没有钢板衬砌的洞段，由于混凝土衬砌按照允许开裂设计，均存在内水外渗现象。围岩与衬砌结合缝以及围岩内部变形在水位升高时，呈现压缩变形，结合缝变形量略大于围岩内部变形量。3个工程中，抽蓄乙水头增幅最低，但围岩变形、接缝变形、支护应力变化量均较其他两个工程大，这应该与抽蓄乙引水隧洞段围岩地质条件较差（Ⅳ～Ⅴ类围岩）有关。

表2 抽水蓄能电站充水试验期间监测成果变化统计Tab.2 Statistics of monitoring results during charge test of Pumped Storage Power Station

5 结束语

（1）某抽水蓄能电站引水系统监测项目布置齐全，能够综合反映引水洞在充、排水期间的整体性状。

（2）充、排水试验期间，①号引水系统各监测量表现为互为相反的变化，且变化量级基本相当，表明①号引水系统基本处于弹性工作状态，试验期间整体性态正常。岔管部位结构较为复杂，充排水期间月牙肋钢板应力变化显著。

（3）各项监测成果的变化量与工程所处地质条件、洞室结构、衬砌形式和厚度、水头增长幅度等因素有关。对比来看，某抽水蓄能电站充排水试验期间围岩变形、接缝变形、支护应力较其他工程略大，应该与该抽蓄引水隧洞段围岩地质条件较差有关。

[1] 邱彬如，刘连希．抽水蓄能电站工程技术[M]．北京:中国电力出版社，2008．QIU Binru，LIU Lianxi．Engineering technology of pumped storage power station[M]．Beijing: China Electric Power Press，2008．

[2] 吕永航，方志勇．抽水蓄能电站施工技术[M] ．北京：中国水利水电出版社，2014．LV Yonghang，FANG Zhiyong．Construction technology of pumped storage power station[M]．Beijing: China Water & Power Press，2014．

[3] 何世海．浙江仙居抽水蓄能电站的工程条件和特点[C]．浙江抽水蓄能电站建设管理技术研讨会，2005．HE Shihai．The engineering conditions and characteristics of the Xianju pumped storage power station in Zhejiang[C]．Zhejiang Pumped Storage Power Station Construction Management Technology Symposium，2005．

[4] 李文洪，张中平，朱孝松．黑麋峰抽水蓄能电站水工布置及主要技术特点[J]．水力发电，2010，36（7）:35-38．LI Wenhong，ZHANG zhongping，ZHU Xiaosong．Hydraulic structure layout and design of Heimifeng pumped-storage power station[J]．Hydroelectric Power，2010，36（7）:35-38．