万家口子水电站引水发电系统充排水试验设计

孙 健

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

1 工程概况

引水发电系统采用一洞两机型式布置于右岸山体内，主要包括进水塔、引水隧洞、发电厂房、尾闸室和尾水渠等水工建筑物，其中引水隧洞由上平段、上弯段、斜井段、下弯段和下平段组成。引水隧洞上平段和上弯段采用混凝土衬砌结构型式，隧洞内径DN7000mm；下弯段和下平段因压力水头较高采用内衬钢管，外包混凝土衬砌结构型式，隧洞内径DN6000mm；两种结构型式管径在斜井段高程1339.975～1349.675m完成渐变，如图1所示。

2 充排水试验步骤

引水隧洞充水原则上应在尾水管充排水完成的情况下进行。引水隧洞的充排水试验是整个引水发电系统充排水试验过程中的控制性部分，试验耗时长，也是存在不确定性因素最多的部分，为确保隧洞充排水试验的顺利进行，在正式试验前对与试验相关的金属结构设备进行调试试验。同时，为满足机组调试过机组水流的水质要求，应在引水隧洞充水前完成进水口、尾水出口基坑的清淤检查工作。

3 充排水试验实施方式

3.1 尾水管充排水试验

3.1.1 尾水管充水

观测并记录尾水渠水位，通过技术供水设备向1#机组尾水管内充水，待闸门前后平压稳定，开启1#机组尾水闸门向尾水管道内充水。充水过程中，应随时检查水轮机顶盖、导水机构、主轴密封、测压系统管路、尾水管进人门等处的漏水情况。

图1 引水发电系统示意图

充水过程中如发现有异常，应立即报告指挥部，由指挥部根据情况研究处理。必要时，指挥部可以下令停止充水，待问题消除后再恢复充水，以确保厂房及其他机组的安全。

3.1.2 尾水管排水

关闭1#机组尾水闸门，开启尾水管底部液压操作盘型排水阀，将尾水管内水排至检修集水井，利用机组排水系统排水，其最大排水能力约为Q=2×180m3/h=360m3/h。

3.2 引水隧洞充水

引水隧洞充水建筑物主要包括进水口事故闸门井、混凝土衬砌引水隧洞和钢管衬砌引水隧洞。引水隧洞总长约535.0m，充水总体积约为2.0万m3。为保证机组带水调试具备良好的水质环境，引水隧洞充水前应对进水口、尾水出口基坑进行清淤检查。

3.2.1 引水隧洞试充水

为确保隧洞充排水试验的顺利进行，在正式试验前应对与试验相关的金属结构设备进行调试，开展试充水试验。

引水隧洞充水系统、检修排水系统设备试验前工作正常，排水系统管路通畅，具体调试试验步骤如下：

(1)引水隧洞充水前先将引水隧洞末端检修排水系统放空阀完全开启，然后开启进水口事故闸门充水阀充水；充水排泄期间先进行充水阀的关闭和开启试验，随后进行放空阀关闭和开启试验(开展此项试验时必须在充水阀关闭时进行)。

进水口事故闸门充水阀的关闭和开启试验主要包括：充水阀开启关闭动作2～3次，充水时要求充水阀全开或全关，不允许半开充水。

检修排水系统放空阀关闭和开启试验主要包括：带荷载条件下开启和关闭阀门2～3次，确保阀门关闭完整不漏水。

(2)在完成上述(1)充排水等试验后，关闭放空阀，开启充水阀，对引水隧洞试充水12h，然后关闭充水阀，稳压12h。

(3)在进行上述充排水及稳压试验期间，若堵头、进人门以及放空阀等部位发生较大渗漏水时，须立即停止试验，关闭充水阀，放空洞内水体，查明原因后进行消缺处理，符合要求后重新进行试验。

在试充水稳压期间，巡视并观察进人门漏水量，要求闸门在承受设计水头压力时，通过任意1m长止水橡皮范围内漏水量不应超过0.1L/s。

待以上调试试验项目完成并检查合格后方能进行引水隧洞的正式充排水试验。

3.2.2 引水隧洞正式充水

引水隧洞正式充水前，通过水库调节，满足引水隧洞充水的洞外水库水位保持在1415m要求，进水口事故闸门下闸挡水，引水隧洞检修排水系统控制阀门关闭，进入充水试验阶段。

引水隧洞充水通过进水口事故闸门顶2×Ф60cm充水阀进行，充水阀高程1406.68m，经计算，充水阀充水能力为4.5～5.5m3/s，综合考虑水位变动以及隧洞渗漏水等因素，按5.0m3/s近似取值。

完成引水隧洞充水，观测并记录上游水位，稳压72h；引水隧洞充水、稳压完成后，将进水口事故闸门提起并锁定在开启运行位置，进行1#机组的带水调试，调试结束后进行隧洞排水试验、放空检查，消缺处理后再进行隧洞第二次充水，充水过程原则上同第一次充水。

3.2.3 水位观测

引水隧洞预充水通过水位计进行全程水位观测，数据传送至中控室监控系统进行实时监控分析。

3.2.4 渗漏控制标准

引水隧洞渗漏控制标准分为隧洞沿程渗漏量、集中渗漏量和累计渗漏量3个部分，具体要求如下：

(1)隧洞沿程渗漏量标准(以下允许渗漏量控制标准均未考虑集中渗漏量)。完成引水隧洞充水并稳压72h。隧洞沿程允许渗漏量标准按照200L/s控制，警戒渗漏量标准按照700L/s控制，沿程渗漏量超过200L/s而小于700L/s时，经过各方综合分析研究确定是否继续充水。

(2)集中渗漏量标准。集中渗漏量是指可见的、可以实施应急处理的集中渗漏点的水量，允许渗漏量标准以能够实施快速封堵，不影响建筑物结构安全和能够继续充水为原则，暂定集中允许渗漏量为50～100L/s，具体可根据应急处理效果作适当调整。若集中出水点出现在引水隧洞末端、厂区洞室区域，则应分析具体情况，各方综合分析研究确定是否继续充水。

(3)累积渗漏量标准。累积渗漏量是指隧洞沿程渗漏量和集中渗漏量之和，累积允许渗漏量标准按照1.5m3/s控制，累积渗漏量超过1.5m3/s时，经过各方综合分析研究确定是否继续充水。

3.2.5 引水隧洞排水

引水隧洞排水主要通过1#机组空转运行排水、剩余少量水体通过引水隧洞末端检修排水系统排放的方式进行。主要步骤及要求如下：

(1)隧洞排水前，关闭引水隧洞进水口事故闸门。

(2)启动1#机组并使机组控制在额定转速空转，使引水隧洞内的水体通过1#机组流道排至下游河道。

(3)引水隧洞下游尾水渠水位高程以下的剩余水体通过开启位于尾水管底部液压操作盘型排水阀将剩余水体排至检修集水井，再利用机组排水系统完成排水。

4 充排水时间分析及计划安排

4.1 充排水时间分析

引水发电系统充排水试验分为引水隧洞和尾水管2个独立的部分，各部分分别有各自独立的充排水系统。引水系统充排水试验总体步骤，按顺序完成一次尾水管充(排)水→引水隧洞第一次充水→引水隧洞排水→放空检查，在不考虑突发情况的处理耗时的条件下，引水隧洞充排水总计时间约100h。

4.2 充排水计划安排

考虑引水发电系统自身特点和一定的应急事情处理时间，初步拟定引水发电系统充排水计划如下：

(1)以引水发电系统具备充水条件为首日；

(2)第2天，尾水管开始充排水(约2d)；

(3)第4天，引水隧洞开始第一次充水(约2d)；

(4)第6天，机组开始带水调试(约2d)；

(5)第8天，引水隧洞开始排水放空(约2d)；

(6)第10天，引水隧洞开始检查消缺(约7d)；

(7)第17天，引水隧洞开始第二次充水(约2d)；

(8)第19天，1#机组开始进行并网调试和72h试运行。

5 充排水过程中的事故处理预案

(1)引水隧洞充水过程中，应加强引水隧洞沿线各施工封堵堵头、施工辅助洞室、排水廊道、主厂房及相关洞室、厂区边坡的安全巡查和渗漏观测，对隧洞通风洞等部位应重点巡查，设置应急排水设备，并安排专门应急处理施工队伍待命，一旦出现集中渗漏情况应及时进行抽排和封堵处理。逆坡施工通道内除正常的巡查和观测人员外，禁止闲杂人员进入、停留。引水隧洞沿线施工封堵堵头应依次编号，并安排专人进行渗漏量的量测。引水隧洞充水过程中，应保持至各需巡视检查工作面的交通顺畅，以便进行巡查和应急处理；保证施工排水洞排水通道的顺畅，一旦充水过程中有集中漏水，可以通过施工排水洞临时排泄。

(2)引水隧洞充水过程中若渗漏量超过标准，需通过现场参建各方共同讨论分析确定是否继续充水，若隧洞内出现危及洞内施工和人生安全的超量集中渗漏水、或主厂房、厂区边坡出现集中大流量渗漏水、或大流量渗漏水不知去向时，应立即停止充水，通过引水隧洞检修排水系统进行排水放空检查处理。

(3)引水隧洞充水过程中应加强隧洞衬砌结构应力应变、围岩应力及围岩渗压状态等的安全监测，一旦监测数据发生异常变化，需要参建各方共同讨论分析原因和确定处理措施，必要时停止充水。

(4)隧洞充水过程中应严格控制水位上升速度，分级充水应确保稳压时间，加强厂区排水廊道、主厂房及相关洞室内的巡视和渗漏检查，一旦发现渗漏情况并经分析确认为高压管道充水所引起，则应停止充水放空检查。

(5)隧洞排水过程中应严格控制水位下降速度。

(6)引水系统充排水试验过程中，一旦发生闸门或各相关阀门渗漏、速率控制超过设计要求等意外情况，应及时向现场监理工程师汇报，必要时经各方讨论研究后确定是否继续进行充排水试验。

(7)引水系统充排水过程中应确保工程区内的电源安全供电，且与引水系统充排水相关的区域应设置备用电源并具备投运条件。

(8)引水系统充排水过程中应确保工程区内的相关观测点、重要部位的通讯通畅。

6 结语

万家口子水电站工引水发电系统工程地质简单，工程安全风险小，充排水试验是检验工程质量、消除安全隐患，保证电站安全的重要工程措施之一。通过万家口子水电站引水发电系统充排水试验方案的设计探索，以及实际实施过程中问题的出现和解决，对于类似规模的引水式电站的系统布置、结构设计、机电、金属结构设计以及监测设计具有重要的借鉴参考意义。