南湃水电站长输水系统排空检查的必要性分析

2018-12-04李守志李付栋

水电站机电技术 2018年11期

李守志，李付栋，齐岳

（北方国际合作股份有限公司北京100040）

1 引言

老挝南湃（Nam Phay）水电站额定水头700 m，装设2台43 MW冲击式水轮发电机组，其输水系统由岸塔式进水口、输水隧洞、压力钢管组成。其中，输水隧洞长6705.12 m，压力钢管长1468.96 m。整个输水系统的充水量约为69023 m3。

电站充水发电1年来运行平稳，考虑到经济效益等诸多因素，一直未能进行输水系统的排空检查工作。工程竣工验收在即，围绕是否应该排空输水系统进行检查存在争议。有1种说法是有压输水隧洞在放空后，隧洞内外压力发生较大变化，存在因检查而导致的意外坍塌风险。另外，对排水过程有严格的限制，尤其是整个输水系统的充水量大，需要很长的放空时间。

本文针对长输水电站排空检查的必要性进行分析，总结诸多类似电站的排空检查经验，同时，针对这种长输水电站的监测设计提出一些建设性建议。

2南湃水电站输水系统概况

南湃水电站工程隧洞为有压输水隧洞，总长度6705.12 m，采用圆形平底断面，开挖洞径4.4 m，衬砌后洞径3.5 m，洞内设计流速为1.04～1.62 m/s。由3个平段和2个竖井段组成。

为沉积异物，分别在上平段、中平段、下平段设有3个集渣坑，集渣坑在隧洞底板下挖而成，并用钢筋混凝土衬砌，上部设钢篦子。

施工时设置3个施工支洞，分别位于3个平段，在每个施工支洞封堵段设置永久进人孔，进人孔断面均为圆形，断面直径150 cm。各封堵体前部均设椭球形闸门。

南湃水电站输水系统设计时，进行了渗流计算分析，主要包含初始地下水压的构造、施工开挖期的外水变化过程模拟、运行期充水过程模拟、检修期放水工程模拟等，充分考虑了运行期和检修期不同的内外水压力状况下输水系统结构的安全性。

上平段隧洞长2372.95 m，隧洞底坡为5%，局部为0.5%和0%，进口底板高程1114 m，末端高程997.71 m。上竖井段长84.03 m，竖井断面为直径3.66 m圆形断面。

图1 上平段洞轴线工程地质（围岩分类）剖面图

中平段隧洞长2550.67 m，隧洞底坡为5%。上游端底板高程921.52 m，末端高程793.15 m。下竖井段长141.73 m，竖井断面为直径3.46 m圆形断面。

图2 中平段洞轴线工程地质（围岩分类）剖面图

下平段输水隧洞长1555.73 m，隧洞底坡为5%，局部为0.75%；上游端底板高程658.21 m，末端高程629.88 m，末端接压力钢管埋管段。

图3 下平段洞轴线工程地质（围岩分类）剖面图

压力钢管总长1468.96 m，其中洞内埋管段长829.17 m，外包钢筋混凝土段长639.96 m，高差224.40 m，采用内径2 m厚32 mm的WDB620型钢管。埋管段出口布置有进人孔。

图4 埋管段洞轴线-明管段管槽工程地质剖面图

南湃输水隧洞承受内水压力较高，上平段、中平段、下平段、压力钢管末端承受内水压力（静水压力）分别为142 m、347 m、510 m、700 m。因此衬砌混凝土仅为传力结构，无法完全承担内水压力的作用。内水压力主要靠围岩来承担。理论上只要隧洞埋深满足要求，不发生水力劈裂和渗透破坏，则隧洞无需进行衬砌，衬砌混凝土起到降糙的作用。基于此，南湃水电站输水隧洞衬砌设计的原则采用：“透水衬砌型式”，在隧洞自稳的情况下，Ⅲ类岩挂网喷护，Ⅳ类岩钢筋混凝土衬砌，全断面固结灌浆。

3 输水系统排空要求及排空方式选择

压力输水隧洞的排空速度取决于输水系统的结构形式和围岩的地质状况。参考其他电站排水速度要求，南湃水电站输水系统排空速度控制在2 m/h以内，选择排放流量时应考虑围岩渗水量，可以参考建设期围岩渗水情况，适度加大计算排水流量。

根据南湃水电站输水系统的结构特点分以下7个阶段进行排水：

3.1 第1阶段：上平段排水

上平段截面12.49 m2，长2373 m，高差119.29 m，储水量约为29639 m3。按照排空速度2 m/h计算排水时间应大于60 h，允许的最大排水流量为494 m3/h，即0.14 m3/s。南湃水电站单台43 MW冲击式机组的空载流量约为0.14 m3/s。因此，第1阶段排空可以采用1台机组间断空载运转方式进行，排水时间约3 d。

3.2 第2阶段：上竖井段排水

上竖井段截面10.52 m2，高差84.03 m，储水量约为884 m3。按照高差计算排水时间应大于42 h，允许的最大排水流为21 m3/h。因此，第2阶段排水可以采用停机方式，即采用1台机组中的2套针阀附加相应折流板的方式排水，排水时间约2 d。

3.3 第3阶段：中平段排水

中平段截面12.49m2，长2550.67m，高差131.85m，储水量约为31858 m3。按照高差计算排水时间应大于66 h，允许的最大排水流量为482.7 m3/h，即0.13 m3/s。南湃水电站单台43 MW冲击式机组的空载流量约为0.14 m3/s。因此，第3阶段排空可以采用1台机组间断空载运转方式进行，排水时间约3 d。

3.4 第4阶段：下竖井段排水

下竖井段截面9.4 m2，高差141.73 m，储水量约为1333 m3。按照高差计算排水时间应大于71 h，允许的最大排水流量为18.76 m3/h。因此，第4阶段排水可以采用停机方式，即采用1台机组中的2套针阀附加相应折流板的方式排水，排水时间约3 d。

3.5 第5阶段：下平段排水

下平段隧洞截面8.78 m2，长1555.73 m，高差31.83 m，加上埋管段2693 m3，总储水量约为16352 m3。按照高差计算排水时间应大于16 h，允许的最大排水流量为1022 m3/h，即0.28 m3/s。南湃水电站单台43 MW冲击式机组的额定水头下空载流量约为0.14 m3/s。因此，考虑到此时水头降低，机组达到额定转速的流量变大，按照单台机组达到额定转速需要0.2 m3/s计算，第5阶段排空可以采用1台机组间断空载运转方式进行，排水时间约1 d。

3.6 第6阶段：钢管段排水

钢管段高差224.4 m，钢管长度615.93 m，储水量约为2003 m3。钢管段排水不受水头下降影响，排水可以采用停机方式，即采用1台机组中的2套针阀附加相应折流板的方式排水，也可以通过进水球阀前的放水阀排水，按照100 m3/h的排放速度计算，排空需要约1 d。

3.7 第7阶段：渗漏水排水

为保障检查检修期间的安全，输水系统排空后，为排除渗漏水，需要打开2台机组的进水球阀前的排水管，将渗漏水直接排放至尾水。

4 输水系统排空检查的必要性分析

南湃水电站输水系统设计满足排空检查的强度要求，但是，有压隧洞尤其是超高压输水隧洞在放空后，隧洞内外压力变化较大，存在因检查而导致的意外坍塌风险。明敷的压力钢管在放空后随早晚温差伸缩，尤其是早晚温差过大时容易出现异常超限变形，引起压力钢管移位或塌落，如西藏羊湖电站。当然，南湃水电站的压力钢管采用了0.5 m厚的钢筋混凝土包裹，这种影响很小。

通过上文排水方式，排空全部输水系统需要14 d时间。加上检查检修和充水时间，整个电站停机时间超过30 d。按照80%的负荷率来计算，相应的电量损失约4953.6万kW·h。按照0.07美元/kW·h电价计算，电站收入减少346.752万美元。因此，在决定是否做程序性的输水系统排空检查时，不得不考量这种检查验收所导致的巨额经济损失。或者，将这种检查的时间安排跟水库调度综合考量，选择损失最少的时机完成。

国家标准《水电工程安全鉴定规程》（NB/T35064-2015）就输水式电站的输水隧洞在竣工验收时是否必须做排空检查并没有明确规定，只是规定“重要的输水隧洞在投入充水运行前”需要进行“专项安全鉴定”，这项工作在充水前已经完成。对于“竣工安全鉴定”的范围包括了“输水发电建筑物”，并规定验收条件是：“工程运行已经过至少一个洪水期的考验，多年调节水库已经过至少两个洪水期考验；最高库水位已经达到或者基本达到正常蓄水位；全部机组均已按额定出力运行；常规水电站每台机组至少已运行2000 h以上”，验收的内容主要是：“重点检查评价关键部位、出现过质量缺陷和事故等部位的施工质量状况，必要时应使用技术手段进行检验检测加以确认”，具体验收方法也没有规定输水系统必须进行排空检查。

国家标准《水电工程验收规程》（NB/T 35048-2015）中针对“竣工验收”的主要工作内容规定为“检查各专项验收遗留问题的处理情况和尾工完成情况，遗留的特殊单项工程建设和竣工计划，评价遗留的特殊单项工程对工程安全运行的影响”，同样没有提到输水系统必须进行排空检查。

当然，南湃水电站投入运营1年来，整个输水系统未发现异常。且充水调试试运行前就输水系统进行的检查验收未发现质量问题和遗留问题。目前，南湃水电站运行平稳，水库已经达到最高库水位，2台机组正在满发运行。鉴于此，暂不进行输水系统排空检查，根据运行情况，必要时可以在水库水位下降到可以容纳30 d来水量时择机进行排空检查。

5 水电站长输水系统设计建议

建议一：设计较大的集渣坑。考虑到随水流带人的泥沙以及隧洞中可能掉落的渣块，分别在上平段、中平段、下平段设有3个集渣坑收集异物。随着时间的推移，输水隧洞内可能脱落的异物会越来越少，因此，在条件允许的情况下，这种集渣坑尽可能设计大一些，足以收纳前期运行中出现的容易脱落的掉块和杂物。建议施工支洞的地面高程低于引水隧洞一点，这样在初次充水过程中未清理干净及容易脱落的碎块将沉积在这个部位，不占用集渣坑的容量，同时，需要清理时，这个部位的沉积物距离进入门最近，易于清理。

建议二：在隧洞出口的压力钢管上设截断阀。一旦集渣坑填满后，再有异物将向下游钢管机组方向推进，最终沉积到进水球阀前，在此设置沉渣坑截留异物。如果在隧洞出口处设置截断阀，就无需排空整个输水隧洞，只需排空钢管就可以清除这些异物。

建议三：对集渣坑的沉积物数量进行监测。通过设计专门的监测装置对集渣坑内沉积物的数量进行实时监测，就能够知道输水隧洞的状况，当短时间出现较大的异物沉积时，就可以断定输水隧洞出现异常。