周宁抽水蓄能电站引水系统充排水试验问题分析

朱正龙，王 晓

(江西赣禹工程建设有限公司，南昌 330001)

1 工程背景

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县七步镇境内，电站装机容量1200MW(4×300MW)，电站和周宁县城的直线距离为19km，与福安、宁德、福州等三市公路里程分别为39km、96km、185km。该抽水蓄能电站枢纽主要包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等水工建筑物。电站引水系统工程主要由引水系统部分上平洞往下水库方向的地下洞室开挖、支护、钻孔和灌浆、压力钢管制造和安装(除引水岔管制作外)、混凝土工程施工、埋件和埋管的制作和安装工程施工等工作组成。该抽水蓄能电站2#引水隧洞于2020年9月初竣工，在运行前必须通过充排水试验进行该引水隧洞引水系统施工质量及运行情况的试验检测。

2 试验方案设计

2#引水隧洞充排水试验水道内高压充水至蜗壳球阀，球阀发生机械锁定后以密封形式挡水。待上库库盆完成验收后便可利用供水系统从下库拦砂坝抽水至上库，再由上库供水。在上水库进出水口检修闸门处设置充水阀门，并通过该阀门向上游输水系统间歇式充水，控制水位上升塑料。上游输水系统的水通过球阀前设置的高压钢管排水阀排出至尾水管，再由排水管和排水阀排出至自流排水洞。

为进行引水隧洞充排水试验，并进行引水隧洞各工况下运行过程的实时监测，在2#引水隧洞中进行了观测断面的布置，所使用到的监测仪器主要有渗压计、钢筋应力计、水位计等，结合地勘资料，文章仅对其中几个最具代表性的观测断面进行列举分析，并对不同高程下隧洞内山体水位在高水头影响下的变化趋势分析。蓄能电站引水系统充排水试验观测断面设置情况，见表1。

表1 蓄能电站引水系统充排水试验观测断面设置情况

2.1 试验目的

为进行蓄能电站引水系统充排水过程中以及排水后设备运行情况校验，必须进行充排水试验，校验内容主要有引水系统堵头渗漏情况、各预埋监测仪器性情况、闸门及球阀等挡水设备运行情况、电气及抽排水设备运行及性能可靠性、周围围岩水文地质变化、地下洞室渗漏情况、高压排水廊道防渗帷幕及排水孔效果、引水系统钢管外排水效果[1]等。

2.2 试验程序

2#引水隧洞充排水试验在2020年9月10日-11月12日期间进行，充水试验静水水头为设计值的94.3%。首先将精度等级为0.5级的精密压力表和精度等级0.5级、量测范围0-10MPa的压力变送器安装在球阀前钢管，进行水道内水位监测及内水压力测读，以保证冲水水位高度的精确控制。

充水试验分7个阶段进行，前5个阶段充水速率10m/h，后两个阶段因冲水水头较高，水道内压力已经比工程最小地应力小，所以只需按照5m/h的充水速率进行小台阶充水。前3个阶段稳压时间按照48h控制，后4个阶段稳压时间至少72h，在第1阶段的充水过程中必须加强水位控制并做好排水设施运行可靠性检查。

排水与充水对与抽水蓄能电站安全运行同样重要，故应保证排水程序及水位下降速率的合理性，防止应排水速率过大、管道外水压力过高而导致输水管道破坏。排水试验参数的设计应在总结和借鉴充水试验数据经验的基础上，结合工程实际分阶段进行：①第1阶段，水道内水位在800-765m高程，并打开1#机组针阀排水，水位降幅为0.85-1.25m/h；②第2阶段，水道内水位在765-650m，主要借助水道内水量自由外渗方式排水，水位按照1.65-2.00m/h的速率下降；③第3阶段水道内水位高程在650-225m，并分为5次排水，每次排水时间间隔为5h，水位下降速率在1.85-2.20m/h之间。

该抽水蓄能电站引水系统充排水试验过程设计情况，2#引水隧洞充排水试验过程设计，见表2。

表2 2#引水隧洞充排水试验过程设计

3 试验观测数据分析

3.1 渗压计观测数据分析

采用渗压计观测引水隧洞钢筋混凝土衬砌外侧水压力[2]，根据测量结果，进行隧洞衬砌结构内外水压力差，并了解隧洞衬砌结构所承受的内水压力情况。引水隧洞1#断面(高程516m)、4#断面(高程201m)充水阶段水位从225m升至800m，排水阶段水位降至原水位实测内水压力、引水隧洞1#断面(高程516m)渗压计隧洞水位实测结果，见图1；引水隧洞4#断面(高程201m)渗压计隧洞水位实测结果，见图2。

图1 引水隧洞1#断面(高程516m)渗压计隧洞水位实测结果

图2 引水隧洞4#断面(高程201m)渗压计隧洞水位实测结果

根据观测结果，当引水隧洞内水压接近0.75-1.62MPa时，渗水压力增大趋势明显且与内水压力较为接近，表明引水隧洞内水压力达到这一压力水平时衬砌混凝土已经发生透水，此后随着引水隧洞内水压力的变化，渗压值同步升降。在充排水试验过程中，隧洞衬砌内外水存在水头差，这表明引水隧洞内衬砌混凝土虽然发生开裂，但是裂缝宽度并不大，衬砌结构自身具有一定的承受内水压力能力。在排水试验过程中，隧洞外渗透压力降低比内水压力降低略显滞后，且2#断面隧洞内水位351.8m时隧洞右侧内外水头压力差较大外，其余断面内外水压力差均较小。

引水隧洞4#断面渗压计高程610m时渗压计读数下降，直至洞内水位升至655m后，其读数才开始上升，与其余3个断面读数相比，该断面渗压计读数增幅比隧洞内水压力增幅小，且在充水至上库水位水平后隧洞内水压力值达到5.4MPa，但渗压计读数却仅为3.26MPa，这主要在于2#引水隧洞充排水试验过程中暂停10d，导致洞内水位降至540.2m，重新开始充排水试验后充水速率较快，但内水外渗受到断面帷幕灌浆的限制，比隧洞内水位上涨趋势滞后，所以导致渗压计读数减小的反常趋势。

3.2 钢筋计观测数据分析

通过钢筋计进行引水隧洞钢混衬砌结构内配筋应力分析[3]，根据观测结果，实测引水隧洞4个断面衬砌钢筋受力情况良好，且钢筋拉应力均较小，主要原因在于，混凝土结构出现裂缝后大部分内水压力均由围岩承担了，衬砌结构受力较小，钢筋强度并未充分发挥，所以该引水隧洞衬砌结构内只需设置构造配筋即可。

根据1#断面实测结果，隧洞右侧渗压比较大且与内水压力值更为接近，右侧环向钢筋应力也较大。主要原因在于该断面右侧衬砌结构裂缝较多，存在内水外渗，所以渗压比大；该断面总内水压力小，当引水隧洞水位上涨至断面高程以上后在内水压力的作用几乎全部由钢筋承担，所以右侧钢筋环向应力较大。所以，引水隧洞衬砌结构初始裂缝越多，则隧洞内水外渗效果越好，且对断面应力分布影响也更大。

1#和3#断面环向钢筋应力随引水隧洞水位变化而变化，但纵向钢筋应力并未表现出此趋势，而且纵向钢筋承受更大的拉应力。主要原因在于这两个断面距离斜井较近，随斜井深度增大其内水压力随之增大，内水外渗后在围岩间形成渗流场，渗流力作用于衬砌后产生产生纵向拉应力，且此拉应力的作用在外部水压回流，压力消散后方可消失，所以导致这两个断面纵向拉应力随水位下降表现出一定的滞后性。

3.3 山体水位计观测数据分析

通过山体水位计进行引水隧洞充排水试验过程中沿线山体水位孔渗压值变动情况的观测，并根据观测结果进行隧洞沿线山体围岩水文地质条件受充排水过程影响的分析。根据山体水位计实测结果，在充排水试验过程中，隧洞沿线山体水位变动并不大，且隧洞内水体不存在向围岩渗漏的趋势，也不改变隧洞山体原地下水位及围岩水文地质条件。

4 结 论

通过文章对周宁抽水蓄能电站引水隧洞充排水试验过程及结果分析可以看出，隧洞围岩帷幕灌浆和固结灌浆防渗效果良好，而且原衬砌结构开裂、通过围岩固结灌浆以抵抗内水压力、承担防渗任务的处理也十分合理，能够确保引水隧洞正常运行。

本电站引水隧洞衬砌混凝土开裂后大部分内水压力由围岩承担，因衬砌结构受力较小，故其内部环向钢筋和纵向钢筋拉应力也不大，结构强度并未充分发挥，也表明该隧洞混凝土衬砌结构配筋合理。总之，周宁抽水蓄能电站引水隧洞充排水试验程序、试验设计及速度控制较为合理，隧洞建筑物质量可靠，可顺利投运。