阳江抽蓄电站引水系统充排水试验监测成果分析

常丽颖，王建学

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635）

阳江抽水蓄能电站是我国目前在建的单机容量最大（400 MW）、机组设备全面国产化的抽水蓄能电站,其水道最大静水头约800 m,最大动水头约1100 m,是世界上第一条800 m 水头级钢筋混凝土衬砌高压水道,最大PD 值8310 t/m[1],远高于全球已建和在建的其他蓄能电站。

充排水试验是抽水蓄能电站水道系统首次加、卸载过程,是检验水道系统安全运行的必要手段[2]。本文以阳江抽水蓄能电站为例,分析了充排水试验期间引水系统变形、应力、渗流等监测项目的观测资料,揭示了建筑物承受荷载的变化规律,研究了引水系统的工作性态,为工程及同类工程设计施工和安全运行提供理论支持和参考依据。

1 工程概况及监测布置

1.1 工程概况

阳江抽水蓄能电站工程枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、地下厂房洞室群、下水库及工程边坡等组成,采用近、远两期建设,上、下水库在近期一次建成的建设方案。电站近远期装机容量各1200 MW,均采用一洞三机的布置型式。本文研究分析仅针对近期工程开展。阳蓄电站近期引水道总长约2253.7 m,由上库进出水口、上游调压井、引水隧洞（上平洞、上竖井、中平洞、下竖井、下平洞）、引水高压岔管、引水钢支管、防渗排水系统、施工支洞堵头等组成,水道最大静水头798.7 m,引水隧洞内径7.5 m。引水隧洞和岔管采用钢筋混凝土衬砌,引水隧洞衬砌厚度为0.6 m,引水岔管衬砌厚度为1.0 m。引水支管内径2.3 m～3.0 m,采用600 MPa 级高强钢板内衬,钢板厚44.0 mm～85.0 mm。上游调压井升管和大井内径分别为7.5 m、16.0 m,衬砌厚0.6 m。

1.2 监测布置

在引水隧洞、引水高压岔管、引水钢支管和施工支洞堵头各监测部位布置测缝计及钢管测缝计进行围岩和钢管与衬砌接缝变形监测,布置钢筋计、锚杆应力计及钢板计进行衬砌钢筋、围岩支护及钢支管应力监测；布置渗压计及测压管进行渗透压力、地下渗流场及输水系统沿线地下水位监测。

2 充排水试验过程

2.1 充水过程

输水系统充水先进行尾水道充水,再进行机组段充水,最后实施引水系统充水。引水系统于2021 年11 月2 日开始充水,至11 月22 日充水结束,引水系统充水过程结合水道布置特点划分为六个阶段进行。水道充排水速率上下竖井控制在3 m/h,其余部位控制在4 m/h 内。引水道的上、下竖井段水头变幅大,充水过程中需设置24 h～48 h 的稳压时间,引水系统充水试验过程数据见表1。

表1 引水系统充水试验过程数据

2.2 排水过程

充水阶段结束后进入排水过程。排水时先进行引水系统排水,再实施尾水系统排水。本工程引水系统充水后,经对各项监测资料分析、评价,确认水道系统结构、堵头及机组等基本处于正常状态,因此不实施水道系统排水工作。

3 监测成果分析

3.1 围岩/钢管与衬砌接缝开合度

引水系统围岩与衬砌混凝土最大接缝开合度发生在上竖井下弯段（7.25 mm）,结合工程地质情况发现,上竖井下弯段为Ⅳ类围岩,并有3 条断层穿过,所以该部位总体变形最大。但充排水试验过程中,最大张开变化量发生在下竖井上弯段顶拱（1.92 mm）。考虑为该部位上弯结构特性,水道充水后衬砌顶部受内水压力挤压较大从而导致内水外渗,外渗水压力作用于围岩,进而产生衬砌与围岩径向变形不同步的情况。

根据测缝计观测成果分析得出,充排水试验前期引水系统围岩与衬砌混凝土接缝开合度小幅度增大,围岩与衬砌接缝开度与充排水呈正相关性,随内水压力的增加而增大,充水后期开合度变化幅度较小,最大增加约0.20 mm,整体呈张开状态。这是因为前期充水时温度下降,热胀冷缩原理使得接缝开合度增大；随着充水进行,内水开始外渗,内水压力直接作用于围岩,围岩向外侧的径向变形大于衬砌的径向变形[3]。充水后期,温度上升,接缝开合度减小,且周边围岩大部分微透水,渗压水位上升最大增加约11 m,渗透压力抵消部分内水压力,围岩向外侧的径向变形得到控制,进而接缝扩展得到控制。

充排水试验期间,钢管与衬砌混凝土接缝整体呈微闭合/微张开状态,最大开合度变化量0.16 mm,表明引水钢支管与衬砌混凝土接触良好。

3.2 锚杆应力

引水系统支护锚杆应力极值均发生在引水高压岔管,最大应力测值均小于100 MPa,锚杆拉应力最大变幅发生在Y1+943.00 监测断面左侧腰（26.93 MPa）。引水高压岔管系统锚杆的杆体材料为Ф25 的螺纹钢,其屈服强度400 MPa,抗拉强度540 MPa。充水前期大多数锚杆呈受压状态,承受压力的锚杆并没有发挥锚固作用,随着水位上升锚杆逐渐受拉,承受拉力测点的最大拉应力测值仅为65.20 MPa,各测点锚杆应力均远低于设计强度。

根据锚杆应力计观测成果分析得出,充排水试验过程中,引水系统支护锚杆应力与充排水水位相关性明显,充水前期大多数锚杆呈受压状态,随着内水压力增大,围岩承担了内水压力,围岩支护锚杆逐渐受拉。这符合支护锚杆受力一般变化规律,与围岩和衬砌混凝土接缝开合度小幅度增大相互验证,同时也印证了监测资料具有可靠性。

3.3 钢筋应力

引水系统最大钢筋压应力发生在引水高压岔管,最大钢筋拉应力发生在引水下平洞,测值均小于210 MPa,钢筋拉应力最大变幅发生在引水下平洞Y1+753.500 监测断面底部外层环向钢筋（387.06 MPa）,其次发生在引水高压岔管Y1+924.405 监测断面衬砌结构内层钢筋（199.41 MPa）。钢筋应力极值发生在这两个部位的主要原因是输水系统中的下平段高压岔管部位水头最大,钢筋承受了超高的内水压力而逐渐受拉。

根据钢筋计观测成果分析得出,充水前各测点均呈受压状态,充水后随着内水压力增大,衬砌钢筋逐渐受拉,符合水工钢筋混凝土受拉构件的一般规律。钢筋混凝土岔管在高水头作用下为一透水体,内水外渗后内水压力直接作用于围岩,围岩承担了绝大部分的内水压力,因此衬砌内钢筋应力测值均不大,这与渗透体积力法结果是一致的[4],见图1。

图1 引水高压岔管及引水下平洞钢筋计测值过程线

3.4 钢板应力

引水钢支管钢板应力测值介于-606.42 MPa～80.01 MPa之间,多数呈受压状态。根据钢板计观测成果分析得出,充水初期受温度影响,钢板压应力小幅度增大,温度趋于稳定后,随内水压力增大钢板压应力减小,少数测点出现较小拉应力,符合钢板应力变化一般规律。

其中,3#钢支管Y0+047.524 监测断面左腰处钢板自11月7 日开始出现较大压应力变化,11 月8 日压应力超过400 MPa,19 日起压应力逐渐减小。经与4#施工支洞堵头段渗流监测资料结合分析,考虑压应力突增与4#堵头附近廊道同时段出现渗漏出水点相关。具体而言,由于4#堵头附近内水外渗,导致3#钢支管左侧腰部位外水压力增大,钢板受较大压应力,18 日上午该出水点封堵完成后钢板压应力逐渐较小并逐渐受拉,这与4#堵头渗流压力变化情况可以相互验证。见图2。

图2 引水钢支管钢板应力计测值过程线

3.5 渗透压力

引水系统运行期间为内压超高的有压隧洞,为阻止高压内水外渗向高压岔支管及厂房区域,在高压岔管与地下厂房之间布置了一条防渗帷幕。在该帷幕上下游侧埋设了渗压计,用以监测阻水帷幕段渗压变化情况。充水试验期间,帷幕上游侧渗压水位随引水系统水位上升而增大,呈正相关性,帷幕下游侧渗压水位随引水系统水位上升无明显变化,由此可以判断灌浆帷幕作用效果显著。

引水系统充水及稳压期间,渗透压力变化显著部位主要发生在4#施工支洞堵头。4#堵头0+692.050 监测断面顶拱测点P4 dt2-1 渗压水位自充水开始,渗压水位逐渐上升,11月13 日晚15 分钟内上升至208.71 m 高程,较充水前增加250.71 m,之后渗压水位逐渐回落,并随水道充水缓慢上升；该监测断面左腰测点P4 dt2-2 渗压水位自11 月8 日晚开始有上升趋势,11 月13 日开始快速上升,18 日渗压水位与顶拱测点P4 dt2-1 同样出现波动。同时防渗排水系统布置在4#堵头的渗压计Psslc11 和Psslc13 观测结果与P4 dt2-1、P4 dt2-2 测值变化一致性较强。见图3。

图3 4#施工支洞堵头渗压计测值过程线

结合输水系统沿线山体地下水位情况综合分析,初步反映出4#堵头附近存在较为畅通的渗流通道。根据现场巡视检查反馈结果发现,同时段4#堵头附近廊道出现出水点,表明该部位衬砌结构开裂。18 日上午该出水点通过灌浆封堵以实现抵抗内水压力的任务,至此各测点渗压水位逐渐回落并趋于稳定,表明防渗处理措施合理有效,确保引水系统正常运行。

4 结语

1）充排水试验过程中引水钢支管与衬砌混凝土接触良好,围岩与衬砌混凝土接缝整体变化量较小。围岩与衬砌接缝开度随内水压力增加而增大,这是因为内水外渗后,内水压力直接作用于围岩,围岩向外侧的径向变形大于衬砌的径向变形。

2）引水系统支护应力极值均发生在最大水头部位,与充排水水位相关性明显。随着内水压力增大,支护锚杆和衬砌钢筋逐渐受拉；内水外渗后内水压力直接作用于围岩,使围岩承担了绝大部分的内水压力,因此支护应力均不大。

3）引水系统充水及稳压期间,灌浆帷幕作用效果显著,渗透压力变化显著部位主要发生在4#施工支洞堵头。结合输水系统沿线山体地下水位变化情况和现场巡视检查结果,可以明确4#堵头附近衬砌结构开裂,存在较为畅通的渗流通道,现场通过灌浆封堵抵抗内水压力,封堵完成后渗压水位逐渐回落,表明防渗处理措施合理有效,确保引水系统正常运行。

综上所述,充排水试验期间,近期引水系统各主体工程的围岩与衬砌混凝土接缝状态基本稳定,系统锚杆、预应力钢筋、钢板等支护结构的应力状态符合一般规律,围岩渗透压力变化基本正常,表明输水发电系统设计和施工技术合理可靠。