朱正龍，王 曉

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330001)

1 工程背景

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機(jī)容量1200MW(4×300MW)，電站和周寧縣城的直線距離為19km，與福安、寧德、福州等三市公路里程分別為39km、96km、185km。該抽水蓄能電站樞紐主要包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等水工建筑物。電站引水系統(tǒng)工程主要由引水系統(tǒng)部分上平洞往下水庫方向的地下洞室開挖、支護(hù)、鉆孔和灌漿、壓力鋼管制造和安裝(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裝工程施工等工作組成。該抽水蓄能電站2#引水隧洞于2020年9月初竣工，在運(yùn)行前必須通過充排水試驗(yàn)進(jìn)行該引水隧洞引水系統(tǒng)施工質(zhì)量及運(yùn)行情況的試驗(yàn)檢測(cè)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2#引水隧洞充排水試驗(yàn)水道內(nèi)高壓充水至蝸殼球閥，球閥發(fā)生機(jī)械鎖定后以密封形式擋水。待上庫庫盆完成驗(yàn)收后便可利用供水系統(tǒng)從下庫攔砂壩抽水至上庫，再由上庫供水。在上水庫進(jìn)出水口檢修閘門處設(shè)置充水閥門，并通過該閥門向上游輸水系統(tǒng)間歇式充水，控制水位上升塑料。上游輸水系統(tǒng)的水通過球閥前設(shè)置的高壓鋼管排水閥排出至尾水管，再由排水管和排水閥排出至自流排水洞。

為進(jìn)行引水隧洞充排水試驗(yàn)，并進(jìn)行引水隧洞各工況下運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在2#引水隧洞中進(jìn)行了觀測(cè)斷面的布置，所使用到的監(jiān)測(cè)儀器主要有滲壓計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)、水位計(jì)等，結(jié)合地勘資料，文章僅對(duì)其中幾個(gè)最具代表性的觀測(cè)斷面進(jìn)行列舉分析，并對(duì)不同高程下隧洞內(nèi)山體水位在高水頭影響下的變化趨勢(shì)分析。蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)觀測(cè)斷面設(shè)置情況，見表1。

表1 蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)觀測(cè)斷面設(shè)置情況

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為進(jìn)行蓄能電站引水系統(tǒng)充排水過程中以及排水后設(shè)備運(yùn)行情況校驗(yàn)，必須進(jìn)行充排水試驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容主要有引水系統(tǒng)堵頭滲漏情況、各預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器性情況、閘門及球閥等擋水設(shè)備運(yùn)行情況、電氣及抽排水設(shè)備運(yùn)行及性能可靠性、周圍圍巖水文地質(zhì)變化、地下洞室滲漏情況、高壓排水廊道防滲帷幕及排水孔效果、引水系統(tǒng)鋼管外排水效果[1]等。

2.2 試驗(yàn)程序

2#引水隧洞充排水試驗(yàn)在2020年9月10日-11月12日期間進(jìn)行，充水試驗(yàn)靜水水頭為設(shè)計(jì)值的94.3%。首先將精度等級(jí)為0.5級(jí)的精密壓力表和精度等級(jí)0.5級(jí)、量測(cè)范圍0-10MPa的壓力變送器安裝在球閥前鋼管，進(jìn)行水道內(nèi)水位監(jiān)測(cè)及內(nèi)水壓力測(cè)讀，以保證沖水水位高度的精確控制。

充水試驗(yàn)分7個(gè)階段進(jìn)行，前5個(gè)階段充水速率10m/h，后兩個(gè)階段因沖水水頭較高，水道內(nèi)壓力已經(jīng)比工程最小地應(yīng)力小，所以只需按照5m/h的充水速率進(jìn)行小臺(tái)階充水。前3個(gè)階段穩(wěn)壓時(shí)間按照48h控制，后4個(gè)階段穩(wěn)壓時(shí)間至少72h，在第1階段的充水過程中必須加強(qiáng)水位控制并做好排水設(shè)施運(yùn)行可靠性檢查。

排水與充水對(duì)與抽水蓄能電站安全運(yùn)行同樣重要，故應(yīng)保證排水程序及水位下降速率的合理性，防止應(yīng)排水速率過大、管道外水壓力過高而導(dǎo)致輸水管道破壞。排水試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)在總結(jié)和借鑒充水試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際分階段進(jìn)行：①第1階段，水道內(nèi)水位在800-765m高程，并打開1#機(jī)組針閥排水，水位降幅為0.85-1.25m/h；②第2階段，水道內(nèi)水位在765-650m，主要借助水道內(nèi)水量自由外滲方式排水，水位按照1.65-2.00m/h的速率下降；③第3階段水道內(nèi)水位高程在650-225m，并分為5次排水，每次排水時(shí)間間隔為5h，水位下降速率在1.85-2.20m/h之間。

該抽水蓄能電站引水系統(tǒng)充排水試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)情況，2#引水隧洞充排水試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)，見表2。

表2 2#引水隧洞充排水試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 滲壓計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

采用滲壓計(jì)觀測(cè)引水隧洞鋼筋混凝土襯砌外側(cè)水壓力[2]，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外水壓力差，并了解隧洞襯砌結(jié)構(gòu)所承受的內(nèi)水壓力情況。引水隧洞1#斷面(高程516m)、4#斷面(高程201m)充水階段水位從225m升至800m，排水階段水位降至原水位實(shí)測(cè)內(nèi)水壓力、引水隧洞1#斷面(高程516m)滲壓計(jì)隧洞水位實(shí)測(cè)結(jié)果，見圖1；引水隧洞4#斷面(高程201m)滲壓計(jì)隧洞水位實(shí)測(cè)結(jié)果，見圖2。

圖1 引水隧洞1#斷面(高程516m)滲壓計(jì)隧洞水位實(shí)測(cè)結(jié)果

圖2 引水隧洞4#斷面(高程201m)滲壓計(jì)隧洞水位實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，當(dāng)引水隧洞內(nèi)水壓接近0.75-1.62MPa時(shí)，滲水壓力增大趨勢(shì)明顯且與內(nèi)水壓力較為接近，表明引水隧洞內(nèi)水壓力達(dá)到這一壓力水平時(shí)襯砌混凝土已經(jīng)發(fā)生透水，此后隨著引水隧洞內(nèi)水壓力的變化，滲壓值同步升降。在充排水試驗(yàn)過程中，隧洞襯砌內(nèi)外水存在水頭差，這表明引水隧洞內(nèi)襯砌混凝土雖然發(fā)生開裂，但是裂縫寬度并不大，襯砌結(jié)構(gòu)自身具有一定的承受內(nèi)水壓力能力。在排水試驗(yàn)過程中，隧洞外滲透壓力降低比內(nèi)水壓力降低略顯滯后，且2#斷面隧洞內(nèi)水位351.8m時(shí)隧洞右側(cè)內(nèi)外水頭壓力差較大外，其余斷面內(nèi)外水壓力差均較小。

引水隧洞4#斷面滲壓計(jì)高程610m時(shí)滲壓計(jì)讀數(shù)下降，直至洞內(nèi)水位升至655m后，其讀數(shù)才開始上升，與其余3個(gè)斷面讀數(shù)相比，該斷面滲壓計(jì)讀數(shù)增幅比隧洞內(nèi)水壓力增幅小，且在充水至上庫水位水平后隧洞內(nèi)水壓力值達(dá)到5.4MPa，但滲壓計(jì)讀數(shù)卻僅為3.26MPa，這主要在于2#引水隧洞充排水試驗(yàn)過程中暫停10d，導(dǎo)致洞內(nèi)水位降至540.2m，重新開始充排水試驗(yàn)后充水速率較快，但內(nèi)水外滲受到斷面帷幕灌漿的限制，比隧洞內(nèi)水位上漲趨勢(shì)滯后，所以導(dǎo)致滲壓計(jì)讀數(shù)減小的反常趨勢(shì)。

3.2 鋼筋計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過鋼筋計(jì)進(jìn)行引水隧洞鋼混襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)配筋應(yīng)力分析[3]，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，實(shí)測(cè)引水隧洞4個(gè)斷面襯砌鋼筋受力情況良好，且鋼筋拉應(yīng)力均較小，主要原因在于，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后大部分內(nèi)水壓力均由圍巖承擔(dān)了，襯砌結(jié)構(gòu)受力較小，鋼筋強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，所以該引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)只需設(shè)置構(gòu)造配筋即可。

根據(jù)1#斷面實(shí)測(cè)結(jié)果，隧洞右側(cè)滲壓比較大且與內(nèi)水壓力值更為接近，右側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力也較大。主要原因在于該斷面右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫較多，存在內(nèi)水外滲，所以滲壓比大；該斷面總內(nèi)水壓力小，當(dāng)引水隧洞水位上漲至斷面高程以上后在內(nèi)水壓力的作用幾乎全部由鋼筋承擔(dān)，所以右側(cè)鋼筋環(huán)向應(yīng)力較大。所以，引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)初始裂縫越多，則隧洞內(nèi)水外滲效果越好，且對(duì)斷面應(yīng)力分布影響也更大。

1#和3#斷面環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨引水隧洞水位變化而變化，但縱向鋼筋應(yīng)力并未表現(xiàn)出此趨勢(shì)，而且縱向鋼筋承受更大的拉應(yīng)力。主要原因在于這兩個(gè)斷面距離斜井較近，隨斜井深度增大其內(nèi)水壓力隨之增大，內(nèi)水外滲后在圍巖間形成滲流場(chǎng)，滲流力作用于襯砌后產(chǎn)生產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，且此拉應(yīng)力的作用在外部水壓回流，壓力消散后方可消失，所以導(dǎo)致這兩個(gè)斷面縱向拉應(yīng)力隨水位下降表現(xiàn)出一定的滯后性。

3.3 山體水位計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過山體水位計(jì)進(jìn)行引水隧洞充排水試驗(yàn)過程中沿線山體水位孔滲壓值變動(dòng)情況的觀測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行隧洞沿線山體圍巖水文地質(zhì)條件受充排水過程影響的分析。根據(jù)山體水位計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果，在充排水試驗(yàn)過程中，隧洞沿線山體水位變動(dòng)并不大，且隧洞內(nèi)水體不存在向圍巖滲漏的趨勢(shì)，也不改變隧洞山體原地下水位及圍巖水文地質(zhì)條件。

4 結(jié) 論

通過文章對(duì)周寧抽水蓄能電站引水隧洞充排水試驗(yàn)過程及結(jié)果分析可以看出，隧洞圍巖帷幕灌漿和固結(jié)灌漿防滲效果良好，而且原襯砌結(jié)構(gòu)開裂、通過圍巖固結(jié)灌漿以抵抗內(nèi)水壓力、承擔(dān)防滲任務(wù)的處理也十分合理，能夠確保引水隧洞正常運(yùn)行。

本電站引水隧洞襯砌混凝土開裂后大部分內(nèi)水壓力由圍巖承擔(dān)，因襯砌結(jié)構(gòu)受力較小，故其內(nèi)部環(huán)向鋼筋和縱向鋼筋拉應(yīng)力也不大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，也表明該隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)配筋合理?？傊?，周寧抽水蓄能電站引水隧洞充排水試驗(yàn)程序、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及速度控制較為合理，隧洞建筑物質(zhì)量可靠，可順利投運(yùn)。