引水隧洞充排水试验渗压计实测数据分析

(浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014)

引水隧洞充排水试验渗压计实测数据分析

刘毓福李数林张杰

(浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014)

充排水试验是对引水隧洞进行安全检查的重要手段之一。通过对泰山抽水蓄能电站1号和2号引水隧洞充排水试验的渗压计数据进行分析，研究高压隧洞内水外渗时围岩承载、外水内渗时衬砌承载、渗流速率与衬砌裂隙发育关系。结果表明，内水外渗时，内水压力可以利用固结灌浆的围岩承载，同时围岩可以抵抗地下水渗入。通过对充排水试验渗压计数据进行分析，可以查明引水隧洞的安全状况，对改进设计、指导施工有一定的参考作用。

充排水；渗压计；内外水压差；设计参考值

1 工程概况和引水隧洞充排水简介

1.1 工程概况

山东泰山抽水蓄能电站为日调节纯抽水蓄能电站，由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等建筑物组成，电站装有四台单机容量250MW的单级立轴混流可逆式水泵水轮机组和发电电动机组，总装机容量为1000MW，机组装机高程为101.00m，发电额定水头为225.00m。

输水道系统布置于横岭南坡北东向山梁及山前丘陵区内，引水系统采用两洞四机布置，尾水系统为四机两洞布置。引水系统包括1号引水隧洞和2号引水隧洞，其组成部分主要有上水库侧向竖井式进/出水口及闸门井、引水上平洞、引水竖井及下平洞、钢筋混凝土引水岔管、分岔后的高压支管；尾水系统包括尾水支管、钢筋混凝土尾水岔管、合并后的尾水隧洞、尾水调压井及下水库侧向塔式进/出水口和尾水明渠等。引水系统总长为572.59～580.48m，1号引水隧洞与2号引水隧洞平行布置，其初始轴线方向为NE61.5°，经竖井转为NE25°至65°斜向进入厂房，其中引水平洞和高压竖井洞直径均为8.0m，高压支管洞径为4.8m，尾水支管洞径为6.0m，尾水隧洞洞径为8.5m。

1.2 引水隧洞充排水实验简介

引水隧洞洞径大、水头高，加之地质条件复杂，定期对其进行放空检查是完全有必要的。充排水试验主要包括放空、检查(修补)和充水等关键环节，是保证电站长期安全稳定运行的重要手段，可为今后指导施工、优化设计提供准确有效的资料。

2号引水隧洞于2014年5月31日13点40分开始排水，历时197小时40分钟(含保压时间)，充水开始于2014年6月12日15点02分，累计耗时161小时58分钟，放空期间由于竖井段内外水压力差居高不下，保压时间较长，后文将重点介绍。1号引水隧洞于2016年9月22日16点开始排水，历时138小时34分钟(含保压时间)，充水开始于2016年10月23日8点，累计耗时108小时左右。由于有了2号引水隧洞充排水的成功经验，1号引水隧洞充排水试验进行得更为顺利。

2 渗压计埋设位置介绍

由于1号引水隧洞地质条件相对较好，1号引水隧洞仪器较2号引水隧洞少。在1号引水主岔管段引10+232.480m处埋设2支渗压计，仪器编号分别为Pcg1-1～Pcg1-2；在分岔管段埋设3支渗压计，仪器编号为Pcg1-3～Pcg1-5，监测仪器埋设情况如图1所示。

图1 1号引水隧洞渗压计布置

2号引水隧洞竖井段EL260.00m高程处埋设4支渗压计，仪器编号分别为Pp1～Pp4，在下平段引20+202.083m处埋设三支渗压计，仪器编号为Pp5～Pp7，在2号引水分岔管段埋设3支渗压计，仪器编号为Pcg2-1～Pcg2-3，于3号钢支管段引2(3)0+251.150m处埋设2支渗压计，对应仪器编号为Pcg2-4～Pcg2-5，监测仪器埋设情况如图2所示。

图2 2号引水隧洞渗压计布置图

3 排水过程观测成果分析

3.1 2号引水隧洞排水过程渗压计观测成果分析

渗压计用来测量隧洞钢筋混凝土衬砌外侧水压力，通过测量该数据可以了解隧洞衬砌内外压力差，从而了解隧洞衬砌所受的内水压力情况[1]。泰山电站内外水压差设计参考值为1.2MPa。

3.1.1 竖井段监测成果分析

由图3可知，随着水道水位下降至渗压计埋设高程(EL260.00m)，竖井段渗压计数值下降，降幅最大为Pp2。此时内水下降126m，渗压水头最大降幅为24.28m。由图4可知，在EL260.00m高程以上，水道水位与渗压水头下降速率有很好的相关性，说明渗压计埋设部位部分水头是由隧洞内水外渗造成。此时最大内外水压差为87.77m，小于设计参考值。

由图3可知，当水道水位下降至EL260.00m以下之后，渗压计水头下降很慢。由于从EL260.00m高程至下平段无监测仪器，无法监测到此段竖井的外水压力。在此，假如从EL260.00m高程往下是连通的(最坏工况)，当水道水位下降至225.70m时，此时该处内外水压差达到119.2m，处于临界破坏状态。此时停止排水，稳压14h之后发现内外水压差没有减小，经过专家组讨论，决定放下1号引水隧洞闸门，观察1号、2号引水隧洞内水位变化情况，以确定两水道之间的连通关系。结果表明，1号隧洞水位下降9m，而渗压计测值无明显变化。

图3 2号引水隧洞排水过程中水道水位与渗压水头关系曲线

图4 2号引水隧洞水道水位与渗压水头下降速率关系曲线

3.1.2 下平段监测成果分析

如图5所示，随着水道水位的下降，下平段渗压计测值无明显下降趋势，特别是Pp5测值较大，且前期还有略微升高。当水位下降至225.71m时，竖井段内外水压差达到临界值，下平段内外水压差为98.19m，且由于下平段Pp5、Pp7渗压计读数下降缓慢，下平段内外水压力上升速率与排水速率几乎一致，经过充分论证，认为可按照当时排水速率继续进行引水系统放水。根据安全计算，提出下一步放水关注的控制参数：

a. 放水速率严格控制在2.5m/s以下。

b. sph6测值不大于-550με。

c. Rp5、Rp6、Rp7数值绝对值不大于300MPa，且趋势变化正常。

在下一步放水过程中，应密切关注2号下平段的衬砌应变和钢筋应力等情况。

最终，虽然竖井段最大内外水压差达到243m，下平段最大内外水压差达到209m，但衬砌应变和钢筋应力均在控制指标范围内。说明竖井段衬砌接缝灌浆效果良好，围岩固结灌浆效果明显，山体地下水渗入较少；利用竖井段渗压计监测来推测该仪器埋设高程以下部位内外水压差不合理。同时，下平段渗压计测值居高不下，排除仪器损坏可能性，经分析有可能是该处渗压计埋设时混凝土将渗压计整体包裹，导致渗压计周围的水压力不能迅速消散。

图5 2号引水隧洞下平段水道水位与渗压水头关系曲线

3.1.3 引水岔管段监测成果分析

由于岔管部位施工条件相对复杂，分岔部位易产生应力集中，裂隙发育较多。由图6可知，随着水道水位下降，2号岔管处渗压计测值随之下降，有很好的相关性。当放空时，水道水位累计下降286.4m，而岔管部位渗压计测值最大的Pcg2-1累计下降了274.29m，表明岔管部位渗压水头全部由内水外渗造成。此现象也表明衬砌混凝土虽已开裂，但高内水压力可以利用经高压固结灌浆的围岩来承载，因此设计衬砌厚度时可以将周围地质条件考虑在内，减小衬砌厚度。

图6 2号引水隧洞岔管段水道水位与渗压水头关系曲线

3.1.4 压力钢管段监测成果分析

钢管段不会产生内水外渗，但由图7可知，随着水道水位下降，钢管外渗压水头也随之下降。当水道水位降至岔管渗压计埋设高程以后，岔管段外水压力迅速消散，同时钢管段外水压力趋于稳定。表明岔管与钢管之间防渗帷幕阻水效果不好，岔管段的内水外渗至衬砌，是由衬砌处的外水通过帷幕渗透至钢管处造成。

图7 2号引水隧洞压力钢管段水道水位与渗压水头关系曲线

3.2 1号引水隧洞排水过程渗压计观测成果分析

3.2.1 引水岔管段监测成果分析

与2号引水隧洞类似，由图8可知，随着水道水位下降，1号岔管处渗压计测值随之下降，二者有很好的相关性。当放空时，水道水位累计下降291.49m，而岔管部位渗压计测值最大的Pcg1-1累计下降了165.75m,此时岔管渗压水头最大为39.06m。表明岔管部位渗压水头几乎全部是内水外渗造成。

由图1可知，Pcg1-3和Pcg1-4两支仪器布置于同一高程，相隔5m，中间有防渗帷幕。同时，由图8可知，两支仪器渗压水头几乎一致，表明该处防渗帷幕阻水效果不好。

图8 1号引水隧洞岔管段水道水位与渗压水头关系曲线

3.2.2 压力钢管段监测成果分析

由图9可知，1号引水隧洞与2号引水隧洞一样，压力钢管外渗压水头随着水道水位下降也有下降。分析原因是由于钢管段上 接混凝土岔管，岔管与钢管之间防渗帷幕阻水效果不好，岔管段的内水外渗至衬砌，衬砌处的外水通过帷幕渗透至钢管处造成。

图9 1号引水隧洞压力钢管段水道水位与渗压水头关系曲线

4 充水过程观测成果分析

4.1 2号引水隧洞充水过程渗压计观测成果分析

4.1.1 竖井段监测成果分析

由图10可知，2号引水隧洞充水过程与排水过程相反，当水道水位位于EL260.00m以下时，渗压水头上升缓慢；当水道水位上升至EL260.00m以上之后，渗压水头与水道水位的相关性则非常明显。说明竖井段内水外渗是客观存在的，但是由于内水外渗造成的渗压水头相对较小，说明竖井段的防渗效果较好。

图10 2号引水隧洞竖井段水道水位与渗压水头关系曲线

4.1.2 下平段监测成果分析

由图11可知，2号引水隧洞经过放空94小时后，Pp5渗压水头下降14.6m，Pp7渗压水头下降3.55m，与以上分析该处渗压计被混凝土包裹一致。随着水道水位的上升，两支渗压计测值没有明显变化。

图11 2号引水隧洞下平段水道水位与渗压水头关系曲线

4.1.3 引水岔管段监测成果分析

由图12可知，2号引水隧洞充水过程岔管部位渗压水头与排水过程相反，其与水道水位相关性很好，当水道水位恢复至放空前高程时，岔管部位渗压计恢复至放空前水头。表明2号引水隧洞岔管段裂隙没有继续发育，经固结灌浆处理过的围岩能较好地承受较高的内水压力。

图12 2号引水隧洞岔管段水道水位与渗压水头关系曲线

4.1.4 压力钢管段监测成果分析

由图13可知，随着水道水位上升，钢管外渗压水头逐渐恢复至放空前。Pg3-1最大达到了77m。当水道水位处于保压状态时，钢管外渗压水头过程线有明显台阶状，说明岔管至钢管段水压力能很快地达到平衡状态，进一步说明岔管至钢管段帷幕灌浆阻水较差。

图13 2号引水隧洞压力钢管段水道水位与渗压水头关系曲线

4.2 1号引水隧洞排水过程渗压计观测成果分析

4.2.1 引水岔管段监测成果分析

与排水过程相反，岔管部位渗压水头与水道水位相关性很好，当水道水位恢复至放空前高程时，岔管部位渗压计恢复至放空前水头。由图14可知，当水道水位处于保压状态时，岔管部位渗压计测值有较明显的波动，这是由于内水稳定之后，该部位内水外渗和外水内渗交替进行，直到达到平衡状态。

图14 1号引水隧洞岔管段水道水位与渗压水头关系曲线

4.2.2 压力钢管段监测成果分析

由图15可知，随着水道水位上升，1号钢管外渗压水头逐步上升，当水道水位处于保压状态时，钢管外渗压水头没有明显台阶状。这是由于岔管段裂隙较为明显，岔管外很快达到饱和，导致岔管段渗压水头较大；同时岔管至钢管段帷幕防渗效果较好，岔管部位高水头持续作用在帷幕上，使钢管段渗压水头持续缓慢增加。

图15 1号引水隧洞压力钢管段水道水位与渗压水头关系曲线

5 山体地下水位观测成果分析

山体地下水位与水道水位过程线如图16所示，从图中可以看出，1号、2号引水隧洞充排水过程中，山体地下水位并不随水道水位下降而下降，表明隧洞与山体之间并无连通，两者没有相互渗漏。

图16 引水隧洞充排水期间水道水位与山体水位关系曲线

6 总 结

泰山抽水蓄能电站1号、2号引水隧洞充排水试验期间通过对监测数值的分析，在保证电站安全的前提下，高效及时解决了充排水过程中遇到的各种隐患，得出以下结论，供其他电站进行同类试验时参考。

a. 充排水过程，控制水道水位升降速率是保证充排水试验安全进行的关键。

b. 当内外水压差达到设计参考值时，应分析渗压计埋设断面处其他类型仪器，如：应变计、钢筋计和测缝计，通过其他仪器进一步分析各断面是否处于安全稳定状态。若各断面其他仪器测值正常，则可选定其他设计参考值来进行控制监测。

c. 通过内水外渗速率以及渗压水头过程线的波动性可以判断该断面裂隙发育情况，明确放空检查重点。

d. 岔管外围岩高压固结灌浆效果较好，在岔管段裂隙发育时，起到了很好的承载和防渗作用。

邹仕鑫. 仙游抽水蓄能电站2号引水隧洞充排水试验实测数据分析[J]. 中国水能及电气化, 2014(2)： 48-52.

Analysisonthemeasureddataofwaterfillinganddrainageexperimentosmometerinthewaterdiversiontunnel

LIU Yufu, LI Shulin, ZHANG Jie

(ZhejiangHuadongEngineeringSafetyTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou310014,China)

Water filling and draining experiment is one of the important means of safety inspection of water diversion tunnels. Through analyzing the osmometer data of water filling and draining experiment in No. 1 and No. 2 water diversion tunnel of Taishan pumped storage power plant, surrounding rock bearing during internal water outward seepage, lining bearing during external water inward seepage, seepage rate and lining crack development relations in high pressure tunnels are studied. The results show that the internal water pressure can be carried by the surrounding rock of consolidation grouting during internal water outward seepage. Meanwhile, the surrounding rock can resist infiltration of groundwater. The security situation of the water diversion tunnel can be found through the analysis of the osmometer data of water filling and drainage experiment, which has certain reference effect on the improvement design and construction guidance.

water filling and drainage; osmometer; internal and external water pressure difference; design reference value

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.013

TV698.1+2

B

1005-4774(2017)010-0052-05