长距离、大体积、有压输水隧洞充水试验研究

王 强

(黄河明珠水利水电建设有限公司，河南 三门峡 472000)

长距离、大体积、有压输水隧洞充水试验，是水电站、引水工程、泵站等水利工程运行管理中的一项重要操作。输水隧洞首次充水是对设计、施工成果的一项检验，同时也是发现问题、解决问题的一个过程[1]。目前，水利工程输水隧洞充水方式主要有旁通阀充水、闸门节间充水、小开度提门充水、门上设充水阀充水等。结合兰州市水源地建设工程项目取水口仅布置事故检修门的特点，首次充水采用小开度提门、控制取水口事故检修门启闭频次及提升高度的方式完成对充水时长、充水体积及稳压时间的控制[2]，并对存在的问题和积累的经验进行总结，旨在为我国长距离有压输水隧洞的设计、施工、充水试验及运行管理提供参考与借鉴。

1 工程概况

兰州市水源地建设工程项目是将刘家峡水库作为引水水源向兰州市供水。工程包括取水口、输水隧洞、分水井等。输水隧洞为压力引水隧洞，主要采用管片衬砌，全长31.57km，洞径4.6m，设计引水流量26.3m3/s，充水总量约为55万m3。输水隧洞取水口设置尺寸为4.6m×4.6m事故检修门， T16+160处设置通气井， T30+771.375处设置DN3000检修阀，末端设置分水井，分水井后设置彭家坪输水支线、芦家坪输水支线，分别向净水厂输送水源。兰州市水源地建设工程项目输水隧洞纵剖面如图1所示，高程采用大沽高程，单位为m。

图1 兰州市水源地建设工程项目输水隧洞纵剖面图

2 充水试验前的必备条件

输水隧洞充水试验前，需对充水过程中各项参数进行校核，同时对充水涉及的水工设备、输水隧洞进行试验和检查，检查项目符合规程、规范及设计要求，输水隧洞才可以充水。

2.1 充水参数校核

查阅国内外小开度提门充水案例，最高运用水头53m的广西岩滩电站右冲沙孔，事故闸门尺寸为2.8m×4.5m，较本项目小一半，且充水总量、充水总时长、启闭频次远远低于本项目。分析小开度提门运用工况，充水过程中需对闸门的开度进行精确控制。闸门开度如出现差异，将会导致门井喷水、水锤冲击闸门，或引发事故闸门振动、水工建筑物破坏等严重事故[3-4]，大伙房电站进口、三门峡泄洪隧洞进口闸门等在充水过程中，曾因控制不当，均出现过进口门井严重喷水现象，对设备、水工建筑物和操作人员的安全构成严重威胁。因此，对小开度提门充水参数的确定，是确保充水顺利进行的关键。

2.1.1 小开度提门启闭力计算

静水中启闭闸门的启闭力应包括主支承摩阻力、水封摩阻力、水柱重力。计算充水过程中在不同水位下的启闭力，以便在充水过程中予以参照。其中，闭门力计算结果为正时，需要加重(加重方式有加重快、水柱或机械下压力等)；为负值时，依靠自重可以关闭。

2.1.2 小开度提门充水孔口出流方式的确定及相关参数的计算

a.由小开度提门孔口大小与水头高度的比值可确定为小孔口出流：

表1 取水口事故检修门启闭力

式中：e为小开度充水提门孔高,m，通常取0.05～0.20m；H为充水水头,m，为30m。

b.由小开度提门充水孔口作用水头(或压力)的稳定情况，确定为恒定孔口出流。

c.由取水口事故检修门高程及输水隧洞高程变化、出口出流后的周围介质，确定为自由出流。

d.根据取水口事故检修门水流方式确定为薄壁孔口。

综上所述，取水口事故检修门在小开度提门充水孔口出流方式为薄壁小孔口恒定自由出流，孔口出流流量为

式中：μ为流量系数，取0.60～0.62；A为出流孔口面积，m2；H为充水水头，m；g为重力加速度，m/s2。

参照《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50628—2008)及设计要求，输水隧洞充水过程中，水柱上升速率不超过10m/h[5]，确定刘家峡库区水位在1730.00m、取水口事故检修门充水提升高度为0.05m时，孔口流速v为14.54m/s，流量Q为3.35m3/s。

2.2 取水口水工建筑物、机电设备检查

a.取水口土建工程、安全监测工程、金属结构设备、水力机械设备、消防系统、电气设备已达到充水要求。

b.取水口事故检修门孔口、拦污栅孔口等孔口安全围栏安装完成，设备设施孔洞封堵完成，楼梯栏杆安装完成，设备标牌、安全标志、警示标志等标识牌配备齐全。

c.充水期间取水口各处及对外通信畅通。

d.取水口启闭机操作人员明确充水总体安排。

e.取水口相关设备厂家已到达现场。

f.取水口各岗位人员责任已划分。

g.取水口处安全监测数据、液位均已正常显示。

h.取水口安全保证措施已落实到位。

i.应急预案已完善，所需设备、材料、人员已就位，并已进行演练。

2.3 输水隧洞水工建筑物、机电设备检查

a.输水隧洞土建工程、安全监测工程、水力机械设备已满足充水要求。

b.输水隧洞支洞排水通道、寺儿沟防洪渠、小金沟、芦家坪尾水渠等排水通道已做好安全警示标志，并已宣传到位，人员监护已安排到位。

c.输水隧洞巡回线路明确、通信畅通，能够准确、清晰地传达信息指令。

d.输水隧洞沿线监测数据均已显示正常。

e.输水隧洞充水安全保证措施已落实到位。

f.输水隧洞末端检修阀、放空阀所在位置正确。

g.应急预案已完善，所需设备、材料、人员已就位，并已进行演练。

3 充水过程

3.1 输水隧洞充水试验

输水隧洞充水试验采用小开度提门、分级充水、多次稳压的方式进行。充水过程根据水头变化分阶段进行，每一级充水达到预定水位后进行稳压观测。充水过程中将启闭机开度仪显示数值、载荷仪显示数值、钢丝绳状态及输水隧洞过流声音、事故检修门启闭力理论计算值作为依据，及时调整事故检修门状态。

兰州市水源地建设工程项目输水隧洞充水工作于2019年10月12日开始，2019年11月9日结束，历时30天。具体充水参数见表2。

表2 输水隧洞充水过程

3.2 充水试验的安全监测

充水试验安全监测主要是监测输水隧洞充水过程中应力应变状态及分水井水位变化情况，为输水隧洞分级充水、稳压及各工作面的组织协调提供决策信息。输水隧洞充水试运行期间应准确记录水工建筑物及输水隧洞的监测数据，分析建筑物在充水期间的工作状态，评价建筑物的安全性。

3.2.1 观测设备

输水隧洞沿线布置渗压计、锚杆测力计、钢筋计、应变计、无应力计、土压力计、多点位移计、测缝计等观测仪器，用以观察充水、稳压及后期正常运行时输水隧洞状态。

3.2.2 观测频次

充水试运行期间，应准确记录每个充水保压等级监测的初始值和最终值，充水过程前后各观测一次，稳压过程每8h向试运行领导小组汇报一次。

3.2.3 安全监测结果

在输水隧洞充水过程中，随着水位高程不短增加，渗压计、土压力计、钢筋计、应变计等监测设备随高程变化，测值与现场实际充水情况基本一致，未见异常突变，具体变化见图2。

图2 输水隧洞充水过程安全监测结果图

4 充水试验的问题与经验

4.1 小开度提门过程控制

输水隧洞正式充水前，取水口事故检修门启闭机仅完成空载条件下相关试验，额定工况下启闭机工作状态未知。在首次静水提门时出现启闭机开度仪显示值异常、载荷仪显示数值异常等情况。

在确保输水隧洞及水工建筑物安全的前提下，充水现场重新对启闭机设备进行检查、调整，校验钢丝绳收缩系数，设定提升限位，从而保证充水顺利进行。

4.2 输水隧洞充水过程控制

输水隧洞充水过程控制主要参照前期计算成果和充水期间监测数据，同时受提门孔高影响。在对启闭设备重新进行校验后，按照计算数据对充水过程进行控制，但实际充水量均小于计算值、计算充水时长均大于计算值。

5 结 语

兰州市水源地建设工程项目输水隧洞充水试验准备充分，组织协调有序，各参建方责任落实到位。通过对试验过程所取得的安全监测资料分析和对输水隧洞沿线检查结果表明，充水试验获得圆满成功，为后续的生产运行奠定了基础，同时对我国长距离、大体积、有压输水隧洞的设计、施工、充排水试验及运行管理有着较大的指导意义。