辛克雷水电站高压隧洞充排水实践及监测资料分析

吴建军，梁春光，刘思源

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003）

0 前 言

厄瓜多尔科卡科多—辛克雷水电站（以下简称“CCS水电站”）为引水冲击式电站，是厄瓜多尔最大的水电站，装机容量1500MW，年发电量2.44×103kW·h，可满足该国1／3人口的电力需求。

电站设计采用欧美标准，与中国规范在诸多方面存在差异，特别是高压隧洞透水设计方面的差异较大。通过CCS电站高压隧洞的实践，有利于中国高压隧洞设计经验的宣传与推广，为今后海外水电项目的设计积累了可借鉴的经验，也有利于中国规范的推广应用［1］。

水电站引水发电系统由于地质条件复杂，工作水头高，规范标准的差异，工程建设难度巨大。投入运行前进行系统的充排水试验，检验结构安全、渗漏水情况、各项内部监测仪器，水道系统质量及运行操作的可靠性，对整体施工质量的保证和既定功能的实现有重要意义［2］。同时，充排水试验过程以高压隧洞渗水量、充排水的速率、衬砌内外压差及混凝土、钢筋应力作为控制标准，充排水流程的合理性以及充排水过程中水位上升与下降速度对电站运行具有重要的指导意义。

1 引水发电系统布置

CCS水电站主要由首部枢纽、输水隧洞、调节水库、压力管道和地下厂房组成，采用两洞8机布置，压力管道共有2条［3］。2条压力管道均由调蓄水库进水口、引水隧洞（上平洞、竖井、下平洞）、引水岔管、引水支管、施工支洞堵头等组成，隧洞最大静水头617.50m，考虑水锤压力最大水头683.00m。隧洞最大埋深683.00m，除2号隧洞上弯段为钢衬砌以外，2条隧洞从进口至下平段前半段为混凝土衬砌段，管径5.8m，衬砌厚度0.6m，下平段后半段至厂房均为钢衬砌段，采用高强钢板内衬。钢衬主管段衬砌半径为5.2m，钢板厚为72mm；岔管后引水支管内径为2.6m，钢板厚38mm。1号隧洞全长2083.00m，其中混凝土衬砌段长1449.42m，钢衬段长633.87m；2号隧洞全长2163.81m，其中混凝土衬砌段长1270.42m，钢衬段长893.39m。1号隧洞储水量47835.0m3，2号隧洞储水量49703.9m3。其压力管道布置如图1所示。

图1 压力管道布置示意（单位：m）

2 充排水控制标准

充排水过程以高压管道渗水量、充排水的速率、衬砌内外压差及混凝土、钢筋应力作为控制标准。

2.1 渗水量控制标准

根据CCS电站隧洞的地质条件，结合计算情况，确定隧洞的渗水量70L／s，同时对地下厂房区域、压力洞地表相关沟渠的水量及情况进行观察，出现异常情况，由各方共同研究分析，确定是否继续充水。

2.2 充排水速率控制标准

结合国内外高压隧洞充排水的经验，考虑各种工况衬砌受力情况，确定充水、排水的速率。由于上平段、下平段水头很小，主要是控制竖井段的升降速度。同时考虑2号隧洞上弯段钢衬及竖井塌方段的情况，应适当降低充排水的速率，以确保结构的安全。

2.3 衬砌内外压差、应力、钢筋应力控制标准

充排水过程中，根据设计计算情况，确定各种工况下各监测断面的衬砌内外压差、应力、钢筋应力限值，并以其作为控制标准。

3 充排水技术要求

CCS水电站隧洞较长，具有洞径大、水头高的特点，隧洞的充排水对隧洞衬砌结构、围岩等均有较大影响，为检验水道系统土建结构安全、渗漏水情况、各项内部监测仪器、水道系统质量及运行操作的可靠性，必须制定详细的充排水技术要求，并严格执行。充水过程中如出现结构发生严重破坏、设备严重受损事态有可能进一步扩大的异常状况，需要启动紧急排水方案，对压力管道进行放空，同时需要分析事故原因，并及时处理［4-5］。

充排水期间同步开展常规及特殊情况下的巡视检查及观测工作，对监测系统和所有观测设施进行检查、维护、矫正、更新、补充、完善，整理编写监测资料、监测报告以及建立监测技术档案。

本工程布设的所有监测设施从埋设安装后，均需按规定的施工期观测频次持续进行观测。由于充排水试验时接近正常运行工况，与充排水相关的建筑物还需增加观测频次进行重点监测，以便及时掌握监测对象测值变化及异常情况。

3.1 充水要求

压力管道充水前，应关闭所有排水管阀门，提前检查、清理上平洞、下平洞至工程验收标准。对压力管道进口事故闸门充水阀及闸门进行检查，确认充水阀及闸门能正常启闭。压力管道充水时可采用进水口闸门充水阀或水泵抽水充水的方式［6］，根据球阀上游的压力表控制管内上升水位。

充水水位上升速率控制要求：压力管道竖井充水速率宜控制在5～10m／h内。压力表记录水压进行控制，以确定充水的时间及顺序，以便于将速度控制在5～10m／h。根据时间来控制，用水泵调节流量和速度。原则上，下平洞充水过程中不设置稳压时间，引水道的竖井段水头变幅大，充水过程中需设置不小于24h的稳压时间。

一般100m稳压一次，1050m高程以下每100m稳压24h，1050m高程以上每50m稳压36h。下平洞、引水岔管、引水支管水量约14268m3，水位升幅小（约20m），采用充水阀充水，按最大流量3706 m3／h控制。竖井水量少，水位升幅大（最大约474 m），高程EL850m以下采用充水阀充水，高程850～1050m存在塌腔段，为严格控制充水速率，采用水泵抽水，高程1050m以上采用充水阀充水。上平洞水量较大、水位升幅不大（约54.5m），开启进口事故闸门充水阀充水，充水时按充水阀最大流量3 706m3／h控制。

3.2 排水要求

水道系统最大排水速率2～4m／h；进水塔内水量262m3，水位降幅约5.6m，排水流量Q为130～180m3／h，水位下降速率为1.24～4m／h。上平洞内水量20351m3，水位降幅约57.4m，排水流量Q为600～1400m3／h，水位下降速率为1.69～4m／h。竖井内水量少、水位降幅大（最大约538m），排水时严格控制排水流量，排水流量Q为53～100m3／h，水位下降的速率控制在2～2.5m／h。下弯段水量为846m3，排水速率2m／h；下平洞、引水岔管、引水支管水量约14323m3，排水速率2.6m／h。充排水过程中，应及时记录上平洞、竖井、下平洞、钢衬等部位的衬砌内外水头差，发生异常应及时处理。排水时应对排水流量进行实时监测以便计算实际流量，再根据水位下降速率控制及有关仪器监测情况调整排水阀的开度［7］。

下平洞、引水岔管、引水支管水位低，排水速度慢，为便于及时进入洞内检查，加快排水速度，排水时可开启球阀旁通管进行平压，喷嘴折向器投入，处于挡水位置，然后打开喷嘴，从机组过流排至尾水支洞。在泄放流量时，必须将开启的喷针所对应的折向器投入，使水流偏离转轮，避免转轮被水流冲去，造成机组转动。

4 充排水实施情况

两条压力管道的充排水要求及实施情况基本相同，下面以2号隧洞为例，介绍充排水的实施情况。

2号隧洞排水从2021年5月3日开始至2021年5月28日结束，历时25d。充水从2021年10月26日开始，2021年11月10日结束，历时15d。压力管道放空和充水过程如图2所示。

图2 压力管道放空和充水过程示意

实施过程中，根据压力洞布置的9个监测断面数据，分析隧洞的受力情况，对隧洞结构安全性作出实时评价，以确定充排水是否正常进行。

5 监测结果和分析

5.1 监测设备布设情况

压力管道的监测主要包括安全监测、充水过程中的水位水压监测和建筑物渗水量监测［8］。压力管道布置9个断面的应力应变计、渗透计、锚杆应力计、测缝计、多点位移计、锚杆应力计等监测仪器，试验过程中开展实时的监测分析。除充排水期间主要监测设备每天监测1～2次，充水前、放空后，每周监测1次，竖井塌腔部位每上升20m观测1次，稳压期每6h观测1次，充水完成稳压期间每12h观测1次。测值稳定后，恢复到正常观测频次。

上平洞和下平洞和竖井段典型监测断面情况如图3～4所示。

图3 上平洞和下平洞典型监测断面示意

图4 竖井段典型监测断面示意

5.2 监测情况

5.2.1 渗水情况

2号隧洞排水期渗水量减少2.16L／s，充水期渗水量增加0.72L／s，即2号隧洞充排水完成后渗水量减少1.44L／s。量水堰测量同时也对重点部位进行巡视检查，未发现新的渗水点，上下层排水廊道渗流量正常，排水系统通畅，渗水中未发现细沙或浑浊物，也未发现岩壁掉碴等异常现象。

充排水对厂房上游墙渗漏水量影响很小，排水前监测部位合计流量仅为15.65L／s，远小于设计计算70.0L／s排水量。说明高压固结灌浆的效果较好，有效地防止了大量的内水外渗。

同时通过对地表沟槽水量的观察，未见有浑浊、排水量明显增大等异常情况。

5.2.2 渗透压力情况

整个充排水期间，上平段孔隙水位变化仅有±1.0m。初步分析认为有以下几个原因：（1）电站地处湿热雨林地带，降雨频繁、雨量充沛，植被茂密、覆盖层深厚；（2）上平洞部位地质条件较好，多为Ⅱ、Ⅲ类围岩；（3）上平段管道混凝土结构采用限裂设计，衬砌质量以及灌浆质量良好，内水对外水几乎没有影响。

至充水前，下平段B0＋824m处孔隙水位最高982.0m，该处管道底部高程627.0m，即该部位水头355.0m，小于排水方案中的限值387.88m；B0＋926处孔隙水位最高674.4m，该处管道底部高程626.0m，即该部位水头48.4m；B1＋174m处孔隙水位最高673.2m，该处管道底部高程614.5m，即该部位水头58.7m，均远小于限值。衬砌外渗压水头未超过设计控制的387.88m的限值。

5.2.3 衬砌应力、钢筋应力

根据监测数据，充排水期间衬砌应变、钢筋计、锚杆计观测数据如表1、表2所示。

表1 排水期观测结果

表2 充水期观测结果

排水期，B0＋824m处管道混凝土结构累计应变-359.60～-230.90με，均值累计减小299.96με；B0＋824m处管道与围岩间缝面开合累计变化：-0.17～0.66mm，均值累计增加0.12mm；B1＋175m处锚杆应力累计变化：-0.72～11.45MPa，均值累计增加5.05MPa；B1＋175m处围岩变形累计变化0.05～0.40mm，均值增加0.24mm。

充水期，B0＋824m处钢筋应力累计变化42.00～60.94MPa，均值累计增加50.25MPa；B0＋824m处管道混凝土结构累计应变189.30～297.80με，均值累计增加246.40με；B0＋824m处管道与围岩间缝面开合累计变化-0.74～0.12mm，均值累计减小0.10mm；B1＋175m处锚杆应力累计变化-12.64～-5.92MPa，均值累计减小7.82MPa；B1＋175m处围岩变形累计变化-0.21～0.01mm，均值减小0.12mm。

根据计算分析［9］，施工期围岩各断面围岩最大变形2.810～11.473mm，排水期下平段衬砌压应力为18.85～25.69MPa，运行期钢筋应力45.7～105.0MPa。结合现场实际检测，围岩变形累计变化0.20～6.07mm，远小于设计值。衬砌压应力7.0～11.8MPa也处于较低水平。钢筋应力监测结果12.25～47.42MPa，与计算结果比较接近。从接缝监测情况看，无论排水还是充水阶段各部位测值变化都很小，反应出该部位围岩稳定性良好，同时也说明灌浆和喷锚支护等质量都是有保证的。锚筋应力计测值较小的原因，是由于施工过程中增加防水膜的影响。设置防水膜一方面方便了施工，也一定程度上给混凝土衬砌变形的空间，有利于衬砌的变形开裂。从混凝土应力、钢筋应力情况来看，混凝土衬砌的透水效果比较明显，很大程度上减小了衬砌承担的荷载，与计算的情况比较接近。通过监测资料可以看出，1号隧洞运行对2号隧洞的状态影响较小，说明两洞间距足够安全。

6 结 语

通过历时25d的排水和15d的充水实践，对高压隧洞进行验证，经现场检查、监测资料分析，CCS电站隧洞无论是渗水量、钢筋应力、混凝土应力等，均符合设计计算情况。

（1）2号隧洞排水期渗水量减少2.16L／s，充水期渗水量增加0.72L／s，即2号隧洞充排水完成后渗水量减少1.44L／s，上下层排水廊道渗流量正常，排水系统通畅，渗水中未发现细沙或浑浊物，也未发现岩壁掉碴等异常现象；

（2）整个充排水期间上平段孔隙水位变化仅±1.0m，上平段管道砼结构采用限裂设计，衬砌质量以及灌浆质量良好，内水对外水几乎没有影响；至充水前，下平段B0＋824m、B0＋926m、B1＋174m处水头355.0m、48.4m、58.7m，衬砌外渗压水头未超过设计控制的387.88m的限值；

（3）围岩变形累计变化0.20～6.07mm，衬砌压应力7.0～11.8MPa，钢筋应力监测结果12.25～47.42MPa，均符合设计计算情况。锚筋应力计测值较小的原因，是由于施工过程中防水膜的设置，既方便施工，也在一定程度上给混凝土衬砌变形的空间，有利于衬砌的变形开裂；

（4）从接缝监测情况看，无论排水还是充水阶段各部位测值变化都很小，反应出该部位围岩稳定性良好，同时也说明灌浆和喷锚支护等质量都是有保证的。

本工程引水发电系统充排水总体计划通过合理的安排，并紧密结合工程实际情况，达到了检验工程施工质量和为电站运行提供参考依据的目的，可为今后国内、国际类似工程提供参考，也为高压隧洞在透水设计理论方面的发展提供了可借鉴的经验。