超高水头钢筋混凝土水道充、排水试验方法探讨

饶柏京，马秀玲，贺高年，陈 涵

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

抽水蓄能电站输水系统在进行阶段性验收之后、机组启动前，应通过水道系统充排水试验，水道系统充水、排水试验是加载、卸载、检查、监测、发现问题和处理问题的过程，是对输水系统安全运行的第一次检验。

现有技术规程要求，充水时先进行尾水系统充水，经尾水系统充水并检查确认尾水系统结构、堵头、检修闸门及尾水事故闸门等没有问题，再进行机组段充水，充水后检查确认厂房尾水管、导水叶等没有问题，可正常运行后，方可实施引水系统充水。[1]

阳江抽水蓄能电站下平洞和岔管段静水压力799 m，上水库与下平洞高差大达730 m，单级竖井高差达350 m，充水试验难度超出现有工程经验[2-5]，常规输水系统充水方案存在水体因落差大、自重加速度带来的高流速水流对下平洞混凝土衬砌结构破坏问题[6]，以及下平洞未提前形成渗流场，在引水系统充水期间因充水速率出现衬砌裂缝不可控等问题[7-11]。在现有工程经验及规程基础上，设计需采取相应的工程应对措施。

2 输水系统及充水、排水设施布置

2.1 输水系统布置

阳江抽水蓄能电站(以下简称“阳蓄”)水道全长为3 619 m。其中，引水系统长为2 213 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)、引水岔管、引水支管、施工支洞堵头等组成，水道最大静水头为798.7 m。引水隧洞内径均为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 m。引水支管内径为2.3～3.0 m，采用600 MPa级高强钢板内衬，钢板厚44～85 mm。上游调压井升管和大井内径分别为7.5 m、16 m，衬砌厚0.6 m。尾水系统长为1 319 m，由尾水支管、尾水岔管、尾水调压井、尾水隧洞、下库进出水口、施工支洞堵头等组成，水道最大静水头为135 m。尾水隧洞内径为7.5 m。尾水隧洞和尾水岔管采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为0.6 m；尾水支管内径为4.5 m，采用Q345D钢板内衬，钢板厚26～30 mm；尾水调压井升管和大井内径分别为7.5 m、16 m，衬砌厚0.6 m。

2.2 充水、排水设施

1)充水设施

① 上库进出水口事故检修闸门充水阀(直径为200 mm、2个)[12-13]；

② 下库进出水口检修闸门充水阀(直径为200 mm、2个)[12-13]；

充水阀流量与开度关系曲线见图1。

图1 充水阀流量与开度关系曲线示意

③ 尾水事故闸门旁通阀(直径为300 mm，节流孔径为100 mm，每扇闸门1个)。

2)排水设施

① 2#施工支洞排水管(DN200 mm、2条，排向中平洞)；

② 进水球阀前排水管(DN200 mm，排向尾水管)；

③ 尾水管检修排水设备(每个尾水管的检修排水管上设2台DN400检修排水球阀，4台检修泵，通过两条埋设在尾水隧洞的DN600排水管直接抽排至下水库)；

水道纵剖面及充水、排水设施示意图见图2。

图2 水道纵剖面及充水、排水设施示意

3 充水试验方案

3.1 充水水位上升速率控制

1)考虑到上下竖井高差较大，充水速率控制在3 m/h，其余部位控制在4 m/h内。

2)充水时结合水道布置的特点，按照水头段分级，确定稳压次序和时间，或采用小流量缓慢充水代替稳压。原则上，尾水系统充水过程中不设置稳压时间，引水系统的上、下竖井段水头变幅大，充水过程中需设置24～48 h的稳压时间或采用小流量缓慢充水代替稳压，小流量缓慢充水的总用时不少于采用分级稳压方式充水的总用时。

3)尾水隧洞水量较大、水位升幅不大，充水时按700～1 500 m3/h大流量控制，水位上升速率为2.56～3.46 m/h。

4)下平洞、引水岔管、引水支管水量约21 886 m3，水位升幅小(约35.6 m)，充水时按1 600 m3/h大流量控制，水位上升速率为2.60 m/h。

5)上、下竖井水量少，水位升幅大(最大约353 m)，充水时按130 m3/h小流量控制，水位上升速率小于3 m/h。

6)充水时应实时监测充水水量以计算实际流量，再根据水位上升速率控制要求及有关仪器监测情况调整充水阀的开度。

3.2 充水程序

1)尾水系统充水程序

尾水系统充水按以下4个阶段进行：

① 尾水岔管、尾水支管(尾闸下游侧)充水；

② 尾水隧洞、尾水调压井(63.479 m高程以下)充水；

③ 下库闸门井通气孔、尾水调压井(63.479 m高程以上)充水；

④ 1#尾水支管(尾闸上游侧)充水[14]。

第①～③阶段均利用下库进出水口闸门上的充水阀(2×∅200)充水；第④阶段利用1#尾水事故闸门旁通阀(∅300)向尾水支管(尾闸上游侧)充水。

充水时应有专人监测各个排气阀的状态，充水时排气阀开启，排完气后应关上，以免漏水。

2)引水系统充水程序

为解决上水库与下平洞高差较大，水体自重加速度对下平洞混凝土结构破坏问题，引水系统充水程序调整为：引水系统充水首先利用尾水进行反向充水，先充下竖井，充至一定高程形成水垫(引水系统充水仿真示意见图3)，再利用上库进出水口闸门上的充水阀进行整个引水系统的充水。反充水的临时管路是从2#机侧消防取水管滤水器前DN350检修蝶阀接到进水阀前压力钢管的DN200排水管的球阀之下，这种充水程序可在尾水系统充水期间，对下平洞提前充水，既缓解了引水系统充水周期较长的问题，也在下平洞钢筋砼区域提前形成初始渗流场，对后期引水系统充水提供安全保障。

图3 引水系统充水仿真示意

充水时应有专人监测各个排气阀的状态，充水时排气阀开启，排完气后应关上，以免漏水。

引水系统充水按以下6个阶段进行：

① 拆掉1#机压力钢管排水管的消能器，换成配套的短管，打开进水阀前压力钢管排水管上的球阀，利用反充水的临时管路，从2#机侧消防取水管充水至下平洞20 m高程；

② 下竖井▽20 m以上充水；

③ 中平洞充水；

④ 上竖井充水；

⑤ 上库闸门井后上平洞、上游调压井(733.909 m高程以下)充水；

⑥ 上库闸门井通气孔、上游调压井(733.909 m高程以上)充水。

引水系统充水方案利用尾水先充下平洞及下竖井下部分，充到20 m高程后，再利用上库进出水口闸门上的充水阀(2×∅200)充水。

4 排水试验方案

4.1 排水水位上升速率控制

1)输水系统最大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；

2)上、下竖井水量少、水位降幅大(最大约353 m)，排水时严格控制排水流量，水位下降速率控制小于3 m/h。

3)下平洞、引水岔管、引水支管水量约21 886 m3，水位低，排水速度慢，为便于及时进入洞内检查，排水时尽量全部开启可用的排水设施排水，加快排水速度。

4)尾水隧洞水量较大、水位降幅不大，为便于及时进入洞内检查，排水时宜尽量开启多台检修排水泵，加快排水，但确保水位下降速率不超过4 m/h。

5)输水系统其他部位水量较大、水位降幅不大，根据不同的水头和排水途径控制排水流量和水位下降速率。

6)输水系统最大内、外水压力差控制(即外水压力值-内水压力值)：

① 上竖井至中平洞：压力差不大于197 m；

② 下竖井至引水岔管：压力差不大于325 m；

③ 引水钢支管：压力差不大于226 m；

④ 尾水钢支管：尾水闸门上游侧压力差不大于41 m，尾水闸门下游侧压力差不大于68 m；

⑤ 排水时应实时监测排水流量以计算实际流量，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。

4.2 排水程序

1)引水系统排水程序

引水系统排水按以下6个阶段进行：

① 上库闸门井通气孔、上游调压井(733.909 m高程以上)排水；

② 上库闸门井后上平洞、上游调压井(733.909 m高程以下)排水；

③ 上竖井排水；

④ 中平洞排水；

⑤ 下竖井排水；

⑥ 下平洞、引水岔管、引水支管排水。

引水系统第①～④阶段利用2#施工支洞排水管排水，第⑤～⑥阶段利用1#进水球阀前排水管排水至尾水管，经尾水隧洞流入下库，排至下竖井水位与下库水位持平后，就需要利用检修排水泵进行排水。

2)尾水系统排水程序

尾水系统排水按以下3个阶段进行：

① 下库闸门井通气孔、尾水调压井(63.479 m高程以上)排水；

② 尾水隧洞、尾水调压井(63.479 m高程以下)排水；

③ 尾水岔管、尾水支管排水。

尾水系统排水是打开1#尾水管的2台DN400检修排水球阀，再利用4台检修水泵直接抽排至下水库，当检修水泵自动停泵后，手动打开管廊道的2台DN200的闸阀，将剩余水体排至集水廊道[15]。

5 试验实施情况

引水道充水时段为2021年11月02日至2021年11月21日，充水试验主要包括3个阶段：水道反充水至下平洞20高程→稳压8 h→充水至上竖井484高程→稳压24 h→充水至上竖井584高程→稳压24 h→充水至上竖井684高程→稳压48 h→充水至上竖井684高程→稳压48 h(充水结束)。

尾水道充水时段为2021年10月20日至2021年10月22日，尾水道充水过程中不设置稳压时间。

1)钢筋应力

下平洞设置了4个监测断面，由于高压灌浆预压应力影响，冲水完成后其他断面钢筋应力均处于压应力状态，1-1断面(f751断层位置)钢筋最大拉应力也不足100 MPa；高压岔管主管设置3个监测断面，1-1断面(位于1#机岔口位置)钢筋应力变化介于21.84～205.22 MPa，其余两个断面钢筋最大拉应力不足130 MPa(见图4)。

图4 高压岔管、下平洞钢筋计变化过程线

其余部位钢筋计拉应力值均偏小，钢筋应力值均满足设计要求[16]。

2)渗透压力

引水系统充水过程中，灌浆帷幕上游埋设的渗压计普遍在充水水头达到150 m左右，渗压值开始上升，但总体上升幅度不大，不足50 m。灌浆帷幕下游埋设的渗压计读数无明显变化，但总体上所有渗压计读数，除4#施工堵头外均较小，最大读数不超过160 m。4#堵头渗流通道通过灌浆封堵后，渗压计读数也逐渐回落(见图5～图6所示)。

图5 灌浆帷幕上游典型位置渗压计变化过程线(PD01探洞位置)

图6 灌浆帷幕下游典型位置渗压计变化过程线(PD01-4支探洞位置)

综合来看，阳蓄电站引水水道充水及稳压过程中，围岩及水工结构等部位安装的安全监测仪器测值变化规律正常，在设计要求的范围内，反映引水水道能够在800 m静水头条件下安全运行。

6 结语

抽水蓄能电站超高水头钢筋混凝土水道，引水系统充水方案建议采用尾水进行反向充水，设置反充水的临时管路，从机组侧公共消防取水管滤水器前蝶阀处，接至机组进水阀前DN200压力钢管排水管球阀后，先充下平洞，充至一定高程形成水垫，再利用上库进出水口闸门上的充水阀进行整个引水系统充水的程序，既避免了高速水流对混凝土衬砌的破坏，也缩短了引水系统充水周期，并提前形成了下平洞渗流场。同时减缓竖井或斜井充排水速率，通过以上措施解决了超高水头引水道充水方案设计难点。

2021年11月阳蓄输水系统充水试验顺利进行并一次成功，也验证了充水方案的合理性。