抽水蓄能電站引水系統充排水試驗監測成果分析

沈 慧，孔 松，胡 波，單海年

[南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇省南京市 211106]

0 引言

充排水試驗是抽水蓄能電站輸水系統正式運行前的第一次受荷試驗，原型監測必不可少。通過監測資料可反映結構性態變化，為了解施工質量，查找異常情況提供數據支撐，是電站可靠運行的重要保證。

抽水蓄能電站一般水頭較高，輸水管道長，且多采用地下隧洞的布置型式，對地質條件有較高要求。水道系統中的下平段高壓岔管部位水頭最大，且岔管結構相對復雜[1]。在第一次受荷試驗中，岔管部位的結構性態與普通低水頭或普通圓形隧洞斷面相比，更為復雜。

本文以某抽水蓄能電站為例，研究充、排水試驗中引水隧洞圍巖變形、支護應力、滲透壓力等監測項目的變化規律，并結合國內其他工程充排水試驗期間監測成果，對影響因素進行分析，可為同類工程設計、施工及資料分析提供參考。

1 工程概況及監測情況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、發電廠房及下水庫等4部分組成。電站安裝6臺單機容量250MW的可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量1500MW。

輸水系統布置在上水庫左側，兩條輸水隧洞采用一洞三機供水方式。單條輸水隧洞總長度為1969.1～2153.3m。高壓管道內水壓力可高達近4MPa。

兩條引水隧洞由引水主洞、引水岔管、引水支洞等組成，引水隧洞全段采用鋼板襯砌，外包0.6～0.7m厚素混凝土。主管鋼襯洞徑均為9.2m，以下部位洞徑漸變為8.1、7.0、4.0m。

每條引水主洞經兩個對稱Y形岔管與引水支洞相連。引水岔管的主管直徑為7.0、5.7m，支管直徑5.7、4.0m，管壁采用800MPa級高強鋼材，每條引水主洞兩個岔管之間的連接段管壁采用600MPa鋼材。

為降低豎井及下平段鋼管的外水壓力，在高程-27m和高程68m設置了兩層排水洞[2]。

①號引水主洞共計布設5個監測斷面，主要監測項目有滲透壓力、錨桿應力、圍巖變形、結合縫變形、鋼板應力、鋼筋應力、混凝土應力。主要監測布置如圖1～圖2所示。

2 充排水試驗過程

2016年5月9日15時，開始1號引水系統充水，初始水位-69.35m，5月29日8時，1號引水系統充水至254m高程，充水歷時19天17小時；2016年7月31日9時，開始1號引水系統排水試驗，8月20日18時，排除引水系統下平段內蓄水，排水歷時約20天。充排水試驗過程見表1。

圖1 ①號引水主洞斷面布置示意圖Fig．1 Lay-out drawing of diversion tunnel①

圖2 ①號引水岔洞A3斷面布置示意圖Fig．2 Lay-out drawing of A3 Section of diversion tunnel①

表1 充排水試驗過程Tab.1 Process of charge and drainage test

3 監測成果分析

3.1 圍巖變形

采用多點位移計監測引水洞不同深度處的圍巖變形。從監測成果來看，多數斷面圍巖變形與充、排水過程有明顯相關性，充水期整體呈壓縮狀變化，排水期呈拉伸狀變化，如圖3所示。充水后位移最大變幅0.85mm，出現在引水洞上平洞段。

3.2 結合縫變形

結合縫采用測縫計觀測，各斷面分別監測鋼襯和混凝土襯砌之間的結合縫，以及混凝土襯砌和圍巖間的結合縫。充排水期間，各縫隙變化量以岔管部位變化較明顯，充水期間，鋼襯結合縫整體呈閉合狀變化，岔管頂拱兩支儀器變化大于兩腰，最大壓縮變化量-1.22mm；排水試驗期間，鋼襯結合縫呈張開變化，且仍為頂拱兩支儀器變化大于兩腰，最大張開變化量0.97mm，如圖4所示。

襯砌混凝土與圍巖結合縫變化量較小，少數測點與充排水有相關性，如a2斷面頂拱，充水后縫隙閉合，變化量為-0.26mm。

圖3 圍巖變形與充水水位過程線Fig．3 Time-history of displacement of surrounding rock and water level

圖4 鋼襯與混凝土襯砌結合縫與充水水位過程線Fig．4 Time-history of joint deformation between steel and concrete lining and waterlevel

3.3 錨桿應力

采用錨桿應力計監測錨桿應力。分別在頂拱、兩腰及45°方向布置錨桿應力計。多數錨桿應力與充排水水位相關性明顯，充水期，錨桿應力向受壓方向變化，排水期錨桿應力向受拉方向變化，如圖5所示。充水期間，各斷面應力最大變化量在-34.95～-72.61MPa，最大變化位于a2斷面左側45°測點，排水期間各斷面應力最大變化量在34.36～88.11MPa，充排水應力變幅基本相當，說明錨桿應力在彈性范圍變化。

3.4 鋼襯應力

采用鋼板計監測鋼襯應力。監測結果表明，鋼襯應力受充排水影響明顯。充水時，當水位到達相應斷面時，該斷面的鋼襯應力顯著增大，由于溫度變化量很小，因此鋼板應力主要受水壓影響；排水時，鋼襯應力減小，直至水位降低至斷面以下。充水期，各斷面鋼襯應力變幅在32.49～315.93MPa，排水期，應力變幅在-32.94～-366.34MPa，充排水鋼襯應力變化量值基本相當，說明鋼板處于彈性變化狀態，而且應力水平遠低于鋼板屈服強度。①號引水岔管月牙肋部位的鋼襯應力最大，應該是由于岔管的結構較為復雜之故，如圖6所示。另外，由于①號引水大岔在混凝土回填前未進行壓力試驗（②號引水大岔進行壓力試驗），致使該部位鋼襯充水期間應力變化相較②引水大岔偏大（②號引水大岔充排水期間拉應力最大增長值為76.82MPa），可能是應力變化偏大的主因。

3.5 滲透壓力

采用滲壓計監測①號引水洞外水壓力。監測結果表明，在充排水期間各滲壓計基本沒有變化，未見明顯滲漏。

圖5 錨桿應力與充水水位過程線Fig．5 Time-history of bolt stress and water level

圖6 月牙肋鋼板應力與充水水位過程線Fig．6 Time-history of steel plate stress and water level

4 工程對比

表2列舉了國內其他兩個抽水蓄能電站引水道充排水試驗期間監測數據，并與某抽水蓄能電站（抽蓄乙）進行比較。從各項監測成果統計來看，充水后，大部分監測量有不同程度的反應，變化量則與地質條件、洞室結構、襯砌形式和厚度、水頭增長幅度均有關系。由于各工程水文地質條件、工程特點、結構布置均不相同，而監測成果是上述因素的綜合反映，在量值上不便直接對比，但總體來看有以下共同點：鋼板應力均以岔管部位最大，尤其是月牙肋部位。說明岔管結構復雜，充水后易產生應力集中。從滲透壓力來看，有鋼板襯砌的洞段都沒有發生滲漏；沒有鋼板襯砌的洞段，由于混凝土襯砌按照允許開裂設計，均存在內水外滲現象。圍巖與襯砌結合縫以及圍巖內部變形在水位升高時，呈現壓縮變形，結合縫變形量略大于圍巖內部變形量。3個工程中，抽蓄乙水頭增幅最低，但圍巖變形、接縫變形、支護應力變化量均較其他兩個工程大，這應該與抽蓄乙引水隧洞段圍巖地質條件較差（Ⅳ～Ⅴ類圍巖）有關。

表2 抽水蓄能電站充水試驗期間監測成果變化統計Tab.2 Statistics of monitoring results during charge test of Pumped Storage Power Station

5 結束語

（1）某抽水蓄能電站引水系統監測項目布置齊全，能夠綜合反映引水洞在充、排水期間的整體性狀。

（2）充、排水試驗期間，①號引水系統各監測量表現為互為相反的變化，且變化量級基本相當，表明①號引水系統基本處于彈性工作狀態，試驗期間整體性態正常。岔管部位結構較為復雜，充排水期間月牙肋鋼板應力變化顯著。

（3）各項監測成果的變化量與工程所處地質條件、洞室結構、襯砌形式和厚度、水頭增長幅度等因素有關。對比來看，某抽水蓄能電站充排水試驗期間圍巖變形、接縫變形、支護應力較其他工程略大，應該與該抽蓄引水隧洞段圍巖地質條件較差有關。

[1] 邱彬如，劉連希．抽水蓄能電站工程技術[M]．北京:中國電力出版社，2008．QIU Binru，LIU Lianxi．Engineering technology of pumped storage power station[M]．Beijing: China Electric Power Press，2008．

[2] 呂永航，方志勇．抽水蓄能電站施工技術[M] ．北京：中國水利水電出版社，2014．LV Yonghang，FANG Zhiyong．Construction technology of pumped storage power station[M]．Beijing: China Water & Power Press，2014．

[3] 何世海．浙江仙居抽水蓄能電站的工程條件和特點[C]．浙江抽水蓄能電站建設管理技術研討會，2005．HE Shihai．The engineering conditions and characteristics of the Xianju pumped storage power station in Zhejiang[C]．Zhejiang Pumped Storage Power Station Construction Management Technology Symposium，2005．

[4] 李文洪，張中平，朱孝松．黑麋峰抽水蓄能電站水工布置及主要技術特點[J]．水力發電，2010，36（7）:35-38．LI Wenhong，ZHANG zhongping，ZHU Xiaosong．Hydraulic structure layout and design of Heimifeng pumped-storage power station[J]．Hydroelectric Power，2010，36（7）:35-38．