長距離、大體積、有壓輸水隧洞充水試驗研究

王 強

(黃河明珠水利水電建設有限公司，河南 三門峽 472000)

長距離、大體積、有壓輸水隧洞充水試驗，是水電站、引水工程、泵站等水利工程運行管理中的一項重要操作。輸水隧洞首次充水是對設計、施工成果的一項檢驗，同時也是發現問題、解決問題的一個過程[1]。目前，水利工程輸水隧洞充水方式主要有旁通閥充水、閘門節間充水、小開度提門充水、門上設充水閥充水等。結合蘭州市水源地建設工程項目取水口僅布置事故檢修門的特點，首次充水采用小開度提門、控制取水口事故檢修門啟閉頻次及提升高度的方式完成對充水時長、充水體積及穩壓時間的控制[2]，并對存在的問題和積累的經驗進行總結，旨在為我國長距離有壓輸水隧洞的設計、施工、充水試驗及運行管理提供參考與借鑒。

1 工程概況

蘭州市水源地建設工程項目是將劉家峽水庫作為引水水源向蘭州市供水。工程包括取水口、輸水隧洞、分水井等。輸水隧洞為壓力引水隧洞，主要采用管片襯砌，全長31.57km，洞徑4.6m，設計引水流量26.3m3/s，充水總量約為55萬m3。輸水隧洞取水口設置尺寸為4.6m×4.6m事故檢修門， T16+160處設置通氣井， T30+771.375處設置DN3000檢修閥，末端設置分水井，分水井后設置彭家坪輸水支線、蘆家坪輸水支線，分別向凈水廠輸送水源。蘭州市水源地建設工程項目輸水隧洞縱剖面如圖1所示，高程采用大沽高程，單位為m。

圖1 蘭州市水源地建設工程項目輸水隧洞縱剖面圖

2 充水試驗前的必備條件

輸水隧洞充水試驗前，需對充水過程中各項參數進行校核，同時對充水涉及的水工設備、輸水隧洞進行試驗和檢查，檢查項目符合規程、規范及設計要求，輸水隧洞才可以充水。

2.1 充水參數校核

查閱國內外小開度提門充水案例，最高運用水頭53m的廣西巖灘電站右沖沙孔，事故閘門尺寸為2.8m×4.5m，較本項目小一半，且充水總量、充水總時長、啟閉頻次遠遠低于本項目。分析小開度提門運用工況，充水過程中需對閘門的開度進行精確控制。閘門開度如出現差異，將會導致門井噴水、水錘沖擊閘門，或引發事故閘門振動、水工建筑物破壞等嚴重事故[3-4]，大伙房電站進口、三門峽泄洪隧洞進口閘門等在充水過程中，曾因控制不當，均出現過進口門井嚴重噴水現象，對設備、水工建筑物和操作人員的安全構成嚴重威脅。因此，對小開度提門充水參數的確定，是確保充水順利進行的關鍵。

2.1.1 小開度提門啟閉力計算

靜水中啟閉閘門的啟閉力應包括主支承摩阻力、水封摩阻力、水柱重力。計算充水過程中在不同水位下的啟閉力，以便在充水過程中予以參照。其中，閉門力計算結果為正時，需要加重(加重方式有加重快、水柱或機械下壓力等)；為負值時，依靠自重可以關閉。

2.1.2 小開度提門充水孔口出流方式的確定及相關參數的計算

a.由小開度提門孔口大小與水頭高度的比值可確定為小孔口出流：

表1 取水口事故檢修門啟閉力

式中：e為小開度充水提門孔高,m，通常取0.05～0.20m；H為充水水頭,m，為30m。

b.由小開度提門充水孔口作用水頭(或壓力)的穩定情況，確定為恒定孔口出流。

c.由取水口事故檢修門高程及輸水隧洞高程變化、出口出流后的周圍介質，確定為自由出流。

d.根據取水口事故檢修門水流方式確定為薄壁孔口。

綜上所述，取水口事故檢修門在小開度提門充水孔口出流方式為薄壁小孔口恒定自由出流，孔口出流流量為

式中：μ為流量系數，取0.60～0.62；A為出流孔口面積，m2；H為充水水頭，m；g為重力加速度，m/s2。

參照《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB 50628—2008)及設計要求，輸水隧洞充水過程中，水柱上升速率不超過10m/h[5]，確定劉家峽庫區水位在1730.00m、取水口事故檢修門充水提升高度為0.05m時，孔口流速v為14.54m/s，流量Q為3.35m3/s。

2.2 取水口水工建筑物、機電設備檢查

a.取水口土建工程、安全監測工程、金屬結構設備、水力機械設備、消防系統、電氣設備已達到充水要求。

b.取水口事故檢修門孔口、攔污柵孔口等孔口安全圍欄安裝完成，設備設施孔洞封堵完成，樓梯欄桿安裝完成，設備標牌、安全標志、警示標志等標識牌配備齊全。

c.充水期間取水口各處及對外通信暢通。

d.取水口啟閉機操作人員明確充水總體安排。

e.取水口相關設備廠家已到達現場。

f.取水口各崗位人員責任已劃分。

g.取水口處安全監測數據、液位均已正常顯示。

h.取水口安全保證措施已落實到位。

i.應急預案已完善，所需設備、材料、人員已就位，并已進行演練。

2.3 輸水隧洞水工建筑物、機電設備檢查

a.輸水隧洞土建工程、安全監測工程、水力機械設備已滿足充水要求。

b.輸水隧洞支洞排水通道、寺兒溝防洪渠、小金溝、蘆家坪尾水渠等排水通道已做好安全警示標志，并已宣傳到位，人員監護已安排到位。

c.輸水隧洞巡回線路明確、通信暢通，能夠準確、清晰地傳達信息指令。

d.輸水隧洞沿線監測數據均已顯示正常。

e.輸水隧洞充水安全保證措施已落實到位。

f.輸水隧洞末端檢修閥、放空閥所在位置正確。

g.應急預案已完善，所需設備、材料、人員已就位，并已進行演練。

3 充水過程

3.1 輸水隧洞充水試驗

輸水隧洞充水試驗采用小開度提門、分級充水、多次穩壓的方式進行。充水過程根據水頭變化分階段進行，每一級充水達到預定水位后進行穩壓觀測。充水過程中將啟閉機開度儀顯示數值、載荷儀顯示數值、鋼絲繩狀態及輸水隧洞過流聲音、事故檢修門啟閉力理論計算值作為依據，及時調整事故檢修門狀態。

蘭州市水源地建設工程項目輸水隧洞充水工作于2019年10月12日開始，2019年11月9日結束，歷時30天。具體充水參數見表2。

表2 輸水隧洞充水過程

3.2 充水試驗的安全監測

充水試驗安全監測主要是監測輸水隧洞充水過程中應力應變狀態及分水井水位變化情況，為輸水隧洞分級充水、穩壓及各工作面的組織協調提供決策信息。輸水隧洞充水試運行期間應準確記錄水工建筑物及輸水隧洞的監測數據，分析建筑物在充水期間的工作狀態，評價建筑物的安全性。

3.2.1 觀測設備

輸水隧洞沿線布置滲壓計、錨桿測力計、鋼筋計、應變計、無應力計、土壓力計、多點位移計、測縫計等觀測儀器，用以觀察充水、穩壓及后期正常運行時輸水隧洞狀態。

3.2.2 觀測頻次

充水試運行期間，應準確記錄每個充水保壓等級監測的初始值和最終值，充水過程前后各觀測一次，穩壓過程每8h向試運行領導小組匯報一次。

3.2.3 安全監測結果

在輸水隧洞充水過程中，隨著水位高程不短增加，滲壓計、土壓力計、鋼筋計、應變計等監測設備隨高程變化，測值與現場實際充水情況基本一致，未見異常突變，具體變化見圖2。

圖2 輸水隧洞充水過程安全監測結果圖

4 充水試驗的問題與經驗

4.1 小開度提門過程控制

輸水隧洞正式充水前，取水口事故檢修門啟閉機僅完成空載條件下相關試驗，額定工況下啟閉機工作狀態未知。在首次靜水提門時出現啟閉機開度儀顯示值異常、載荷儀顯示數值異常等情況。

在確保輸水隧洞及水工建筑物安全的前提下，充水現場重新對啟閉機設備進行檢查、調整，校驗鋼絲繩收縮系數，設定提升限位，從而保證充水順利進行。

4.2 輸水隧洞充水過程控制

輸水隧洞充水過程控制主要參照前期計算成果和充水期間監測數據，同時受提門孔高影響。在對啟閉設備重新進行校驗后，按照計算數據對充水過程進行控制，但實際充水量均小于計算值、計算充水時長均大于計算值。

5 結 語

蘭州市水源地建設工程項目輸水隧洞充水試驗準備充分，組織協調有序，各參建方責任落實到位。通過對試驗過程所取得的安全監測資料分析和對輸水隧洞沿線檢查結果表明，充水試驗獲得圓滿成功，為后續的生產運行奠定了基礎，同時對我國長距離、大體積、有壓輸水隧洞的設計、施工、充排水試驗及運行管理有著較大的指導意義。