陽江抽蓄電站引水系統充排水試驗監測成果分析

常麗穎，王建學

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

陽江抽水蓄能電站是我國目前在建的單機容量最大（400 MW）、機組設備全面國產化的抽水蓄能電站,其水道最大靜水頭約800 m,最大動水頭約1100 m,是世界上第一條800 m 水頭級鋼筋混凝土襯砌高壓水道,最大PD 值8310 t/m[1],遠高于全球已建和在建的其他蓄能電站。

充排水試驗是抽水蓄能電站水道系統首次加、卸載過程,是檢驗水道系統安全運行的必要手段[2]。本文以陽江抽水蓄能電站為例,分析了充排水試驗期間引水系統變形、應力、滲流等監測項目的觀測資料,揭示了建筑物承受荷載的變化規律,研究了引水系統的工作性態,為工程及同類工程設計施工和安全運行提供理論支持和參考依據。

1 工程概況及監測布置

1.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站工程樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、地下廠房洞室群、下水庫及工程邊坡等組成,采用近、遠兩期建設,上、下水庫在近期一次建成的建設方案。電站近遠期裝機容量各1200 MW,均采用一洞三機的布置型式。本文研究分析僅針對近期工程開展。陽蓄電站近期引水道總長約2253.7 m,由上庫進出水口、上游調壓井、引水隧洞（上平洞、上豎井、中平洞、下豎井、下平洞）、引水高壓岔管、引水鋼支管、防滲排水系統、施工支洞堵頭等組成,水道最大靜水頭798.7 m,引水隧洞內徑7.5 m。引水隧洞和岔管采用鋼筋混凝土襯砌,引水隧洞襯砌厚度為0.6 m,引水岔管襯砌厚度為1.0 m。引水支管內徑2.3 m～3.0 m,采用600 MPa 級高強鋼板內襯,鋼板厚44.0 mm～85.0 mm。上游調壓井升管和大井內徑分別為7.5 m、16.0 m,襯砌厚0.6 m。

1.2 監測布置

在引水隧洞、引水高壓岔管、引水鋼支管和施工支洞堵頭各監測部位布置測縫計及鋼管測縫計進行圍巖和鋼管與襯砌接縫變形監測,布置鋼筋計、錨桿應力計及鋼板計進行襯砌鋼筋、圍巖支護及鋼支管應力監測；布置滲壓計及測壓管進行滲透壓力、地下滲流場及輸水系統沿線地下水位監測。

2 充排水試驗過程

2.1 充水過程

輸水系統充水先進行尾水道充水,再進行機組段充水,最后實施引水系統充水。引水系統于2021 年11 月2 日開始充水,至11 月22 日充水結束,引水系統充水過程結合水道布置特點劃分為六個階段進行。水道充排水速率上下豎井控制在3 m/h,其余部位控制在4 m/h 內。引水道的上、下豎井段水頭變幅大,充水過程中需設置24 h～48 h 的穩壓時間,引水系統充水試驗過程數據見表1。

表1 引水系統充水試驗過程數據

2.2 排水過程

充水階段結束后進入排水過程。排水時先進行引水系統排水,再實施尾水系統排水。本工程引水系統充水后,經對各項監測資料分析、評價,確認水道系統結構、堵頭及機組等基本處于正常狀態,因此不實施水道系統排水工作。

3 監測成果分析

3.1 圍巖/鋼管與襯砌接縫開合度

引水系統圍巖與襯砌混凝土最大接縫開合度發生在上豎井下彎段（7.25 mm）,結合工程地質情況發現,上豎井下彎段為Ⅳ類圍巖,并有3 條斷層穿過,所以該部位總體變形最大。但充排水試驗過程中,最大張開變化量發生在下豎井上彎段頂拱（1.92 mm）。考慮為該部位上彎結構特性,水道充水后襯砌頂部受內水壓力擠壓較大從而導致內水外滲,外滲水壓力作用于圍巖,進而產生襯砌與圍巖徑向變形不同步的情況。

根據測縫計觀測成果分析得出,充排水試驗前期引水系統圍巖與襯砌混凝土接縫開合度小幅度增大,圍巖與襯砌接縫開度與充排水呈正相關性,隨內水壓力的增加而增大,充水后期開合度變化幅度較小,最大增加約0.20 mm,整體呈張開狀態。這是因為前期充水時溫度下降,熱脹冷縮原理使得接縫開合度增大；隨著充水進行,內水開始外滲,內水壓力直接作用于圍巖,圍巖向外側的徑向變形大于襯砌的徑向變形[3]。充水后期,溫度上升,接縫開合度減小,且周邊圍巖大部分微透水,滲壓水位上升最大增加約11 m,滲透壓力抵消部分內水壓力,圍巖向外側的徑向變形得到控制,進而接縫擴展得到控制。

充排水試驗期間,鋼管與襯砌混凝土接縫整體呈微閉合/微張開狀態,最大開合度變化量0.16 mm,表明引水鋼支管與襯砌混凝土接觸良好。

3.2 錨桿應力

引水系統支護錨桿應力極值均發生在引水高壓岔管,最大應力測值均小于100 MPa,錨桿拉應力最大變幅發生在Y1+943.00 監測斷面左側腰（26.93 MPa）。引水高壓岔管系統錨桿的桿體材料為Ф25 的螺紋鋼,其屈服強度400 MPa,抗拉強度540 MPa。充水前期大多數錨桿呈受壓狀態,承受壓力的錨桿并沒有發揮錨固作用,隨著水位上升錨桿逐漸受拉,承受拉力測點的最大拉應力測值僅為65.20 MPa,各測點錨桿應力均遠低于設計強度。

根據錨桿應力計觀測成果分析得出,充排水試驗過程中,引水系統支護錨桿應力與充排水水位相關性明顯,充水前期大多數錨桿呈受壓狀態,隨著內水壓力增大,圍巖承擔了內水壓力,圍巖支護錨桿逐漸受拉。這符合支護錨桿受力一般變化規律,與圍巖和襯砌混凝土接縫開合度小幅度增大相互驗證,同時也印證了監測資料具有可靠性。

3.3 鋼筋應力

引水系統最大鋼筋壓應力發生在引水高壓岔管,最大鋼筋拉應力發生在引水下平洞,測值均小于210 MPa,鋼筋拉應力最大變幅發生在引水下平洞Y1+753.500 監測斷面底部外層環向鋼筋（387.06 MPa）,其次發生在引水高壓岔管Y1+924.405 監測斷面襯砌結構內層鋼筋（199.41 MPa）。鋼筋應力極值發生在這兩個部位的主要原因是輸水系統中的下平段高壓岔管部位水頭最大,鋼筋承受了超高的內水壓力而逐漸受拉。

根據鋼筋計觀測成果分析得出,充水前各測點均呈受壓狀態,充水后隨著內水壓力增大,襯砌鋼筋逐漸受拉,符合水工鋼筋混凝土受拉構件的一般規律。鋼筋混凝土岔管在高水頭作用下為一透水體,內水外滲后內水壓力直接作用于圍巖,圍巖承擔了絕大部分的內水壓力,因此襯砌內鋼筋應力測值均不大,這與滲透體積力法結果是一致的[4],見圖1。

圖1 引水高壓岔管及引水下平洞鋼筋計測值過程線

3.4 鋼板應力

引水鋼支管鋼板應力測值介于-606.42 MPa～80.01 MPa之間,多數呈受壓狀態。根據鋼板計觀測成果分析得出,充水初期受溫度影響,鋼板壓應力小幅度增大,溫度趨于穩定后,隨內水壓力增大鋼板壓應力減小,少數測點出現較小拉應力,符合鋼板應力變化一般規律。

其中,3#鋼支管Y0+047.524 監測斷面左腰處鋼板自11月7 日開始出現較大壓應力變化,11 月8 日壓應力超過400 MPa,19 日起壓應力逐漸減小。經與4#施工支洞堵頭段滲流監測資料結合分析,考慮壓應力突增與4#堵頭附近廊道同時段出現滲漏出水點相關。具體而言,由于4#堵頭附近內水外滲,導致3#鋼支管左側腰部位外水壓力增大,鋼板受較大壓應力,18 日上午該出水點封堵完成后鋼板壓應力逐漸較小并逐漸受拉,這與4#堵頭滲流壓力變化情況可以相互驗證。見圖2。

圖2 引水鋼支管鋼板應力計測值過程線

3.5 滲透壓力

引水系統運行期間為內壓超高的有壓隧洞,為阻止高壓內水外滲向高壓岔支管及廠房區域,在高壓岔管與地下廠房之間布置了一條防滲帷幕。在該帷幕上下游側埋設了滲壓計,用以監測阻水帷幕段滲壓變化情況。充水試驗期間,帷幕上游側滲壓水位隨引水系統水位上升而增大,呈正相關性,帷幕下游側滲壓水位隨引水系統水位上升無明顯變化,由此可以判斷灌漿帷幕作用效果顯著。

引水系統充水及穩壓期間,滲透壓力變化顯著部位主要發生在4#施工支洞堵頭。4#堵頭0+692.050 監測斷面頂拱測點P4 dt2-1 滲壓水位自充水開始,滲壓水位逐漸上升,11月13 日晚15 分鐘內上升至208.71 m 高程,較充水前增加250.71 m,之后滲壓水位逐漸回落,并隨水道充水緩慢上升；該監測斷面左腰測點P4 dt2-2 滲壓水位自11 月8 日晚開始有上升趨勢,11 月13 日開始快速上升,18 日滲壓水位與頂拱測點P4 dt2-1 同樣出現波動。同時防滲排水系統布置在4#堵頭的滲壓計Psslc11 和Psslc13 觀測結果與P4 dt2-1、P4 dt2-2 測值變化一致性較強。見圖3。

圖3 4#施工支洞堵頭滲壓計測值過程線

結合輸水系統沿線山體地下水位情況綜合分析,初步反映出4#堵頭附近存在較為暢通的滲流通道。根據現場巡視檢查反饋結果發現,同時段4#堵頭附近廊道出現出水點,表明該部位襯砌結構開裂。18 日上午該出水點通過灌漿封堵以實現抵抗內水壓力的任務,至此各測點滲壓水位逐漸回落并趨于穩定,表明防滲處理措施合理有效,確保引水系統正常運行。

4 結語

1）充排水試驗過程中引水鋼支管與襯砌混凝土接觸良好,圍巖與襯砌混凝土接縫整體變化量較小。圍巖與襯砌接縫開度隨內水壓力增加而增大,這是因為內水外滲后,內水壓力直接作用于圍巖,圍巖向外側的徑向變形大于襯砌的徑向變形。

2）引水系統支護應力極值均發生在最大水頭部位,與充排水水位相關性明顯。隨著內水壓力增大,支護錨桿和襯砌鋼筋逐漸受拉；內水外滲后內水壓力直接作用于圍巖,使圍巖承擔了絕大部分的內水壓力,因此支護應力均不大。

3）引水系統充水及穩壓期間,灌漿帷幕作用效果顯著,滲透壓力變化顯著部位主要發生在4#施工支洞堵頭。結合輸水系統沿線山體地下水位變化情況和現場巡視檢查結果,可以明確4#堵頭附近襯砌結構開裂,存在較為暢通的滲流通道,現場通過灌漿封堵抵抗內水壓力,封堵完成后滲壓水位逐漸回落,表明防滲處理措施合理有效,確保引水系統正常運行。

綜上所述,充排水試驗期間,近期引水系統各主體工程的圍巖與襯砌混凝土接縫狀態基本穩定,系統錨桿、預應力鋼筋、鋼板等支護結構的應力狀態符合一般規律,圍巖滲透壓力變化基本正常,表明輸水發電系統設計和施工技術合理可靠。