辛克雷水電站高壓隧洞充排水實踐及監(jiān)測資料分析

吳建軍，梁春光，劉思源

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450003）

0 前 言

厄瓜多爾科卡科多—辛克雷水電站（以下簡稱“CCS水電站”）為引水沖擊式電站，是厄瓜多爾最大的水電站，裝機容量1500MW，年發(fā)電量2.44×103kW·h，可滿足該國1／3人口的電力需求。

電站設(shè)計采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，與中國規(guī)范在諸多方面存在差異，特別是高壓隧洞透水設(shè)計方面的差異較大。通過CCS電站高壓隧洞的實踐，有利于中國高壓隧洞設(shè)計經(jīng)驗的宣傳與推廣，為今后海外水電項目的設(shè)計積累了可借鑒的經(jīng)驗，也有利于中國規(guī)范的推廣應(yīng)用［1］。

水電站引水發(fā)電系統(tǒng)由于地質(zhì)條件復(fù)雜，工作水頭高，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的差異，工程建設(shè)難度巨大。投入運行前進行系統(tǒng)的充排水試驗，檢驗結(jié)構(gòu)安全、滲漏水情況、各項內(nèi)部監(jiān)測儀器，水道系統(tǒng)質(zhì)量及運行操作的可靠性，對整體施工質(zhì)量的保證和既定功能的實現(xiàn)有重要意義［2］。同時，充排水試驗過程以高壓隧洞滲水量、充排水的速率、襯砌內(nèi)外壓差及混凝土、鋼筋應(yīng)力作為控制標(biāo)準(zhǔn)，充排水流程的合理性以及充排水過程中水位上升與下降速度對電站運行具有重要的指導(dǎo)意義。

1 引水發(fā)電系統(tǒng)布置

CCS水電站主要由首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)節(jié)水庫、壓力管道和地下廠房組成，采用兩洞8機布置，壓力管道共有2條［3］。2條壓力管道均由調(diào)蓄水庫進水口、引水隧洞（上平洞、豎井、下平洞）、引水岔管、引水支管、施工支洞堵頭等組成，隧洞最大靜水頭617.50m，考慮水錘壓力最大水頭683.00m。隧洞最大埋深683.00m，除2號隧洞上彎段為鋼襯砌以外，2條隧洞從進口至下平段前半段為混凝土襯砌段，管徑5.8m，襯砌厚度0.6m，下平段后半段至廠房均為鋼襯砌段，采用高強鋼板內(nèi)襯。鋼襯主管段襯砌半徑為5.2m，鋼板厚為72mm；岔管后引水支管內(nèi)徑為2.6m，鋼板厚38mm。1號隧洞全長2083.00m，其中混凝土襯砌段長1449.42m，鋼襯段長633.87m；2號隧洞全長2163.81m，其中混凝土襯砌段長1270.42m，鋼襯段長893.39m。1號隧洞儲水量47835.0m3，2號隧洞儲水量49703.9m3。其壓力管道布置如圖1所示。

圖1 壓力管道布置示意（單位：m）

2 充排水控制標(biāo)準(zhǔn)

充排水過程以高壓管道滲水量、充排水的速率、襯砌內(nèi)外壓差及混凝土、鋼筋應(yīng)力作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 滲水量控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)CCS電站隧洞的地質(zhì)條件，結(jié)合計算情況，確定隧洞的滲水量70L／s，同時對地下廠房區(qū)域、壓力洞地表相關(guān)溝渠的水量及情況進行觀察，出現(xiàn)異常情況，由各方共同研究分析，確定是否繼續(xù)充水。

2.2 充排水速率控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合國內(nèi)外高壓隧洞充排水的經(jīng)驗，考慮各種工況襯砌受力情況，確定充水、排水的速率。由于上平段、下平段水頭很小，主要是控制豎井段的升降速度。同時考慮2號隧洞上彎段鋼襯及豎井塌方段的情況，應(yīng)適當(dāng)降低充排水的速率，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

2.3 襯砌內(nèi)外壓差、應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

充排水過程中，根據(jù)設(shè)計計算情況，確定各種工況下各監(jiān)測斷面的襯砌內(nèi)外壓差、應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力限值，并以其作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 充排水技術(shù)要求

CCS水電站隧洞較長，具有洞徑大、水頭高的特點，隧洞的充排水對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖等均有較大影響，為檢驗水道系統(tǒng)土建結(jié)構(gòu)安全、滲漏水情況、各項內(nèi)部監(jiān)測儀器、水道系統(tǒng)質(zhì)量及運行操作的可靠性，必須制定詳細(xì)的充排水技術(shù)要求，并嚴(yán)格執(zhí)行。充水過程中如出現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞、設(shè)備嚴(yán)重受損事態(tài)有可能進一步擴大的異常狀況，需要啟動緊急排水方案，對壓力管道進行放空，同時需要分析事故原因，并及時處理［4-5］。

充排水期間同步開展常規(guī)及特殊情況下的巡視檢查及觀測工作，對監(jiān)測系統(tǒng)和所有觀測設(shè)施進行檢查、維護、矯正、更新、補充、完善，整理編寫監(jiān)測資料、監(jiān)測報告以及建立監(jiān)測技術(shù)檔案。

本工程布設(shè)的所有監(jiān)測設(shè)施從埋設(shè)安裝后，均需按規(guī)定的施工期觀測頻次持續(xù)進行觀測。由于充排水試驗時接近正常運行工況，與充排水相關(guān)的建筑物還需增加觀測頻次進行重點監(jiān)測，以便及時掌握監(jiān)測對象測值變化及異常情況。

3.1 充水要求

壓力管道充水前，應(yīng)關(guān)閉所有排水管閥門，提前檢查、清理上平洞、下平洞至工程驗收標(biāo)準(zhǔn)。對壓力管道進口事故閘門充水閥及閘門進行檢查，確認(rèn)充水閥及閘門能正常啟閉。壓力管道充水時可采用進水口閘門充水閥或水泵抽水充水的方式［6］，根據(jù)球閥上游的壓力表控制管內(nèi)上升水位。

充水水位上升速率控制要求：壓力管道豎井充水速率宜控制在5～10m／h內(nèi)。壓力表記錄水壓進行控制，以確定充水的時間及順序，以便于將速度控制在5～10m／h。根據(jù)時間來控制，用水泵調(diào)節(jié)流量和速度。原則上，下平洞充水過程中不設(shè)置穩(wěn)壓時間，引水道的豎井段水頭變幅大，充水過程中需設(shè)置不小于24h的穩(wěn)壓時間。

一般100m穩(wěn)壓一次，1050m高程以下每100m穩(wěn)壓24h，1050m高程以上每50m穩(wěn)壓36h。下平洞、引水岔管、引水支管水量約14268m3，水位升幅小（約20m），采用充水閥充水，按最大流量3706 m3／h控制。豎井水量少，水位升幅大（最大約474 m），高程EL850m以下采用充水閥充水，高程850～1050m存在塌腔段，為嚴(yán)格控制充水速率，采用水泵抽水，高程1050m以上采用充水閥充水。上平洞水量較大、水位升幅不大（約54.5m），開啟進口事故閘門充水閥充水，充水時按充水閥最大流量3 706m3／h控制。

3.2 排水要求

水道系統(tǒng)最大排水速率2～4m／h；進水塔內(nèi)水量262m3，水位降幅約5.6m，排水流量Q為130～180m3／h，水位下降速率為1.24～4m／h。上平洞內(nèi)水量20351m3，水位降幅約57.4m，排水流量Q為600～1400m3／h，水位下降速率為1.69～4m／h。豎井內(nèi)水量少、水位降幅大（最大約538m），排水時嚴(yán)格控制排水流量，排水流量Q為53～100m3／h，水位下降的速率控制在2～2.5m／h。下彎段水量為846m3，排水速率2m／h；下平洞、引水岔管、引水支管水量約14323m3，排水速率2.6m／h。充排水過程中，應(yīng)及時記錄上平洞、豎井、下平洞、鋼襯等部位的襯砌內(nèi)外水頭差，發(fā)生異常應(yīng)及時處理。排水時應(yīng)對排水流量進行實時監(jiān)測以便計算實際流量，再根據(jù)水位下降速率控制及有關(guān)儀器監(jiān)測情況調(diào)整排水閥的開度［7］。

下平洞、引水岔管、引水支管水位低，排水速度慢，為便于及時進入洞內(nèi)檢查，加快排水速度，排水時可開啟球閥旁通管進行平壓，噴嘴折向器投入，處于擋水位置，然后打開噴嘴，從機組過流排至尾水支洞。在泄放流量時，必須將開啟的噴針?biāo)鶎?yīng)的折向器投入，使水流偏離轉(zhuǎn)輪，避免轉(zhuǎn)輪被水流沖去，造成機組轉(zhuǎn)動。

4 充排水實施情況

兩條壓力管道的充排水要求及實施情況基本相同，下面以2號隧洞為例，介紹充排水的實施情況。

2號隧洞排水從2021年5月3日開始至2021年5月28日結(jié)束，歷時25d。充水從2021年10月26日開始，2021年11月10日結(jié)束，歷時15d。壓力管道放空和充水過程如圖2所示。

圖2 壓力管道放空和充水過程示意

實施過程中，根據(jù)壓力洞布置的9個監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，分析隧洞的受力情況，對隧洞結(jié)構(gòu)安全性作出實時評價，以確定充排水是否正常進行。

5 監(jiān)測結(jié)果和分析

5.1 監(jiān)測設(shè)備布設(shè)情況

壓力管道的監(jiān)測主要包括安全監(jiān)測、充水過程中的水位水壓監(jiān)測和建筑物滲水量監(jiān)測［8］。壓力管道布置9個斷面的應(yīng)力應(yīng)變計、滲透計、錨桿應(yīng)力計、測縫計、多點位移計、錨桿應(yīng)力計等監(jiān)測儀器，試驗過程中開展實時的監(jiān)測分析。除充排水期間主要監(jiān)測設(shè)備每天監(jiān)測1～2次，充水前、放空后，每周監(jiān)測1次，豎井塌腔部位每上升20m觀測1次，穩(wěn)壓期每6h觀測1次，充水完成穩(wěn)壓期間每12h觀測1次。測值穩(wěn)定后，恢復(fù)到正常觀測頻次。

上平洞和下平洞和豎井段典型監(jiān)測斷面情況如圖3～4所示。

圖3 上平洞和下平洞典型監(jiān)測斷面示意

圖4 豎井段典型監(jiān)測斷面示意

5.2 監(jiān)測情況

5.2.1 滲水情況

2號隧洞排水期滲水量減少2.16L／s，充水期滲水量增加0.72L／s，即2號隧洞充排水完成后滲水量減少1.44L／s。量水堰測量同時也對重點部位進行巡視檢查，未發(fā)現(xiàn)新的滲水點，上下層排水廊道滲流量正常，排水系統(tǒng)通暢，滲水中未發(fā)現(xiàn)細(xì)沙或渾濁物，也未發(fā)現(xiàn)巖壁掉碴等異常現(xiàn)象。

充排水對廠房上游墻滲漏水量影響很小，排水前監(jiān)測部位合計流量僅為15.65L／s，遠(yuǎn)小于設(shè)計計算70.0L／s排水量。說明高壓固結(jié)灌漿的效果較好，有效地防止了大量的內(nèi)水外滲。

同時通過對地表溝槽水量的觀察，未見有渾濁、排水量明顯增大等異常情況。

5.2.2 滲透壓力情況

整個充排水期間，上平段孔隙水位變化僅有±1.0m。初步分析認(rèn)為有以下幾個原因：（1）電站地處濕熱雨林地帶，降雨頻繁、雨量充沛，植被茂密、覆蓋層深厚；（2）上平洞部位地質(zhì)條件較好，多為Ⅱ、Ⅲ類圍巖；（3）上平段管道混凝土結(jié)構(gòu)采用限裂設(shè)計，襯砌質(zhì)量以及灌漿質(zhì)量良好，內(nèi)水對外水幾乎沒有影響。

至充水前，下平段B0＋824m處孔隙水位最高982.0m，該處管道底部高程627.0m，即該部位水頭355.0m，小于排水方案中的限值387.88m；B0＋926處孔隙水位最高674.4m，該處管道底部高程626.0m，即該部位水頭48.4m；B1＋174m處孔隙水位最高673.2m，該處管道底部高程614.5m，即該部位水頭58.7m，均遠(yuǎn)小于限值。襯砌外滲壓水頭未超過設(shè)計控制的387.88m的限值。

5.2.3 襯砌應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，充排水期間襯砌應(yīng)變、鋼筋計、錨桿計觀測數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 排水期觀測結(jié)果

表2 充水期觀測結(jié)果

排水期，B0＋824m處管道混凝土結(jié)構(gòu)累計應(yīng)變-359.60～-230.90με，均值累計減小299.96με；B0＋824m處管道與圍巖間縫面開合累計變化：-0.17～0.66mm，均值累計增加0.12mm；B1＋175m處錨桿應(yīng)力累計變化：-0.72～11.45MPa，均值累計增加5.05MPa；B1＋175m處圍巖變形累計變化0.05～0.40mm，均值增加0.24mm。

充水期，B0＋824m處鋼筋應(yīng)力累計變化42.00～60.94MPa，均值累計增加50.25MPa；B0＋824m處管道混凝土結(jié)構(gòu)累計應(yīng)變189.30～297.80με，均值累計增加246.40με；B0＋824m處管道與圍巖間縫面開合累計變化-0.74～0.12mm，均值累計減小0.10mm；B1＋175m處錨桿應(yīng)力累計變化-12.64～-5.92MPa，均值累計減小7.82MPa；B1＋175m處圍巖變形累計變化-0.21～0.01mm，均值減小0.12mm。

根據(jù)計算分析［9］，施工期圍巖各斷面圍巖最大變形2.810～11.473mm，排水期下平段襯砌壓應(yīng)力為18.85～25.69MPa，運行期鋼筋應(yīng)力45.7～105.0MPa。結(jié)合現(xiàn)場實際檢測，圍巖變形累計變化0.20～6.07mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計值。襯砌壓應(yīng)力7.0～11.8MPa也處于較低水平。鋼筋應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果12.25～47.42MPa，與計算結(jié)果比較接近。從接縫監(jiān)測情況看，無論排水還是充水階段各部位測值變化都很小，反應(yīng)出該部位圍巖穩(wěn)定性良好，同時也說明灌漿和噴錨支護等質(zhì)量都是有保證的。錨筋應(yīng)力計測值較小的原因，是由于施工過程中增加防水膜的影響。設(shè)置防水膜一方面方便了施工，也一定程度上給混凝土襯砌變形的空間，有利于襯砌的變形開裂。從混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力情況來看，混凝土襯砌的透水效果比較明顯，很大程度上減小了襯砌承擔(dān)的荷載，與計算的情況比較接近。通過監(jiān)測資料可以看出，1號隧洞運行對2號隧洞的狀態(tài)影響較小，說明兩洞間距足夠安全。

6 結(jié) 語

通過歷時25d的排水和15d的充水實踐，對高壓隧洞進行驗證，經(jīng)現(xiàn)場檢查、監(jiān)測資料分析，CCS電站隧洞無論是滲水量、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力等，均符合設(shè)計計算情況。

（1）2號隧洞排水期滲水量減少2.16L／s，充水期滲水量增加0.72L／s，即2號隧洞充排水完成后滲水量減少1.44L／s，上下層排水廊道滲流量正常，排水系統(tǒng)通暢，滲水中未發(fā)現(xiàn)細(xì)沙或渾濁物，也未發(fā)現(xiàn)巖壁掉碴等異常現(xiàn)象；

（2）整個充排水期間上平段孔隙水位變化僅±1.0m，上平段管道砼結(jié)構(gòu)采用限裂設(shè)計，襯砌質(zhì)量以及灌漿質(zhì)量良好，內(nèi)水對外水幾乎沒有影響；至充水前，下平段B0＋824m、B0＋926m、B1＋174m處水頭355.0m、48.4m、58.7m，襯砌外滲壓水頭未超過設(shè)計控制的387.88m的限值；

（3）圍巖變形累計變化0.20～6.07mm，襯砌壓應(yīng)力7.0～11.8MPa，鋼筋應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果12.25～47.42MPa，均符合設(shè)計計算情況。錨筋應(yīng)力計測值較小的原因，是由于施工過程中防水膜的設(shè)置，既方便施工，也在一定程度上給混凝土襯砌變形的空間，有利于襯砌的變形開裂；

（4）從接縫監(jiān)測情況看，無論排水還是充水階段各部位測值變化都很小，反應(yīng)出該部位圍巖穩(wěn)定性良好，同時也說明灌漿和噴錨支護等質(zhì)量都是有保證的。

本工程引水發(fā)電系統(tǒng)充排水總體計劃通過合理的安排，并緊密結(jié)合工程實際情況，達(dá)到了檢驗工程施工質(zhì)量和為電站運行提供參考依據(jù)的目的，可為今后國內(nèi)、國際類似工程提供參考，也為高壓隧洞在透水設(shè)計理論方面的發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗。