辛克雷水電站高壓隧洞充排水實(shí)踐及監(jiān)測(cè)資料分析

吳建軍，梁春光，劉思源

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱(chēng)“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(jī)容量1500MW，年發(fā)電量2.44×103kW·h，可滿(mǎn)足該國(guó)1／3人口的電力需求。

電站設(shè)計(jì)采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，與中國(guó)規(guī)范在諸多方面存在差異，特別是高壓隧洞透水設(shè)計(jì)方面的差異較大。通過(guò)CCS電站高壓隧洞的實(shí)踐，有利于中國(guó)高壓隧洞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的宣傳與推廣，為今后海外水電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)積累了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，也有利于中國(guó)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(yùn)行前進(jìn)行系統(tǒng)的充排水試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全、滲漏水情況、各項(xiàng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀器，水道系統(tǒng)質(zhì)量及運(yùn)行操作的可靠性，對(duì)整體施工質(zhì)量的保證和既定功能的實(shí)現(xiàn)有重要意義［2］。同時(shí)，充排水試驗(yàn)過(guò)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(guò)程中水位上升與下降速度對(duì)電站運(yùn)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(kù)、壓力管道和地下廠房組成，采用兩洞8機(jī)布置，壓力管道共有2條［3］。2條壓力管道均由調(diào)蓄水庫(kù)進(jìn)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(hào)隧洞上彎段為鋼襯砌以外，2條隧洞從進(jìn)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(qiáng)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(hào)隧洞全長(zhǎng)2083.00m，其中混凝土襯砌段長(zhǎng)1449.42m，鋼襯段長(zhǎng)633.87m；2號(hào)隧洞全長(zhǎng)2163.81m，其中混凝土襯砌段長(zhǎng)1270.42m，鋼襯段長(zhǎng)893.39m。1號(hào)隧洞儲(chǔ)水量47835.0m3，2號(hào)隧洞儲(chǔ)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(guò)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(jì)算情況，確定隧洞的滲水量70L／s，同時(shí)對(duì)地下廠房區(qū)域、壓力洞地表相關(guān)溝渠的水量及情況進(jìn)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(guó)內(nèi)外高壓隧洞充排水的經(jīng)驗(yàn)，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(shí)考慮2號(hào)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(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算情況，確定各種工況下各監(jiān)測(cè)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(zhǎng)，具有洞徑大、水頭高的特點(diǎn)，隧洞的充排水對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖等均有較大影響，為檢驗(yàn)水道系統(tǒng)土建結(jié)構(gòu)安全、滲漏水情況、各項(xiàng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀器、水道系統(tǒng)質(zhì)量及運(yùn)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(guò)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(jìn)一步擴(kuò)大的異常狀況，需要啟動(dòng)緊急排水方案，對(duì)壓力管道進(jìn)行放空，同時(shí)需要分析事故原因，并及時(shí)處理［4-5］。

充排水期間同步開(kāi)展常規(guī)及特殊情況下的巡視檢查及觀測(cè)工作，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和所有觀測(cè)設(shè)施進(jìn)行檢查、維護(hù)、矯正、更新、補(bǔ)充、完善，整理編寫(xiě)監(jiān)測(cè)資料、監(jiān)測(cè)報(bào)告以及建立監(jiān)測(cè)技術(shù)檔案。

本工程布設(shè)的所有監(jiān)測(cè)設(shè)施從埋設(shè)安裝后，均需按規(guī)定的施工期觀測(cè)頻次持續(xù)進(jìn)行觀測(cè)。由于充排水試驗(yàn)時(shí)接近正常運(yùn)行工況，與充排水相關(guān)的建筑物還需增加觀測(cè)頻次進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象測(cè)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(mén)，提前檢查、清理上平洞、下平洞至工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)壓力管道進(jìn)口事故閘門(mén)充水閥及閘門(mén)進(jìn)行檢查，確認(rèn)充水閥及閘門(mén)能正常啟閉。壓力管道充水時(shí)可采用進(jìn)水口閘門(mén)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(jìn)行控制，以確定充水的時(shí)間及順序，以便于將速度控制在5～10m／h。根據(jù)時(shí)間來(lái)控制，用水泵調(diào)節(jié)流量和速度。原則上，下平洞充水過(guò)程中不設(shè)置穩(wěn)壓時(shí)間，引水道的豎井段水頭變幅大，充水過(guò)程中需設(shè)置不小于24h的穩(wěn)壓時(shí)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?。s20m），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(kāi)啟進(jìn)口事故閘門(mén)充水閥充水，充水時(shí)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(jìn)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(shí)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(guò)程中，應(yīng)及時(shí)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(shí)處理。排水時(shí)應(yīng)對(duì)排水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以便計(jì)算實(shí)際流量，再根據(jù)水位下降速率控制及有關(guān)儀器監(jiān)測(cè)情況調(diào)整排水閥的開(kāi)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(shí)進(jìn)入洞內(nèi)檢查，加快排水速度，排水時(shí)可開(kāi)啟球閥旁通管進(jìn)行平壓，噴嘴折向器投入，處于擋水位置，然后打開(kāi)噴嘴，從機(jī)組過(guò)流排至尾水支洞。在泄放流量時(shí)，必須將開(kāi)啟的噴針?biāo)鶎?duì)應(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(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 充排水實(shí)施情況

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

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

圖2 壓力管道放空和充水過(guò)程示意

實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)壓力洞布置的9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，分析隧洞的受力情況，對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)安全性作出實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，以確定充排水是否正常進(jìn)行。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

5.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)情況

壓力管道的監(jiān)測(cè)主要包括安全監(jiān)測(cè)、充水過(guò)程中的水位水壓監(jiān)測(cè)和建筑物滲水量監(jiān)測(cè)［8］。壓力管道布置9個(gè)斷面的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、滲透計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、測(cè)縫計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)展實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)分析。除充排水期間主要監(jiān)測(cè)設(shè)備每天監(jiān)測(cè)1～2次，充水前、放空后，每周監(jiān)測(cè)1次，豎井塌腔部位每上升20m觀測(cè)1次，穩(wěn)壓期每6h觀測(cè)1次，充水完成穩(wěn)壓期間每12h觀測(cè)1次。測(cè)值穩(wěn)定后，恢復(fù)到正常觀測(cè)頻次。

上平洞和下平洞和豎井段典型監(jiān)測(cè)斷面情況如圖3～4所示。

圖3 上平洞和下平洞典型監(jiān)測(cè)斷面示意

圖4 豎井段典型監(jiān)測(cè)斷面示意

5.2 監(jiān)測(cè)情況

5.2.1 滲水情況

2號(hào)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(hào)隧洞充排水完成后滲水量減少1.44L／s。量水堰測(cè)量同時(shí)也對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行巡視檢查，未發(fā)現(xiàn)新的滲水點(diǎn)，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?，F(xiàn)象。

充排水對(duì)廠房上游墻滲漏水量影響很小，排水前監(jiān)測(cè)部位合計(jì)流量?jī)H為15.65L／s，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)計(jì)算70.0L／s排水量。說(shuō)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(shí)通過(guò)對(duì)地表溝槽水量的觀察，未見(jiàn)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(gè)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(gè)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(lèi)圍巖；（3）上平段管道混凝土結(jié)構(gòu)采用限裂設(shè)計(jì)，襯砌質(zhì)量以及灌漿質(zhì)量良好，內(nèi)水對(duì)外水幾乎沒(méi)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(guò)設(shè)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)，充排水期間襯砌應(yīng)變、鋼筋計(jì)、錨桿計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 排水期觀測(cè)結(jié)果

表2 充水期觀測(cè)結(jié)果

排水期，B0＋824m處管道混凝土結(jié)構(gòu)累計(jì)應(yīng)變-359.60～-230.90με，均值累計(jì)減小299.96με；B0＋824m處管道與圍巖間縫面開(kāi)合累計(jì)變化：-0.17～0.66mm，均值累計(jì)增加0.12mm；B1＋175m處錨桿應(yīng)力累計(jì)變化：-0.72～11.45MPa，均值累計(jì)增加5.05MPa；B1＋175m處圍巖變形累計(jì)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(jì)變化42.00～60.94MPa，均值累計(jì)增加50.25MPa；B0＋824m處管道混凝土結(jié)構(gòu)累計(jì)應(yīng)變189.30～297.80με，均值累計(jì)增加246.40με；B0＋824m處管道與圍巖間縫面開(kāi)合累計(jì)變化-0.74～0.12mm，均值累計(jì)減小0.10mm；B1＋175m處錨桿應(yīng)力累計(jì)變化-12.64～-5.92MPa，均值累計(jì)減小7.82MPa；B1＋175m處圍巖變形累計(jì)變化-0.21～0.01mm，均值減小0.12mm。

根據(jù)計(jì)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(yùn)行期鋼筋應(yīng)力45.7～105.0MPa。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，圍巖變形累計(jì)變化0.20～6.07mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)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(cè)結(jié)果12.25～47.42MPa，與計(jì)算結(jié)果比較接近。從接縫監(jiān)測(cè)情況看，無(wú)論排水還是充水階段各部位測(cè)值變化都很小，反應(yīng)出該部位圍巖穩(wěn)定性良好，同時(shí)也說(shuō)明灌漿和噴錨支護(hù)等質(zhì)量都是有保證的。錨筋應(yīng)力計(jì)測(cè)值較小的原因，是由于施工過(guò)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(kāi)裂。從混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力情況來(lái)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(jì)算的情況比較接近。通過(guò)監(jiān)測(cè)資料可以看出，1號(hào)隧洞運(yùn)行對(duì)2號(hào)隧洞的狀態(tài)影響較小，說(shuō)明兩洞間距足夠安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)歷時(shí)25d的排水和15d的充水實(shí)踐，對(duì)高壓隧洞進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查、監(jiān)測(cè)資料分析，CCS電站隧洞無(wú)論是滲水量、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力等，均符合設(shè)計(jì)計(jì)算情況。

（1）2號(hào)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(hào)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?，F(xiàn)象；

（2）整個(gè)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(jì)，襯砌質(zhì)量以及灌漿質(zhì)量良好，內(nèi)水對(duì)外水幾乎沒(méi)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(guò)設(shè)計(jì)控制的387.88m的限值；

（3）圍巖變形累計(jì)變化0.20～6.07mm，襯砌壓應(yīng)力7.0～11.8MPa，鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果12.25～47.42MPa，均符合設(shè)計(jì)計(jì)算情況。錨筋應(yīng)力計(jì)測(cè)值較小的原因，是由于施工過(guò)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(kāi)裂；

（4）從接縫監(jiān)測(cè)情況看，無(wú)論排水還是充水階段各部位測(cè)值變化都很小，反應(yīng)出該部位圍巖穩(wěn)定性良好，同時(shí)也說(shuō)明灌漿和噴錨支護(hù)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(jì)劃通過(guò)合理的安排，并緊密結(jié)合工程實(shí)際情況，達(dá)到了檢驗(yàn)工程施工質(zhì)量和為電站運(yùn)行提供參考依據(jù)的目的，可為今后國(guó)內(nèi)、國(guó)際類(lèi)似工程提供參考，也為高壓隧洞在透水設(shè)計(jì)理論方面的發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。