長(zhǎng)距離、大體積、有壓輸水隧洞充水試驗(yàn)研究

王 強(qiáng)

(黃河明珠水利水電建設(shè)有限公司，河南 三門(mén)峽 472000)

長(zhǎng)距離、大體積、有壓輸水隧洞充水試驗(yàn)，是水電站、引水工程、泵站等水利工程運(yùn)行管理中的一項(xiàng)重要操作。輸水隧洞首次充水是對(duì)設(shè)計(jì)、施工成果的一項(xiàng)檢驗(yàn)，同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的一個(gè)過(guò)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(mén)節(jié)間充水、小開(kāi)度提門(mén)充水、門(mén)上設(shè)充水閥充水等。結(jié)合蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目取水口僅布置事故檢修門(mén)的特點(diǎn)，首次充水采用小開(kāi)度提門(mén)、控制取水口事故檢修門(mén)啟閉頻次及提升高度的方式完成對(duì)充水時(shí)長(zhǎng)、充水體積及穩(wěn)壓時(shí)間的控制[2]，并對(duì)存在的問(wèn)題和積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，旨在為我國(guó)長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞的設(shè)計(jì)、施工、充水試驗(yàn)及運(yùn)行管理提供參考與借鑒。

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目是將劉家峽水庫(kù)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(zhǎng)31.57km，洞徑4.6m，設(shè)計(jì)引水流量26.3m3/s，充水總量約為55萬(wàn)m3。輸水隧洞取水口設(shè)置尺寸為4.6m×4.6m事故檢修門(mén)， T16+160處設(shè)置通氣井， T30+771.375處設(shè)置DN3000檢修閥，末端設(shè)置分水井，分水井后設(shè)置彭家坪輸水支線(xiàn)、蘆家坪輸水支線(xiàn)，分別向凈水廠輸送水源。蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)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(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞縱剖面圖

2 充水試驗(yàn)前的必備條件

輸水隧洞充水試驗(yàn)前，需對(duì)充水過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校核，同時(shí)對(duì)充水涉及的水工設(shè)備、輸水隧洞進(jìn)行試驗(yàn)和檢查，檢查項(xiàng)目符合規(guī)程、規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，輸水隧洞才可以充水。

2.1 充水參數(shù)校核

查閱國(guó)內(nèi)外小開(kāi)度提門(mén)充水案例，最高運(yùn)用水頭53m的廣西巖灘電站右沖沙孔，事故閘門(mén)尺寸為2.8m×4.5m，較本項(xiàng)目小一半，且充水總量、充水總時(shí)長(zhǎng)、啟閉頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本項(xiàng)目。分析小開(kāi)度提門(mén)運(yùn)用工況，充水過(guò)程中需對(duì)閘門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行精確控制。閘門(mén)開(kāi)度如出現(xiàn)差異，將會(huì)導(dǎo)致門(mén)井噴水、水錘沖擊閘門(mén)，或引發(fā)事故閘門(mén)振動(dòng)、水工建筑物破壞等嚴(yán)重事故[3-4]，大伙房電站進(jìn)口、三門(mén)峽泄洪隧洞進(jìn)口閘門(mén)等在充水過(guò)程中，曾因控制不當(dāng)，均出現(xiàn)過(guò)進(jìn)口門(mén)井嚴(yán)重噴水現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備、水工建筑物和操作人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)小開(kāi)度提門(mén)充水參數(shù)的確定，是確保充水順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

2.1.1 小開(kāi)度提門(mén)啟閉力計(jì)算

靜水中啟閉閘門(mén)的啟閉力應(yīng)包括主支承摩阻力、水封摩阻力、水柱重力。計(jì)算充水過(guò)程中在不同水位下的啟閉力，以便在充水過(guò)程中予以參照。其中，閉門(mén)力計(jì)算結(jié)果為正時(shí)，需要加重(加重方式有加重快、水柱或機(jī)械下壓力等)；為負(fù)值時(shí)，依靠自重可以關(guān)閉。

2.1.2 小開(kāi)度提門(mén)充水孔口出流方式的確定及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

a.由小開(kāi)度提門(mén)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(mén)啟閉力

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

b.由小開(kāi)度提門(mén)充水孔口作用水頭(或壓力)的穩(wěn)定情況，確定為恒定孔口出流。

c.由取水口事故檢修門(mén)高程及輸水隧洞高程變化、出口出流后的周?chē)橘|(zhì)，確定為自由出流。

d.根據(jù)取水口事故檢修門(mén)水流方式確定為薄壁孔口。

綜上所述，取水口事故檢修門(mén)在小開(kāi)度提門(mén)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(shù)，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(yàn)收規(guī)范》(GB 50628—2008)及設(shè)計(jì)要求，輸水隧洞充水過(guò)程中，水柱上升速率不超過(guò)10m/h[5]，確定劉家峽庫(kù)區(qū)水位在1730.00m、取水口事故檢修門(mén)充水提升高度為0.05m時(shí)，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(jī)電設(shè)備檢查

a.取水口土建工程、安全監(jiān)測(cè)工程、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、水力機(jī)械設(shè)備、消防系統(tǒng)、電氣設(shè)備已達(dá)到充水要求。

b.取水口事故檢修門(mén)孔口、攔污柵孔口等孔口安全圍欄安裝完成，設(shè)備設(shè)施孔洞封堵完成，樓梯欄桿安裝完成，設(shè)備標(biāo)牌、安全標(biāo)志、警示標(biāo)志等標(biāo)識(shí)牌配備齊全。

c.充水期間取水口各處及對(duì)外通信暢通。

d.取水口啟閉機(jī)操作人員明確充水總體安排。

e.取水口相關(guān)設(shè)備廠家已到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

f.取水口各崗位人員責(zé)任已劃分。

g.取水口處安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、液位均已正常顯示。

h.取水口安全保證措施已落實(shí)到位。

i.應(yīng)急預(yù)案已完善，所需設(shè)備、材料、人員已就位，并已進(jìn)行演練。

2.3 輸水隧洞水工建筑物、機(jī)電設(shè)備檢查

a.輸水隧洞土建工程、安全監(jiān)測(cè)工程、水力機(jī)械設(shè)備已滿(mǎn)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(biāo)志，并已宣傳到位，人員監(jiān)護(hù)已安排到位。

c.輸水隧洞巡回線(xiàn)路明確、通信暢通，能夠準(zhǔn)確、清晰地傳達(dá)信息指令。

d.輸水隧洞沿線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均已顯示正常。

e.輸水隧洞充水安全保證措施已落實(shí)到位。

f.輸水隧洞末端檢修閥、放空閥所在位置正確。

g.應(yīng)急預(yù)案已完善，所需設(shè)備、材料、人員已就位，并已進(jìn)行演練。

3 充水過(guò)程

3.1 輸水隧洞充水試驗(yàn)

輸水隧洞充水試驗(yàn)采用小開(kāi)度提門(mén)、分級(jí)充水、多次穩(wěn)壓的方式進(jìn)行。充水過(guò)程根據(jù)水頭變化分階段進(jìn)行，每一級(jí)充水達(dá)到預(yù)定水位后進(jìn)行穩(wěn)壓觀測(cè)。充水過(guò)程中將啟閉機(jī)開(kāi)度儀顯示數(shù)值、載荷儀顯示數(shù)值、鋼絲繩狀態(tài)及輸水隧洞過(guò)流聲音、事故檢修門(mén)啟閉力理論計(jì)算值作為依據(jù)，及時(shí)調(diào)整事故檢修門(mén)狀態(tài)。

蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞充水工作于2019年10月12日開(kāi)始，2019年11月9日結(jié)束，歷時(shí)30天。具體充水參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 輸水隧洞充水過(guò)程

3.2 充水試驗(yàn)的安全監(jiān)測(cè)

充水試驗(yàn)安全監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)輸水隧洞充水過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及分水井水位變化情況，為輸水隧洞分級(jí)充水、穩(wěn)壓及各工作面的組織協(xié)調(diào)提供決策信息。輸水隧洞充水試運(yùn)行期間應(yīng)準(zhǔn)確記錄水工建筑物及輸水隧洞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析建筑物在充水期間的工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)建筑物的安全性。

3.2.1 觀測(cè)設(shè)備

輸水隧洞沿線(xiàn)布置滲壓計(jì)、錨桿測(cè)力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、土壓力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)等觀測(cè)儀器，用以觀察充水、穩(wěn)壓及后期正常運(yùn)行時(shí)輸水隧洞狀態(tài)。

3.2.2 觀測(cè)頻次

充水試運(yùn)行期間，應(yīng)準(zhǔn)確記錄每個(gè)充水保壓等級(jí)監(jiān)測(cè)的初始值和最終值，充水過(guò)程前后各觀測(cè)一次，穩(wěn)壓過(guò)程每8h向試運(yùn)行領(lǐng)導(dǎo)小組匯報(bào)一次。

3.2.3 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

在輸水隧洞充水過(guò)程中，隨著水位高程不短增加，滲壓計(jì)、土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備隨高程變化，測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際充水情況基本一致，未見(jiàn)異常突變，具體變化見(jiàn)圖2。

圖2 輸水隧洞充水過(guò)程安全監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

4 充水試驗(yàn)的問(wèn)題與經(jīng)驗(yàn)

4.1 小開(kāi)度提門(mén)過(guò)程控制

輸水隧洞正式充水前，取水口事故檢修門(mén)啟閉機(jī)僅完成空載條件下相關(guān)試驗(yàn)，額定工況下啟閉機(jī)工作狀態(tài)未知。在首次靜水提門(mén)時(shí)出現(xiàn)啟閉機(jī)開(kāi)度儀顯示值異常、載荷儀顯示數(shù)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(xiàn)場(chǎng)重新對(duì)啟閉機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢查、調(diào)整，校驗(yàn)鋼絲繩收縮系數(shù)，設(shè)定提升限位，從而保證充水順利進(jìn)行。

4.2 輸水隧洞充水過(guò)程控制

輸水隧洞充水過(guò)程控制主要參照前期計(jì)算成果和充水期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)受提門(mén)孔高影響。在對(duì)啟閉設(shè)備重新進(jìn)行校驗(yàn)后，按照計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)充水過(guò)程進(jìn)行控制，但實(shí)際充水量均小于計(jì)算值、計(jì)算充水時(shí)長(zhǎng)均大于計(jì)算值。

5 結(jié) 語(yǔ)

蘭州市水源地建設(shè)工程項(xiàng)目輸水隧洞充水試驗(yàn)準(zhǔn)備充分，組織協(xié)調(diào)有序，各參建方責(zé)任落實(shí)到位。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程所取得的安全監(jiān)測(cè)資料分析和對(duì)輸水隧洞沿線(xiàn)檢查結(jié)果表明，充水試驗(yàn)獲得圓滿(mǎn)成功，為后續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)我國(guó)長(zhǎng)距離、大體積、有壓輸水隧洞的設(shè)計(jì)、施工、充排水試驗(yàn)及運(yùn)行管理有著較大的指導(dǎo)意義。