陽江抽蓄電站引水系統(tǒng)充排水試驗監(jiān)測成果分析

常麗穎，王建學(xué)

（廣東省水利電力勘測設(shè)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(jī)容量最大（400 MW）、機(jī)組設(shè)備全面國產(chǎn)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(yuǎn)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(tǒng)首次加、卸載過程,是檢驗水道系統(tǒng)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(tǒng)變形、應(yīng)力、滲流等監(jiān)測項目的觀測資料,揭示了建筑物承受荷載的變化規(guī)律,研究了引水系統(tǒng)的工作性態(tài),為工程及同類工程設(shè)計施工和安全運行提供理論支持和參考依據(jù)。

1 工程概況及監(jiān)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(tǒng)、地下廠房洞室群、下水庫及工程邊坡等組成,采用近、遠(yuǎn)兩期建設(shè),上、下水庫在近期一次建成的建設(shè)方案。電站近遠(yuǎn)期裝機(jī)容量各1200 MW,均采用一洞三機(jī)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(jìn)出水口、上游調(diào)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(tǒng)、施工支洞堵頭等組成,水道最大靜水頭798.7 m,引水隧洞內(nèi)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(nèi)徑2.3 m～3.0 m,采用600 MPa 級高強(qiáng)鋼板內(nèi)襯,鋼板厚44.0 mm～85.0 mm。上游調(diào)壓井升管和大井內(nèi)徑分別為7.5 m、16.0 m,襯砌厚0.6 m。

1.2 監(jiān)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(jiān)測部位布置測縫計及鋼管測縫計進(jìn)行圍巖和鋼管與襯砌接縫變形監(jiān)測,布置鋼筋計、錨桿應(yīng)力計及鋼板計進(jìn)行襯砌鋼筋、圍巖支護(hù)及鋼支管應(yīng)力監(jiān)測；布置滲壓計及測壓管進(jìn)行滲透壓力、地下滲流場及輸水系統(tǒng)沿線地下水位監(jiān)測。

2 充排水試驗過程

2.1 充水過程

輸水系統(tǒng)充水先進(jìn)行尾水道充水,再進(jìn)行機(jī)組段充水,最后實施引水系統(tǒng)充水。引水系統(tǒng)于2021 年11 月2 日開始充水,至11 月22 日充水結(jié)束,引水系統(tǒng)充水過程結(jié)合水道布置特點劃分為六個階段進(jìn)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(nèi)。引水道的上、下豎井段水頭變幅大,充水過程中需設(shè)置24 h～48 h 的穩(wěn)壓時間,引水系統(tǒng)充水試驗過程數(shù)據(jù)見表1。

表1 引水系統(tǒng)充水試驗過程數(shù)據(jù)

2.2 排水過程

充水階段結(jié)束后進(jìn)入排水過程。排水時先進(jìn)行引水系統(tǒng)排水,再實施尾水系統(tǒng)排水。本工程引水系統(tǒng)充水后,經(jīng)對各項監(jiān)測資料分析、評價,確認(rèn)水道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、堵頭及機(jī)組等基本處于正常狀態(tài),因此不實施水道系統(tǒng)排水工作。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 圍巖/鋼管與襯砌接縫開合度

引水系統(tǒng)圍巖與襯砌混凝土最大接縫開合度發(fā)生在上豎井下彎段（7.25 mm）,結(jié)合工程地質(zhì)情況發(fā)現(xiàn),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(fā)生在下豎井上彎段頂拱（1.92 mm）?？紤]為該部位上彎結(jié)構(gòu)特性,水道充水后襯砌頂部受內(nèi)水壓力擠壓較大從而導(dǎo)致內(nèi)水外滲,外滲水壓力作用于圍巖,進(jìn)而產(chǎn)生襯砌與圍巖徑向變形不同步的情況。

根據(jù)測縫計觀測成果分析得出,充排水試驗前期引水系統(tǒng)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(guān)性,隨內(nèi)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(tài)。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(jìn)行,內(nèi)水開始外滲,內(nèi)水壓力直接作用于圍巖,圍巖向外側(cè)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(nèi)水壓力,圍巖向外側(cè)的徑向變形得到控制,進(jìn)而接縫擴(kuò)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(tài),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(yīng)力

引水系統(tǒng)支護(hù)錨桿應(yīng)力極值均發(fā)生在引水高壓岔管,最大應(yīng)力測值均小于100 MPa,錨桿拉應(yīng)力最大變幅發(fā)生在Y1+943.00 監(jiān)測斷面左側(cè)腰（26.93 MPa）。引水高壓岔管系統(tǒng)錨桿的桿體材料為Ф25 的螺紋鋼,其屈服強(qiáng)度400 MPa,抗拉強(qiáng)度540 MPa。充水前期大多數(shù)錨桿呈受壓狀態(tài),承受壓力的錨桿并沒有發(fā)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(yīng)力測值僅為65.20 MPa,各測點錨桿應(yīng)力均遠(yuǎn)低于設(shè)計強(qiáng)度。

根據(jù)錨桿應(yīng)力計觀測成果分析得出,充排水試驗過程中,引水系統(tǒng)支護(hù)錨桿應(yīng)力與充排水水位相關(guān)性明顯,充水前期大多數(shù)錨桿呈受壓狀態(tài),隨著內(nèi)水壓力增大,圍巖承擔(dān)了內(nèi)水壓力,圍巖支護(hù)錨桿逐漸受拉。這符合支護(hù)錨桿受力一般變化規(guī)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(jiān)測資料具有可靠性。

3.3 鋼筋應(yīng)力

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

根據(jù)鋼筋計觀測成果分析得出,充水前各測點均呈受壓狀態(tài),充水后隨著內(nèi)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(gòu)件的一般規(guī)律。鋼筋混凝土岔管在高水頭作用下為一透水體,內(nèi)水外滲后內(nèi)水壓力直接作用于圍巖,圍巖承擔(dān)了絕大部分的內(nèi)水壓力,因此襯砌內(nèi)鋼筋應(yīng)力測值均不大,這與滲透體積力法結(jié)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(yīng)力

引水鋼支管鋼板應(yīng)力測值介于-606.42 MPa～80.01 MPa之間,多數(shù)呈受壓狀態(tài)。根據(jù)鋼板計觀測成果分析得出,充水初期受溫度影響,鋼板壓應(yīng)力小幅度增大,溫度趨于穩(wěn)定后,隨內(nèi)水壓力增大鋼板壓應(yīng)力減小,少數(shù)測點出現(xiàn)較小拉應(yīng)力,符合鋼板應(yīng)力變化一般規(guī)律。

其中,3#鋼支管Y0+047.524 監(jiān)測斷面左腰處鋼板自11月7 日開始出現(xiàn)較大壓應(yīng)力變化,11 月8 日壓應(yīng)力超過400 MPa,19 日起壓應(yīng)力逐漸減小。經(jīng)與4#施工支洞堵頭段滲流監(jiān)測資料結(jié)合分析,考慮壓應(yīng)力突增與4#堵頭附近廊道同時段出現(xiàn)滲漏出水點相關(guān)。具體而言,由于4#堵頭附近內(nèi)水外滲,導(dǎo)致3#鋼支管左側(cè)腰部位外水壓力增大,鋼板受較大壓應(yīng)力,18 日上午該出水點封堵完成后鋼板壓應(yīng)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(yīng)力計測值過程線

3.5 滲透壓力

引水系統(tǒng)運行期間為內(nèi)壓超高的有壓隧洞,為阻止高壓內(nèi)水外滲向高壓岔支管及廠房區(qū)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(cè)埋設(shè)了滲壓計,用以監(jiān)測阻水帷幕段滲壓變化情況。充水試驗期間,帷幕上游側(cè)滲壓水位隨引水系統(tǒng)水位上升而增大,呈正相關(guān)性,帷幕下游側(cè)滲壓水位隨引水系統(tǒng)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(tǒng)充水及穩(wěn)壓期間,滲透壓力變化顯著部位主要發(fā)生在4#施工支洞堵頭。4#堵頭0+692.050 監(jiān)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(nèi)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(jiān)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(xiàn)波動。同時防滲排水系統(tǒng)布置在4#堵頭的滲壓計Psslc11 和Psslc13 觀測結(jié)果與P4 dt2-1、P4 dt2-2 測值變化一致性較強(qiáng)。見圖3。

圖3 4#施工支洞堵頭滲壓計測值過程線

結(jié)合輸水系統(tǒng)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(jù)現(xiàn)場巡視檢查反饋結(jié)果發(fā)現(xiàn),同時段4#堵頭附近廊道出現(xiàn)出水點,表明該部位襯砌結(jié)構(gòu)開裂。18 日上午該出水點通過灌漿封堵以實現(xiàn)抵抗內(nèi)水壓力的任務(wù),至此各測點滲壓水位逐漸回落并趨于穩(wěn)定,表明防滲處理措施合理有效,確保引水系統(tǒng)正常運行。

4 結(jié)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(nèi)水壓力增加而增大,這是因為內(nèi)水外滲后,內(nèi)水壓力直接作用于圍巖,圍巖向外側(cè)的徑向變形大于襯砌的徑向變形。

2）引水系統(tǒng)支護(hù)應(yīng)力極值均發(fā)生在最大水頭部位,與充排水水位相關(guān)性明顯。隨著內(nèi)水壓力增大,支護(hù)錨桿和襯砌鋼筋逐漸受拉；內(nèi)水外滲后內(nèi)水壓力直接作用于圍巖,使圍巖承擔(dān)了絕大部分的內(nèi)水壓力,因此支護(hù)應(yīng)力均不大。

3）引水系統(tǒng)充水及穩(wěn)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(fā)生在4#施工支洞堵頭。結(jié)合輸水系統(tǒng)沿線山體地下水位變化情況和現(xiàn)場巡視檢查結(jié)果,可以明確4#堵頭附近襯砌結(jié)構(gòu)開裂,存在較為暢通的滲流通道,現(xiàn)場通過灌漿封堵抵抗內(nèi)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(tǒng)正常運行。

綜上所述,充排水試驗期間,近期引水系統(tǒng)各主體工程的圍巖與襯砌混凝土接縫狀態(tài)基本穩(wěn)定,系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼板等支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)符合一般規(guī)律,圍巖滲透壓力變化基本正常,表明輸水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和施工技術(shù)合理可靠。