(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

引水隧洞充排水試驗滲壓計實測數(shù)據(jù)分析

劉毓福李數(shù)林張杰

(浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014)

充排水試驗是對引水隧洞進行安全檢查的重要手段之一。通過對泰山抽水蓄能電站1號和2號引水隧洞充排水試驗的滲壓計數(shù)據(jù)進行分析，研究高壓隧洞內(nèi)水外滲時圍巖承載、外水內(nèi)滲時襯砌承載、滲流速率與襯砌裂隙發(fā)育關(guān)系。結(jié)果表明，內(nèi)水外滲時，內(nèi)水壓力可以利用固結(jié)灌漿的圍巖承載，同時圍巖可以抵抗地下水滲入。通過對充排水試驗滲壓計數(shù)據(jù)進行分析，可以查明引水隧洞的安全狀況，對改進設(shè)計、指導(dǎo)施工有一定的參考作用。

充排水；滲壓計；內(nèi)外水壓差；設(shè)計參考值

1 工程概況和引水隧洞充排水簡介

1.1 工程概況

山東泰山抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫等建筑物組成，電站裝有四臺單機容量250MW的單級立軸混流可逆式水泵水輪機組和發(fā)電電動機組，總裝機容量為1000MW，機組裝機高程為101.00m，發(fā)電額定水頭為225.00m。

輸水道系統(tǒng)布置于橫嶺南坡北東向山梁及山前丘陵區(qū)內(nèi)，引水系統(tǒng)采用兩洞四機布置，尾水系統(tǒng)為四機兩洞布置。引水系統(tǒng)包括1號引水隧洞和2號引水隧洞，其組成部分主要有上水庫側(cè)向豎井式進/出水口及閘門井、引水上平洞、引水豎井及下平洞、鋼筋混凝土引水岔管、分岔后的高壓支管；尾水系統(tǒng)包括尾水支管、鋼筋混凝土尾水岔管、合并后的尾水隧洞、尾水調(diào)壓井及下水庫側(cè)向塔式進/出水口和尾水明渠等。引水系統(tǒng)總長為572.59～580.48m，1號引水隧洞與2號引水隧洞平行布置，其初始軸線方向為NE61.5°，經(jīng)豎井轉(zhuǎn)為NE25°至65°斜向進入廠房，其中引水平洞和高壓豎井洞直徑均為8.0m，高壓支管洞徑為4.8m，尾水支管洞徑為6.0m，尾水隧洞洞徑為8.5m。

1.2 引水隧洞充排水實驗簡介

引水隧洞洞徑大、水頭高，加之地質(zhì)條件復(fù)雜，定期對其進行放空檢查是完全有必要的。充排水試驗主要包括放空、檢查(修補)和充水等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證電站長期安全穩(wěn)定運行的重要手段，可為今后指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計提供準(zhǔn)確有效的資料。

2號引水隧洞于2014年5月31日13點40分開始排水，歷時197小時40分鐘(含保壓時間)，充水開始于2014年6月12日15點02分，累計耗時161小時58分鐘，放空期間由于豎井段內(nèi)外水壓力差居高不下，保壓時間較長，后文將重點介紹。1號引水隧洞于2016年9月22日16點開始排水，歷時138小時34分鐘(含保壓時間)，充水開始于2016年10月23日8點，累計耗時108小時左右。由于有了2號引水隧洞充排水的成功經(jīng)驗，1號引水隧洞充排水試驗進行得更為順利。

2 滲壓計埋設(shè)位置介紹

由于1號引水隧洞地質(zhì)條件相對較好，1號引水隧洞儀器較2號引水隧洞少。在1號引水主岔管段引10+232.480m處埋設(shè)2支滲壓計，儀器編號分別為Pcg1-1～Pcg1-2；在分岔管段埋設(shè)3支滲壓計，儀器編號為Pcg1-3～Pcg1-5，監(jiān)測儀器埋設(shè)情況如圖1所示。

圖1 1號引水隧洞滲壓計布置

2號引水隧洞豎井段EL260.00m高程處埋設(shè)4支滲壓計，儀器編號分別為Pp1～Pp4，在下平段引20+202.083m處埋設(shè)三支滲壓計，儀器編號為Pp5～Pp7，在2號引水分岔管段埋設(shè)3支滲壓計，儀器編號為Pcg2-1～Pcg2-3，于3號鋼支管段引2(3)0+251.150m處埋設(shè)2支滲壓計，對應(yīng)儀器編號為Pcg2-4～Pcg2-5，監(jiān)測儀器埋設(shè)情況如圖2所示。

圖2 2號引水隧洞滲壓計布置圖

3 排水過程觀測成果分析

3.1 2號引水隧洞排水過程滲壓計觀測成果分析

滲壓計用來測量隧洞鋼筋混凝土襯砌外側(cè)水壓力，通過測量該數(shù)據(jù)可以了解隧洞襯砌內(nèi)外壓力差，從而了解隧洞襯砌所受的內(nèi)水壓力情況[1]。泰山電站內(nèi)外水壓差設(shè)計參考值為1.2MPa。

3.1.1 豎井段監(jiān)測成果分析

由圖3可知，隨著水道水位下降至滲壓計埋設(shè)高程(EL260.00m)，豎井段滲壓計數(shù)值下降，降幅最大為Pp2。此時內(nèi)水下降126m，滲壓水頭最大降幅為24.28m。由圖4可知，在EL260.00m高程以上，水道水位與滲壓水頭下降速率有很好的相關(guān)性，說明滲壓計埋設(shè)部位部分水頭是由隧洞內(nèi)水外滲造成。此時最大內(nèi)外水壓差為87.77m，小于設(shè)計參考值。

由圖3可知，當(dāng)水道水位下降至EL260.00m以下之后，滲壓計水頭下降很慢。由于從EL260.00m高程至下平段無監(jiān)測儀器，無法監(jiān)測到此段豎井的外水壓力。在此，假如從EL260.00m高程往下是連通的(最壞工況)，當(dāng)水道水位下降至225.70m時，此時該處內(nèi)外水壓差達到119.2m，處于臨界破壞狀態(tài)。此時停止排水，穩(wěn)壓14h之后發(fā)現(xiàn)內(nèi)外水壓差沒有減小，經(jīng)過專家組討論，決定放下1號引水隧洞閘門，觀察1號、2號引水隧洞內(nèi)水位變化情況，以確定兩水道之間的連通關(guān)系。結(jié)果表明，1號隧洞水位下降9m，而滲壓計測值無明顯變化。

圖3 2號引水隧洞排水過程中水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

圖4 2號引水隧洞水道水位與滲壓水頭下降速率關(guān)系曲線

3.1.2 下平段監(jiān)測成果分析

如圖5所示，隨著水道水位的下降，下平段滲壓計測值無明顯下降趨勢，特別是Pp5測值較大，且前期還有略微升高。當(dāng)水位下降至225.71m時，豎井段內(nèi)外水壓差達到臨界值，下平段內(nèi)外水壓差為98.19m，且由于下平段Pp5、Pp7滲壓計讀數(shù)下降緩慢，下平段內(nèi)外水壓力上升速率與排水速率幾乎一致，經(jīng)過充分論證，認(rèn)為可按照當(dāng)時排水速率繼續(xù)進行引水系統(tǒng)放水。根據(jù)安全計算，提出下一步放水關(guān)注的控制參數(shù)：

a. 放水速率嚴(yán)格控制在2.5m/s以下。

b. sph6測值不大于-550με。

c. Rp5、Rp6、Rp7數(shù)值絕對值不大于300MPa，且趨勢變化正常。

在下一步放水過程中，應(yīng)密切關(guān)注2號下平段的襯砌應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力等情況。

最終，雖然豎井段最大內(nèi)外水壓差達到243m，下平段最大內(nèi)外水壓差達到209m，但襯砌應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力均在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。說明豎井段襯砌接縫灌漿效果良好，圍巖固結(jié)灌漿效果明顯，山體地下水滲入較少；利用豎井段滲壓計監(jiān)測來推測該儀器埋設(shè)高程以下部位內(nèi)外水壓差不合理。同時，下平段滲壓計測值居高不下，排除儀器損壞可能性，經(jīng)分析有可能是該處滲壓計埋設(shè)時混凝土將滲壓計整體包裹，導(dǎo)致滲壓計周圍的水壓力不能迅速消散。

圖5 2號引水隧洞下平段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

3.1.3 引水岔管段監(jiān)測成果分析

由于岔管部位施工條件相對復(fù)雜，分岔部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂隙發(fā)育較多。由圖6可知，隨著水道水位下降，2號岔管處滲壓計測值隨之下降，有很好的相關(guān)性。當(dāng)放空時，水道水位累計下降286.4m，而岔管部位滲壓計測值最大的Pcg2-1累計下降了274.29m，表明岔管部位滲壓水頭全部由內(nèi)水外滲造成。此現(xiàn)象也表明襯砌混凝土雖已開裂，但高內(nèi)水壓力可以利用經(jīng)高壓固結(jié)灌漿的圍巖來承載，因此設(shè)計襯砌厚度時可以將周圍地質(zhì)條件考慮在內(nèi)，減小襯砌厚度。

圖6 2號引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

3.1.4 壓力鋼管段監(jiān)測成果分析

鋼管段不會產(chǎn)生內(nèi)水外滲，但由圖7可知，隨著水道水位下降，鋼管外滲壓水頭也隨之下降。當(dāng)水道水位降至岔管滲壓計埋設(shè)高程以后，岔管段外水壓力迅速消散，同時鋼管段外水壓力趨于穩(wěn)定。表明岔管與鋼管之間防滲帷幕阻水效果不好，岔管段的內(nèi)水外滲至襯砌，是由襯砌處的外水通過帷幕滲透至鋼管處造成。

圖7 2號引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

3.2 1號引水隧洞排水過程滲壓計觀測成果分析

3.2.1 引水岔管段監(jiān)測成果分析

與2號引水隧洞類似，由圖8可知，隨著水道水位下降，1號岔管處滲壓計測值隨之下降，二者有很好的相關(guān)性。當(dāng)放空時，水道水位累計下降291.49m，而岔管部位滲壓計測值最大的Pcg1-1累計下降了165.75m,此時岔管滲壓水頭最大為39.06m。表明岔管部位滲壓水頭幾乎全部是內(nèi)水外滲造成。

由圖1可知，Pcg1-3和Pcg1-4兩支儀器布置于同一高程，相隔5m，中間有防滲帷幕。同時，由圖8可知，兩支儀器滲壓水頭幾乎一致，表明該處防滲帷幕阻水效果不好。

圖8 1號引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

3.2.2 壓力鋼管段監(jiān)測成果分析

由圖9可知，1號引水隧洞與2號引水隧洞一樣，壓力鋼管外滲壓水頭隨著水道水位下降也有下降。分析原因是由于鋼管段上 接混凝土岔管，岔管與鋼管之間防滲帷幕阻水效果不好，岔管段的內(nèi)水外滲至襯砌，襯砌處的外水通過帷幕滲透至鋼管處造成。

圖9 1號引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

4 充水過程觀測成果分析

4.1 2號引水隧洞充水過程滲壓計觀測成果分析

4.1.1 豎井段監(jiān)測成果分析

由圖10可知，2號引水隧洞充水過程與排水過程相反，當(dāng)水道水位位于EL260.00m以下時，滲壓水頭上升緩慢；當(dāng)水道水位上升至EL260.00m以上之后，滲壓水頭與水道水位的相關(guān)性則非常明顯。說明豎井段內(nèi)水外滲是客觀存在的，但是由于內(nèi)水外滲造成的滲壓水頭相對較小，說明豎井段的防滲效果較好。

圖10 2號引水隧洞豎井段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

4.1.2 下平段監(jiān)測成果分析

由圖11可知，2號引水隧洞經(jīng)過放空94小時后，Pp5滲壓水頭下降14.6m，Pp7滲壓水頭下降3.55m，與以上分析該處滲壓計被混凝土包裹一致。隨著水道水位的上升，兩支滲壓計測值沒有明顯變化。

圖11 2號引水隧洞下平段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

4.1.3 引水岔管段監(jiān)測成果分析

由圖12可知，2號引水隧洞充水過程岔管部位滲壓水頭與排水過程相反，其與水道水位相關(guān)性很好，當(dāng)水道水位恢復(fù)至放空前高程時，岔管部位滲壓計恢復(fù)至放空前水頭。表明2號引水隧洞岔管段裂隙沒有繼續(xù)發(fā)育，經(jīng)固結(jié)灌漿處理過的圍巖能較好地承受較高的內(nèi)水壓力。

圖12 2號引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

4.1.4 壓力鋼管段監(jiān)測成果分析

由圖13可知，隨著水道水位上升，鋼管外滲壓水頭逐漸恢復(fù)至放空前。Pg3-1最大達到了77m。當(dāng)水道水位處于保壓狀態(tài)時，鋼管外滲壓水頭過程線有明顯臺階狀，說明岔管至鋼管段水壓力能很快地達到平衡狀態(tài)，進一步說明岔管至鋼管段帷幕灌漿阻水較差。

圖13 2號引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

4.2 1號引水隧洞排水過程滲壓計觀測成果分析

4.2.1 引水岔管段監(jiān)測成果分析

與排水過程相反，岔管部位滲壓水頭與水道水位相關(guān)性很好，當(dāng)水道水位恢復(fù)至放空前高程時，岔管部位滲壓計恢復(fù)至放空前水頭。由圖14可知，當(dāng)水道水位處于保壓狀態(tài)時，岔管部位滲壓計測值有較明顯的波動，這是由于內(nèi)水穩(wěn)定之后，該部位內(nèi)水外滲和外水內(nèi)滲交替進行，直到達到平衡狀態(tài)。

圖14 1號引水隧洞岔管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

4.2.2 壓力鋼管段監(jiān)測成果分析

由圖15可知，隨著水道水位上升，1號鋼管外滲壓水頭逐步上升，當(dāng)水道水位處于保壓狀態(tài)時，鋼管外滲壓水頭沒有明顯臺階狀。這是由于岔管段裂隙較為明顯，岔管外很快達到飽和，導(dǎo)致岔管段滲壓水頭較大；同時岔管至鋼管段帷幕防滲效果較好，岔管部位高水頭持續(xù)作用在帷幕上，使鋼管段滲壓水頭持續(xù)緩慢增加。

圖15 1號引水隧洞壓力鋼管段水道水位與滲壓水頭關(guān)系曲線

5 山體地下水位觀測成果分析

山體地下水位與水道水位過程線如圖16所示，從圖中可以看出，1號、2號引水隧洞充排水過程中，山體地下水位并不隨水道水位下降而下降，表明隧洞與山體之間并無連通，兩者沒有相互滲漏。

圖16 引水隧洞充排水期間水道水位與山體水位關(guān)系曲線

6 總 結(jié)

泰山抽水蓄能電站1號、2號引水隧洞充排水試驗期間通過對監(jiān)測數(shù)值的分析，在保證電站安全的前提下，高效及時解決了充排水過程中遇到的各種隱患，得出以下結(jié)論，供其他電站進行同類試驗時參考。

a. 充排水過程，控制水道水位升降速率是保證充排水試驗安全進行的關(guān)鍵。

b. 當(dāng)內(nèi)外水壓差達到設(shè)計參考值時，應(yīng)分析滲壓計埋設(shè)斷面處其他類型儀器，如：應(yīng)變計、鋼筋計和測縫計，通過其他儀器進一步分析各斷面是否處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。若各斷面其他儀器測值正常，則可選定其他設(shè)計參考值來進行控制監(jiān)測。

c. 通過內(nèi)水外滲速率以及滲壓水頭過程線的波動性可以判斷該斷面裂隙發(fā)育情況，明確放空檢查重點。

d. 岔管外圍巖高壓固結(jié)灌漿效果較好，在岔管段裂隙發(fā)育時，起到了很好的承載和防滲作用。

鄒仕鑫. 仙游抽水蓄能電站2號引水隧洞充排水試驗實測數(shù)據(jù)分析[J]. 中國水能及電氣化, 2014(2)： 48-52.

Analysisonthemeasureddataofwaterfillinganddrainageexperimentosmometerinthewaterdiversiontunnel

LIU Yufu, LI Shulin, ZHANG Jie

(ZhejiangHuadongEngineeringSafetyTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou310014,China)

Water filling and draining experiment is one of the important means of safety inspection of water diversion tunnels. Through analyzing the osmometer data of water filling and draining experiment in No. 1 and No. 2 water diversion tunnel of Taishan pumped storage power plant, surrounding rock bearing during internal water outward seepage, lining bearing during external water inward seepage, seepage rate and lining crack development relations in high pressure tunnels are studied. The results show that the internal water pressure can be carried by the surrounding rock of consolidation grouting during internal water outward seepage. Meanwhile, the surrounding rock can resist infiltration of groundwater. The security situation of the water diversion tunnel can be found through the analysis of the osmometer data of water filling and drainage experiment, which has certain reference effect on the improvement design and construction guidance.

water filling and drainage; osmometer; internal and external water pressure difference; design reference value

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.013

TV698.1+2

B

1005-4774(2017)010-0052-05