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        下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞運(yùn)行與檢修技術(shù)研究

        2019-12-02 07:36:08趙賢學(xué)張士平吳凱強(qiáng)
        水電站機(jī)電技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:聚脲消力池溢流

        陳 斌,趙賢學(xué),張士平,楊 燚,吳凱強(qiáng)

        (華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 天臺(tái)317200)

        1 引言

        桐柏抽水蓄能電站(下稱桐柏電站)下水庫(kù)大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,壩高68.25 m,壩頂長(zhǎng)度434 m,壩址流域面積為21.4 km2,死水位110 m,死庫(kù)容213.9萬(wàn)m3,正常蓄水位141.17 m,總庫(kù)容1 283.6萬(wàn)m3;溢洪道為壩身開(kāi)敞式自由溢流,位于壩體河床部位;設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水,設(shè)計(jì)洪水位145.6 m,總下泄流量361 m3/s;校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水,校核洪水位146.60 m,總下泄流量496 m3/s。

        導(dǎo)流泄放洞布置在下水庫(kù)右岸由進(jìn)口引水渠、進(jìn)水口、事故檢修門井、有壓洞及出口消力池組成;建筑物全長(zhǎng)742.24 m,最大工作水頭63.0 m,設(shè)計(jì)泄量176.1 m3/s。見(jiàn)下頁(yè)圖1。

        2 導(dǎo)流泄放洞設(shè)計(jì)及施工

        2.1 設(shè)計(jì)布置

        導(dǎo)流泄放洞全長(zhǎng)742.24 m,其中進(jìn)口引水渠長(zhǎng)約80 m,底寬7.8~21.5 m,擴(kuò)散角10°,為滿足下水庫(kù)施工期導(dǎo)流及檢修期放空水庫(kù),渠底高程為90.5 m;為防止泄洪時(shí)大量推移質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)流泄放洞,利用進(jìn)口前的疊梁門作攔渣坎,坎頂高程98.30 m,并在疊梁門前25 m處設(shè)一集渣坑。有壓洞長(zhǎng)525.01 m,隧洞中部靠近右壩頭附近設(shè)一道事故檢修門,閘門井高65.5 m;隧洞進(jìn)水口為6.4 m×6.4 m(寬×高)矩形漸變?yōu)橹睆?.8 m的圓形,原設(shè)計(jì)靠近出口110 m段采用鋼板襯砌,內(nèi)徑D=4.8 m,壁厚14 mm;經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)徑D=3.6 m,鋼管段長(zhǎng)度60 m;隧洞出口后有一10 m長(zhǎng)的平坡段,以便布置工作弧門及其啟閉機(jī),弧門孔口尺寸為2 m×3 m,底板高程82.6 m。消力池為深挖護(hù)坦與消力檻相結(jié)合形式,池底高程71.5 m,邊墻高程85.5 m,消力檻高1.0 m,其頂高程78.5 m,池深 7 m,池寬 7.9~16.3 m,池長(zhǎng) 63 m,消力池出口下游布置長(zhǎng)度55 m的海漫段,避免出消力池后水流的剩余能量沖刷河床。

        2.2 泄流能力計(jì)算[1]

        按P=2%洪水時(shí)保證機(jī)組發(fā)電不受影響為原則,通過(guò)導(dǎo)流泄放洞和溢洪道的聯(lián)合調(diào)洪,確定導(dǎo)流泄放洞出流孔口尺寸為2 m×3 m。根據(jù)隧洞有壓流公式;式中:Z—上游水位與出口中心線高程差,ωc—出口斷面面積,μc—流量系數(shù),其計(jì)算公式略。經(jīng)計(jì)算流量系數(shù)μc=0.856,水庫(kù)各水位下的泄流量見(jiàn)表1:導(dǎo)流泄放洞水位-流量關(guān)系表。

        圖1 下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞平面布置及縱剖面圖

        表1 導(dǎo)流泄放洞水位-流量關(guān)系表

        由表1可知,設(shè)計(jì)洪水位出口弧門全開(kāi)時(shí),導(dǎo)流泄放洞最大下泄流量為176.1 m3/s。經(jīng)計(jì)算,鋼筋混凝土襯砌段平均流速為9.73 m/s,出口鋼襯段流速為17.30 m/s。

        2.3 施工情況

        進(jìn)口明渠段開(kāi)挖采用預(yù)裂梯段爆破;洞身段采用手風(fēng)鉆鉆孔,平行直眼掏槽,周邊光爆成型;閘門井豎井采用正導(dǎo)井開(kāi)挖方式;導(dǎo)流泄放洞洞身段及檢修閘門井均采用鋼筋混凝土襯砌,其中閘門井洞身段EL82.0~EL86.0 m高程采用C30混凝土,閘門井及井后洞身EL86.0~EL93.0 m高程采用C25混凝土,消力池段側(cè)墻及底板表層50 cm采用抗沖磨、抗空蝕性能較好的C40鋼纖維混凝土;海漫段采用消力墩與灌砌混凝土結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式;導(dǎo)流泄放洞灌漿工程包括出口消能工底板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿,平洞回填灌漿和固結(jié)灌漿,事故閘門井固結(jié)灌漿;鋼板襯砌于泄0+465.008 m至泄0+526.933 m,全長(zhǎng)61.925 m,鋼板厚14 mm,材質(zhì)為16 MnR;閘門及啟閉機(jī)安裝包括導(dǎo)流泄放洞事故門及門槽、事故門啟閉機(jī)、事故門啟閉機(jī)室檢修設(shè)備及軌道、弧形工作門及其門槽、弧形工作門啟閉機(jī)、弧形工作門啟閉機(jī)室檢修設(shè)備及其軌道。自2001年4月開(kāi)工,2005年5月12日下閘蓄水,至2006年1月檢修閘門下游段改造完畢。

        3 導(dǎo)流泄放洞運(yùn)行實(shí)踐

        3.1 導(dǎo)流泄放洞洪水泄放原則

        抽水蓄能電站和常規(guī)水電站最大區(qū)別是必須有2個(gè)水庫(kù)即上水庫(kù)和下水庫(kù),而且2庫(kù)僅需儲(chǔ)有一庫(kù)的有效庫(kù)容水量即可滿足抽水蓄能電站的各項(xiàng)功能;洪水調(diào)節(jié)計(jì)算采用上下水庫(kù)聯(lián)動(dòng)機(jī)組參于運(yùn)行即動(dòng)態(tài)調(diào)洪方式,洪水泄放原則:(1)上水庫(kù)水位達(dá)正常蓄水位396.21 m,電站停止抽水;(2)下水庫(kù)水位低于142 m時(shí),電站正常發(fā)電;入庫(kù)洪水通過(guò)導(dǎo)流泄放洞排放,排放流量為前一時(shí)段入庫(kù)洪水流量;(3)下水庫(kù)水位高于142 m,低于145.6 m(P=0.5%洪水位),水泵水輪機(jī)、導(dǎo)流泄放洞、溢洪道共同參與調(diào)洪;(4)下水庫(kù)水位高于145.6 m,電站停止發(fā)電,關(guān)閉導(dǎo)流泄放洞,洪水通過(guò)溢洪道排放;(5)水庫(kù)下泄流量不大于同頻率天然洪峰流量。桐柏水庫(kù)設(shè)定為當(dāng)上下水庫(kù)有效庫(kù)容之和比上水庫(kù)有效庫(kù)容多20萬(wàn)m3時(shí)下水庫(kù)放水。

        3.2 運(yùn)行實(shí)踐

        自2005年5月蓄水至2019年3月底累計(jì)放水252次,共泄放水量31 498.8萬(wàn)m3,見(jiàn)表2;歷時(shí)最長(zhǎng)一次泄放洪水是2012年6月8日11:00至6月25日9:00,共泄洪歷時(shí)406 h,泄放水量572.1萬(wàn)m3;泄洪量最大一次放水是2012年8月2日17:00至8月11日20:00共泄洪歷時(shí)219 h,泄放水量1 180.2萬(wàn)m3;年泄洪量最多的是2012年為4 009.3萬(wàn)m3;例舉開(kāi)度最大一次放水是2009年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫拉克”導(dǎo)流泄放洞泄洪情況,8月9日桐柏電站流域24 h降雨量為178.5 mm,最大入庫(kù)流量是127.3 m3/s(9日21:00),經(jīng)華東電網(wǎng)調(diào)度中心同意9日和10日分別減少抽水點(diǎn)數(shù)8個(gè)點(diǎn)(1個(gè)點(diǎn)為15 min)和23個(gè)點(diǎn),分別給上水庫(kù)騰出庫(kù)容72萬(wàn)m3和207萬(wàn)m3;導(dǎo)流泄放洞8日10:00開(kāi)啟工作閘門泄放洪水,最大開(kāi)度1.6 m,最大出庫(kù)流量為86.7 m3/s,至12日21:30關(guān)閉,歷時(shí)107.5 h,共泄水562.1萬(wàn)m3;本次洪水按洪峰流量計(jì)接近5年一遇標(biāo)準(zhǔn),未影響發(fā)電;水庫(kù)大壩及下游河道運(yùn)行安全[2]。

        桐柏電站上下水庫(kù)運(yùn)行14年來(lái)基本采用下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞開(kāi)閘放水,上水庫(kù)設(shè)置有閘控制溢洪道自2005年5月水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)上水庫(kù)溢洪道放水僅2次,首次是2005年因臺(tái)風(fēng)降雨水庫(kù)蓄滿后自由溢流,第二次為2015年11月11日至16日放水,原因是下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞消力池檢修無(wú)法放水,而且上庫(kù)溢洪道堰頂高程為EL394 m,因發(fā)電上水庫(kù)水位迅速下降低于堰頂高程只能間歇式放水;況且水體交換到上水庫(kù)即為儲(chǔ)存能量,一般不會(huì)輕易泄放,通過(guò)發(fā)電即可增加電站效益;而設(shè)置在下水庫(kù)導(dǎo)流泄放洞使用起來(lái)非常方便,開(kāi)度自0.1 m至3 m啟閉靈活,加之每次放水均多次變換開(kāi)度,14年來(lái)啟閉操作約500次,液壓設(shè)備采購(gòu)質(zhì)量好,精心運(yùn)行維護(hù)使得閘門啟閉非??煽?;只是泄洪時(shí)閘門開(kāi)度90%為小開(kāi)度0.1 m,當(dāng)水頭為54 m時(shí)閘門出口流速為28 m/s,而且出流形態(tài)為挑流,對(duì)設(shè)計(jì)為底流消能的消力池沖刷嚴(yán)重,粗骨料出露,局部鋼筋露出見(jiàn)圖2;影響導(dǎo)流泄放洞安全,為此必須進(jìn)行檢修。

        表2 導(dǎo)流泄放洞投運(yùn)以來(lái)泄洪量統(tǒng)計(jì)表

        圖2 溢流面處理前狀況

        4 檢修技術(shù)研究

        4.1 技術(shù)研究

        消力池段底板表層50 cm原設(shè)計(jì)采用抗沖磨、抗空蝕性能較好的C40鋼纖維混凝土,從目前消力池缺陷情況看,對(duì)工作閘門小開(kāi)度運(yùn)行而變成挑流消能是不適用的;查閱其他電站溢洪道溢流面處理技術(shù),參照其他水電站溢洪道采用SK抗沖磨刮涂聚脲(也稱單組分手刮聚脲)和SK高韌性環(huán)氧涂膜對(duì)比試驗(yàn),單組分手刮聚脲性能更優(yōu)越,其具有拉伸強(qiáng)度大、硬度高、柔性好、耐老化、耐低溫等特點(diǎn),適用于混凝土溢流面、導(dǎo)流泄放洞等具有抗沖磨要求的泄水建筑物正表面的防護(hù)及裂縫表面封閉[3];研究后采用單組分手刮聚脲進(jìn)行涂刷保護(hù)溢流面混凝土的方案是合適的。其物理力學(xué)性能見(jiàn)表3。

        表3 單組分手刮聚脲物理力學(xué)性能

        4.2 施工工藝

        (1)表面處理

        要求混凝土表面平整、堅(jiān)固、無(wú)孔洞;對(duì)混凝土溢流面打磨干凈并且干燥,局部孔洞用高強(qiáng)膩?zhàn)犹钛a(bǔ)找平固化后打磨;對(duì)混凝土面上大于0.2 mm裂縫,采用增加胎基布,對(duì)滲水裂縫,進(jìn)行了化學(xué)灌漿處理。

        (2)界面劑涂刷

        聚脲層涂刷前,在混凝土表面涂刷界面劑;涂刷厚度要求薄而均勻,保證聚脲與混凝土表面之間的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于2.5 MPa。

        (3)涂刷手刮聚脲

        界面劑干燥后,開(kāi)始刮涂抗沖磨型聚脲涂層;聚脲大面積涂層厚度2 mm,共涂刷3遍,第1遍涂刷0.5 mm厚,第1層干燥后,刮涂第2遍厚1.0 mm,第3遍涂刷厚0.5 mm。

        (4)周邊處理

        在聚脲涂刷范圍的周邊,為了保證聚脲涂層與周圍混凝土的搭接牢固可靠,避免在高速水流沖刷下開(kāi)口掀起,收邊處混凝土打磨成倒三角,邊緣聚脲厚度大于4 mm,并保證聚脲與周圍混凝土搭接邊處采用平滑過(guò)渡。

        (5)聚脲層養(yǎng)護(hù)

        單組分手刮聚脲施工過(guò)程中,恰遇大風(fēng)和下雨,采用防雨布搭設(shè)對(duì)聚脲層進(jìn)行遮蓋保護(hù),待風(fēng)停雨止后,擦干凈單組分手刮聚脲涂層上的附著物,吹干后繼續(xù)施工。聚脲涂刷完工后,24 h內(nèi)不要有水浸泡,常溫養(yǎng)護(hù)。

        4.3 處理效果

        經(jīng)處理后溢流面光滑平順,處理后見(jiàn)圖3;經(jīng)近3年放水泄洪考驗(yàn)后,經(jīng)常為小開(kāi)度挑流沖刷的部位目前未見(jiàn)損壞,運(yùn)行正常。

        圖3 溢流面處理后狀況

        5 結(jié)語(yǔ)

        桐柏電站下水庫(kù)設(shè)置的導(dǎo)流泄放洞經(jīng)過(guò)14年來(lái)運(yùn)行證明設(shè)計(jì)合理,設(shè)備制造及安裝可靠,加之精心運(yùn)行維護(hù),導(dǎo)流泄放洞運(yùn)行正常,啟閉使用靈活。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)流泄放洞盡量避免小開(kāi)度泄洪,根據(jù)桐柏電站水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),建議增加小流量的放水錐閥,泄量大時(shí)才采用導(dǎo)流泄放洞開(kāi)啟閘門放水,避免因小開(kāi)度長(zhǎng)時(shí)間泄洪產(chǎn)生的挑流對(duì)溢流面沖刷損壞。

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