楊 昭，顧志堅(jiān)，雷 慧，陳弘昊，李 展，裴 軍

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

深圳抽水蓄能電站(以下簡稱“深蓄電站”)位于廣東省深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)交界處，毗鄰香港特別行政區(qū)，站址距深圳市中心約20 km，電站裝機(jī)容量1 200 MW，平均水頭448.30 m，按日調(diào)節(jié)運(yùn)行。樞紐工程由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、開關(guān)站、場內(nèi)永久道路等部分組成。

1 試驗(yàn)介紹

深蓄電站引水系統(tǒng)在進(jìn)行階段性驗(yàn)收及完成下游尾水隧洞充水試驗(yàn)后，為確保調(diào)試工作順利進(jìn)行，開展上游水道充水試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)水道土建結(jié)構(gòu)、壓力鋼管、球閥、尾水管等水道過水結(jié)構(gòu)的滲漏及其他相關(guān)情況，水道充水試驗(yàn)耗時(shí)近15 d。由于施加水壓力過程緩慢，采用靜態(tài)法，檢驗(yàn)在上游水道充水過程中壓力鋼管、球閥進(jìn)水接管、球閥本體、球閥相對支墩的滑動機(jī)構(gòu)、伸縮節(jié)、蝸殼上游延伸段壓力鋼管的靜態(tài)應(yīng)力和位移，結(jié)合廠房建筑物、地下滲流場的監(jiān)測結(jié)果，考核球閥體系的制造、安裝是否滿足設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)水道結(jié)構(gòu)是否正常工作[1]。

深蓄電站進(jìn)水球型閥公稱直徑2 300 mm，最大凈水頭468.35 m，設(shè)計(jì)水頭720 m，升壓水頭920 m。球閥制造商為安德里茨公司，球閥支墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于球閥閥體與球閥支墩采用2種力學(xué)性能完全不同的材料，在球閥與混凝土之間設(shè)有滑動裝置，以緩沖球閥作用于球閥混凝土支墩的水平推力。此外，為緩解因溫度等因素產(chǎn)生的附加力，球閥和蝸殼延伸段之間設(shè)有伸縮節(jié)，用于消除各種廣義力對蝸殼結(jié)構(gòu)的影響，避免蝸殼等構(gòu)件出現(xiàn)穩(wěn)定問題。

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)獲得引水系統(tǒng)壓力鋼管、進(jìn)水閥混凝土支墩、伸縮節(jié)、蝸殼上游延伸段鋼管等構(gòu)件的最大應(yīng)力，驗(yàn)證上述構(gòu)件實(shí)際受力是否滿足設(shè)計(jì)要求，參照設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)條款，評估引水壓力鋼管、球閥混凝土支墩等結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求[2]。

(2)了解在上游水道水位增加的過程中，進(jìn)水球閥前后壓力鋼管、蝸殼延伸段壓力鋼管的應(yīng)力變化規(guī)律，分析隨水道水位增加時(shí)上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律，評價(jià)機(jī)組引水系統(tǒng)是否能正常工作。

(3)了解在上游引水道水位增加的過程中，球閥相對于混凝土支墩的位移、伸縮節(jié)的位移是否與設(shè)計(jì)值吻合；通過監(jiān)測上述位移的變化規(guī)律，檢驗(yàn)球閥與混凝土支墩之間滑動機(jī)構(gòu)的工作可靠性；評價(jià)伸縮節(jié)的工作性態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)檢驗(yàn)進(jìn)水球閥、引水壓力鋼管、混凝土支墩等結(jié)構(gòu)的安裝、制造、施工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)引水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施其他可能存在的安全隱患。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)監(jiān)測充水過程中球閥進(jìn)水口接管的靜態(tài)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的大小與應(yīng)力分布或變化規(guī)律。

(2)監(jiān)測充水過程中蝸殼上游延伸段壓力鋼管的靜態(tài)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力大小與應(yīng)力分布或變化規(guī)律。

(3)監(jiān)測充水過程中球閥混凝土支墩結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力大小與變化規(guī)律。

(4)監(jiān)測充水過程中球閥體與混凝土支墩之間的相對滑動位移大小與變化規(guī)律，評價(jià)球閥滑動機(jī)構(gòu)工作的可靠性。

(5)監(jiān)測充水過程中伸縮節(jié)的靜態(tài)環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力大小與應(yīng)力分布或變化規(guī)律，評價(jià)伸縮節(jié)工作過程中的受力性能。

(6)監(jiān)測充水過程中球閥體相對于機(jī)組蝸殼的相對位移，以此評估伸縮節(jié)工作的可靠性。

(7)其他相應(yīng)工作。

3 試驗(yàn)方法與測點(diǎn)布置

3.1 試驗(yàn)方法

(1)靜應(yīng)力測量—電測法。應(yīng)變/應(yīng)力測量采用電測法，按照應(yīng)變計(jì)安裝規(guī)范，在應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)布置應(yīng)變計(jì)，將應(yīng)變計(jì)采集到的模擬信號通過長導(dǎo)線輸入到靜態(tài)應(yīng)變儀，利用分析軟件分析監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)充水進(jìn)程設(shè)置采樣時(shí)間為1次/1～2 h，讀出連續(xù)采樣得到的數(shù)據(jù)，最后得到被監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際受力大小與變化規(guī)律。

(2)位移測量—機(jī)械法。由于上游水道充水是一個(gè)水位變化較慢的過程，球閥、伸縮節(jié)、混凝土支墩控制點(diǎn)的位移變化也是一個(gè)相對緩慢的過程，因此位移監(jiān)測采用通用的機(jī)械讀數(shù)法。在控制測點(diǎn)布置百分表或千分表，人工讀取數(shù)據(jù)，以此可以有效避免各種間接的讀數(shù)誤差。

3.2 應(yīng)變/應(yīng)力測點(diǎn)布置

應(yīng)變/應(yīng)力測點(diǎn)布置在球閥前后壓力鋼管，共選擇3個(gè)監(jiān)測斷面(A、B、C)，主要監(jiān)測引水鋼管控制斷面的應(yīng)力在不同充水位下應(yīng)力值以及各測點(diǎn)應(yīng)力隨上游水位變化規(guī)律，用于全面評估4臺機(jī)組球閥進(jìn)水接管、蝸殼上游延伸段壓力鋼管、伸縮節(jié)的受力性能與工作狀態(tài)。應(yīng)力監(jiān)測斷面分布見圖1。

圖1 應(yīng)力監(jiān)測斷面分布

A斷面選在球閥進(jìn)水接管，監(jiān)測在充水壓力作用下球閥前端壓力鋼管軸向和環(huán)向應(yīng)力，球閥前端引水壓力鋼管是可逆式機(jī)組引水道最關(guān)鍵的受力結(jié)構(gòu)，將實(shí)際監(jiān)測應(yīng)力結(jié)果與根據(jù)壓力鋼管理論計(jì)算應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對比，可以驗(yàn)證壓力鋼管受力是否與理論推算值一致，并評價(jià)引水壓力鋼管工作的可靠性；B斷面選在伸縮節(jié)上，伸縮節(jié)僅在充尾水時(shí)才會承載受力，主要監(jiān)測充尾水時(shí)伸縮節(jié)應(yīng)力大小與分布規(guī)律；C斷面為蝸殼上游延伸段壓力鋼管，主要監(jiān)測蝸殼前端壓力鋼管的應(yīng)力大小與應(yīng)力變化規(guī)律。B、C斷面的鋼管應(yīng)力還可以評價(jià)伸縮節(jié)的工作狀況。

3.2.1球閥進(jìn)水口鋼管應(yīng)力測點(diǎn)布置

以1號機(jī)組為例，共選擇6個(gè)應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測斷面為A、B、C斷面，應(yīng)力測點(diǎn)對稱布置在鋼管左右兩側(cè)，兩邊對稱布置可以互相驗(yàn)證監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測精度。每個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)沿管道軸線和環(huán)向2個(gè)方向?qū)ΨQ布置，每個(gè)測點(diǎn)共布置2個(gè)應(yīng)變計(jì)，共計(jì)12個(gè)。1號機(jī)組壓力鋼管測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 1號機(jī)組壓力鋼管應(yīng)力測點(diǎn)布置

3.2.2混凝土支墩應(yīng)力測點(diǎn)布置

混凝土與球閥是2種力學(xué)性能相差較大的材料。為緩解通過球閥傳遞到混凝土支墩上的上游水推力，球閥與混凝土支墩之間設(shè)有滑動機(jī)構(gòu)。混凝土應(yīng)力監(jiān)測可以評估滑動機(jī)構(gòu)的功能，還可以獲得混凝土支墩承受的應(yīng)力大小?；炷林Ф展膊贾昧?個(gè)應(yīng)變計(jì)，布置在混凝土支墩底部垂直方向，用于監(jiān)測水推力對混凝土支墩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。理論上講，混凝土支墩底部上游面承受拉應(yīng)力，下游承受壓應(yīng)力。1、2號測點(diǎn)布置在混凝土支墩下游面(水輪機(jī)工況)，3、4號測點(diǎn)布置在混凝土支墩上游面。根據(jù)球閥廠家技術(shù)要求，球閥全關(guān)閉時(shí)水推力將傳遞到上游壓力鋼管，球閥可以在基礎(chǔ)板上滑動，因此球閥底座不承受軸向力。混凝土支墩應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 混凝土支墩應(yīng)力測點(diǎn)布置

3.3 位移測點(diǎn)布置

3.3.1球閥體相對于混凝土支墩的位移

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，球閥全關(guān)時(shí)上游水推力將傳遞至上游壓力鋼管，球閥底座不承受水平軸向力，球閥可以在基礎(chǔ)板上滑動，球閥靜態(tài)最大允許滑動量為1 mm。球閥相對混凝土支墩的滑移主要反應(yīng)上游水道充水過程中，球閥相對于混凝土支墩之間的滑動量，只有球閥與混凝土支墩之間存在相對位移，才能說明球閥與混凝土支墩之間的滑動機(jī)構(gòu)是有效的。由于球閥體和混凝土支墩體積都比較大，為提高監(jiān)測精度并有效評估上游水道充水時(shí)球閥體是否均勻滑動，球閥相對混凝土支墩的滑移監(jiān)測點(diǎn)布置在球閥下游端，以混凝土支墩為固定參考點(diǎn)，測點(diǎn)按左右布置。為觀測水道充水時(shí)球閥相對于支墩可能產(chǎn)生的偏移量，在1號機(jī)組沿廠房軸線方向布置了2個(gè)位移計(jì)，2～4號機(jī)組球閥體沒有布置沿廠房軸向的位移計(jì)。1號機(jī)組球閥位移監(jiān)測點(diǎn)見圖4。

圖4 1號機(jī)組球閥位移監(jiān)測點(diǎn)

3.3.2伸縮節(jié)位移測點(diǎn)

伸縮節(jié)在充水過程中軸向位移為1 mm。伸縮節(jié)位移測點(diǎn)主要監(jiān)測伸縮節(jié)在上游水道充水過程中位移量。為提高觀測精度并了解球閥在上游水推力作用下球閥整體的移動是否均勻，伸縮節(jié)位移測點(diǎn)分別布置在伸縮節(jié)的頂端和伸縮節(jié)的正下方。每臺機(jī)組伸縮節(jié)位移監(jiān)測點(diǎn)共布置2個(gè)百分表，沿壓力鋼管軸向布置。1、2、3、4號機(jī)組球閥伸縮節(jié)位移計(jì)布置位置相同。伸縮節(jié)位移測點(diǎn)布置見圖5。

圖5 伸縮節(jié)位移測點(diǎn)布置

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

球閥前進(jìn)水接管環(huán)向應(yīng)力是球閥體系壓力鋼管最主要評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，1～4號機(jī)組進(jìn)水接管最大環(huán)向應(yīng)力分別為109.0、113.3、104.0、112.9 MPa。根據(jù)壓力鋼管尺寸參數(shù)，參照NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》可以推算鋼管環(huán)向應(yīng)力理論值。

當(dāng)充水位達(dá)到上庫水位506 m時(shí)，球閥中心高程壓徑向均布壓力P0=5.11 MPa，鋼管內(nèi)半徑R=1 150 mm，鋼管管壁計(jì)算厚度為50 mm，由此推得進(jìn)水接管最大環(huán)向應(yīng)力理論值σθ=117.53 MPa。1、2、3、4號機(jī)組進(jìn)水接管最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力與理論值的誤差分別為7%、3.5%、11.5%、3.9%。各臺機(jī)組進(jìn)水接管環(huán)向應(yīng)力與理論推算值接近，誤差小于10%，充水過程球閥前進(jìn)水接管環(huán)向應(yīng)力變化規(guī)律合理。圖6為各機(jī)組球閥進(jìn)水接管環(huán)向靜應(yīng)力隨充水位變化。

圖6 各機(jī)組球閥進(jìn)水接管環(huán)向靜應(yīng)力隨充水位變化

伸縮節(jié)應(yīng)力測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果表明，整個(gè)充水試驗(yàn)過程中伸縮節(jié)的環(huán)向與軸向應(yīng)力都處于較低的水平，且有正有負(fù)，但主要以受壓為主，伸縮節(jié)最大受壓應(yīng)力為-16 MPa。在達(dá)到一定上游水位后，伸縮節(jié)軸向應(yīng)力隨水位繼續(xù)增加而增加，說明部分水推力可以通過球閥傳遞至伸縮節(jié)。上游水道充水過程中，伸縮節(jié)軸向應(yīng)力變化規(guī)律符合實(shí)際受力情況，伸縮節(jié)工作正常。充水過程各機(jī)組伸縮節(jié)測點(diǎn)靜壓力見表1。

混凝土支墩應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明，水道充水初期受溫度應(yīng)力和施工殘余應(yīng)力影響，混凝土支墩應(yīng)力變化較復(fù)雜，不完全符合上游面受拉力、下游面受壓力的規(guī)律，與加載初期應(yīng)變值較小產(chǎn)生的測量誤差有關(guān)。水道水位達(dá)到92 m后，混凝土支墩應(yīng)力變化正常。充水結(jié)束時(shí)，實(shí)測各機(jī)組混凝土支墩上游面最大拉應(yīng)力1、2、3、4號機(jī)組分別為0.85、0.74、0.82、0.71 MPa。根據(jù)GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行混凝土支墩強(qiáng)度校核，各機(jī)組混凝土支墩最大拉應(yīng)力小于規(guī)范給出的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)允許值，混凝土支墩結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。1號機(jī)組球閥混凝土支墩應(yīng)力隨充水水位增加變化趨勢見圖7。

表1 充水過程各機(jī)組伸縮節(jié)測點(diǎn)靜應(yīng)力

圖7 1號機(jī)組球閥混凝土支墩應(yīng)力隨充水水位增加變化

混凝土支墩內(nèi)安裝有鋼支架，上游水壓力作用時(shí)鋼支架與混凝土支墩共同受力，安裝鋼支架可以改善混凝土支墩的受力狀態(tài)。

4.2 位移監(jiān)測結(jié)果

水道水位達(dá)到庫水位時(shí)，1、2、3、4號機(jī)組球閥相對于支墩座的最大位移分別為0.54、0.76、0.62、0.76 mm。比較左右兩側(cè)位移量值可知，1、3號機(jī)組球閥兩側(cè)相對于支座的滑移略有差異，2、4號機(jī)組情況較好，兩側(cè)位移完全相同。整體來看，球閥滑動基本平穩(wěn)。充水過程2號機(jī)組控制點(diǎn)位移隨水位變化規(guī)律見圖8。

表2 充水水位高度與上庫水位持平時(shí)球閥最大滑移量 mm

表3 充水水位達(dá)到上庫水位時(shí)伸縮節(jié)上下測點(diǎn)位移 mm

充水過程中，各臺機(jī)組球閥相對于混凝土支墩以及伸縮節(jié)的位移(相對于蝸殼上游延伸段鋼管)隨著上游水位增加而增加；球閥左右兩端位移總體均衡，說明球閥向下游滑動正常。充水水位高度與上庫水位持平時(shí)球閥最大滑移量見表2。

伸縮節(jié)位移監(jiān)測結(jié)果表明，上游水道水位增加時(shí)，各臺機(jī)組位移的總體趨勢相近，各測點(diǎn)的靜位移隨水道水頭的增加呈線性增長，1、2、3、4號機(jī)組伸縮節(jié)頂端最大位移分別為1.12、1.16、1.15、1.25 mm，伸縮節(jié)下測點(diǎn)位移普遍略小于上測點(diǎn)，說明在上游水壓力作用下球閥向下游的位移不是剛體平動，而是存在向下游略微傾斜的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種狀況主要與球閥和支座的連接較緊有關(guān)。整體來看，伸縮節(jié)位移基本接近設(shè)計(jì)值。充水水位達(dá)到上庫水位時(shí)伸縮節(jié)上下測點(diǎn)位移見表3。

5 結(jié) 語

水道充水試驗(yàn)是機(jī)組調(diào)試前針對上游引水道進(jìn)行的第1次安全檢測。深蓄電站引水系統(tǒng)充水應(yīng)力和位移監(jiān)測結(jié)果表明，壓力鋼管、閥門進(jìn)水接管、球閥本體、伸縮節(jié)、蝸殼上游延伸段、混凝土支墩制造、安裝等滿足設(shè)計(jì)要求，各部件均工作正常。深蓄電站水道系統(tǒng)一次充水成功，可為后續(xù)抽水蓄能電站引水系統(tǒng)充水試驗(yàn)提供參考[3]。