抽水蓄能电站水道初期蓄水渗漏计算方法研究

敖国辉

摘 要抽水蓄能电站水道初期蓄水一般是指尾水隧洞至下水库进出水口段的首次充水，初期蓄水渗漏值是一项评估抽蓄电站整体防渗质量是否满足合同要求的重要指标，该渗漏值的大小也是评判下一阶段蓄水能否正常进行的一项关键参数，具有重要的指导意义。本文以中东KH抽水蓄能电站项目尾水隧道首次充蓄水为例，重点介绍了利用标尺精准计算渗漏量的一种方法，此方法操作简便、结果精准，在同类国内外工程中有着重要借鉴意义。

关键字抽水蓄能电站初期蓄水渗漏计算

1计算背景

抽水蓄能电站是一座储水蓄能的场所，所需的水量有限，除蒸发和少量渗漏损失以外， 上下库的水量进行反复使用，一般抽蓄电站均属于日调节型库容，规模较小，大部分库容在几百万立方米范围，因此对渗漏量的控制是一项非常重要经济指标，特别是在库区补水困难、水资源匮乏，且每立方水价特别高昂的中东地区，电站的渗漏量控制尤为严苛。本项目主合同中明确要求全隧道渗漏量必须控制在5L/S的范围内，因此，渗漏量检测就成了项目充水阶段非常重要的试验检测项。一般而言，抽蓄项目的充水方案可分为以下四个步骤（图1）：①下水库和尾水隧洞充水；②尾调闸门至球阀管道充水；③球阀+至上库闸门井引水隧洞充水；④上水库和闸门井上游引水隧道充水；其中，尾水隧道至下库进出水口段为项目的首次充蓄水，该段的渗漏值的大小，直接关系到下一阶段下水库整体充水能否正常进行，同时需要关注的是随着下水库充水水位的升高，尾水隧道内压也会相应增大，初期蓄水的渗漏值也会随着内部水压的增加而等比变大，为此，尾水隧道首次充蓄水的渗漏量就成了评判蓄水是否能正常进行的关键预警值。本文重点围绕对该值如何进行精准计算展开研究探讨。

图1

2计算原理

2.1尾水隧道初期蓄水渗漏预警值设定

抽蓄项目的水道可分为：引水上平洞、高压竖井、引水下平洞、尾水隧洞等，其中隧道衬砌主要由混凝土衬砌和钢衬组成，每个项目因设计方案不同而有所差异，就概念而言，钢衬抗渗性能好，混凝土衬砌因有裂缝等原因，抗渗性能一般。首先，在主合同文本总查找出总渗漏限定要求的技术指标，其次，根据项目批准的设计图纸对水道的衬砌支护类型进行统计分类，最后，对总渗漏指标按照支护类型长短，进行经验性权重分配，例如本项目水道总渗漏指标为小于5L/S，按照混凝土衬砌和钢衬范围的长短对总渗漏控制值进行预估分配，如下表1：

表1

序号	部位	预计渗漏量预警值（L/S）	备注
1	引水闸门上游	0.5	钢衬（上库进出水口为混凝土衬砌）
2	引水闸门→竖井→球阀→尾水闸门	1.0	钢衬（引调井为混凝土衬砌）
3	尾水闸门下游	3.5	560m钢衬+1060m混凝土衬砌（尾调井为混凝土衬砌）
合计：		5.0

尾水闸门下游段为初期蓄水段，该段在满库盆最大水压状态下其渗漏量（Qm）必须控制在3.5L/S，假设渗漏点数量和面积不变的情况下，利用努伯利方程式，可反推导出水道初期蓄水渗漏量预警值为：

Qt---初期蓄水的渗漏速率

Qm---满库盆最大水压状态下的渗漏速率，本项目预警值为3.5L/S

H1---初期蓄水时平均水头高度，本项目为27m

H2---库盆满水时平均水头高度，本项目为48m

尾水隧道初期蓄水渗漏预警值为：Qt=3.5×0.75=2.6L/S,即如果初期蓄水的渗漏量超过2.6L/S，可以预判满库盆最大水压状态下的渗漏量也将超过3.5L/S。

2.2尾水隧道初期蓄水渗漏计算原则

在尾水隧洞首次充蓄水完成后，即充满了尾水隧道和下库进出水口段，但未溢流至下库盆的状态，经观察下库进出水口液面高度随着时间的变化会逐渐降低，形成水量流失，主要原因有①内水外渗（需求证的渗漏值）；②水体自然蒸发；③尾水闸门渗漏等三个因素，因此，只要在一定的时间内，求得总渗漏体积，再扣除蒸发量和闸门渗漏量即可算出平均渗漏量（方法1）。另外，为了减少干扰因素的影响，将闸门的渗漏量收集起来，并统一反抽回尾水隧道内，这样影响计算的因素只有自然蒸发量，用总渗漏量扣除蒸发量也可算出平均渗漏量（方法2），统计时间内应尽量避开降雨天气，如果无法避开，则渗漏量需扣除降雨量。

3计算方法

总渗漏量的检测-在下库进水口实际水位处，固定一个精度毫米级的钢尺，作为长时间观测水位下降的工具，在单位时间(t)内，检测到液面下降的高度(h1),就可以求得出总渗漏速率：

QT（Total）=（S1+S2）×h1/t，其中由于连通器原理，当进出水口液面下降时，尾调井内的液面也会下降相应高度（S1为进水水口液面面积，S2为尾调井内液面面积）。

尾调闸门渗漏量检测-尾水隧道初期蓄水后，尾调闸门的产生的渗漏，统一流入地下厂房集水井内，利用集水井这个固定容积，在单位时间内，测量出闸门渗漏速率Qs（stoplog）。

方法1：考虑闸门渗漏的情况，其渗漏工况路下图2

图2

在检测出闸门井的渗漏量后，可以根据集水井的总容积，计算出每次集水井达到液面上限触发水泵反抽至尾调井的总时间，本项目集水井可收集闸门渗水的总时段约5小时，在未触发反抽的时段内，可计算初期蓄水内水外渗的总渗漏速率（Q

t）：

S1---进水水口液面面积

S2---尾调井内液面面积

h1---液面下降总高度

h2---蒸发量，如果统计时段较短蒸发量可忽略。

Qs---闸门渗漏速率

方法2：不考虑闸门渗漏的情况，将所有闸门渗漏反抽回尾调井，其渗漏工况路下图3

 

图3

在单位时间内，例如24小时，始末两次检测水位变化的时候，手动将集水井内的存水反抽至尾调井内，排除闸门井渗漏的干扰，初期蓄水内水外渗的总渗漏速率（Qt）：

4计算实例

在下库进出水口处安装固定毫米级标尺（如图4），规定在早上8点准时将集水井内的闸门渗漏存水全部反抽回尾水隧洞，并记录水位高度，在随后的4小时内每隔一个小时记录水位下降高度，次日早上8：00时，采用同样的操作，再将集水井内存水全部反抽回尾水隧洞，并再次记录水位液面高度，得到以下观测结果：

（图4 Time-11:30 水位高度-368mm）

观测时间点	水位刻度h1（mm）	△h1（mm）	总监测时间t（h）	面积（S1+S2）m2	总渗漏体积m3	总渗漏量（L/S）	闸门渗漏量（L/S）	初期蓄水渗漏速率（L/S）
8:30	402			862.51	37.95	2.64	2.06	0.58
9:30	391	11	1
10:30	379	12	1
11:30	368	11	1
12:30	358	10	1
	Total：	44	4
备注：监测时间短，不考虑蒸发量的影响

方法1（表2）

方法2（表3）

观测时间点	水位刻度h1（mm）	△h1（mm）	总监测时间t（h）	日蒸发量h2（mm）	面积（S1+S2）m2	总渗漏体积m3	初期蓄水渗漏速率（L/S）
2023/1/24 8:30	402				870.05	55.68	0.64
2023/1/25 8:30	336	66	24	2

通过监测固定的标尺，测量水位的变化，无论使用方法1还是方法2，求得的结论基本一致，实际渗漏值远小于渗漏预警值（2.6L/S），由此断定，尾水隧道初期蓄水是成功的，可进行下阶段水库充水工作。提醒：由于标尺观测过程中，其监测量值均为毫米级，监测过程中应该避开气流造成的水波影响，需待到水面禁止时进行监测读数。

在本项目渗漏监测过程中，同时还引入了水位计进行同时监测对比，液面以下的水位计读数受自然风浪影响较大，并存在集水井存水反抽回尾调井时造成的冲击波纹影响，同时还有一定的精度误差，综合比对而言，简单易操作的标尺法记录，可作为尾水隧道初期蓄水渗漏监测的首选方案，但大面积的水库开始蓄充水后，只能依靠已安装的水位计进行监测判断。

5 结语

本项目尾水隧道至尾调闸门井作为首次蓄水部位，其充水量为5.7万方，该容量基本上在1天内就能完成充蓄水工作，根据上述介绍的标尺法进行监测分析,该方法可以在最少蓄水量的情况下,开始进行渗漏量的快速监测，并为后续全库容330万方是否继续蓄水提供重要决策依据，计算思路较为简单、操作简便，可为同类抽水蓄能电站水道初期蓄水渗漏计算提供宝贵借鉴依据。

参考文献：

[1]高洁， 水电站初期蓄水过程计算方法.水力发电. 2015年12月，第6期.第41卷第12期 .

作者简介：

敖国辉（1983－），男，大学本科，高级工程师，研究方向：海外工程项目管理、抽蓄电站项目工程技术及施工管理。