劉家峽水電站壩基承壓水水位突降原因分析

李志敏，董開松，高承眾，沈渭程，鄭翔宇

（1.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州，730050；2.劉家峽水電廠，甘肅永靖，731600）

劉家峽水電站壩基承壓水水位突降原因分析

李志敏1，董開松1，高承眾2，沈渭程1，鄭翔宇1

（1.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州，730050；2.劉家峽水電廠，甘肅永靖，731600）

介紹了劉家峽壩基承壓水力突降情況，分析了承壓水變化規(guī)律，揭示了承壓水位突降是由于裂隙突然張開或裂隙的某一部位突然與相鄰的上部裂隙潛水滲流或排水通道相連通造成的，闡明承壓水與裂隙潛水的連通一般對(duì)大壩的安全不會(huì)構(gòu)成威脅的觀點(diǎn)。

壩基承壓水；水位突降；變化規(guī)律；原因分析

0 引言

劉家峽水電站是我國(guó)第一座百萬千瓦以上的大型水電工程，工程于1958年開工興建，1961年停工緩建，1964年復(fù)工，1968年下閘蓄水，1969年4月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1974年5臺(tái)機(jī)組全部投入運(yùn)行，1980年工程整體驗(yàn)收。電站裝機(jī)5臺(tái)，設(shè)計(jì)裝機(jī)1 225 MW，1980年工程整體竣工驗(yàn)收時(shí)核定出力1 160 MW，后經(jīng)增容，現(xiàn)總裝機(jī)容量為1 350 MW。壩址以上流域面積18.2萬km2，設(shè)計(jì)多年平均流量866 m3/s，多年平均徑流量273億m3，年輸沙量0.89億t。水庫(kù)正常蓄水位1 735.0 m，死水位1 694.0m，總庫(kù)容64×108m3，具有不完全年調(diào)節(jié)性能。樞紐工程主要由混凝土主壩、左、右岸混凝土副壩、溢洪道、泄洪洞、泄水道、排沙洞、右岸黃土副壩、地下和壩后混合式發(fā)電廠房等建筑物組成。

劉家峽大壩左右兩岸和混凝土副壩壩后1 720平臺(tái)以及河床主壩壩基均設(shè)有地下水位觀測(cè)孔，觀測(cè)這些部位的地下水位的分布及其變化情況。

劉家峽主壩壩基布置了158號(hào)、160號(hào)、161號(hào)、166號(hào)和167號(hào)5個(gè)地下水位觀測(cè)孔，各孔位置見圖1。158號(hào)孔最靠上游，166號(hào)、167號(hào)兩孔靠下游，161號(hào)和160號(hào)兩孔在中間，均用于觀測(cè)壩基變質(zhì)巖層中的脈狀承壓水在水庫(kù)蓄水后的變化情況。

這些觀測(cè)孔于1978年3月開始進(jìn)行人工觀測(cè)，2001年1月開始自動(dòng)化觀測(cè)，2003年7月19-20日，發(fā)生了一個(gè)異常的情況，就是160號(hào)和161號(hào)兩孔水位突然大幅下降，其他孔水位也有變化，但變幅較小。此問題引起省公司及電廠業(yè)主的高度重視，曾召開包括設(shè)計(jì)、科研等單位的專題分析會(huì)，對(duì)此問題進(jìn)行論證。得出的主要結(jié)論是：劉家峽水電站大壩部分地下水位異常，影響因素較多，機(jī)理比較復(fù)雜，目前對(duì)大壩安全沒有產(chǎn)生不利的影響，對(duì)此問題進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，定期分析。

通過對(duì)主壩壩基承壓水觀測(cè)資料進(jìn)行分析，揭示了水位突降的原因，為電站安全運(yùn)行提供了依據(jù)。

1 主壩壩基承壓水位突降情況

主壩壩基承壓水位突降情況見表1及圖2。表1列出了各觀測(cè)孔變化前后的水位，圖2是當(dāng)月各觀測(cè)孔水位實(shí)測(cè)過程線。

表1 壩基承壓水觀測(cè)孔孔水位突然變化表（單位：m）Table 1 Sudden drop of confined water level in the observation holes

圖1 壩基承壓水觀測(cè)孔布置圖Fig.1 Distribution of the observation holes of confined water in dam foundation

圖2 2003年7月河床主壩壩基地下水實(shí)測(cè)過程線Fig.2 Graph of measured underground water level of the foun?dation in July 2003

從表1及圖2可以看出：水位下降幅度比較大的是160號(hào)孔及161號(hào)孔，分別下降了23.80 m和18.33 m；水位下降前后兩孔流向也隨之改變，滲流方向由以往的160號(hào)孔→161號(hào)改變?yōu)橛?61號(hào)→160號(hào)了。

2 主壩壩基承壓水水位突降原因分析

2.1 壩基承壓水水位觀測(cè)資料變化規(guī)律

圖3是壩基承壓水水位過程線，從圖中可以看出：長(zhǎng)期以來，160號(hào)和161號(hào)兩孔孔水位相差不大，變化趨勢(shì)也基本一致，說明兩孔有比較密切的水力聯(lián)系，這種聯(lián)系的本質(zhì)應(yīng)該就是存在有構(gòu)造裂隙或裂隙組貫穿貫通兩孔，該裂隙或裂隙組的滲透性能對(duì)這兩孔的水位有直接影響。自2003年水位突降后，160號(hào)、161號(hào)測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位的相關(guān)關(guān)系沒有明顯變化，水位有緩慢升高的趨勢(shì)，目前158號(hào)點(diǎn)的水位已與變化前的水位接近，160號(hào)、161號(hào)的水位仍低于變化前的水位。

圖3 壩基承壓水水位過程線Fig.3 Graph of the level of confined water in dam foundation

167號(hào)測(cè)點(diǎn)在2007-2010年測(cè)值變化較大，且不穩(wěn)定，是儀器故障的問題，并非水位真實(shí)變化，2010年更換儀器后，測(cè)值恢復(fù)正常。

2.2 地震影響分析

當(dāng)時(shí)大家認(rèn)為水位突降的原因有可能是地震影響，但據(jù)地震局有關(guān)人員介紹，當(dāng)時(shí)劉家峽地區(qū)未發(fā)生2級(jí)以上的地震。2008年“5.12”汶川大地震發(fā)生時(shí)，特意關(guān)注了地震前后的各孔觀測(cè)資料，表2是地震發(fā)生前后水位變化表。

從表2可以看出：“5.12”大地震時(shí)，對(duì)160號(hào)和161號(hào)孔影響較明顯，地震發(fā)生時(shí)水位均出現(xiàn)上升，震后4天至5月16日，在庫(kù)水位下降0.55 m情況下，160號(hào)及161號(hào)最大升幅分別為2.65 m及3.13 m。158號(hào)孔、166號(hào)孔在地震發(fā)生時(shí)水位均出現(xiàn)下降，158號(hào)孔隨后很快恢復(fù)到震前水位并基本穩(wěn)定，166號(hào)孔下降后變化最小，并基本保持穩(wěn)定。也就是說“5.12”大地震對(duì)河床承壓水的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2003年7月160號(hào)和161號(hào)兩孔水位突然大幅下降，且后期運(yùn)行基本穩(wěn)定，排除了地震的影響因素。

表2 “5.12”大汶川地震前后河床壩基承壓水觀測(cè)孔孔水位變化表（單位：m）Table 2 The water level in the observation holes for confined water in dam foundation before and after the Wenchuan earthquake

2.3裂隙水變化影響分析

劉家峽壩址巖石主要為前震旦系震旦紀(jì)變質(zhì)巖，壩區(qū)地下滲流水大致有三類，一類是變質(zhì)巖上部的裂隙潛水，第二類是變質(zhì)巖下部的脈狀承壓水，還有一類就是砂礫石層中的潛水。在劉家峽電站勘測(cè)時(shí)期曾做過幾次試驗(yàn)，證明裂隙水在大范圍內(nèi)是相互貫通的，脈狀承壓水只是局部裂隙發(fā)育均勻的表現(xiàn)。如：河床內(nèi)39號(hào)孔抽水試驗(yàn)及38號(hào)孔排水或封堵時(shí)，兩岸大部分鉆孔地下水位都在數(shù)小時(shí)至數(shù)日內(nèi)大幅度降低或升高，所以說兩孔水位大幅驟降與地震沒有直接關(guān)系，而是裂隙突然張開或裂隙的某一部位突然與相鄰的上部裂隙潛水滲流或排水通道相連通造成的，如裂隙中的微小顆粒被滲流帶走，使裂隙局部與相鄰的上部裂隙潛水滲流或排水通道連通。從微觀的角度看，這類過程的發(fā)展有一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，有時(shí)也可能很快，因?yàn)閹r體滲流和散體滲流不同，特別是比較完整的巖體，滲流壓力很大時(shí)滲流量可能非常小。劉家峽壩基揚(yáng)壓力孔釋壓后要經(jīng)過近一年時(shí)間才能恢復(fù)原壓力，說明測(cè)壓孔中滲漏量是非常小的。因此，只要出滲段滲透性能稍微增強(qiáng)，孔水位就可能在短時(shí)間內(nèi)大幅下降。

2003年下降后，160號(hào)孔、161號(hào)孔滲流方向的改變說明壩基脈狀承壓水在160號(hào)孔附近與上部裂隙潛水間的連通性有一定程度的增大。

2.4 回歸分析

選擇不同時(shí)段的庫(kù)水位為備選因子，對(duì)河床地下水位各觀測(cè)孔水位測(cè)值系列進(jìn)行了回歸分析。結(jié)果表明，靠下游的166號(hào)和167號(hào)觀測(cè)孔水位與庫(kù)水位相關(guān)不明顯，而靠上游的158號(hào)、160號(hào)和161號(hào)三個(gè)觀測(cè)孔水位與庫(kù)水位關(guān)系比較密切，復(fù)相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.84、0.91和0.78。圖4是160號(hào)孔的回歸曲線圖，從圖中可以看出，160號(hào)孔測(cè)值系列的回歸擬合效果較好，說明其變化主要還是受庫(kù)水位影響。

圖4 160號(hào)孔實(shí)測(cè)水位回歸曲線圖Fig.4 Regression curve of the monitored water level in the hole 160#

3 結(jié)語

（1）“5.12”大地震對(duì)河床壩基承壓水的影響遠(yuǎn)小于2003年7月160號(hào)和161號(hào)兩孔水位突然大幅下降，且后期運(yùn)行基本穩(wěn)定，表明兩孔水位大幅驟降與地震沒有直接關(guān)系是可信的。

（2）160號(hào)和161號(hào)兩孔水位突然大幅下降是裂隙突然張開或裂隙的某一部位突然與相鄰的上部裂隙潛水滲流或排水通道相連通造成的，如裂隙中的微小顆粒被滲流帶走，使裂隙局部與相鄰的上部裂隙潛水滲流或排水通道連通。

（3）變質(zhì)巖的上部裂隙潛水和下部脈狀承壓水兩類裂隙含水體本來就是既有各自的分帶性，又有相互水力聯(lián)系的整體性，因此這種承壓水與裂隙潛水的連通一般對(duì)大壩的安全不會(huì)構(gòu)成威脅。 ■

錦屏二級(jí)水電站投產(chǎn)達(dá)360萬kW

據(jù)中新社 從雅礱江流域水電開發(fā)有限公司獲悉，雅礱江流域梯級(jí)開發(fā)項(xiàng)目錦屏二級(jí)水電站6號(hào)機(jī)組于6月3日完成72 h試運(yùn)行，正式投入運(yùn)行。

錦屏二級(jí)水電站位于涼山州雅礱江干流錦屏大河灣上，共安裝8臺(tái)60萬kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量480萬kW，截至目前已投產(chǎn)360萬kW，預(yù)計(jì)2015年全面竣工。

The paper introduced the sudden drop of confined water level in the foundation of Liujiaxia Dam and analyzed the change law.Further,it was pointed out that it may caused by crack opening or the connection of crack with seepage passage or the drainage passage.As well,it was advanced that the con?nection of confined water and fracture water would not be a threat to the dam safety.

confined water in dam foundation;sudden drop of water level;change law;reason analysis

TV698.1

B

1671-1092（2014）03-0008-04

2013-12-29

李志敏（1965-），女，河南滎陽人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇髩伪O(jiān)測(cè)分析及水工材料研制、試驗(yàn)、檢測(cè)工作等。

Title:Analysis on the reasons for sudden drop of confined water level in the foundation of Liujiaxia Dam //by LI Zhi-min,DONG Kai-song,GAO Cheng-zhong,SHEN Wei-cheng and ZHENG Xiang-yu//Gan?su Electric Power Research Institute