中小型水利樞紐運(yùn)行初期常見問題及其對(duì)策
——以麒麟寺水電站為例

陳容

（甘肅大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅文縣，746412）

中小型水利樞紐運(yùn)行初期常見問題及其對(duì)策
——以麒麟寺水電站為例

陳容

（甘肅大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅文縣，746412）

通過分析水利工程運(yùn)行初期各結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)，能對(duì)其設(shè)計(jì)水平和施工質(zhì)量進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，也有益于提高大壩的運(yùn)行管理水平。以麒麟寺水電站為例，歸納總結(jié)了運(yùn)行初期常見的問題，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。通過對(duì)麒麟寺水電站運(yùn)行初期的大壩安全監(jiān)測資料進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場檢查成果，總結(jié)出了水電站運(yùn)行初期在六個(gè)方面存在的問題，并對(duì)這些問題提出了解決和處理的方案，可為類似工程提供借鑒。

中小型水利樞紐；運(yùn)行初期；安全監(jiān)測；工程措施

0 前言

近年來，我國建設(shè)了眾多中小型水利樞紐工程，但由于設(shè)計(jì)理念、施工工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和工程投入等方面工作不到位，致使很多中小型水利樞紐在運(yùn)行初期便出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)病害（如裂縫、滲漏等）、水庫淤積、下游沖刷嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重影響了這些水利樞紐工程的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，甚至可能造成失事、垮壩等嚴(yán)重后果。因此，在中小型混凝土壩運(yùn)行初期，對(duì)工程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)工程存在的問題，并針對(duì)這些問題及時(shí)提出解決方案就顯得十分重要了。對(duì)水利樞紐運(yùn)行初期的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，主要是通過對(duì)大壩安全監(jiān)測資料進(jìn)行定性、定量的分析，并結(jié)合現(xiàn)場檢查結(jié)果，來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全隱患，并對(duì)結(jié)構(gòu)安全性態(tài)的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測[1-2]。麒麟寺水電站自2008年11月28日下閘蓄水至今，經(jīng)過6年多的運(yùn)行，大壩已安全度過了運(yùn)行初期，并測得大量運(yùn)行參數(shù)和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，筆者以該工程為例對(duì)中小型水利樞紐運(yùn)行初期常遇到的問題進(jìn)行研究，研究成果可供類似工程參考。

1 工程及運(yùn)行初期情況概述

麒麟寺水電站位于甘肅省文縣中廟鄉(xiāng)，系白龍江干流上的一座梯級(jí)電站，上距碧口水電站13.5 km，下距寶珠寺水電站76 km，其水庫末端與碧口水電站尾水相接。水庫總庫容2 970萬m3，為日調(diào)節(jié)性能。河床式廠房安裝3臺(tái)軸流式機(jī)組，總裝機(jī)容量111 MW。水庫正常蓄水位613.00 m，死水位610.50 m，設(shè)計(jì)洪水位610.50 m，校核洪水位613.50 m，汛期臨時(shí)排沙水位610.50 m。工程以發(fā)電為主，按Ⅲ等中型工程設(shè)計(jì)，主要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。大壩為混凝土重力壩，由左岸泄洪閘、河床擋水壩段、河床式廠房、右岸擋水壩段、GIS開關(guān)站等建筑物組成，樞紐前沿總長度252.5 m，壩頂寬14.9 m，壩頂高程615.0 m，最大壩高52 m，大壩樞紐及安全監(jiān)測布置見圖1。

圖1 麒麟寺大壩樞紐及安全監(jiān)測布置圖Fig.1 Layout of Qilinsi dam and safety monitoring arrangement

工程于2005年11月15日開工建設(shè)，2006年12月29日大江截流，2008年11月28日下閘蓄水，2008年12月19日首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，12月30日全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。工程前期受移民、河道采金、挖沙等多方面影響，至2009年9月，庫水位控制在605.00 m以下運(yùn)行。2009年10月起，控制蓄水位至608.50 m。2010年5月，控制蓄水位至611.30 m，汛期水位控制在610.50m左右。庫水位最高613.28m，發(fā)生在2013年8月7日；運(yùn)行最低水位為591.06 m，發(fā)生在2013年8月14日，因“8.7”暴雨攔污柵淤堵將水庫放空所致。麒麟寺2009～2015年上游水位過程見圖2。水庫最大入庫流量2 926 m3/s，最大下泄流量2 729 m3/s，均發(fā)生在2013年4月13日[3]。

運(yùn)行以來，上游碧口水庫最大入庫洪峰流量2 780 m3/s，接近重現(xiàn)期5年洪水標(biāo)準(zhǔn)。2009年7月14～17日，受冷暖空氣共同影響，白龍江流域連續(xù)出現(xiàn)中到大雨、局地大暴雨過程，碧口總降雨量276 mm。其中，碧口至麒麟寺區(qū)間平均降雨量達(dá)306 mm，最大雨強(qiáng)29 mm/h（碧峰站）。由于降雨區(qū)集中在碧口水庫庫區(qū)及下游地區(qū)，總量和強(qiáng)度均為碧口地區(qū)少見，有較強(qiáng)的破壞力，給壩址地區(qū)附近防洪調(diào)度及搶險(xiǎn)工作造成了一定壓力。受碧口水庫攔洪削峰和區(qū)間來水共同影響，7月17日18時(shí)出現(xiàn)最大洪峰流量1 960 m3/s，相應(yīng)最大下泄流量1 940 m3/s。在這次洪水調(diào)度中，及時(shí)加強(qiáng)了兩庫的聯(lián)系協(xié)調(diào)。為減小麒麟寺庫區(qū)的淹沒范圍，在碧口電站泄洪前，采取麒麟寺電站提前預(yù)泄方式，降低麒麟寺水庫水位，進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)度，并根據(jù)碧口水庫下泄流量過程，不斷調(diào)整泄洪閘泄量，保持庫水位在603 m左右運(yùn)行，安全地度過了電站建成投運(yùn)以來最大的一次洪水過程。

圖2 麒麟寺2009～2015年上游水位過程線Fig.2 Gnaph process of upstream water level of Qilinsi station from 2009 to 2015

2 運(yùn)行初期大壩安全監(jiān)測及現(xiàn)場檢查成果分析

本工程的安全監(jiān)測項(xiàng)目主要包括大壩變形監(jiān)測和滲流監(jiān)測，大壩安全監(jiān)測布置見圖1。通過大壩安全監(jiān)測資料分析和現(xiàn)場檢查來評(píng)估工程運(yùn)行初期的安全狀況。

2.1 大壩變形監(jiān)測

2.1.1 壩頂水平位移

圖3為大壩水平位移監(jiān)測結(jié)果。從圖中可看出，河床壩段水平位移測點(diǎn)年變幅比岸坡壩段大，河床壩段壩體高度高，相應(yīng)測點(diǎn)水平位移年變幅也大，而岸坡壩段壩高較低，其相應(yīng)測點(diǎn)位移變幅也小。壩頂水平位移年變幅1～10 mm，且已基本趨于穩(wěn)定，具體年變幅如表1所示。氣溫是影響壩體變形的主要因素，高溫季節(jié)壩體向上游位移，低溫季節(jié)向下游位移。大壩水平位移變化趨勢相對(duì)比較平穩(wěn)，有一定的周期性，符合混凝土壩的變化規(guī)律。

2.1.2 壩頂垂直位移

圖4為大壩典型測點(diǎn)的垂直位移過程線。壩頂垂直位移主要受氣溫影響，從圖4看出，高溫季節(jié)（4～8月）壩體上抬，在低溫季節(jié)下沉；河床壩段垂直位移變幅比兩岸壩段大，且年變幅、年均值沒有明顯增大趨勢，逐漸趨于穩(wěn)定，具體特征值如表2所示，符合混凝土壩垂直位移變化的一般規(guī)律。

圖3 壩頂水平位移過程線Fig.3 Groph of horizontal displacement of crest

圖4 大壩壩頂?shù)湫蜏y點(diǎn)垂直位移過程線Fig.4 Graph of vertical displacement of typical measuring points at crest

表1 壩頂水平位移年變幅（單位：mm）Table 1 Annual range of horizontal displacement at crest(unit:mm)

表2 壩頂垂直位移年變幅（單位：mm）Table 2 Annual range of vertical displacement at crest(unit:mm)

2.2 滲流監(jiān)測

2.2.1 繞壩滲流

測壓管水位變化總體不明顯，但繞壩滲流測孔所在位置不同，各測管的水位變化也不盡相同。繞壩滲流測壓孔Z-04在左岸壩體與岸坡交接附近，測壓管變化幅度很小，說明壩體與岸坡銜接接觸灌漿效果較好。左岸繞滲Z-02、Z-03和右岸繞滲Y-02、Y-05主要受降雨量影響。綜合分析判斷，測壓管水位變化受降雨量影響較大；岸坡與壩肩滲漏小，即變化趨于穩(wěn)定；繞壩滲流現(xiàn)象不明顯。

2.2.2 壩基揚(yáng)壓力

壩基灌漿廊道567 m、579 m高程共埋設(shè)測壓管11套，絕大多數(shù)揚(yáng)壓力水位趨于穩(wěn)定且較低。567 m高程測壓管UP-04揚(yáng)壓水位從2011年11月起逐漸上升，至2012年4月11日揚(yáng)壓水位達(dá)最大值602.02 m，其壩基滲壓系數(shù)為0.57，超出設(shè)計(jì)值0.25較多。2012年5月，揚(yáng)壓水位持續(xù)下降至598.96 m，較長一段時(shí)間趨于穩(wěn)定（即2012年6月1日～2013年4月21日），2013年4月21日后測值有逐漸減小趨勢且基本趨于穩(wěn)定，其最大滲壓系數(shù)如表3所示。

2.2.3 大壩滲漏量

大壩共設(shè)13個(gè)量水堰，其中WE-6代表右岸上游壩體及壩基的滲漏量，WE-7代表左岸上游壩體及壩基的滲漏量，WE-13代表下游排水廊道滲漏量，三者之和為大壩總滲漏量。下游排水廊道的滲漏量相對(duì)較大，大壩總的滲漏量為1～3 L/s，2012年以來大壩總滲漏量逐漸減小，目前趨于穩(wěn)定。

2.3 現(xiàn)場檢查結(jié)果

消力池寬43.92 m，長75 m，上游齒槽寬3.75 m，槽底高程577.03～576.49 m，池底板高程578.02～576.16 m，下游齒槽寬5.50 m，槽底高程575.85～575.05 m。地基巖體中傾向上游偏右岸和傾向下游偏右岸的緩傾角裂隙延伸較短，但發(fā)育密集，裂隙面粗糙，局部充填次生黃泥或紅泥，一般延伸5～15 m，斷續(xù)分布，其次為延伸較長的順層或微切層裂隙。F26斷層產(chǎn)狀NE48°～56°/SE∠42°～46°，斷層帶寬5～20 cm，局部60 cm，影響帶寬1.2～1.8 m，大部分強(qiáng)風(fēng)化，采取槽挖置換混凝土處理。池底板經(jīng)固結(jié)灌漿設(shè)置錨筋加強(qiáng)混凝土與基巖連接，采用?25錨筋，間排距2 m×2 m，入巖深度3.5 m，并加強(qiáng)基礎(chǔ)排水，經(jīng)處理滿足要求。

表3 UP-04測壓管滲壓系數(shù)Table 3 Seepage pressure coefficient of UP-04 piezometric tube

2013年1月23日，利用電站三臺(tái)機(jī)全停時(shí)對(duì)消力池淤積情況進(jìn)行水下測量。此次測量采用皮尺下掛重錘的方法測量消力池水深，根據(jù)水位算出消力池存在淤積現(xiàn)象，淤積厚度最小0.68 m，最大達(dá)1.98 m，未沖刷。

3 大壩初期運(yùn)行中存在的主要問題與處理

根據(jù)大壩運(yùn)行初期的安全監(jiān)測和現(xiàn)場檢查結(jié)果，可得出：壩前攔沙坎淤積嚴(yán)重，極易造成機(jī)組進(jìn)水口堵塞；受“5.12”地震的影響，震后檢查孔中右副壩第一段透水率偏大；廠房下部結(jié)構(gòu)存在多處裂縫，造成滲漏；通訊線路受到干擾，自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能保證數(shù)據(jù)的完整性；電站下游河道采砂作業(yè)將大量棄渣堆積在河床及岸邊，導(dǎo)致河道行洪能力降低；庫水位不能達(dá)到正常蓄水位運(yùn)行。下文分別對(duì)大壩運(yùn)行初期存在的上述問題進(jìn)行討論。

3.1 壩前攔沙坎淤積嚴(yán)重

2013年8月15日，水庫放空后發(fā)現(xiàn)距離壩前90 m處的攔沙坎（原高程591.7 m）已被淤泥掩埋，如圖5所示，極易造成機(jī)組進(jìn)水口堵塞。主要原因是當(dāng)上游碧口水電站排沙或達(dá)到排沙條件時(shí)未按排沙水位運(yùn)行要求進(jìn)行排沙，且排沙孔運(yùn)行次數(shù)少，泄水建筑物運(yùn)行次數(shù)如表4所示。前期排沙孔開啟少的原因主要是閘門操作繁瑣，提一次門需0.5 h，造成排沙孔運(yùn)行次數(shù)較少。此外，排沙時(shí)庫水位未降至610.50 m運(yùn)行。

圖5 壩前淤積現(xiàn)狀Fig.5 Current status of sedimentation in front of the dam

在今后的運(yùn)行中，汛期當(dāng)入庫流量大于422 m3/s或碧口水庫排沙時(shí)，水庫水位需提前降低至臨時(shí)排沙水位610.50 m運(yùn)行；汛期洪水經(jīng)碧口水庫調(diào)節(jié)后，碧口出庫流量與碧、麒區(qū)間流量之和Q小于1 820 m3/s（P=50%）時(shí)，電站機(jī)組過流，3孔排沙孔全開，1孔泄洪閘局開，水庫水位維持610.50 m運(yùn)行[4]。

表4 泄水建筑物運(yùn)行次數(shù)Table 4 Operation times of discharge structures

3.2 震后檢查孔中右副壩第一段透水率偏大

右岸重力壩共計(jì)18段，“5.12”震后檢查孔第一段的透水率大于設(shè)計(jì)值。右岸混凝土重力壩與建基陡、斜坡巖體接觸（面）帶的透水率略大于3.0 Lu（為3.04Lu），表明在壩右0+136.26（高程573.67m）～0+169.56（高程614.42 m）約33.30 m水平長度、40.75 m高差范圍，壩體混凝土與建基陡、斜坡巖體接觸（面）帶深0～5 m內(nèi)的防滲帷幕的防滲效果已受到影響，但影響甚微，其余部位的防滲帷幕總體未遭受到破壞[5]。其后又對(duì)該段接觸帶進(jìn)行局部灌漿處理，壩體各部位年最大滲漏量如表5所示，根據(jù)運(yùn)行5年多的滲漏量來看，滲漏量趨于穩(wěn)定，未見增大趨勢，在以后的運(yùn)行中應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)壩基滲漏量的監(jiān)測及跟蹤分析，確保大壩安全運(yùn)行。

3.3 廠房下部結(jié)構(gòu)滲漏點(diǎn)較多

廠房下部結(jié)構(gòu)（灌漿廊道、排水廊道、尾水管進(jìn)人廊道、主廠房進(jìn)人廊道、主廠房水輪機(jī)層和下游副廠房的右端墻等）存在多處裂縫，同時(shí)存在滲漏點(diǎn)、滲漏面。電廠對(duì)裂縫及滲漏點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)建檔，定期巡回檢查對(duì)比裂縫發(fā)展趨勢及滲漏情況。目前，各裂縫及滲漏點(diǎn)、滲漏面基本處于收斂趨勢。在今后的運(yùn)行中，應(yīng)定期對(duì)廠房、壩基廊道進(jìn)行巡回檢查，對(duì)滲漏點(diǎn)在同等工況下進(jìn)行對(duì)比。

3.4 自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)

原大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，共接入自動(dòng)化系統(tǒng)155支傳感器。引張線儀、雙向遙測垂線坐標(biāo)儀、靜力水準(zhǔn)儀和雙金屬管標(biāo)儀未接入數(shù)據(jù)采集單元，直接由RS-485接口輸出，通過RS-485通信總線與數(shù)據(jù)采集單元串聯(lián)，接入中控室工控機(jī)，因此總通訊線路容易受到引張線儀傳感器的干擾，同時(shí)因?yàn)榻尤雮鞲衅鬏^多，采集軟件受到干擾導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能保證數(shù)據(jù)的完整性。

表5 壩基滲漏量特征值（單位：L/s）Table 5 Characteristic values of seepage in dam foundation(unit:L/s)

2013年11月，針對(duì)上述問題，電廠結(jié)合麒麟寺大壩實(shí)際情況，對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行了改造，并將新增的部分溫度測點(diǎn)、繞壩滲流觀測、量水堰儀納入自動(dòng)化系統(tǒng)；在引張線、倒垂裝置、靜力水準(zhǔn)儀及雙金屬管標(biāo)輸出接口處新增數(shù)據(jù)采集裝置（MCU），減少因個(gè)別傳感器故障導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)的干擾，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；重新開發(fā)采集軟件，電站采用分布式安全監(jiān)測自動(dòng)化采集系統(tǒng)，采用光纖和雙絞線構(gòu)建RS-485標(biāo)準(zhǔn)的總線型現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，電站現(xiàn)場設(shè)安全監(jiān)測采集中心站（備用），配置采集計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集軟件及外部設(shè)備；監(jiān)控管理樞紐中心設(shè)在碧口水電站，實(shí)現(xiàn)碧口中心站（碧口水電站位于麒麟寺水電站上游13 km）對(duì)麒麟寺安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行采集、遙測、數(shù)據(jù)管理等功能[6]。目前改造后的大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人工每月比測一次，自動(dòng)化數(shù)據(jù)與人工測值基本吻合。

3.5 電站下游防洪能力不足

在電站下游河道（電站下游500 m以下）西家壩河段、肖家壩河段內(nèi)，采砂作業(yè)將大量棄渣堆積在河床及岸邊（占用寬度約30～40 m），造成河道過水?dāng)嗝婵s減，行洪阻水，導(dǎo)致河道行洪能力降低。再者電站下游約500 m處有建電站時(shí)修建的臨時(shí)施工便橋，該橋橋臺(tái)和橋墩占用部分河床，河道斷面嚴(yán)重束窄，河道行洪能力大大降低。

針對(duì)電站下游防洪能力不足，加強(qiáng)了與政府部門協(xié)調(diào)、溝通，拆除施工便橋，并向各級(jí)主管部門匯報(bào)下游河道淤堵問題，對(duì)淤堵的河道進(jìn)行疏浚，做好防汛的各項(xiàng)工作。

3.6 庫水位不能達(dá)到正常蓄水位運(yùn)行

根據(jù)現(xiàn)場觀察試驗(yàn)資料，母豬灣區(qū)域的地下水位與庫水位基本同步漲落。通過復(fù)核，浸沒影響若發(fā)生，母豬灣移民新村一帶應(yīng)是較敏感的區(qū)域。當(dāng)庫水位分別為613 m、612.5 m、612 m、611.5 m和611 m時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生不同程度的浸沒影響，尤以庫水位612.0 m及以上最敏感。若按照審定的正常蓄水位613 m運(yùn)行，需采取防浸排水工程處理措施；若不采取任何措施，為確保庫周不產(chǎn)生明顯的浸沒現(xiàn)象，非汛期庫水位應(yīng)以不高于612 m為宜。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)對(duì)麒麟寺水電站運(yùn)行初期工程存在的問題進(jìn)行研究和分析，可以得出以下結(jié)論和建議：

（1）建立水庫泥沙淤積監(jiān)測斷面，定期施測，并根據(jù)水庫泥沙淤積情況，必要時(shí)調(diào)整水庫的排沙運(yùn)行方式，以防止發(fā)電進(jìn)水口被泥沙堵塞[7]。

（2）汛期泄洪遵循1號(hào)泄洪閘和3號(hào)泄洪閘對(duì)稱開啟運(yùn)行的順序，達(dá)到消力池水流均勻和穩(wěn)定水躍的效果，避免消力池內(nèi)產(chǎn)生偏流或折沖水流，以免加重對(duì)消力池或尾水渠護(hù)坦的沖刷。

（3）建議拆除施工便橋并對(duì)束窄的河道進(jìn)行開挖疏浚。

（4）加強(qiáng)壩基滲漏量的監(jiān)測，并做好壩基灌漿廊道滲漏點(diǎn)建檔工作，對(duì)比變化情況。 ■

[1]彭凱忠,楊鳳艷,馬濤,等.大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化建設(shè)初期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測,2006,30(5):46-48.

[2]吳中如,金永強(qiáng),鄭東健,等.水庫大壩中潰壩險(xiǎn)情的分析研究[C].全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)信息網(wǎng)2008年度技術(shù)信息交流會(huì)暨全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展研討會(huì)論文集,2008.

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作者郵箱：184557348@qq.com

Some common issues and their countermeasures of small and medium-sized hydraulic projects in initial operation period——taking Qilinsi hydropower station for example

by CHEN Rong
Datang Bik?ou Hydropower Plant of Gansu Province

By analyzing each structure′s working behavior in initial operation,an objective assessment of design level and construction quality of a hydraulic project can be made,which can also improve the operation management.In this paper,a medium-sized hydraulic project,Qilinsi hydropower station,is taken as an example to summarize some common problems occurred in initial operation period of small and medium-sized hydraulic projects,and some countermeasures to these problems are proposed.Based on the analysis of dam safety monitoring data of Qilinsi hydropower station in initial operation period, and combined with the dam site inspection results,problems in six different aspects are summarized, and treatment measure to solve these problems are proposed,worthy reference.

small and medium-sized hydraulic project;initial operation;safety monitoring;engineering measures

TV698

B

1671-1092（2016）05-0018-07

2015-08-25

陜西省創(chuàng)新研究計(jì)劃（2013KCT-15），國家自然科學(xué)基金（51409205）

陳 容（1981-），女，四川隆昌人，工程師，從事大壩運(yùn)行管理工作。