仙居抽蓄電站上水庫面板堆石壩安全監(jiān)測設(shè)計及蓄水期成果分析

韓榮榮，鄭曉紅

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

仙居抽蓄電站上水庫面板堆石壩安全監(jiān)測設(shè)計及蓄水期成果分析

韓榮榮，鄭曉紅

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

仙居抽水蓄能電站上水庫主壩為面板堆石壩，最大壩高88.2 m，壩頂長度263.66 m，2015年6月蓄水并于2016年5月底達到正常蓄水位。對面板堆石壩的監(jiān)測設(shè)計方案進行了系統(tǒng)介紹，對蓄水期的主要監(jiān)測成果進行了初步分析，表明大壩變形、滲流、面板應(yīng)變基本處于合理范圍，大壩運行正常。

仙居抽水蓄能電站；面板堆石壩；監(jiān)測；設(shè)計；分析

1　工程概況

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣境內(nèi)，位于臺州與溫州、麗水、金華三市的交匯處。工程樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)、地面開關(guān)站等組成。上水庫校核洪水位676.8 m，設(shè)計洪水位676.4 m，正常蓄水位675 m，死水位641 m。上水庫主壩和副壩均為混凝土面板堆石壩，主壩最大壩高88.2 m，壩頂長度263.66 m。

主壩上水庫全～強風(fēng)化層厚度不大，主壩部位基巖多裸露，以弱風(fēng)化為主，覆蓋層僅局部及溝底分布，壩基清理時，溝底覆蓋層全部挖除，清基后，無順坡緩傾結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層等不利結(jié)構(gòu)面，壩基抗滑穩(wěn)定性好，建基面主要為弱風(fēng)化含礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖質(zhì)堅硬，斷層不發(fā)育，但節(jié)理裂隙較發(fā)育，多陡傾，巖體較完整～完整性差。主壩地基處理措施為在下游堆石區(qū)建基面鋪厚5 m透水堆石，再鋪厚1.6 m壩體過渡料，然后開始進行壩體填筑。

上水庫首次蓄水時間為2015年6月6日，2016年6月7日1號機組正式投入商業(yè)運行，計劃于2016年10月31日將4臺試運行機組全部投入運行。

2　上水庫主壩監(jiān)測設(shè)計

2.1主壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

主壩壩軸與兩岸地形等高線接近垂直，壩體布置較平順。壩頂高程679.20 m，最大壩高88.2 m，壩頂長度263.66 m，壩頂寬度7m，壩體上游面坡比1∶1.4，下游面坡比1∶1.8～1∶2.2。在下游面645.0 m、610.0 m和575.0 m分別設(shè)置寬度3 m的馬道；壩基防滲采用帷幕灌漿，帷幕線沿趾板線布置，兩岸壩肩帷幕分別延伸與庫岸帷幕相連。面板設(shè)垂直縫，間距為12 m。面板與趾板連接處設(shè)周邊縫，縫內(nèi)設(shè)兩道止水。在面板上游面高程618.0 m以下，夯填土料及石碴護面作為輔助防滲措施。面板采用雙層雙向配筋。

針對主壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，參考設(shè)計計算成果，確定主壩主要監(jiān)測項目為壩體表面變形、內(nèi)部變形、壩基滲壓、滲流量監(jiān)測等。變形、結(jié)構(gòu)受力和滲流監(jiān)測測點應(yīng)盡量結(jié)合布置，便于綜合分析和相互驗證。

2.2變形監(jiān)測設(shè)計

2.2.1表面變形監(jiān)測

在主壩上游面板650.00 m、670.00 m布置2條測線，布置施工期臨時位移標桿；在壩頂上、下游側(cè)、下游壩坡三層馬道上，共設(shè)置5排用于永久觀測用的表面位移觀測墩，表面垂直位移測點與水平位移測點一一對應(yīng)，相應(yīng)埋設(shè)水準標心。

在壩頂沿壩軸線方向布置3個垂直位移測點，分別埋設(shè)在主壩0+100、0+140和0+180三個典型觀測斷面。測點分二期施工，第一期待壩體填筑至防浪墻底時進行埋設(shè)，第二期鋼管隨防浪墻以上壩體填筑料往上延伸至壩頂，作為運行期永久壩體垂直位移測點。

2.2.2壩體內(nèi)部變形監(jiān)測

內(nèi)部變形共布置3個監(jiān)測斷面：最大壩高斷面（主壩0+140.00 m）作為主觀測斷面，主斷面兩側(cè)各布置一個輔觀測斷面（樁號為主壩0+100.00 m和0+180.00 m），布設(shè)引張線式水平位移計和水管式沉降儀。

在主壩0+100.00 m和0+180.00 m監(jiān)測斷面各布置1條測線，測線高程約為1∕2壩高，每條測線分別布置5個測點。在主壩0+140.00 m監(jiān)測斷面布置2條測線，即約1∕3和1∕2壩高處各布置一條測線，每條測線分別布置5個和7個測點。測點分別布置在墊層料內(nèi)靠近過渡料的位置、上游堆石料區(qū)和下游堆石料區(qū)。

2.2.3周邊縫、垂直縫變形監(jiān)測

接縫測點均布設(shè)在正常高水位以下。周邊縫空間位移測點布置在最大壩高處、兩岸坡大約1∕3、1∕2及2∕3壩高處，以及在岸坡較陡、坡度突變及地質(zhì)條件較差的部位。面板垂直縫開度監(jiān)測布置在受拉面板間接縫及拉壓變化部位接縫上，高程分布與周邊縫相同。

2.2.4面板脫空監(jiān)測

在正常蓄水位高程附近面板與墊層料之間布置3組脫空計。

2.3滲流監(jiān)測設(shè)計

2.3.1壩基滲壓監(jiān)測

選擇樁號主壩0+100.00 m、0+140.00 m和0+180.00 m為滲流監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面從上游到下游由密到稀布置淺部基巖滲壓計，并在帷幕后約1∕2帷幕高度和帷幕端頭布置基巖深部滲壓計，同時監(jiān)測壩基滲透壓力情況、檢驗帷幕灌漿效果和壩基斷層破碎帶、巖脈兩側(cè)面及強風(fēng)化帶處理效果。

2.3.2滲流量監(jiān)測

下游壩趾處設(shè)置截水墻攔截壩體及基礎(chǔ)滲水，在截水墻頂部設(shè)置1座量水堰，監(jiān)測壩體滲流量。

2.3.3兩岸岸坡地下水位監(jiān)測

在大壩左、右岸下游近壩區(qū)各布置3個繞壩滲流孔，繞壩滲流孔布置在帷幕灌漿線之后，監(jiān)測庫水繞滲情況，檢驗帷幕灌漿效果。

2.4面板應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測設(shè)計

選擇壩體內(nèi)部變形監(jiān)測斷面布置應(yīng)變計組（二向應(yīng)變計組、三向應(yīng)變計組），應(yīng)變計組位于面板順坡平面內(nèi)，面板底部周邊縫附近應(yīng)力應(yīng)變較復(fù)雜部位布置三向應(yīng)變計組，面板中部布置二向應(yīng)變計組。為了在實際應(yīng)變中扣除非應(yīng)力因素產(chǎn)生的混凝土自生體積變形，在應(yīng)變計旁0.5 m處布置無應(yīng)力計。

為監(jiān)測混凝土面板的鋼筋受力狀態(tài)，在應(yīng)變計組附近埋設(shè)鋼筋計，鋼筋計布置在混凝土面板的雙層雙向鋼筋上，與埋設(shè)在附近的應(yīng)變計組測值相互驗證。

3　主要監(jiān)測成果初步分析

3.1變形監(jiān)測成果

3.1.1壩頂外部沉降

在主壩壩頂軸線布置3個分期埋設(shè)的垂直位移測點，自2013年11月主壩壩體填筑完成后埋設(shè)標點開始觀測，至2016年4月觀測測值過程線見圖1，壩頂最大沉降發(fā)生在主壩0+140.00 m最高斷面，其中2014年9月～2015年7月期間由于澆筑壩頂混凝土路面而停測，按該點附近壩頂下第一級馬道最大沉降估算，在此期間沉降約20 mm，將此值計入壩頂沉降后累計最大沉降約為120 mm。由過程線可見，沉降主要發(fā)生在主壩填筑完成后至壩頂澆筑混凝土這段時間，壩頂混凝土路面澆筑完成后沉降變化速率逐漸減小，但至目前沉降仍在繼續(xù)，未完全穩(wěn)定。

圖1　主壩壩頂沉降變化過程線Fig.1 Graph of settlement of the dam crest

3.1.2壩體內(nèi)部沉降

至2016年6月，壩體最大沉降量發(fā)生在壩體約1∕3高程的測點Vszb14（最大壩高斷面主壩0+140.00 m、壩上∕下0+000.00 m附近測點），最大沉降值為389.8 mm，相當于壩體總高度的0.45%。從2013年5月始測至2015年3月主壩面板澆筑完成，壩體最大沉降為341.80 mm，相當于壩體總高度的0.40%，年平均沉降速率約170.4 mm∕a，施工期位移約占總位移的80%以上。

最大壩高斷面0+140.00 m沉降分布見圖2，可見同高程大壩壩軸線附近沉降最大，上游側(cè)略大于下游側(cè)，壩體下層沉降大于上層，變形基本協(xié)調(diào)。沉降過程線見圖3，施工期的沉降變化規(guī)律基本為壩體沉降隨堆石填筑高度的增加而增大，沉降趨勢隨時間的延續(xù)而減緩。上水庫開始蓄水時間為2015年6月6日，至目前（2016年6月19日），庫水位已蓄到正常蓄水位675 m，此期間堆石體的最大沉降僅17 mm，目前過程線已趨平緩，可見沉降變化受水荷載的影響不顯著。

根據(jù)上水庫主壩有限元計算成果，竣工期主壩壩體垂直位移最大值發(fā)生在壩體中部627.0 m高程處，最大值為456.0 mm，約占壩高的0.53%，實測沉降341.80 mm，可見累計沉降在設(shè)計范圍以內(nèi)。

3.1.3沉降類比分析

圖2　壩體內(nèi)部沉降分布圖Fig.2 Distribution of settlement inside dam body

圖3　壩體內(nèi)部沉降典型測點測值過程線Fig.3 Monitoring data obtained by the typical settlement moni?toring points

堆石體變形主要反映堆石體的填筑質(zhì)量，是大壩工作狀態(tài)評價的重要指標。為了更清楚了解本工程沉降情況，表1列舉了國內(nèi)部分相近規(guī)模已建面板堆石壩蓄水期壩體最大沉降統(tǒng)計，以便對比。從表中可見，70～100 m之間的面板堆石壩，其壩體最大沉降量相對于壩高比在0.30%～1.30%之間，一般均大于壩高的0.5%，根據(jù)仙居上庫主壩現(xiàn)有的實測資料，壩體最大沉降341.80 mm，相當于壩體總高度的0.40%，沉降變化速率逐漸減小，但尚未完全收斂。

結(jié)合目前沉降趨勢及同類工程統(tǒng)計情況，仙居上水庫主壩沉降與同類同規(guī)模工程相比處于合理范圍。

3.1.4面板周邊縫、脫空變形

本工程通過三向測縫計監(jiān)測周邊縫的沉降、剪切位移和開合度的變化規(guī)律。至目前周邊縫最大開度為12.27 mm，最大剪切位移為1.95 mm，最大沉降為2.78 mm，除面板相對趾板的開度相對較大外，剪切和沉降變形均較小。最大開度發(fā)生在左岸壩體約1∕3高度的周邊縫，其余部位的開度均在6 mm以內(nèi)。該部位開度增大主要與庫水位上升相關(guān)，說明庫水位對面板開度變形影響較明顯，近一個月測值開始穩(wěn)定，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)關(guān)注。

蓄水期間面板脫空測值變化較小，且變化較穩(wěn)定，至2016年7月，最大值僅0.85 mm。

可見面板堆石壩周邊縫沉降、剪切和張開總體不大，面板脫空變形較小，趨勢總體穩(wěn)定。

表1　國內(nèi)相近規(guī)模已建面板堆石壩蓄水期最大沉降統(tǒng)計表Table 1 Statistics of maximum settlement of face-slab rock-fills dams with similar size in impoundment period

3.2滲流及應(yīng)力監(jiān)測成果

3.2.1滲流量

滲流量是能直接而全面反映混凝土面板壩運行狀態(tài)的一個綜合指標，2015年9月始測至2016年6月，實測大壩最大滲流量為16.68 L∕s，滲流量與庫水位及降雨量存在密切的相關(guān)性，過程線見圖4?？鄢涤甑扔绊?，與國內(nèi)部分已建相近壩高的面板堆石壩比較（見表2），本工程目前滲流量總體屬正常范圍內(nèi)。

表2　國內(nèi)部分面板堆石壩滲流量統(tǒng)計情況表Table 2 Statistics of seepage of some face-slab rock-fills dams

圖4　大壩總滲流量實測過程線Fig.4 Graph of monitored total seepage

3.2.2壩基滲壓和繞壩滲流

位于帷幕后趾板下游壩基淺層基巖的多數(shù)滲壓計測值較平穩(wěn)，變幅不大，最大水頭一般在3 m以內(nèi)，剩余水頭小于10%；但主壩0+140 m、0+180 m斷面幕后鉆孔式滲壓計監(jiān)測顯示，孔底近帷幕端頭（鉆孔孔深32 m左右）及1∕2孔深（近1∕2帷幕高）滲壓水頭較高，2016年5月29日正常蓄水位675 m工況下在60%（Pszb10）～85%（Pszb15）之間，其中主壩0+140 m斷面孔底滲壓最大（88 m水頭），主壩0+180 m斷面為1∕2孔深（近1∕2帷幕高）較大（67 m水頭），且滲壓與庫水位相關(guān)密切，說明與庫水位某種形式相通，孔底基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，經(jīng)縫隙繞滲或帷幕體局部薄弱滲漏，應(yīng)加強對這些測點滲壓的監(jiān)測。

2016年5月29日正常蓄水位675 m工況下，主斷面帷幕后壩基沿順河向2支滲壓計（距帷幕線3 m、37 m）滲壓水位分別為593.5 m、592 m，僅高于建基面約2.5 m、1.0 m水頭，滲壓水位依次略減，分布規(guī)律正常。

左、右壩肩6個水位觀測孔受庫水位影響均不明顯，左右岸繞壩滲流現(xiàn)象不明顯。

3.2.3面板應(yīng)變應(yīng)力

面板應(yīng)變以壓縮應(yīng)變?yōu)橹?，?yīng)變范圍為-181×10-6～389×10-6，最大拉應(yīng)變389×10-6發(fā)生在埋設(shè)施工初期、主壩0+140斷面2∕3壩高測點處，蓄水前對該部位面板進行檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂縫等存在。至目前面板應(yīng)變變化總體穩(wěn)定，庫水位上升時期無明顯異常。

面板內(nèi)順坡向鋼筋應(yīng)力大于水平向應(yīng)力，除最大壩高部位的面板底部順坡向鋼筋應(yīng)力在蓄水期明顯增大，最大增至298.75 MPa，之后基本在295 MPa左右變化，查看附近面板混凝土應(yīng)變計組的同向應(yīng)變最大測值僅240×10-6，未見異常，疑是該鋼筋計儀器性能發(fā)生變化，測值不可靠，其余部位的鋼筋應(yīng)力在-126.93～78.9 MPa之間，且受力變化較穩(wěn)定。

4　結(jié)語

仙居上水庫面板堆石壩布置有變形、滲流、面板應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測項目，通過各監(jiān)測項目結(jié)合布置，使壩體各個部位都得到有效的監(jiān)控，測點布置突出重點，兼顧全面；部分監(jiān)測設(shè)施從施工期就開始監(jiān)控大壩運行情況，大部分在下閘蓄水前取得了基準值，為掌握蓄水期大壩的安全情況發(fā)揮了重要的作用。大壩竣工后，所有觀測設(shè)施都將作為永久觀測項目，繼續(xù)監(jiān)控大壩在運行期的安全。通過對蓄水期大壩安全監(jiān)測資料進行初步分析，表明上水庫主壩各項監(jiān)測成果基本都在合理范圍內(nèi)，大壩運行正常。

[1]華東勘測設(shè)計研究院有限公司.仙居蓄水安全鑒定設(shè)計自檢報告[R].

[2]華東勘測設(shè)計研究院有限公司.仙居工程安全監(jiān)測設(shè)計專題報告[R].

作者郵箱：RRH@qq.com

抽水蓄能電站進入建設(shè)高峰

據(jù)北極星儲能網(wǎng)今年上半年，頻頻傳來抽蓄電站或核準或開工的消息。雖然“十二五”建設(shè)目標未能完成，但作為“十三五”開局之年，抽蓄電站正全面發(fā)力。

完成規(guī)劃目標有難度

截至2015年底，全國抽蓄電站總裝機約為2 300萬kW，與水電“十二五”規(guī)劃的3 000萬kW目標相比，完成率僅為77%，而且“十二五”期間抽蓄新開工規(guī)模為2 090萬kW，僅為規(guī)劃目標的52%。

針對抽蓄市場發(fā)展較緩的情況，國家能源局在《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃(征求意見稿)》中作了相應(yīng)調(diào)整，指出“十三五”期間全國新開工抽蓄電站6 000萬kW，到2020年抽水蓄能總裝機達4 000萬kW，該目標較《水電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中的7 000萬kW下降了3 000萬kW。

“雖然規(guī)劃目標降了不少，但是完成起來還是有一定難度。而且現(xiàn)在開工的和馬上要開工的抽蓄電站都是‘十二五’期間規(guī)劃的項目?！鄙鲜鰳I(yè)內(nèi)專家表示，“電站建設(shè)的合理周期相對比較長，一般都在60個月以上，投產(chǎn)的速度不會很快。再加上抽蓄電站審批權(quán)下放到地方，各省核準項目的力度不一樣，有快有慢，像青海省仍處于選址階段。就目前情況來看，抽蓄電站批建的速度跟不上規(guī)劃建設(shè)規(guī)模?！?/p>

調(diào)峰需求日益增加

抽蓄電站是把電網(wǎng)負荷低谷時多余的電能轉(zhuǎn)化為水的勢能儲存起來，在負荷高峰時將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)電能的有效存儲，并將電能在時間上重新分配，有效調(diào)節(jié)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)、供應(yīng)、使用之間的動態(tài)平衡，被喻為電網(wǎng)的“調(diào)節(jié)器”“穩(wěn)壓器”和“蓄電池”。

近年來，隨著風(fēng)能和太陽能大規(guī)模開發(fā)，電網(wǎng)調(diào)峰問題日益突出，尤其缺乏快速反應(yīng)和跟蹤負荷的電源，迫切需要優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，配置一定規(guī)模的快速反應(yīng)電源?！啊晃濉院?，特別是到了‘十二五’期間，風(fēng)電、光伏的快速發(fā)展加劇了電網(wǎng)的調(diào)峰矛盾，迫切需要抽蓄電站參與儲能和調(diào)峰。”上述業(yè)內(nèi)專家稱。

可再生能源的崛起已經(jīng)成為全國能源發(fā)展趨勢。根據(jù)預(yù)測，到2020年，我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機將分別達到2.4億kW、1.5億kW，屆時對抽蓄電站的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和保障手段的需要將越發(fā)凸顯。

Title：Safety monitoring design and results analysis on impoundment period of the rock-fill dam of Xian?ju pumped storage power station's upper reservoir

by HAN Rong-rong and ZHENG Xiao-hong∕Pow?erChina Huadong Engineering Corporation Limited

The main dam of Xianju pumped storage power station's upper reservoir is a rock-fill dam with the maximum height of 88.2 m and its crest length is 263.66 m.The reservoir began to store water in June 2015 and the normal water level is reached in May 2016.The paper introduces the monitoring design for the rock-fill dam and a preliminary analysis on the main monitoring results is carried out, which shows that the results are in a reasonable range and the dam runs well.

Xianju pumped storage power station;rock-fill dam;monitoring;design;analysis

TV698.1

B

1671-1092（2016）04-0030-05

2016-07-06

韓榮榮（1984-），女，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要從事大壩安全管理和工程監(jiān)測技術(shù)研究。