錦屏一級水電站運行期垂線監測成果分析

周 綠,馮 藝,李小順,羅 浩

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室,湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南長沙410014；3.雅礱江流域水電開發有限公司,四川成都610051)

1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內,是雅礱江干流中下游水電開發規劃的“控制性”水庫梯級,具有年調節能力,在雅礱江梯級滾動開發中具有“承上啟下”的重要作用,對下游梯級補償調節效益顯著。其工程規模巨大,開發任務主要是發電,結合汛期蓄水兼有分擔長江中下游地區防洪的作用。電站總裝機容量3 600 MW,保證出力1 086 MW,多年平均年發電量166.2億kW·h,年利用小時數4 616 h。大壩為世界第一高拱壩,壩高305.0 m,水庫正常蓄水位1 880 m,死水位1 800 m,正常蓄水位以下庫容77.6億m3,調節庫容49.1億m3,屬年調節水庫。

初蓄期指水庫首次蓄水到正常蓄水位后的頭三年(2015年～2017年)；運行期指初運行期后的時期,即2018年之后；水位升降期指每年水位從死水位1 800 m升至正常蓄水位1 880 m期間和水位從正常蓄水位1 880 m降至1 800 m期間；汛期指每年6月至10月,但不包含水位升降期；枯水期指每年11月至次年5月,但不包含水位升降期[1]。本文擬對歷年蓄水、水位下降、正常水位運行過程中大壩垂線的徑向位移進行對比分析(文中徑向為正表示向下游,為負表示向上游)。

表1 歷年蓄水過程統計

2 垂線系統布置

錦屏一級水電站共布置10組垂線,其中壩體7組(5、9、11、13、16、19、23號壩段),左岸墊座1組,左右岸壩基各1組。大壩垂線觀測系統布設有正垂線40條、倒垂線13條。各組垂線底部倒垂入基巖深度按壩高1/3～1/2控制,中部河床壩段11、13號和16號壩段倒垂錨固端高程1 480 m,墊座倒垂錨固端高程1 685 m,其他壩段錨固端高程1 545 m[2]。目前大壩垂線已全部接入自動化采集系統,按3次/d的頻次數據采集,人工光學讀數頻次為1次/周[3]。

3 垂線變形規律分析

3.1 蓄水變形規律分析

錦屏一級水電站從2012年11月30日右岸導流洞下閘開始蓄水,2013年7月18日蓄水至1 800 m,2014年8月24日蓄水至正常水位1 880 m。截至2017年5月已經歷過三次從死水位蓄至正常水位。蓄水過程見表1,歷年蓄水過程中大壩垂線徑向位移變形情況見表2。

由表2可以看出,歷年蓄水過程中壩體垂線的徑向位移變形具有以下規律：

(1)大壩垂線的徑向位移變形與庫水位相關性很好,蓄水過程中整體向下游變形,2014年～2016年年蓄水過程中變形最大部位位于1 885 m高程11號壩段,變形量分別為38.68、38.55、36.66 mm。

(2)從死水位蓄至正常水位,2015年與2014年相比80%的垂線的徑向位移增量有所減小,其中減小比較明顯的為中間19、16號壩段及左岸13、9號壩段；2016年與2015年相比,垂線的徑向位移增量減小比較明顯的為11號壩段,增量有所增大的是9、16號壩段的1 829 m和1 885 m高程,其余垂線的增量變化不大。

(3) 從死水位蓄至正常水位,2015年與2014年相比,大壩1 730 m以上高程的垂線徑向位移增量減小幅度相對較大,其中1 885 m高程的減小幅度最大；2016年與2015年相比,垂線的徑向位移增量總體呈減小的趨勢,中間壩段高高程的增量有所增加,但相對于2015年仍是減小。

(4) 2014年至2016年大壩蓄水過程中,2015年的時間最長,水位變幅2016年最小,綜上所述,蓄水的時間及水位變幅對大壩位移變形有一定的影響。

表2 歷年死水位蓄至正常水位部分垂線徑向位移變化量

3.2 水位下降變形規律分析

截至2017年5月,錦屏一級水電站經歷了三次從正常水位降至死水位,水位下降過程見表3,水位下降過程中歷年的大壩垂線徑向位移變形情況見表4。

由表4可知,歷年正常水位下降死水位過程中壩體垂線的徑向位移變形具有以下規律：

表3 歷年正常水位降至死水位過程統計

表4 歷年正常水位降至死水位部分垂線徑向位移變化量

(1)大壩垂線的徑向位移變形與庫水位相關性很好,水位下降過程中整體向上游變形,2015年～2017年水位下降過程中變形最大部位位于1 885 m高程11號壩段,變形量分別為-46.88、-45.70、-37.12 mm。

(2)從正常水位降至死水位,2016年與2015年相比70%的垂線的徑向位移變化量有所增大,其中增大比較明顯的為1 885 m高程和1 730 m高程的中間19、16號壩段及左岸13、9號壩段；2017年與2016年相比,垂線的徑向位移變化量總體呈減小趨勢,減小比較明顯的為1 885、1 829、1 778 m高程9、11、13、16號壩段,其余變化量減小不明顯。

(3)從正常水位降至死水位,2016年與2015年相比,垂線的徑向位移變化量1 730 m高程以上增大幅度相對較大,其中1 885 m高程的增大幅度最大；2017年與2016年相比,垂線的徑向位移變化量總體呈減小的趨勢,中間壩段高高程的變化量減小較明顯,但相對2015年變化量仍是總體呈減小趨勢。

(4)2015年～2017年由正常水位降至死水位過程中,2016年的時間最長,同時也是水位變幅最小的一年,綜上所述,水位下降時間及水位變幅對大壩變形有一定的影響。

3.3 滯后變形分析

截至2017年5月,錦屏一級水電站經歷了三次從死水位蓄至1 880 m左右正常水位運行,歷年正常水位運行過程統計見表5,正常水位運行過程中歷年的大壩垂線徑向位移變形情況見表6。

表5 歷年正常水位運行過程統計

大壩變形受諸如材料的塑形、徐變,壩體的裂縫變化,基巖的斷層、節理壓縮等因素引起的隨時間變化的不可逆分量的影響[4]。而拱壩水平位移的滯后變形主要取決于壩體平均溫度[5],在正常水位運行期間,拱壩的溫度場由于溫度場的調整及彈性后效作用,壩體的位移變形存在一定的滯后性。

由表6可以看出,歷年正常水位運行過程中壩體垂線的徑向位移變形具有以下規律：

(1)各高程均整體向下游變形,2014年～2016年正常水位運行過程中大壩垂線徑向位移變形最大部位位于11號壩段1 885 m高程,變形量分別為7.87、8.16、3.87 mm。

(2)正常水位運行過程中,2015年與2014年相比,85%的垂線徑向位移增量均有所減小,其中減小比較明顯的為9、13號壩段各高程,且1 885 m和1 829 m高程減下幅度相對較大；2016年與2015年相比,80%的垂線徑向位移增量有所減小,垂線的徑向位移增量減小比較明顯的為9～19號壩段各高程,且高高程減小幅度相對較大。

表6 歷年正常水位運行部分垂線徑向位移增量

(3)2014年～2016年正常水位運行過程中,2014年正常運行時間最長,2015年水位變幅為負值,2016年水位變幅最大,綜上所述,正常水位運行時間及水位變幅對大壩變形有一定的影響。

4 結論與展望

(1)從大壩各高程各壩段測點徑向位移隨庫水位變化的過程來看,大壩徑向位移與庫水位變化具有良好的相關性,水位上升過程中,大壩徑向位移向下游變形,水位下降過程中,大壩徑向位移向上游變形,高水位運行時,大壩徑向位移均向下游變形,拱壩處于準彈性狀態。

(2)從歷年蓄水、水位下降、正常水位運行過程中大壩徑向位移變形比較,大壩整體變形的增量有逐年減小的趨勢,而且9～19號壩段表現的尤為明顯,高高程表現為更加明顯。

(3)從歷年蓄水、水位下降、正常水位運行過程中大壩徑向位移變形比較分析,大壩徑向位移變形除與庫水位相關外,還與水位變化時間、水位變化速率、變形滯后性等因素相關。

(4)由于篇幅有限,本文只針對了大壩徑向位移進行了比較,后續將深入研究分析,并根據大壩變形的影響因子,包括水位變化過程、水位變化速率、平均溫度場、材料的塑形、徐變等,建立大壩變形預測模型。

[1] 陳曉鵬, 阮彥晟. 錦屏一級水電站拱壩初期蓄水垂線監測成果分析[J]. 四川水力發電, 2014, 33(增1)： 128- 131．

[2] 周綠, 羅浩, 李守雷, 等. 錦屏一級水電站安全監測自動化系統的運行與維護[J]. 科技信息, 2016(12)： 41- 43．

[3] 李波, 周恒, 胡蕾, 等. 溪洛渡高拱壩運行初期應力應變監測資料分析[J]. 水力發電, 2017, 43(7): 108- 111．

[4] 李步娟, 劉新平, 方朝陽. 拱壩變形監測預報模型研究[J]. 水利水電技術, 1996(7)： 10- 15．

[5] 張家鶴, 王建, 柴麗沙. 混凝土壩變形滯后特征及壩型對其的影響研究[J]. 水工建筑物, 2015(4)： 9- 13．