黑麋峰抽水蓄能電站下庫大壩運行狀況分析

陳玉嬌，湯 巍，劉 源，陳福球

（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 引言

黑麋峰抽水蓄能電站位于長沙市北郊的黑麋峰風景區，總裝機容量1200 MW，共安裝4臺單機容量為300 MW的混流可逆式水泵水輪發電機組。工程屬一等大（1）型工程，工程樞紐由上水庫建筑物、下水庫建筑物、輸水系統、地下廠房洞室群、地面副廠房等組成。電站上水庫正常蓄水位400 m，死水位376.5 m，上水庫主要建筑物包括主壩1、主壩2、副壩1、副壩2；下水庫正常蓄水位103.7 m，死水位65 m，下水庫大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩。

水電站大壩建造在地質構造復雜、巖土特性不均勻的地基上，在各種荷載的作用和自然因素的影響下，其工作性態和安全狀況隨時都在變化。如果出現異常，又不被及時發現，任其發展，其后果不堪設想。隨著我國水利水電事業的蓬勃發展、眾多大中型水電站的興建，以及潰壩失事的出現，工程的安全與質量問題越來越受到各方的關注，因而安全監測工作也日益得到重視。

本文通過對黑麋峰下水庫大壩運行的基本情況、水庫周邊的環境量、氣溫、降雨量；大壩表面水平變形、垂直位移、大壩內部的變形、面板接縫變形、應力應變和大壩滲漏量等情況進行總結和分析，確保大壩的安全穩定運行。

2 基本情況

黑麋峰下水庫主壩堆石料的母巖為花崗巖，質地堅硬，根據工程類比，大壩上游面坡比為1：1.4，下游面高程50 m以上坡比為1：1.3，高程50 m以下坡比為 1：1.4，在高程 90 m、70 m、50 m 處分別設置馬道，馬道寬2 m，下游面綜合坡比約為1：1.44。面板采用變厚面板，厚度為0.3 m+0.003 H（其中H為計算斷面至面板頂部的垂直距離，單位：m），寬度為12 m或6 m兩種；趾板厚度為0.5 m、0.6 m或0.7 m，趾板寬度為3 m、5 m或7 m。趾板最低處高程為28 m，在高程75 m以上趾板厚度為0.5 m，寬度為3 m；在高程75 m至50 m之間，趾板厚度為0.6 m，寬度為5 m；在高程50 m以下，趾板厚度為0.7 m，寬度為7 m。面板上游在高程64 m以下，設置粘土鋪蓋起輔助防滲作用，粘土鋪蓋頂部寬度為3 m，其上游面坡比為1：1.6；粘土鋪蓋上游設石渣混合料區，頂部寬度為6 m，其上游面坡比為1：2。

3 監測布置情況

下水庫大壩主要監測項目有：堆石壩體變形監測（內外部水平、垂直位移觀測，面板之間垂直縫、面板與趾板底座之間周邊縫觀測）；面板應力應變觀測；壩體、壩基、岸坡滲流觀測等。

4 監測數據分析

4.1 大壩表面水平位移

（1）下庫主壩表面上下游水平位移面板頂部測值在-5.52～62.49 mm之間，壩頂下游側測值在-4.52～102.77 mm之間，下游坡90 m馬道測值在-0.92～27.11 mm之間，下游坡70 m馬道測值在-1.06～32.94 mm之間。受庫水位影響，各測點表現為向下游變形，同一高程河床部位變形整體大于兩岸，同一斷面變形整體表現為上部大于下部，分布符合一般規律，至2017年底，靠近兩岸的測點變形趨于穩定，河床中部仍有緩慢向下游變形趨勢。

（2）下庫主壩表面左右岸水平位移面板頂部測值在-13.30～13.10 mm之間，壩頂下游側測值在-11.90～21.70 mm之間，下游坡90 m馬道測值在-19.14～33.40 mm之間，下游坡70 m馬道測值在-6.24～12.90 mm之間。左右岸方向位移趨于穩定，變形在40 mm以內，主要表現為由兩岸向河床位移，此外，面板和壩頂橫河向水平位移受溫度影響明顯，表現為溫度升高向兩岸變形，溫度降低向河床變形的變化規律。

4.2 大壩表面垂直位移監測

下水庫大壩垂直位移監測與視準線共用同一觀測墩，采用全站儀進行監測。

圖1 下庫大壩外部變形觀測布置圖

圖2 下庫主壩壩頂下游側垂直位移過程線圖

圖3 大壩表面垂直位移分布圖

由圖2、圖3分析大壩表面沉降整體與壩高成正比，河床部位沉降大于兩岸，上部大于下部。總體來看，分布符合一般規律，變形較為協調，自2015年起，水庫水位變化頻繁，河床中部測點2015年、2016年沉降變形速率較2014年有所增大，但2017年壩頂沉降速率較2016年有明顯減小，也小于2015年沉降速率，2017年最大年沉降速率為27.10 mm，壩頂沉降變形仍未穩定。靠近壩頂兩岸測點X12-1和X12-7沉降趨于穩定，2017年年沉降速率不超過5 mm。

統計國內類似工程的壩頂沉降量于表1，從表可見：下庫大壩壩頂至2017年12月的最大累積沉降量為216.7 mm，占最大壩高比為0.27%，其余類似工程的面板堆石壩壩頂最大累積沉降在30.0～286.6 mm，占最大壩高比為 0.03%～0.32%，與其他大壩相比，下庫大壩壩頂沉降量在同類工程中處于中等偏大水平。

表1 同類工程面板堆石壩壩頂沉降一覽表

4.3 大壩內部水平位移

在壩左0+014 m斷面高程68 m布置引張線式水平位移計，共5個測點，測點編號為YSA下-1～5，由圖表可見：下庫大壩受堆石體自重和庫水壓力的雙重作用，2010年后各測點主要表現為向下游位移，大壩壩體內部順河向絕對水平位移最大值在21.73～50.85 mm之間，位移量較小，靠近上游側的測點受庫水位影響明顯，距離上游側最近的測點YSA下-1向下游位移最大，靠近下游壩坡的測點受堆石體沉降影響，向下游位移大于壩軸處，壩軸線處向下游位移最小，符合土石壩變形的一般規律（見下頁圖4、5）。

4.4 壩體內部垂直位移

下庫大壩樁號壩左0+014.8 m橫向監測斷面高程88 m、68 m、55.8 m布置有15套水管式沉降儀，樁號壩右0+060 m橫向監測斷面高程88 m、68 m布置有8套水管式沉降儀，水管式沉降儀于2006年7月底起測，2006年3月～2006年11月壩體填筑。2010年以后由于控制模塊故障等原因導致未向水管式沉降儀內進行過充水，測量管內無水或測量模塊故障、傳感器故障等原因導致無測值，2010年以后測值不可信。2010年以前測值可信，2006年7月～2006年11月壩體填筑期間沉降量最大，后趨于穩定。壩體內部沉降（相對觀測房）主要發生在壩體填筑期，后期沉降較小。同一高程，沉降與壩高呈正比，壩高越高，沉降越大，即壩軸線附近沉降大于上下游側，分布符合一般規律。

4.5 面板接縫變形

4.5.1 面板周邊縫

周邊縫X向即周邊縫的開合度，監測數據顯示下庫大壩周邊縫開合度整體不大，其中位于右岸底

圖4 大壩壩體內部順河向絕對水平位移分布圖

圖5 大壩引張線式水平位移計絕對位移過程線圖

4.5.2 面板垂直縫

下庫大壩的垂直縫開合度整體不大，最大張開變形在1.61～4.02 mm之間，垂直縫開合變化，主要受溫度的影響，溫度升高，縫閉合，溫度降低，縫張開，呈明顯的年周期性變化，最大年變幅在1.67～4.1 mm 之間（見圖 7）。

圖6 下庫大壩面板周邊縫測點開合度、剪切及沉降測值過程線

圖7 下庫大壩面板垂直縫開合度過程線圖

4.6 混凝土面板應力應變

4.6.1 面板無應力計

下庫大壩面板共埋設8支無應力計，以埋設初期測值為基準值，無應力計歷年測值過程線見圖8，無應力計測值受溫度影響明顯，與溫度呈正相關，溫度升高拉應變增大，溫度降低，拉應變減小，應變總體不大，已趨于收斂。

4.6.2 面板應變計

應變計測值與溫度呈正相關，溫度升高拉應變增大，溫度降低，拉應變減小，應變總體不大。順坡向應變主要表現為壓應變，水平向應變主要表現為壓應變，水平向壓應變總體小于順坡向壓應變，壓應變較大分布區域主要集中在河床部位面板中部靠左，分布符合一般規律（見圖9）。

圖8 下庫大壩面板無應力計測值過程線圖

圖9 下庫大壩面板應變分布圖（左為順坡向，右為橫河向）

4.6.3 面板鋼筋計

面板鋼筋計隨溫度影響呈明顯的年周期性變化，溫度升高，拉應力減小（壓應力增大），溫度降低，拉應力增大（壓應力減小），鋼筋應力總體不大，面板中下部鋼筋計壓應力略有增大。

4.7 大壩滲流

4.7.1 壩基滲透壓力

在帷幕后，壩基與堆石體接觸面上布設4支滲壓計，下水庫于2007年7月9日開始下閘蓄水，壩基滲壓計水位開始升高，至2007年10月底，P下-1、P下-2、P下-4水位分別升高 19.53 m、19.12 m 和5.06 m，庫水位對壩基滲壓的影響隨繞壩滲流路徑的增加而降低。運行期，帷幕后壩基滲壓計測值無明顯趨勢性變化，最大滲壓水位53.63 m，低于同期庫水位92.97 m。滲壓計測值與庫水位無明顯相關性，最大年變幅為4.20 m，小于庫水位變幅（35.48 m），說明壩基趾板帷幕防滲作用穩定。

4.7.2 繞壩滲流

下水庫壩共布置了14個地下水位觀測孔，OH下-01～6位于兩岸壩肩的山坡上，左右各3個孔，OH下-07～14位于下水庫右岸分水嶺防滲帷幕后方。下水庫于2007年7月9日開始下閘蓄水，蓄水后各繞壩孔水位較蓄水前變化不大，主要受降雨影響，繞壩孔水位在100.25～146.01 m之間，高于庫水位，不會發生庫水外滲（見圖10）。

圖10 下庫大壩部分繞壩滲流水位變化過程線圖

4.7.3 滲流量

下庫大壩量水堰為三角形堰，堰板量程為40 cm，對應最大滲流量為141.67 L/s。量水堰設在壩腳下游樁號壩0+098.648 m，距壩軸線200 m處，編號為WE下-1，測得的滲漏量包括通過壩體的滲漏、壩基的滲漏、兩岸壩肩的繞壩滲漏以及壩頂到量水堰之間的壩坡和岸坡上降水所產生的地表徑流流量。下庫大壩量水堰2013年7月以前，滲流量受庫水位和降雨影響，最大滲流量39.50 L/s，測值無明顯趨勢性增大；2013年7月以后，受下庫壩后截水墻漏水影響，量水堰處于無水狀態，下庫壩后滲漏量失真；2016年11月量水堰改造修復后，測值受降雨和庫水位影響上下波動，滲漏量在0.39～68.53 L/s之間，較之前滲漏量有所增大，與庫水位相關性較好，不考慮降雨影響，剔除前5～7天有降雨的最大滲流量不超過40 L/s。

統計國內類似工程的滲漏量于表2，從表2可見：下庫大壩實測最大滲漏量68.58 L/s，扣除降雨影響的最大滲漏量為36.17 L/s，其余類似工程的面板堆石壩穩定最大滲漏量在8～60 L/s之間，與其他大壩相比，下庫大壩滲漏量在同類工程中處于較高水平。

5 結論

黑麋峰抽水蓄能電站下庫主壩壩體、壩基滲流較為穩定，滲流量較大，但水質清澈；繞壩滲流孔水位較蓄水前變化不大；兩岸壩肩地下水位整體高于庫水位，不會發生庫水外滲；面板垂直縫開合度不大，巡視檢查未見異常，面板運行性態良好；大壩壩坡穩定性復核滿足規范要求。

綜上所述，下庫大壩運行過程中，雖大壩壩頂沉降量及大壩滲漏量在同類工程中處于中等偏大水平，但大壩的滲流和變形控制措施完善，監測成果未見異常，壩體運行性狀良好。

表2 國內部分面板堆石壩滲漏量統計情況表