锦屏一级水电站运行期垂线监测成果分析

周 绿,冯 艺,李小顺,罗 浩

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014；3.雅砻江流域水电开发有限公司,四川成都610051)

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内,是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级,具有年调节能力,在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”的重要作用,对下游梯级补偿调节效益显著。其工程规模巨大,开发任务主要是发电,结合汛期蓄水兼有分担长江中下游地区防洪的作用。电站总装机容量3 600 MW,保证出力1 086 MW,多年平均年发电量166.2亿kW·h,年利用小时数4 616 h。大坝为世界第一高拱坝,坝高305.0 m,水库正常蓄水位1 880 m,死水位1 800 m,正常蓄水位以下库容77.6亿m3,调节库容49.1亿m3,属年调节水库。

初蓄期指水库首次蓄水到正常蓄水位后的头三年(2015年～2017年)；运行期指初运行期后的时期,即2018年之后；水位升降期指每年水位从死水位1 800 m升至正常蓄水位1 880 m期间和水位从正常蓄水位1 880 m降至1 800 m期间；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]。本文拟对历年蓄水、水位下降、正常水位运行过程中大坝垂线的径向位移进行对比分析(文中径向为正表示向下游,为负表示向上游)。

表1 历年蓄水过程统计

2 垂线系统布置

锦屏一级水电站共布置10组垂线,其中坝体7组(5、9、11、13、16、19、23号坝段),左岸垫座1组,左右岸坝基各1组。大坝垂线观测系统布设有正垂线40条、倒垂线13条。各组垂线底部倒垂入基岩深度按坝高1/3～1/2控制,中部河床坝段11、13号和16号坝段倒垂锚固端高程1 480 m,垫座倒垂锚固端高程1 685 m,其他坝段锚固端高程1 545 m[2]。目前大坝垂线已全部接入自动化采集系统,按3次/d的频次数据采集,人工光学读数频次为1次/周[3]。

3 垂线变形规律分析

3.1 蓄水变形规律分析

锦屏一级水电站从2012年11月30日右岸导流洞下闸开始蓄水,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月已经历过三次从死水位蓄至正常水位。蓄水过程见表1,历年蓄水过程中大坝垂线径向位移变形情况见表2。

由表2可以看出,历年蓄水过程中坝体垂线的径向位移变形具有以下规律：

(1)大坝垂线的径向位移变形与库水位相关性很好,蓄水过程中整体向下游变形,2014年～2016年年蓄水过程中变形最大部位位于1 885 m高程11号坝段,变形量分别为38.68、38.55、36.66 mm。

(2)从死水位蓄至正常水位,2015年与2014年相比80%的垂线的径向位移增量有所减小,其中减小比较明显的为中间19、16号坝段及左岸13、9号坝段；2016年与2015年相比,垂线的径向位移增量减小比较明显的为11号坝段,增量有所增大的是9、16号坝段的1 829 m和1 885 m高程,其余垂线的增量变化不大。

(3) 从死水位蓄至正常水位,2015年与2014年相比,大坝1 730 m以上高程的垂线径向位移增量减小幅度相对较大,其中1 885 m高程的减小幅度最大；2016年与2015年相比,垂线的径向位移增量总体呈减小的趋势,中间坝段高高程的增量有所增加,但相对于2015年仍是减小。

(4) 2014年至2016年大坝蓄水过程中,2015年的时间最长,水位变幅2016年最小,综上所述,蓄水的时间及水位变幅对大坝位移变形有一定的影响。

表2 历年死水位蓄至正常水位部分垂线径向位移变化量

3.2 水位下降变形规律分析

截至2017年5月,锦屏一级水电站经历了三次从正常水位降至死水位,水位下降过程见表3,水位下降过程中历年的大坝垂线径向位移变形情况见表4。

由表4可知,历年正常水位下降死水位过程中坝体垂线的径向位移变形具有以下规律：

表3 历年正常水位降至死水位过程统计

表4 历年正常水位降至死水位部分垂线径向位移变化量

(1)大坝垂线的径向位移变形与库水位相关性很好,水位下降过程中整体向上游变形,2015年～2017年水位下降过程中变形最大部位位于1 885 m高程11号坝段,变形量分别为-46.88、-45.70、-37.12 mm。

(2)从正常水位降至死水位,2016年与2015年相比70%的垂线的径向位移变化量有所增大,其中增大比较明显的为1 885 m高程和1 730 m高程的中间19、16号坝段及左岸13、9号坝段；2017年与2016年相比,垂线的径向位移变化量总体呈减小趋势,减小比较明显的为1 885、1 829、1 778 m高程9、11、13、16号坝段,其余变化量减小不明显。

(3)从正常水位降至死水位,2016年与2015年相比,垂线的径向位移变化量1 730 m高程以上增大幅度相对较大,其中1 885 m高程的增大幅度最大；2017年与2016年相比,垂线的径向位移变化量总体呈减小的趋势,中间坝段高高程的变化量减小较明显,但相对2015年变化量仍是总体呈减小趋势。

(4)2015年～2017年由正常水位降至死水位过程中,2016年的时间最长,同时也是水位变幅最小的一年,综上所述,水位下降时间及水位变幅对大坝变形有一定的影响。

3.3 滞后变形分析

截至2017年5月,锦屏一级水电站经历了三次从死水位蓄至1 880 m左右正常水位运行,历年正常水位运行过程统计见表5,正常水位运行过程中历年的大坝垂线径向位移变形情况见表6。

表5 历年正常水位运行过程统计

大坝变形受诸如材料的塑形、徐变,坝体的裂缝变化,基岩的断层、节理压缩等因素引起的随时间变化的不可逆分量的影响[4]。而拱坝水平位移的滞后变形主要取决于坝体平均温度[5],在正常水位运行期间,拱坝的温度场由于温度场的调整及弹性后效作用,坝体的位移变形存在一定的滞后性。

由表6可以看出,历年正常水位运行过程中坝体垂线的径向位移变形具有以下规律：

(1)各高程均整体向下游变形,2014年～2016年正常水位运行过程中大坝垂线径向位移变形最大部位位于11号坝段1 885 m高程,变形量分别为7.87、8.16、3.87 mm。

(2)正常水位运行过程中,2015年与2014年相比,85%的垂线径向位移增量均有所减小,其中减小比较明显的为9、13号坝段各高程,且1 885 m和1 829 m高程减下幅度相对较大；2016年与2015年相比,80%的垂线径向位移增量有所减小,垂线的径向位移增量减小比较明显的为9～19号坝段各高程,且高高程减小幅度相对较大。

表6 历年正常水位运行部分垂线径向位移增量

(3)2014年～2016年正常水位运行过程中,2014年正常运行时间最长,2015年水位变幅为负值,2016年水位变幅最大,综上所述,正常水位运行时间及水位变幅对大坝变形有一定的影响。

4 结论与展望

(1)从大坝各高程各坝段测点径向位移随库水位变化的过程来看,大坝径向位移与库水位变化具有良好的相关性,水位上升过程中,大坝径向位移向下游变形,水位下降过程中,大坝径向位移向上游变形,高水位运行时,大坝径向位移均向下游变形,拱坝处于准弹性状态。

(2)从历年蓄水、水位下降、正常水位运行过程中大坝径向位移变形比较,大坝整体变形的增量有逐年减小的趋势,而且9～19号坝段表现的尤为明显,高高程表现为更加明显。

(3)从历年蓄水、水位下降、正常水位运行过程中大坝径向位移变形比较分析,大坝径向位移变形除与库水位相关外,还与水位变化时间、水位变化速率、变形滞后性等因素相关。

(4)由于篇幅有限,本文只针对了大坝径向位移进行了比较,后续将深入研究分析,并根据大坝变形的影响因子,包括水位变化过程、水位变化速率、平均温度场、材料的塑形、徐变等,建立大坝变形预测模型。

[1] 陈晓鹏, 阮彦晟. 锦屏一级水电站拱坝初期蓄水垂线监测成果分析[J]. 四川水力发电, 2014, 33(增1)： 128- 131．

[2] 周绿, 罗浩, 李守雷, 等. 锦屏一级水电站安全监测自动化系统的运行与维护[J]. 科技信息, 2016(12)： 41- 43．

[3] 李波, 周恒, 胡蕾, 等. 溪洛渡高拱坝运行初期应力应变监测资料分析[J]. 水力发电, 2017, 43(7): 108- 111．

[4] 李步娟, 刘新平, 方朝阳. 拱坝变形监测预报模型研究[J]. 水利水电技术, 1996(7)： 10- 15．

[5] 张家鹤, 王建, 柴丽沙. 混凝土坝变形滞后特征及坝型对其的影响研究[J]. 水工建筑物, 2015(4)： 9- 13．