黑麋峰抽水蓄能电站下库大坝运行状况分析

陈玉娇，汤 巍，刘 源，陈福球

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 引言

黑麋峰抽水蓄能电站位于长沙市北郊的黑麋峰风景区，总装机容量1200 MW，共安装4台单机容量为300 MW的混流可逆式水泵水轮发电机组。工程属一等大（1）型工程，工程枢纽由上水库建筑物、下水库建筑物、输水系统、地下厂房洞室群、地面副厂房等组成。电站上水库正常蓄水位400 m，死水位376.5 m，上水库主要建筑物包括主坝1、主坝2、副坝1、副坝2；下水库正常蓄水位103.7 m，死水位65 m，下水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝。

水电站大坝建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种荷载的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常，又不被及时发现，任其发展，其后果不堪设想。随着我国水利水电事业的蓬勃发展、众多大中型水电站的兴建，以及溃坝失事的出现，工程的安全与质量问题越来越受到各方的关注，因而安全监测工作也日益得到重视。

本文通过对黑麋峰下水库大坝运行的基本情况、水库周边的环境量、气温、降雨量；大坝表面水平变形、垂直位移、大坝内部的变形、面板接缝变形、应力应变和大坝渗漏量等情况进行总结和分析，确保大坝的安全稳定运行。

2 基本情况

黑麋峰下水库主坝堆石料的母岩为花岗岩，质地坚硬，根据工程类比，大坝上游面坡比为1：1.4，下游面高程50 m以上坡比为1：1.3，高程50 m以下坡比为 1：1.4，在高程 90 m、70 m、50 m 处分别设置马道，马道宽2 m，下游面综合坡比约为1：1.44。面板采用变厚面板，厚度为0.3 m+0.003 H（其中H为计算断面至面板顶部的垂直距离，单位：m），宽度为12 m或6 m两种；趾板厚度为0.5 m、0.6 m或0.7 m，趾板宽度为3 m、5 m或7 m。趾板最低处高程为28 m，在高程75 m以上趾板厚度为0.5 m，宽度为3 m；在高程75 m至50 m之间，趾板厚度为0.6 m，宽度为5 m；在高程50 m以下，趾板厚度为0.7 m，宽度为7 m。面板上游在高程64 m以下，设置粘土铺盖起辅助防渗作用，粘土铺盖顶部宽度为3 m，其上游面坡比为1：1.6；粘土铺盖上游设石渣混合料区，顶部宽度为6 m，其上游面坡比为1：2。

3 监测布置情况

下水库大坝主要监测项目有：堆石坝体变形监测（内外部水平、垂直位移观测，面板之间垂直缝、面板与趾板底座之间周边缝观测）；面板应力应变观测；坝体、坝基、岸坡渗流观测等。

4 监测数据分析

4.1 大坝表面水平位移

（1）下库主坝表面上下游水平位移面板顶部测值在-5.52～62.49 mm之间，坝顶下游侧测值在-4.52～102.77 mm之间，下游坡90 m马道测值在-0.92～27.11 mm之间，下游坡70 m马道测值在-1.06～32.94 mm之间。受库水位影响，各测点表现为向下游变形，同一高程河床部位变形整体大于两岸，同一断面变形整体表现为上部大于下部，分布符合一般规律，至2017年底，靠近两岸的测点变形趋于稳定，河床中部仍有缓慢向下游变形趋势。

（2）下库主坝表面左右岸水平位移面板顶部测值在-13.30～13.10 mm之间，坝顶下游侧测值在-11.90～21.70 mm之间，下游坡90 m马道测值在-19.14～33.40 mm之间，下游坡70 m马道测值在-6.24～12.90 mm之间。左右岸方向位移趋于稳定，变形在40 mm以内，主要表现为由两岸向河床位移，此外，面板和坝顶横河向水平位移受温度影响明显，表现为温度升高向两岸变形，温度降低向河床变形的变化规律。

4.2 大坝表面垂直位移监测

下水库大坝垂直位移监测与视准线共用同一观测墩，采用全站仪进行监测。

图1 下库大坝外部变形观测布置图

图2 下库主坝坝顶下游侧垂直位移过程线图

图3 大坝表面垂直位移分布图

由图2、图3分析大坝表面沉降整体与坝高成正比，河床部位沉降大于两岸，上部大于下部。总体来看，分布符合一般规律，变形较为协调，自2015年起，水库水位变化频繁，河床中部测点2015年、2016年沉降变形速率较2014年有所增大，但2017年坝顶沉降速率较2016年有明显减小，也小于2015年沉降速率，2017年最大年沉降速率为27.10 mm，坝顶沉降变形仍未稳定。靠近坝顶两岸测点X12-1和X12-7沉降趋于稳定，2017年年沉降速率不超过5 mm。

统计国内类似工程的坝顶沉降量于表1，从表可见：下库大坝坝顶至2017年12月的最大累积沉降量为216.7 mm，占最大坝高比为0.27%，其余类似工程的面板堆石坝坝顶最大累积沉降在30.0～286.6 mm，占最大坝高比为 0.03%～0.32%，与其他大坝相比，下库大坝坝顶沉降量在同类工程中处于中等偏大水平。

表1 同类工程面板堆石坝坝顶沉降一览表

4.3 大坝内部水平位移

在坝左0+014 m断面高程68 m布置引张线式水平位移计，共5个测点，测点编号为YSA下-1～5，由图表可见：下库大坝受堆石体自重和库水压力的双重作用，2010年后各测点主要表现为向下游位移，大坝坝体内部顺河向绝对水平位移最大值在21.73～50.85 mm之间，位移量较小，靠近上游侧的测点受库水位影响明显，距离上游侧最近的测点YSA下-1向下游位移最大，靠近下游坝坡的测点受堆石体沉降影响，向下游位移大于坝轴处，坝轴线处向下游位移最小，符合土石坝变形的一般规律（见下页图4、5）。

4.4 坝体内部垂直位移

下库大坝桩号坝左0+014.8 m横向监测断面高程88 m、68 m、55.8 m布置有15套水管式沉降仪，桩号坝右0+060 m横向监测断面高程88 m、68 m布置有8套水管式沉降仪，水管式沉降仪于2006年7月底起测，2006年3月～2006年11月坝体填筑。2010年以后由于控制模块故障等原因导致未向水管式沉降仪内进行过充水，测量管内无水或测量模块故障、传感器故障等原因导致无测值，2010年以后测值不可信。2010年以前测值可信，2006年7月～2006年11月坝体填筑期间沉降量最大，后趋于稳定。坝体内部沉降（相对观测房）主要发生在坝体填筑期，后期沉降较小。同一高程，沉降与坝高呈正比，坝高越高，沉降越大，即坝轴线附近沉降大于上下游侧，分布符合一般规律。

4.5 面板接缝变形

4.5.1 面板周边缝

周边缝X向即周边缝的开合度，监测数据显示下库大坝周边缝开合度整体不大，其中位于右岸底

图4 大坝坝体内部顺河向绝对水平位移分布图

图5 大坝引张线式水平位移计绝对位移过程线图

4.5.2 面板垂直缝

下库大坝的垂直缝开合度整体不大，最大张开变形在1.61～4.02 mm之间，垂直缝开合变化，主要受温度的影响，温度升高，缝闭合，温度降低，缝张开，呈明显的年周期性变化，最大年变幅在1.67～4.1 mm 之间（见图 7）。

图6 下库大坝面板周边缝测点开合度、剪切及沉降测值过程线

图7 下库大坝面板垂直缝开合度过程线图

4.6 混凝土面板应力应变

4.6.1 面板无应力计

下库大坝面板共埋设8支无应力计，以埋设初期测值为基准值，无应力计历年测值过程线见图8，无应力计测值受温度影响明显，与温度呈正相关，温度升高拉应变增大，温度降低，拉应变减小，应变总体不大，已趋于收敛。

4.6.2 面板应变计

应变计测值与温度呈正相关，温度升高拉应变增大，温度降低，拉应变减小，应变总体不大。顺坡向应变主要表现为压应变，水平向应变主要表现为压应变，水平向压应变总体小于顺坡向压应变，压应变较大分布区域主要集中在河床部位面板中部靠左，分布符合一般规律（见图9）。

图8 下库大坝面板无应力计测值过程线图

图9 下库大坝面板应变分布图（左为顺坡向，右为横河向）

4.6.3 面板钢筋计

面板钢筋计随温度影响呈明显的年周期性变化，温度升高，拉应力减小（压应力增大），温度降低，拉应力增大（压应力减小），钢筋应力总体不大，面板中下部钢筋计压应力略有增大。

4.7 大坝渗流

4.7.1 坝基渗透压力

在帷幕后，坝基与堆石体接触面上布设4支渗压计，下水库于2007年7月9日开始下闸蓄水，坝基渗压计水位开始升高，至2007年10月底，P下-1、P下-2、P下-4水位分别升高 19.53 m、19.12 m 和5.06 m，库水位对坝基渗压的影响随绕坝渗流路径的增加而降低。运行期，帷幕后坝基渗压计测值无明显趋势性变化，最大渗压水位53.63 m，低于同期库水位92.97 m。渗压计测值与库水位无明显相关性，最大年变幅为4.20 m，小于库水位变幅（35.48 m），说明坝基趾板帷幕防渗作用稳定。

4.7.2 绕坝渗流

下水库坝共布置了14个地下水位观测孔，OH下-01～6位于两岸坝肩的山坡上，左右各3个孔，OH下-07～14位于下水库右岸分水岭防渗帷幕后方。下水库于2007年7月9日开始下闸蓄水，蓄水后各绕坝孔水位较蓄水前变化不大，主要受降雨影响，绕坝孔水位在100.25～146.01 m之间，高于库水位，不会发生库水外渗（见图10）。

图10 下库大坝部分绕坝渗流水位变化过程线图

4.7.3 渗流量

下库大坝量水堰为三角形堰，堰板量程为40 cm，对应最大渗流量为141.67 L/s。量水堰设在坝脚下游桩号坝0+098.648 m，距坝轴线200 m处，编号为WE下-1，测得的渗漏量包括通过坝体的渗漏、坝基的渗漏、两岸坝肩的绕坝渗漏以及坝顶到量水堰之间的坝坡和岸坡上降水所产生的地表径流流量。下库大坝量水堰2013年7月以前，渗流量受库水位和降雨影响，最大渗流量39.50 L/s，测值无明显趋势性增大；2013年7月以后，受下库坝后截水墙漏水影响，量水堰处于无水状态，下库坝后渗漏量失真；2016年11月量水堰改造修复后，测值受降雨和库水位影响上下波动，渗漏量在0.39～68.53 L/s之间，较之前渗漏量有所增大，与库水位相关性较好，不考虑降雨影响，剔除前5～7天有降雨的最大渗流量不超过40 L/s。

统计国内类似工程的渗漏量于表2，从表2可见：下库大坝实测最大渗漏量68.58 L/s，扣除降雨影响的最大渗漏量为36.17 L/s，其余类似工程的面板堆石坝稳定最大渗漏量在8～60 L/s之间，与其他大坝相比，下库大坝渗漏量在同类工程中处于较高水平。

5 结论

黑麋峰抽水蓄能电站下库主坝坝体、坝基渗流较为稳定，渗流量较大，但水质清澈；绕坝渗流孔水位较蓄水前变化不大；两岸坝肩地下水位整体高于库水位，不会发生库水外渗；面板垂直缝开合度不大，巡视检查未见异常，面板运行性态良好；大坝坝坡稳定性复核满足规范要求。

综上所述，下库大坝运行过程中，虽大坝坝顶沉降量及大坝渗漏量在同类工程中处于中等偏大水平，但大坝的渗流和变形控制措施完善，监测成果未见异常，坝体运行性状良好。

表2 国内部分面板堆石坝渗漏量统计情况表