二滩水电站水垫塘设计及安全运行管理

王锋辉：二滩水电站水垫塘设计及安全运行管理　二滩水电站水垫塘设计及安全运行管理　王锋辉　（二滩水力发电厂，四川攀枝花６１７０００）　摘要：ｌ奉文介绍了二滩水电站水垫塘的设计和运行情况，以及水垫塘安全运行监测的新思路和新方法＝　关键词：二滩水电站；水垫塘；设计；运行管理　Ｔｉｔｌｅ：Ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｔ　Ｅｒｔａｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ／／ｂ）ＷＡ　ＮＧ　Ｆｅｎｇ－ｈｕｉ／／Ｅｒｔａｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｊｇｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ａｔ　Ｅｒｔａｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｉｎ　Ｅｒｔａｎ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｗｅｒｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｒｔａｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ；ｄｅｓｉｇｎ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　中图分类号：ＴＶ６５３；ＴＶ６９８．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１－１０９２（２００６）０５—０００１—０４　１概述　为５　ｍ，桩号０＋１３１．０下游为３　ｍ；边墙护坦厚度在　高程ｌ　００７．０　ｍ以下为３　ｍ，在高程１　００７．０　ｍ以上　二滩水电站位于四川Ｉ省雅砻江下游，距攀枝花　市４６　ｋｍ，是以发电为主的水利枢纽。大坝为抛物线　型双曲拱坝，坝顶弧长７７４．６９　ｍ，坝顶高程１　２０５．０　ｍ，最大坝高２４０　ｍ，最大底宽５５．７　ｍ，顶宽１１．０　ｍ，　为２　ｍ。表层４０　ＣＩＴＩ为硅粉混凝土，强度等级为三级　配Ｒ勰６００；以下均采用强度等级为Ｒ　００的三级配　混凝土。桩号０＋１６７．Ｏ０上游，水垫塘中心线与拱坝　中心线平行，桩号０＋１６７．Ｏ０下游，其中心线向左岸　偏转３０。３０　５６”。水垫塘底板与基岩问设有６３２、间　距２．０　ｍ、深入基岩４．０　ｍ的锚筋。　厚高比０．２２９。电站采用坝身孔口和泄洪洞联合泄　洪形式，坝身７个表孔在设计、校核洪水位下的泄　量分别为６　３００　ｍ３／ｓ和９　８００　ｍ　／ｓ；６个中孔的对应　二道坝坝型为重力坝，溢流段坝顶高程１　０１２　ｍ，　最大坝高３５　ｍ，后加高至１　０１５　ｍ，最大坝高为３８　ｍ：　上游坡采用１：１．６７，下游坡采用１：１．２５，坝顶平台设计　下泄量分别为６　２６２　ｍ　／ｓ和６　４５２　ｍ　／ｓ；右岸布置　两条大型明流泄洪洞，单洞设计和校核泄量分别为　３　７００　ｍ３／ｓ和３　８００　ｍ３／ｓ。二滩水电站校核洪水流量　达２３　９００　ｍ　／ｓ，相应上、下游水位差为１６８　ｍ，下泄　宽度６．５　ｍ，加高后宽度为２　ｍ，可为检修创造条件。　二道坝下游混凝土护坦长４２．９　ｍ，护坦顶板高　程为９８５．０　ｍ，护坦板厚５　ｍ；边墙护坦板坡度，左　岸在高程１　００７．０　ｍ以下为１：０．６７，１　００７．０　ｍ以上为　１：１，右岸则分别为１：０．８３和１：１．４３；边墙护坦厚度在　洪水最大功率近４０　０００　ＭＷ。按照现设计的泄洪设　施布置，坝身下泄洪水功率为２７　０００　ＭＷ。拱坝下　游为大型混凝土衬砌水垫塘，以消减泄洪带来的巨　大能量，减轻对下游狭窄河床的冲刷。　高程１　００７。０１１１以下为３　ｍ，在１　Ｏ０７。０ｍ以上为２ｉｎ　２水垫塘的布设　２．１结构布设　二滩水电站水垫塘由水垫塘护坦板、二道坝和　二道坝下游护坦组成。水垫塘横断面为复式梯型、　钢筋混凝土衬护结构；水垫塘底宽４０　ｍ，长３００　ｍ；　图１水垫塘Ａ—Ａ剖面图　Ｒｇ　１　Ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　Ａ—Ａ　在高程１　００７．０　ｍ处设５　ｍ宽马道，马道以下边　坡坡度为１：０．７，马道以上至１　０２７．０　ｍ高程为１：１．５，　ｌ　０２７．０　ｍ至１　０３２．０　ｍ高程为垂直边墙；底板厚度　在桩号０＋８２．０上游大于５　ｍ，桩号０＋８２．０－０＋ｌ３１．０　２＿２水垫塘止、排水系统　２．２．１止水　水垫塘采用分块浇筑，每块尺寸为９　ｍｘ９　Ｉｎ，周　边设收缩缝；左、右混凝土边墙每９　Ｉｎ设一条垂直　ＷＷＷ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ　２００６．５大坝与安全　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｂｙ　ＷＡＮＧ　Ｆｅｎｇ—－ｈｕｉ：Ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｔ　Ｅｒｔａｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　辩　潜　§％撼琦÷镰　溥ｇｉ　“　一瑚０　，　’　ｐ《　—　酶　轼麓　一　一　于水流向的收缩缝，并在顺水流方向设施工控制　缝。所有收缩缝（包括与拱坝和二道坝的收缩缝）和　施工控制缝均设“Ａ”型止水铜片。止水铜片设置在　混凝土面下４０　ｃｍ，全长约１．４７万ｍ。工厂压制成型　为９ｍ的条带，现场安装、双面焊接。　２．２．２排水系统　水垫塘排水系统是独立于大坝的排水系统，水　垫塘排水系统包括排水廊道、排水孔、排水盲沟及渗　漏集水井。渗漏集水井布设在左岸山体内，井内设置　专用排水泵，排水泵实现自动化控制，根据设定的渗　漏集水井的水位参数自动将渗水抽排至下游河道。　＝＝＝＝二　一、　图２水垫塘排水系统布置示意图　注：图中粗线的部位代表排水廊道　Ｆｉｇ　２　Ｐｌａｎｅｏｆｔｈｅｄｒａｉｎｓｙｓｔｅｍ　ｏｆｔｈｅｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌ　排水廊道：水垫塘底板两侧各设置了一条顺水　流向的排水廊道，五条垂直水流向的水平廊道；左、　右边坡各设置了四条斜廊道。排水廊道设排水沟。　排水孔：水垫塘的所有排水廊道，按间距５　ｍ　布置了孔深５　ｍ的排水孔，边坡及底板排水廊道共　完成排水孔４　２２６个；二道坝在左右交通廊道内各　布置一排向上的排水孔，共计４５个，孔距５　ｍ，孔深　４－２７．５　ｍ；横纵向廊道内布置１４２个向下的排水孔，　孑Ｌ距５　ｍ，孑Ｌ深５～３１．０６　ｍ。　排水暗沟：水垫塘每条垂直于水流方向的收缩　缝底部均设有排水暗沟，在水垫塘的重力墩顺水流　向也设有排水暗沟。缝上排水暗沟和重力墩排水暗　沟均采用预制混凝土件拼装。暗沟底部用混凝土找　平部位，沿暗沟轴线间距ｌｍ布置排水孔，排水孔直　径　６４　ｍｍ，入岩５０　ｃｍ。　二道坝左岸１　ｏ５ｏ＿５８　ｍ高程至右岸１　０５５．１５　ｍ高　程以下设置了排水幕，排水幕单排布置，距帷幕２．０ｍ、　孔距３．０ｍ、孔径１００ｍｍ，最大孔深３０ｍ，最底部高程　９６０　ｍ；包括左、右平洞上下排水孔共计布设１３８孔。　２．３锚筋系统　水垫塘底板及边墙均采用了锚筋支护，锚筋孔　径４，４６　ｍｍ，采用风钻钻孔。对锚筋孔位置、孔深、洗　２　ＤａｍａｎｄＳａｆｅｔｙ　２００６．５　孔、钢筋入岩深度及在混凝土找平层的外露长度逐　根检查验收后，再用注浆泵灌注砂浆。　３水垫塘运行管理　３．１水垫塘运行　二滩电站水垫塘１９９８年投入使用，至２００５年　已正常运行８年，累计运行时间６９　２９６　ｈ，承受总泄　洪量２４３７亿ｍ。。各年泄量统计，如表ｌ所示。　表１　二滩水电站１９９８～２００５年泄量统计　Ｔａｂｌｅ　７　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆｗａｔｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｆｒｏｍ　１９９８ｔｏ２００５　年泄洪总量　年总泄洪　最大泄洪　设计和校核　年份　水位下最大　／亿ｍ　时间／ｈ　流量／（ｍ３／ｓ）　泄量　ｌ９９８　５７１．８５５　２２０７２　８　６７０　ｌ９９９　４７２．３００　ｌｌ　０７４　９　２ｌ６　设计水位下　２Ｏｏｏ　３７６．１３ｌ　ｌｌ　１４６　５　６３９　（１　２００ｍ），坝　体最大下泄流　２０ｏｌ　２８４．９９９　４　５６２　８　３５０　量：ｌ２４７２ｍ３／ｓ；　２０ｏ２　１０７．６３４　３４ｌ５　４４ｌ６　校核水　位下　（１　２０３．５ｍ），坝　２０ｏ３　２３１．０ｌ０　５　２８９　５　６ｌ８　体最大下泄流　２０Ｄ４　ｌ７６．１ｌ０　５　２０７　４　３５２　量：１６２５２ｒｒ？／ｓ　２０ｏ５　２ｌ７．２８７　６　５３ｌ　６　７４６　合计　２４３７．Ｏｏｏ　６９　２９６　由表１可以看出，水垫塘承受的最大泄量为　９　２１６　ｍ。／ｓ，小于设计洪水位下的坝体最大下泄流　量，且远小于校核洪水位下的下泄流量。因此，水垫　塘仍有较大的安全裕度。　在运行过程中，根据水力学试验成果，尽量避　开对水垫塘安全不利的泄洪工况，对泄洪前后及泄　洪过程中的水垫塘渗流情况进行监测，并加强对各　部位的巡视检查。　３．２检查　对水垫塘的检查分为日常巡视检查和抽水检查，　日常巡视检查在汛期和非汛期坚持不同的频次，汛期　为１次／周，非汛期为１次／半月，在泄洪工况变化的　情况下增加检查。检查重点为排水孔、排水盲沟渗水　量变化，边墙、底板裂缝情况，有无异常析出物等。　抽水检查频次根据现场运行情况而定。１９９８年　５月电站首次蓄水发电，运行一年半后进行了首次　检查，主要检查水垫塘的磨蚀情况、结构上的裂缝　情况。首次检查发现，造成水垫塘磨蚀的主要原因　ＷＷＷ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

是异物进入水垫塘，造成磨蚀损坏。在对水垫塘内　部进行清理的同时采取了措施，在水垫塘两侧增加　了６０　ｃｍ的挡坎，防止异物进入水垫塘造成损坏。　２００１年进行了第二次检查，检查发现水垫塘底板混　凝土出现局部磨损，最大深度在１０　ｃｍ左右。为了给　水垫塘底板日后的修复积累经验，在底板磨损部位　采用了不同单位的不同修复方法进行试验研究。经　过两年的考验，２００３年底再次抽水检查，根据试验　块的抗磨损情况，确定了修复方案并进行了修复，　修复采用改性环氧砂浆材料。经过２００４年和２００５　年两个汛期的运行，２００５年底进行第四次抽水检　查，并对修复效果进行了现场检查和评价。通过检　查，修复部位基本完好，但局部出现了麻面、掉块现　象，在和原修补单位进行商讨后，提出了对修补材　料和工艺的进一步要求，２００６年再次进行了修补。　３．３改造　水垫塘边坡支廊道未进行渗流量监坝４，依据电　站运行情况以及对水垫塘渗流量的关注，２０００年对　各支廊道增加了量水堰，并实现了自动化观测，从　而可以对水垫塘的渗流量进行实时监测。　对水垫塘二道坝进行加高，坝高从原来的３５　ｎｌ　增加到３８　１１１。二道坝的加高，使水垫塘的水垫深度　增加，提高了水垫塘的消能安全性能，同时对水垫　塘抽干检查创造了条件。　４水力学特性观测　４．１测点布置　１９９９年，为了验证设计和模型试验成果，请专　业机构对水垫塘的水力学特性进行了观测。观测的　内容包括：泄洪时水垫塘底板脉动压力特性；泄洪　时水垫塘底板时均压力、冲击压力；泄洪时水舌轨　迹。水垫塘水力学观测测点布置见图３，测点布置主　要根据二滩水电站整体模型试验的压力分布进行　布置。沿水垫塘中心线相间布置了７个测压管和９　个脉动压力传感器，然后，在桩号０＋１１０．０及Ｏ＋　１２３．０横向分别布置了９个测压管和９个脉动压力　传感器，又在水垫塘中心线桩号Ｏ＋１４１．０两侧各布　置了一个测压管，用以监测表孔或表、中孔联合泄　洪情况下水垫塘的时均压力和脉动压力。　４－２观测工况及成果　二滩水电站水垫塘水力学原型观测包括表孔　全开、中孔全开及表、中孔联合开启等ｌ３个工况，　ＷＷＷ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｒｌ　王锋辉：二滩水电站水垫塘设计及安全运行管理　水位约在ｌ　２００　ｍ，最大泄水流量约达８　０００　ｍ　／ｓ。　图３水垫塘监测布置图　注：Ｃ代表测压管，Ｔ代表脉动压力传感器　Ｆｉｇ　３　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　通过原型观测和资料整理分析，水垫塘的消能　效果良好。在各种泄水工况下水垫塘底板时均压力　分布均匀，未出现较大的突峰，都小于模型试验的　ｌ１．５ｘ９．８１　ｋＰａ，且未超过允许值１５×９．８１　ｋＰａ；表孔　单独泄水时底板的冲击压力远大于表、中孔联合泄　水时底板的冲击压力，这说明空中对撞消能对减小　水垫塘底板上的冲击压力是有效的；扬压力受泄水　影响具有明显的波动特性，时均扬压力值较小，但　瞬时最大值达到４．９６ｘ９．８１　ｋＰａ，并且将随水位的上　升和泄量的加大而增大，需要关注。　水垫塘水力学观测成果，为水垫塘的安全运行　提供了科学的指导。　振动稳定监测系统研究　规范规定的水垫塘常规安全监测项目包括水流　流态、水面线、流速、动水压力等，但存在以下不足：　（１）水流流态、流速、水面线等观测项目由于恶　劣的观测条件、测点位置使观测频次、测读准确性　和可靠性都受到了很大限制，无法提供安全实时监　控所需要的时间和空间上连续的信息；动水压力观　测时效性差，无法长期有效地监控底板运行状态；　水垫塘底板巡视检查要非汛期抽干水后进行，不具　有实时性，频次也很有限。　（２）上述观测方法不能与底板止水状况、底板　稳定性能直接联系，并存在建模、拟定安全监控指　标困难的问题。　因此，寻求以新的技术手段、新的建模和建立　安全监控指标体系为内容的水垫塘底板安全实时　监控系统就显得尤为重要，它可以弥补传统监测存　在的不足。随着国内外部分工程水垫塘的失事，水　垫塘的安全引起了业界的高度重视，许多科研机构　２００６．５大坝与安全　３　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｂｙ　ＷＡＮＧ　Ｆｅｎｇ—ｈｕｉ：Ｐｌｕｎｇｅ　ｐｏｏｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｔ　Ｅｒｔａｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　和高校都把水垫塘的泄洪消能安全列为重点研究　课题，一些科研成果相继问世，如反拱形式的研究　等。二滩电站的管理单位也对水垫塘的安全给予高　度的关注，积极采取措施，和有关高校联合，对水垫　塘的安全进行永久性的监测研究。在现有条件下，　研制出了“二滩拱坝水垫塘泄洪消能安全实时监控　系统”，通过分析水垫塘的动力响应特性以及动力　响应特性与水垫塘工作性态的关系，建立水垫塘底　板结构的安全监控指标，以准确、及时地诊断出水　垫塘结构的隐患和病害、破坏前兆，为二滩水电站　的安全和优化运行提供实时技术支撑。　二滩拱坝水垫塘泄洪安全实时监控系统的集　成采用了“一机四库”结构，即将推理机、知识库、数　据库、模型库、图库等有机整合。数据库存储监测数　据；模型库存储各监测点的监测模型和监控指标；　图库存储各种工程图和计算图；知识库存储领域专　家的经验性诊断知识；推理机综合调用数据、模型、　指标、图形等，通过基于经验知识的智能推理进行　综合分析评判。该系统可单独运行，也可作为整个　管理信息系统的子系统，与大坝其它监控系统和管　理系统联合应用。　二滩拱坝水垫塘泄洪消能安全实时监控系统　包括现场数据采集部分及后续数据处理软件两部　分。现场数据采集设计采用ＤＰ型地震式低频振动　传感器，共布设测点３０个，主要集中在表、中孔跌　落区范围。该仪器主要监测在泄洪工况下水垫塘底　板的水平方向和垂直方向的振幅大小。后续数据处　理软件包括数据采集系统、信号分析系统、数据统　计系统、健康诊断系统和帮助系统。采集系统可以　控制现场仪器的采集频次、时间，既可自动采集，也　可人工强制采集；信号分析系统就是对采集到的泄　洪振动信号进行单综时域分析、幅值域分析和频域　分析，并可以查看运行状态。运行状态判定模块利　用二滩水电站泄洪振动的研究成果，对专家给出的　八个单项指标极值、均方根、偏差系数、峰度系数、　振幅比值、Ｋ值、优势频率、盒维数等进行判定，并根　据综合评判理论，进行水垫塘底板振动状态的综合　评判。判断分为三级，用不同的颜色表示，其中颜色　充满的位置表示该指标所达到的程度。基本色调为　绿、黄、红，这三种颜色根据严重程度而渐变，绿色　表示该测点所在位置振动一切正常，推荐使用这种　工况进行泄洪；黄色表示有微度超标，严重程度还　要看振动持续的时间，处于这种工况运行对水垫塘　底板具有轻度的危害性，会加速止水的疲劳破坏；　红色表明该点区域振动超常，大幅度的振动可能会　４　。ＤａｍａｎｄＳａｆｅｔｙ　２００６．５　破坏止水，引起底板失稳，所以出现此种情况，建议　改变工况运行。如果这种工况持续很长时间，那么　泄水完毕后，应对底板进行检修。　２００４年汛前，该系统全部安装完毕。２００４年汛　期，连续４Ｏ余天利用该系统对水垫塘底板、边坡和　坝体的泄洪振动进行了观测。分别用ｆ＝２５Ｈｚ，５０　Ｈｚ，１００　Ｈｚ三种采样频率对每种工况进行三组采样，　采样数据长度为４０９６，为了保证样本的可靠性，每　种工况都重复采样数次，共采集了２７０组振动数据，　最后总结了较为重要的２５种工况。根据实测资料，　提出了二滩水电站水垫塘的监控模型和监控指标。　２００５年该系统正式投入运行，很好地指导了水　垫塘的运行，目前系统运行情况良好。　６结语　水垫塘作为二滩水电站重要的泄洪消能建筑　物，其安全关系到整个枢纽的安全和电站效益的发　挥，因此，我们对水垫塘的安全投入了极大的关注，　从设计到模型试验，再到原型观测，以及运行过程中　的检查、维护和改造，都在很大程度上提高了水垫塘　运行的安全性。８年的运行，证明二滩电站的水垫塘　设计是成功的，运行是安全可靠的。水垫塘振动在线　监控系统的研制和投入运行，为我们掌握水垫塘的　运行状况提供了很好的手段。　二滩水垫塘已安全运行了近８年，总结这些年　的运行，得出以下体会：　（１）二滩水垫塘的型式是合理可行的，水垫深　度能满足消能的要求，起到了很好地保护下游河床　和坝体安全的作用。　（２）要保证水垫塘的安全运行，不仅要在设计、　施工质量上把好关，还要在安全运行中及时总结运　行经验，避开对水垫塘安全不利的运行工况。　（３）做好现场检查和维护，对发现的问题要及　时分析，对影响结构安全的问题要及时进行处理。　（４）防止异物进入是防止水垫塘磨蚀破坏的关键，　主要是做好水垫塘两岸边坡的支护，水垫塘边缘设防　止异物进入的挡墙，同时，注意在水垫塘边上的施　工，防止施工材料和工具掉入水垫塘。　（５）根据运行情况，安排必要的检查，检查水垫塘　运行情况及磨蚀的情况，以便决定是否采取措施。一　收稿日期：２００６—０７—０５　作者简介：王锋辉（１９７２一），毕业于四川大学水利系，现任二滩　水力发电厂水工部水工主任工程师：　ＷＷＷ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ