新疆鐵門關水電站運行監(jiān)測與分析

新疆鐵門關水電站運行監(jiān)測與分析

1鐵門關分層取水關注和設計鐵門關水庫是新疆最大的中型水庫。位于孔雀河上游。這是孔雀河的第一個水庫。南距庫爾勒市約8公里，北距西縣約40公里。孔雀河始于博斯騰湖，最終流入塔里木（羅布泊）。電站樞紐為混合式布置，全部工程布置在長5km的鐵門關峽谷地段孔雀河天然大河灣一帶，利用天然落差42m，攔河壩建成后，工作水頭可達60m以上。鐵門關水電站的主體工程包括：攔河壩、泄洪洞、引水洞、調壓井、壓力主洞和分支壓力管、廠房、尾水渠和升壓站等。電站設計總裝機容量為5×8750kW，設計平均發(fā)電量為2.4億kW·h，設計年利用小時為5490h。它曾經(jīng)是巴州電網(wǎng)的骨干電站，目前仍然承擔著巴州電網(wǎng)的調峰和事故備用等重任。鐵門關大壩是一座壤土心墻、砂礫壩殼混合式土石壩，設計壩頂高程為1049.00m，壩頂長261.82m，壩頂寬5m，最大壩高25m,防浪墻高1.5m，最大壩底寬129m。大壩于1960年秋開工，至1961年底停工時，完成土石壩填方7萬多m3。1964年復工后，認為1960年開工時未將河床覆蓋及基巖埋深等基本情況探明，原設計采用鋪蓋防滲也存在一定問題，經(jīng)研究決定全部返工，重新進行勘探設計。1969年1月，大壩工程再次動工，1970年9月，壩基處理完畢，1971年12月，大壩主體工程竣工，1972年9月，大壩塊石護坡砌筑完畢，1972年11月1日水庫正式蓄水。2壩體防滲結構調查1972年11月1日，鐵門關水庫開始正式蓄水，蓄水過程見表1。在試運行期間，特別對大壩的垂直沉陷、壩體測壓管水位、集水溝水位和滲透量進行了觀測、分析。并對出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象也進行了觀測和記錄。但由于已經(jīng)施工完成的觀測設備太少，不僅給觀測、分析工作帶來一定困難，而且精度也受到了嚴重影響。2.1沉陷量的測量由于壩體各段從開始填筑到試運行達3a之久，大壩的前期沉陷已經(jīng)完成。因此在試運行期間的沉陷量不大。1972年11月5日測量結果普遍比1972年6月28日沉陷約1cm左右。1972年11月29日測量結果比1972年11月5日僅增加0.5cm左右。2.2壩內砂殼平均滲流坡降影響表2為測壓管水位與上游水位的關系，從表2中可以看出壩體測壓管水位隨水庫水位上升，升高得很快。尤其是3#測壓管水位上升更為明顯，主要是左壩肩破碎巖石滲流所致。表3為壩內砂殼平均滲流坡降與上游水位的關系，由表3中看出，其上升速度也很快。滲流的平均坡降有這樣大，那么滲流逸出點的逸出坡降就可能更大。2.3計量趨勢和近似數(shù)量關系滲流流量采取流速儀測量。雖然此法在這種情況下誤差較大，但它也反映了一個總的趨勢和近似的數(shù)量關系。由測得的結果看，滲流流量很大，并且隨庫水位的上升而急劇地增加，見表4。滲漏流量之所以如此之大，主要原因是破碎基巖未進行防滲處理(原設計的帷幕灌漿未進行)。2左壩肩破碎基巖的流速、流量觀察1972年11月上旬，庫水位較低時，在集水溝中發(fā)現(xiàn)許多地方冒氣泡，有的甚至將青苔沖開，當庫水位上升后，又出現(xiàn)了許多細小的泉眼，原來冒氣泡的地方也發(fā)展成為泉眼。由于左壩肩破碎基巖中滲流嚴重，使壩坡腳的巖石裂隙里出現(xiàn)了十幾處泉，流速、流量均較大。主要的幾處匯集在一條小溝內，測得流量如表5。從現(xiàn)象和測得結果看，即使在相同水位下，隨著時間的增加，滲漏量也急劇地增加，1972年12月14日發(fā)現(xiàn)右壩肩山巖也出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象。從試運行觀測的情況看，由于壩基和壩肩的破碎基巖未進行防滲處理，大壩初期滲漏比較嚴重。3大壩等主要主要洪水大壩的安全檢查鐵門關大壩日常管理主要由水工分場負責，同時鐵門關水電站還專設一位水工專責工程師負責對大壩管理工作進行指導。根據(jù)大壩初期運行、監(jiān)測情況，電站加強了管理，制訂并不斷完善了《水工管理規(guī)程》、《水工建筑物及附屬設施運行維護管理制度》、《巡回檢查制度》及《防汛管理制度》等一系列的規(guī)章制度和以此為中心的各種崗位責任制，原則上不允許超過設計正常高水位1045.00m運行。要求水工運行人員每天都必須巡視大壩等水工建筑物，水工分場每月都要組織水工專業(yè)人員對大壩等水工建筑物進行一次全面的檢查、分析，鐵門關電廠每年春秋季都要對大壩等水工建筑物進行安全大檢查及安全性評價，在大風、暴雨、洪水、地震等特殊情況下還要增加檢查次數(shù)，開展專項檢查。經(jīng)過若干年的運行實踐，而且由于多年淤積，在壩前自然形成了一個淤泥大鋪蓋，改變了大壩的防滲狀況,在這種情況下為提高水庫效益,才開始允許在1045.00m以上運行。20多年的運行實踐證明，水庫在非汛期，適當提高運行水位，即在水庫正常高水位1045.00m以上運行，是安全可行的，對大壩的穩(wěn)定沒有影響。4水庫防洪4.1水庫的蓄清運行鐵門關水庫的主要水源———孔雀河，流緩水清，庫內泥沙主要來自哈曼溝汛期洪水所攜帶的泥沙，如果對哈曼溝洪水處理得當，水庫淤積狀況將比較良好。但為了保障庫爾勒市區(qū)目前低標準的防洪設施不受洪水威脅，不可能采用排渾蓄清運行方式,20多年來，哈曼溝歷次洪水攜帶的泥沙，絕大多數(shù)都淤積在水庫里面，水庫淤積情況十分嚴重，庫盤普遍淤高了3～4m，水庫上游一帶，1045.00m高程時的水面線已退縮到原來孔雀河北岸。水庫蓄水后，曾先后三次放空,第一次，在1978年4月，為了安裝第4臺機組；第二次，在1993年4月，為了全面檢查水庫工程；第三次，在1995年4月，為了水庫清障施工。在放空水庫過程中，由于嚴格控制了庫水位的下降速度(≤0.2m/h)，保證了大壩的穩(wěn)定，大壩未出現(xiàn)異常情況。1993年4月放空水庫時，利用水庫再次蓄水過程中的各種記錄數(shù)據(jù)，計算出1045.00m高程以下現(xiàn)存庫容為195萬m3，僅占原設計的35.4%。4.2石灰窯水利工程本區(qū)氣候因受天山及塔里木盆地的影響，氣候特征要素自西北向東南變化，離天山愈遠，氣溫愈高，降水減少，蒸發(fā)量加大。鐵門關水庫的洪水主要來自哈曼溝，哈曼溝洪水屬典型山區(qū)小匯水面積暴雨洪流，洪峰歷時很短，暴漲暴落一般歷時4～8h。原設計水庫的設計洪水位為1047.00m(P=1.0%，洪峰流量426m3/s，泄洪流量236m3/s)，校核洪水位為1047.30m(P=0.1%，洪峰流量657m3/s，泄洪流量336m3/s)。并在設計中驗算了出現(xiàn)1000a一遇洪水時排洪閘啟閉失靈狀況下，庫水位可能上升到1049.00m(與壩頂平齊)，多余水量倒流入博斯騰湖(博斯騰湖水位一般為1047m左右)。1973年初，新疆軍區(qū)生產(chǎn)建設兵團設計院在石灰窯水電站技施設計階段，根據(jù)自治區(qū)1972年對石灰窯水電站擴大初設審批意見：對孔雀河的洪水頻率流量、鐵門關水電站大壩建成以后水庫的調洪運行方式進行分析、研究又對孔雀河17a(1954～1970年)洪水資料重新分析計算，得出的洪峰流量較原設計小得多，即當P=1.0%時，洪峰流量為314m3/s;當P=0.1%時，洪峰流量為410m3/s。調洪后,庫水位只上升到1045.60m(P=1.0%)及1046.30m(P=0.1%)。原設計和1973年驗算都是以水庫正常高水位1045.00m為起調水位，就水庫本身的抗洪能力而言不存在任何問題，即使1000a一遇洪水也完全可以安全泄入下游，不可能發(fā)生漫頂潰壩事故。為了更好地發(fā)揮水庫的防洪效益，減輕大壩下游庫爾勒市的洪水威脅，1982年由本廠水工技術人員對水庫調洪方式進行了多種設想的變化和演算，采用“相機調洪”方式，將汛限水位下調為1044.00～1044.50m，而且還規(guī)定在接到洪水預報后，再將庫水位下降到1043.00m～1043.50m。這樣，在100a一遇洪水情況下，最大泄洪流量即使控制在l00m3/s，對大壩安全也沒有絲毫影響。這就提高了水庫調洪的靈活性，減輕了下游防洪的壓力。為了加強水庫汛期管理，確保大壩安全，電站不但制定了《汛期特別值班制度》、《備用電源管理制度》等項管理制度和責任制，同時還要求廠防汛辦做好以下工作:(1)每年汛前重新確認、健全廠防汛組織機構和搶險突擊隊，制定具體措施，加強管理，統(tǒng)一和提高思想意識，落實防洪方案，做好各種應急措施及人力、物力、財力的準備工作，做到居安思危、有備無患，要求確保萬無一失；(2)緊緊依靠地方政府，采取可行有效的措施，對孔雀河沿岸進行綜合治理，改善水庫水質，提高防洪效益，興利除害；(3)與上級氣象和防汛部門保持緊密聯(lián)系；(4)汛前、汛后對大壩、泄洪建筑物、閘門啟閉機等進行全面的檢查和保養(yǎng)，同時要求保證汛期備用電源的可靠性和閘門手動操作機構的靈活性。建庫以來，水庫每年都能安全順利地度過汛期，未發(fā)生過洪水事故。5水庫觀測5.1大壩水平位移觀測大壩在壩頂下游側設置了一排簡易的水平位移觀測點(共計5個)，并利用兩個壩軸線基點，采用視準線法進行觀測，利用觀測點至壩軸線的距離反映大壩水平位移。從1973年12月正式觀測到現(xiàn)在，每年觀測2～4次，從27a的觀測資料看，隨著時間的推移，壩頂向下游方向的位移逐漸減小，且日趨穩(wěn)定，壩頂水平位移特征值見表6，從表中可以看出，壩頂最大位移-3.0cm，出現(xiàn)在壩中部水平Ⅲ點處。5.2壩身垂直位移特征分析大壩共設置了4排簡易的垂直位移觀測點，每排4個觀測點、2個基點。第一排設置在上游馬道(1042.50m高程)，第二排設置在壩頂防浪墻(1050.50m高程)，第三排設置在下游壩腰馬道(1039.00m高程)，第四排設置在下游壩腳平臺(1028.00m高程)。由于大壩從開始填筑至全部竣工歷時近4a，到1972年11月開始正式進行垂直位移觀測時，大壩的前期沉陷已經(jīng)完成，在隨后的28a運行觀測中，大壩垂直位移過程線日趨平緩。垂直位移特征值見表7，由表中可以看出，上游馬道最大累計沉陷量+110mm，最小累計沉陷量+51mm(1978年5月6日值，其后由于測點布置位置的客觀原因，沒能再進行測量)；壩頂防浪墻最大累計沉陷量+165mm，最小累計沉陷量+138mm；下游壩腰馬道最大累計沉陷量+50mm，最小累計沉陷量+33mm；下游壩腳平臺最大累計沉陷量+37mm，最小累計沉陷量+11mm。大壩垂直位移量逐年減小，到1981年后日趨平穩(wěn)，已基本沒有多少變化。5.3大壩安全定期檢查大壩的滲透觀測設施非常少，原只有3根測壓管，3個測壓井，而且沒有一個完整的斷面，觀測資料也不完整，不精確，只能作為輔助參考。測壓管及測壓井蓄水初期滲水較大,后分別于1983年和1981年干涸。2000年6月結合首次大壩安全定期檢查,在0+080和0+168樁號重新布置了兩排測壓管共6根已投入使用,進行監(jiān)測。大壩滲透流量觀測由于沒有做量水堰，初始時候是用流速儀測的，后面隨著壩前天然淤泥大鋪蓋的形成，滲流量越來越小，用流速儀已經(jīng)測不出來，1981年11月排水渠基本干枯，也就停止了此項觀測。從現(xiàn)有觀測資料看，大壩滲透壓力及滲流量在蓄水初期較大，而后測壓管(井)水位及滲流量在逐