新疆鐵門關(guān)水電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與分析

新疆鐵門關(guān)水電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)與分析

1鐵門關(guān)分層取水關(guān)注和設(shè)計(jì)鐵門關(guān)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(gè)水庫。南距庫爾勒市約8公里，北距西縣約40公里?？兹负邮加诓┧跪v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(zhǎng)5km的鐵門關(guān)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(dá)60m以上。鐵門關(guān)水電站的主體工程包括：攔河壩、泄洪洞、引水洞、調(diào)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(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為5×8750kW，設(shè)計(jì)平均發(fā)電量為2.4億kW·h，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)為5490h。它曾經(jīng)是巴州電網(wǎng)的骨干電站，目前仍然承擔(dān)著巴州電網(wǎng)的調(diào)峰和事故備用等重任。鐵門關(guān)大壩是一座壤土心墻、砂礫壩殼混合式土石壩，設(shè)計(jì)壩頂高程為1049.00m，壩頂長(zhǎng)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(shí)，完成土石壩填方7萬多m3。1964年復(fù)工后，認(rèn)為1960年開工時(shí)未將河床覆蓋及基巖埋深等基本情況探明，原設(shè)計(jì)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(jìn)行勘探設(shè)計(jì)。1969年1月，大壩工程再次動(dòng)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(hù)坡砌筑完畢，1972年11月1日水庫正式蓄水。2壩體防滲結(jié)構(gòu)調(diào)查1972年11月1日，鐵門關(guān)水庫開始正式蓄水，蓄水過程見表1。在試運(yùn)行期間，特別對(duì)大壩的垂直沉陷、壩體測(cè)壓管水位、集水溝水位和滲透量進(jìn)行了觀測(cè)、分析。并對(duì)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象也進(jìn)行了觀測(cè)和記錄。但由于已經(jīng)施工完成的觀測(cè)設(shè)備太少，不僅給觀測(cè)、分析工作帶來一定困難，而且精度也受到了嚴(yán)重影響。2.1沉陷量的測(cè)量由于壩體各段從開始填筑到試運(yùn)行達(dá)3a之久，大壩的前期沉陷已經(jīng)完成。因此在試運(yùn)行期間的沉陷量不大。1972年11月5日測(cè)量結(jié)果普遍比1972年6月28日沉陷約1cm左右。1972年11月29日測(cè)量結(jié)果比1972年11月5日僅增加0.5cm左右。2.2壩內(nèi)砂殼平均滲流坡降影響表2為測(cè)壓管水位與上游水位的關(guān)系，從表2中可以看出壩體測(cè)壓管水位隨水庫水位上升，升高得很快。尤其是3#測(cè)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(nèi)砂殼平均滲流坡降與上游水位的關(guān)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(diǎn)的逸出坡降就可能更大。2.3計(jì)量趨勢(shì)和近似數(shù)量關(guān)系滲流流量采取流速儀測(cè)量。雖然此法在這種情況下誤差較大，但它也反映了一個(gè)總的趨勢(shì)和近似的數(shù)量關(guān)系。由測(cè)得的結(jié)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(jìn)行防滲處理(原設(shè)計(jì)的帷幕灌漿未進(jìn)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(shí)，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(dāng)庫水位上升后，又出現(xiàn)了許多細(xì)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(yán)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(nèi)，測(cè)得流量如表5。從現(xiàn)象和測(cè)得結(jié)果看，即使在相同水位下，隨著時(shí)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(yùn)行觀測(cè)的情況看，由于壩基和壩肩的破碎基巖未進(jìn)行防滲處理，大壩初期滲漏比較嚴(yán)重。3大壩等主要主要洪水大壩的安全檢查鐵門關(guān)大壩日常管理主要由水工分場(chǎng)負(fù)責(zé)，同時(shí)鐵門關(guān)水電站還專設(shè)一位水工專責(zé)工程師負(fù)責(zé)對(duì)大壩管理工作進(jìn)行指導(dǎo)。根據(jù)大壩初期運(yùn)行、監(jiān)測(cè)情況，電站加強(qiáng)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(shè)施運(yùn)行維護(hù)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(zé)任制，原則上不允許超過設(shè)計(jì)正常高水位1045.00m運(yùn)行。要求水工運(yùn)行人員每天都必須巡視大壩等水工建筑物，水工分場(chǎng)每月都要組織水工專業(yè)人員對(duì)大壩等水工建筑物進(jìn)行一次全面的檢查、分析，鐵門關(guān)電廠每年春秋季都要對(duì)大壩等水工建筑物進(jìn)行安全大檢查及安全性評(píng)價(jià)，在大風(fēng)、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(xiàng)檢查。經(jīng)過若干年的運(yùn)行實(shí)踐，而且由于多年淤積，在壩前自然形成了一個(gè)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(yùn)行。20多年的運(yùn)行實(shí)踐證明，水庫在非汛期，適當(dāng)提高運(yùn)行水位，即在水庫正常高水位1045.00m以上運(yùn)行，是安全可行的，對(duì)大壩的穩(wěn)定沒有影響。4水庫防洪4.1水庫的蓄清運(yùn)行鐵門關(guān)水庫的主要水源———孔雀河，流緩水清，庫內(nèi)泥沙主要來自哈曼溝汛期洪水所攜帶的泥沙，如果對(duì)哈曼溝洪水處理得當(dāng)，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(biāo)準(zhǔn)的防洪設(shè)施不受洪水威脅，不可能采用排渾蓄清運(yùn)行方式,20多年來，哈曼溝歷次洪水?dāng)y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(yán)重，庫盤普遍淤高了3～4m，水庫上游一帶，1045.00m高程時(shí)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(tái)機(jī)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(yán)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(shí)，利用水庫再次蓄水過程中的各種記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出1045.00m高程以下現(xiàn)存庫容為195萬m3，僅占原設(shè)計(jì)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(yuǎn)，氣溫愈高，降水減少，蒸發(fā)量加大。鐵門關(guān)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(shí)很短，暴漲暴落一般歷時(shí)4～8h。原設(shè)計(jì)水庫的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中驗(yàn)算了出現(xiàn)1000a一遇洪水時(shí)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(shè)兵團(tuán)設(shè)計(jì)院在石灰窯水電站技施設(shè)計(jì)階段，根據(jù)自治區(qū)1972年對(duì)石灰窯水電站擴(kuò)大初設(shè)審批意見：對(duì)孔雀河的洪水頻率流量、鐵門關(guān)水電站大壩建成以后水庫的調(diào)洪運(yùn)行方式進(jìn)行分析、研究又對(duì)孔雀河17a(1954～1970年)洪水資料重新分析計(jì)算，得出的洪峰流量較原設(shè)計(jì)小得多，即當(dāng)P=1.0%時(shí)，洪峰流量為314m3/s;當(dāng)P=0.1%時(shí)，洪峰流量為410m3/s。調(diào)洪后,庫水位只上升到1045.60m(P=1.0%)及1046.30m(P=0.1%)。原設(shè)計(jì)和1973年驗(yàn)算都是以水庫正常高水位1045.00m為起調(diào)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(shù)人員對(duì)水庫調(diào)洪方式進(jìn)行了多種設(shè)想的變化和演算，采用“相機(jī)調(diào)洪”方式，將汛限水位下調(diào)為1044.00～1044.50m，而且還規(guī)定在接到洪水預(yù)報(bào)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(duì)大壩安全也沒有絲毫影響。這就提高了水庫調(diào)洪的靈活性，減輕了下游防洪的壓力。為了加強(qiáng)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(xiàng)管理制度和責(zé)任制，同時(shí)還要求廠防汛辦做好以下工作:(1)每年汛前重新確認(rèn)、健全廠防汛組織機(jī)構(gòu)和搶險(xiǎn)突擊隊(duì)，制定具體措施，加強(qiáng)管理，統(tǒng)一和提高思想意識(shí)，落實(shí)防洪方案，做好各種應(yīng)急措施及人力、物力、財(cái)力的準(zhǔn)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(duì)孔雀河沿岸進(jìn)行綜合治理，改善水庫水質(zhì)，提高防洪效益，興利除害；(3)與上級(jí)氣象和防汛部門保持緊密聯(lián)系；(4)汛前、汛后對(duì)大壩、泄洪建筑物、閘門啟閉機(jī)等進(jìn)行全面的檢查和保養(yǎng)，同時(shí)要求保證汛期備用電源的可靠性和閘門手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)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(cè)5.1大壩水平位移觀測(cè)大壩在壩頂下游側(cè)設(shè)置了一排簡(jiǎn)易的水平位移觀測(cè)點(diǎn)(共計(jì)5個(gè))，并利用兩個(gè)壩軸線基點(diǎn)，采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行觀測(cè)，利用觀測(cè)點(diǎn)至壩軸線的距離反映大壩水平位移。從1973年12月正式觀測(cè)到現(xiàn)在，每年觀測(cè)2～4次，從27a的觀測(cè)資料看，隨著時(shí)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(diǎn)處。5.2壩身垂直位移特征分析大壩共設(shè)置了4排簡(jiǎn)易的垂直位移觀測(cè)點(diǎn)，每排4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)、2個(gè)基點(diǎn)。第一排設(shè)置在上游馬道(1042.50m高程)，第二排設(shè)置在壩頂防浪墻(1050.50m高程)，第三排設(shè)置在下游壩腰馬道(1039.00m高程)，第四排設(shè)置在下游壩腳平臺(tái)(1028.00m高程)。由于大壩從開始填筑至全部竣工歷時(shí)近4a，到1972年11月開始正式進(jìn)行垂直位移觀測(cè)時(shí)，大壩的前期沉陷已經(jīng)完成，在隨后的28a運(yùn)行觀測(cè)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(jì)沉陷量+110mm，最小累計(jì)沉陷量+51mm(1978年5月6日值，其后由于測(cè)點(diǎn)布置位置的客觀原因，沒能再進(jìn)行測(cè)量)；壩頂防浪墻最大累計(jì)沉陷量+165mm，最小累計(jì)沉陷量+138mm；下游壩腰馬道最大累計(jì)沉陷量+50mm，最小累計(jì)沉陷量+33mm；下游壩腳平臺(tái)最大累計(jì)沉陷量+37mm，最小累計(jì)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(cè)設(shè)施非常少，原只有3根測(cè)壓管，3個(gè)測(cè)壓井，而且沒有一個(gè)完整的斷面，觀測(cè)資料也不完整，不精確，只能作為輔助參考。測(cè)壓管及測(cè)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(jié)合首次大壩安全定期檢查,在0+080和0+168樁號(hào)重新布置了兩排測(cè)壓管共6根已投入使用,進(jìn)行監(jiān)測(cè)。大壩滲透流量觀測(cè)由于沒有做量水堰，初始時(shí)候是用流速儀測(cè)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(cè)不出來，1981年11月排水渠基本干枯，也就停止了此項(xiàng)觀測(cè)。從現(xiàn)有觀測(cè)資料看，大壩滲透壓力及滲流量在蓄水初期較大，而后測(cè)壓管(井)水位及滲流量在逐