新疆铁门关水电站运行监测与分析

新疆铁门关水电站运行监测与分析

1铁门关分层取水关注和设计铁门关水库是新疆最大的中型水库。位于孔雀河上游。这是孔雀河的第一个水库。南距库尔勒市约8公里，北距西县约40公里。孔雀河始于博斯腾湖，最终流入塔里木（罗布泊）。电站枢纽为混合式布置，全部工程布置在长5km的铁门关峡谷地段孔雀河天然大河湾一带，利用天然落差42m，拦河坝建成后，工作水头可达60m以上。铁门关水电站的主体工程包括：拦河坝、泄洪洞、引水洞、调压井、压力主洞和分支压力管、厂房、尾水渠和升压站等。电站设计总装机容量为5×8750kW，设计平均发电量为2.4亿kW·h，设计年利用小时为5490h。它曾经是巴州电网的骨干电站，目前仍然承担着巴州电网的调峰和事故备用等重任。铁门关大坝是一座壤土心墙、砂砾坝壳混合式土石坝，设计坝顶高程为1049.00m，坝顶长261.82m，坝顶宽5m，最大坝高25m,防浪墙高1.5m，最大坝底宽129m。大坝于1960年秋开工，至1961年底停工时，完成土石坝填方7万多m3。1964年复工后，认为1960年开工时未将河床覆盖及基岩埋深等基本情况探明，原设计采用铺盖防渗也存在一定问题，经研究决定全部返工，重新进行勘探设计。1969年1月，大坝工程再次动工，1970年9月，坝基处理完毕，1971年12月，大坝主体工程竣工，1972年9月，大坝块石护坡砌筑完毕，1972年11月1日水库正式蓄水。2坝体防渗结构调查1972年11月1日，铁门关水库开始正式蓄水，蓄水过程见表1。在试运行期间，特别对大坝的垂直沉陷、坝体测压管水位、集水沟水位和渗透量进行了观测、分析。并对出现的异常现象也进行了观测和记录。但由于已经施工完成的观测设备太少，不仅给观测、分析工作带来一定困难，而且精度也受到了严重影响。2.1沉陷量的测量由于坝体各段从开始填筑到试运行达3a之久，大坝的前期沉陷已经完成。因此在试运行期间的沉陷量不大。1972年11月5日测量结果普遍比1972年6月28日沉陷约1cm左右。1972年11月29日测量结果比1972年11月5日仅增加0.5cm左右。2.2坝内砂壳平均渗流坡降影响表2为测压管水位与上游水位的关系，从表2中可以看出坝体测压管水位随水库水位上升，升高得很快。尤其是3#测压管水位上升更为明显，主要是左坝肩破碎岩石渗流所致。表3为坝内砂壳平均渗流坡降与上游水位的关系，由表3中看出，其上升速度也很快。渗流的平均坡降有这样大，那么渗流逸出点的逸出坡降就可能更大。2.3计量趋势和近似数量关系渗流流量采取流速仪测量。虽然此法在这种情况下误差较大，但它也反映了一个总的趋势和近似的数量关系。由测得的结果看，渗流流量很大，并且随库水位的上升而急剧地增加，见表4。渗漏流量之所以如此之大，主要原因是破碎基岩未进行防渗处理(原设计的帷幕灌浆未进行)。2左坝肩破碎基岩的流速、流量观察1972年11月上旬，库水位较低时，在集水沟中发现许多地方冒气泡，有的甚至将青苔冲开，当库水位上升后，又出现了许多细小的泉眼，原来冒气泡的地方也发展成为泉眼。由于左坝肩破碎基岩中渗流严重，使坝坡脚的岩石裂隙里出现了十几处泉，流速、流量均较大。主要的几处汇集在一条小沟内，测得流量如表5。从现象和测得结果看，即使在相同水位下，随着时间的增加，渗漏量也急剧地增加，1972年12月14日发现右坝肩山岩也出现了渗漏现象。从试运行观测的情况看，由于坝基和坝肩的破碎基岩未进行防渗处理，大坝初期渗漏比较严重。3大坝等主要主要洪水大坝的安全检查铁门关大坝日常管理主要由水工分场负责，同时铁门关水电站还专设一位水工专责工程师负责对大坝管理工作进行指导。根据大坝初期运行、监测情况，电站加强了管理，制订并不断完善了《水工管理规程》、《水工建筑物及附属设施运行维护管理制度》、《巡回检查制度》及《防汛管理制度》等一系列的规章制度和以此为中心的各种岗位责任制，原则上不允许超过设计正常高水位1045.00m运行。要求水工运行人员每天都必须巡视大坝等水工建筑物，水工分场每月都要组织水工专业人员对大坝等水工建筑物进行一次全面的检查、分析，铁门关电厂每年春秋季都要对大坝等水工建筑物进行安全大检查及安全性评价，在大风、暴雨、洪水、地震等特殊情况下还要增加检查次数，开展专项检查。经过若干年的运行实践，而且由于多年淤积，在坝前自然形成了一个淤泥大铺盖，改变了大坝的防渗状况,在这种情况下为提高水库效益,才开始允许在1045.00m以上运行。20多年的运行实践证明，水库在非汛期，适当提高运行水位，即在水库正常高水位1045.00m以上运行，是安全可行的，对大坝的稳定没有影响。4水库防洪4.1水库的蓄清运行铁门关水库的主要水源———孔雀河，流缓水清，库内泥沙主要来自哈曼沟汛期洪水所携带的泥沙，如果对哈曼沟洪水处理得当，水库淤积状况将比较良好。但为了保障库尔勒市区目前低标准的防洪设施不受洪水威胁，不可能采用排浑蓄清运行方式,20多年来，哈曼沟历次洪水携带的泥沙，绝大多数都淤积在水库里面，水库淤积情况十分严重，库盘普遍淤高了3～4m，水库上游一带，1045.00m高程时的水面线已退缩到原来孔雀河北岸。水库蓄水后，曾先后三次放空,第一次，在1978年4月，为了安装第4台机组；第二次，在1993年4月，为了全面检查水库工程；第三次，在1995年4月，为了水库清障施工。在放空水库过程中，由于严格控制了库水位的下降速度(≤0.2m/h)，保证了大坝的稳定，大坝未出现异常情况。1993年4月放空水库时，利用水库再次蓄水过程中的各种记录数据，计算出1045.00m高程以下现存库容为195万m3，仅占原设计的35.4%。4.2石灰窑水利工程本区气候因受天山及塔里木盆地的影响，气候特征要素自西北向东南变化，离天山愈远，气温愈高，降水减少，蒸发量加大。铁门关水库的洪水主要来自哈曼沟，哈曼沟洪水属典型山区小汇水面积暴雨洪流，洪峰历时很短，暴涨暴落一般历时4～8h。原设计水库的设计洪水位为1047.00m(P=1.0%，洪峰流量426m3/s，泄洪流量236m3/s)，校核洪水位为1047.30m(P=0.1%，洪峰流量657m3/s，泄洪流量336m3/s)。并在设计中验算了出现1000a一遇洪水时排洪闸启闭失灵状况下，库水位可能上升到1049.00m(与坝顶平齐)，多余水量倒流入博斯腾湖(博斯腾湖水位一般为1047m左右)。1973年初，新疆军区生产建设兵团设计院在石灰窑水电站技施设计阶段，根据自治区1972年对石灰窑水电站扩大初设审批意见：对孔雀河的洪水频率流量、铁门关水电站大坝建成以后水库的调洪运行方式进行分析、研究又对孔雀河17a(1954～1970年)洪水资料重新分析计算，得出的洪峰流量较原设计小得多，即当P=1.0%时，洪峰流量为314m3/s;当P=0.1%时，洪峰流量为410m3/s。调洪后,库水位只上升到1045.60m(P=1.0%)及1046.30m(P=0.1%)。原设计和1973年验算都是以水库正常高水位1045.00m为起调水位，就水库本身的抗洪能力而言不存在任何问题，即使1000a一遇洪水也完全可以安全泄入下游，不可能发生漫顶溃坝事故。为了更好地发挥水库的防洪效益，减轻大坝下游库尔勒市的洪水威胁，1982年由本厂水工技术人员对水库调洪方式进行了多种设想的变化和演算，采用“相机调洪”方式，将汛限水位下调为1044.00～1044.50m，而且还规定在接到洪水预报后，再将库水位下降到1043.00m～1043.50m。这样，在100a一遇洪水情况下，最大泄洪流量即使控制在l00m3/s，对大坝安全也没有丝毫影响。这就提高了水库调洪的灵活性，减轻了下游防洪的压力。为了加强水库汛期管理，确保大坝安全，电站不但制定了《汛期特别值班制度》、《备用电源管理制度》等项管理制度和责任制，同时还要求厂防汛办做好以下工作:(1)每年汛前重新确认、健全厂防汛组织机构和抢险突击队，制定具体措施，加强管理，统一和提高思想意识，落实防洪方案，做好各种应急措施及人力、物力、财力的准备工作，做到居安思危、有备无患，要求确保万无一失；(2)紧紧依靠地方政府，采取可行有效的措施，对孔雀河沿岸进行综合治理，改善水库水质，提高防洪效益，兴利除害；(3)与上级气象和防汛部门保持紧密联系；(4)汛前、汛后对大坝、泄洪建筑物、闸门启闭机等进行全面的检查和保养，同时要求保证汛期备用电源的可靠性和闸门手动操作机构的灵活性。建库以来，水库每年都能安全顺利地度过汛期，未发生过洪水事故。5水库观测5.1大坝水平位移观测大坝在坝顶下游侧设置了一排简易的水平位移观测点(共计5个)，并利用两个坝轴线基点，采用视准线法进行观测，利用观测点至坝轴线的距离反映大坝水平位移。从1973年12月正式观测到现在，每年观测2～4次，从27a的观测资料看，随着时间的推移，坝顶向下游方向的位移逐渐减小，且日趋稳定，坝顶水平位移特征值见表6，从表中可以看出，坝顶最大位移-3.0cm，出现在坝中部水平Ⅲ点处。5.2坝身垂直位移特征分析大坝共设置了4排简易的垂直位移观测点，每排4个观测点、2个基点。第一排设置在上游马道(1042.50m高程)，第二排设置在坝顶防浪墙(1050.50m高程)，第三排设置在下游坝腰马道(1039.00m高程)，第四排设置在下游坝脚平台(1028.00m高程)。由于大坝从开始填筑至全部竣工历时近4a，到1972年11月开始正式进行垂直位移观测时，大坝的前期沉陷已经完成，在随后的28a运行观测中，大坝垂直位移过程线日趋平缓。垂直位移特征值见表7，由表中可以看出，上游马道最大累计沉陷量+110mm，最小累计沉陷量+51mm(1978年5月6日值，其后由于测点布置位置的客观原因，没能再进行测量)；坝顶防浪墙最大累计沉陷量+165mm，最小累计沉陷量+138mm；下游坝腰马道最大累计沉陷量+50mm，最小累计沉陷量+33mm；下游坝脚平台最大累计沉陷量+37mm，最小累计沉陷量+11mm。大坝垂直位移量逐年减小，到1981年后日趋平稳，已基本没有多少变化。5.3大坝安全定期检查大坝的渗透观测设施非常少，原只有3根测压管，3个测压井，而且没有一个完整的断面，观测资料也不完整，不精确，只能作为辅助参考。测压管及测压井蓄水初期渗水较大,后分别于1983年和1981年干涸。2000年6月结合首次大坝安全定期检查,在0+080和0+168桩号重新布置了两排测压管共6根已投入使用,进行监测。大坝渗透流量观测由于没有做量水堰，初始时候是用流速仪测的，后面随着坝前天然淤泥大铺盖的形成，渗流量越来越小，用流速仪已经测不出来，1981年11月排水渠基本干枯，也就停止了此项观测。从现有观测资料看，大坝渗透压力及渗流量在蓄水初期较大，而后测压管(井)水位及渗流量在逐