水电站管理与运行实践.doc

水电站管理与运行实践 摘要：天生桥一级水电站为西电东送的重点工程，也是珠江流域西江水系上游的南盘江龙头电站，电站总装机容量为1200MW（4300MW），电站于1998年底首台机组发电，至2000年工程竣工，目前已安全运行近五年时间。本文对天生桥一级水电站大坝及相关建筑物的运行管理情况做一全面论述。 关键词：天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝运行管理1工程概述天生桥一级水电站位于广西和贵州的界河南盘江干流上，距贵阳、昆明、南宁、广州的直线距离分别为240km、250km、440km、850km，为珠江水系红水河梯级开发的第一级，左岸是贵州省安龙县，右岸是广西隆林县，其下游约7km是天生桥二级水电站首部枢纽，上游约62km是南盘江支流黄泥河上的鲁布革水电站厂房。坝址控制流域面积50139km2，多年平均流量612m3/s，多年平均径流量193亿m3；电站为千年一遇洪水设计，相应洪峰流量为20900m3/s；可能最大洪水（P. M.F）校核，相应洪峰流量为28500m3/s。水库正常蓄水位780m，死水位731m，总库容102.57亿m3，调节库容57.96亿m3，为不完全多年调节水库。电站总装机容量为4300MW，保证出力405.2MW，设计年平均发电量52.26亿kW.h。电站出线为1回500kV直流向华南送电，另有4回220kV线路向广西、贵州地方送电。电站建成后还将增加下游已建天生桥二级、大化、岩滩等水电站的保证出力883.9MW，增加年发电量40.77亿kW.h，相当于新建一座百万千瓦级的水电站。天生桥一级水电站以发电为主，最大坝高178m，坝顶长度1104m，主要布置有混凝土面板堆石坝、放空隧洞、溢洪道、引水系统及发电厂房等建筑物。根据原水利电力部1987年5月关于天生桥一级水电站初步设计的审查意见，天生桥一级水电站的工程等级和设计标准为一等工程，堆石坝、溢洪道、引水系统及电站厂房、放空洞为一级建筑物。堆石坝及溢洪道按千年一遇洪水（20900m3/s）设计，可能最大洪水（28500m3/s）校核；电站厂房按百年一遇洪水（14200m3/s）设计、千年一遇洪水（20900m3/s）校核。堆石坝、溢洪道、进水口和放空洞进水塔的地震设计基本烈度为7度，其他主要建筑物可按6度设防。1.1大坝天生桥一级水电站大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程791m，最大坝高178m，坝顶长度1104m，坝顶宽度12m，上游坝坡1:1.4，下游平均坝坡1:1.25(综合坝坡1:1.4)，顶部设置4.90m高的防浪墙。坝体分为垫层料区、过渡料区、主堆石料、软岩料区和次堆石区，填筑总方量为1800万m3；钢筋混凝土面板厚度顶部为0.30m、至底部渐变为0.90m，分三期浇筑，680m高程以下为一期，680746m为二期，746787.3m为三期，总面积17.3万m2；混凝土方量为8.76万m3，面板宽度为16m，共有69块，面板之间只设垂直缝，其中左、右两岸各18条缝为张性缝，中部34条缝为压性缝，在分期浇筑高程设水平施工缝。在三期面板的R16L21范围内设双层钢筋，上、下保护层分别为10cm、5cm。1.2溢洪道设于大坝右岸820m高程的垭口，总长1745m，宽约110m。溢流堰顶高程760m，设5扇1320m（宽高）的弧形闸门。引渠长1215m，底板高程745m，采用复式断面，底宽110m。泄洪槽长538.42m，前段槽宽81m，出口处宽69.80m，采用挑流消能，设计下泄流量15282m3/s，最大下泄流量21750m3/s，最大流速45m/s，布置5道掺气槽，总开挖方量2000万m3。1.3放空洞设于右岸，起施工期导流、蓄水期旁通和运行期放空水库等综合作用。由进口明渠、有压隧洞、事故闸门、工作闸门、无压隧洞和出口明渠等组成，全长1062.17m，进口底板高程为660m。距进口332.17m处为事故闸门井，井高131m，内径11m，安装6.40m9.50m的平板链轮闸门，其下游设工作闸门室，安装6.40m7.50m的弧形闸门。工作闸门室前为压力隧洞，内径9.60m，其后为无压隧洞，洞宽8m，高12m，底坡0.017，最大下泄流量1700m3/s。1.4引水发电系统布置在大坝左岸，由引渠、进水塔、引水隧洞、压力钢管、地面厂房等组成，采用单机单管引水方式。进水口底坎高程为711. 5m，进水塔高79.50m，长98m，宽28.40m。设两道4.05m20m的拦污栅，1扇6.50m13.50m的检修闸门和1扇6.50m12.50m的快速事故闸门。4条引水隧洞其长度分别为548.265m、582.056m、615.847m、649.639m，中心间距为24m，纵坡为7%10%，前段隧洞内径9.60m ，后段安装钢管，内径9.60m7.80m，压力钢管中心间距为23.10m，倾角50，钢板厚度22mm34mm。最大发电引用流量1204.8 m3/s。电站厂房布置在大坝下游左岸岸边，长145m，高61.50m，宽26m，安装4台300MW水轮发电机组，主变压器布置在主厂房上游的副厂房屋顶上。厂房后永久高边坡高109m，开挖后采用混凝土喷锚及预应力锚索进行加固处理。2工程建设2.1工程建设概况天生桥一级水电站建设实行业主负责制、工程监理制、招投标制。原南方电力联营公司天生桥电站建设管理局作为南电公司派出机构在现场全面负责工程的建设管理，长江水利委员会天生桥一级电站建设监理部为主体工程监理单位，昆明勘测设计研究院为工程设计单位。天生桥一级水电站工程采取招投标的形式确定施工队伍。根据枢纽特点和施工布置，全部工程共分为五个标。导流洞土建及金属结构安装工程项目（C1标）由武警水电一总队承担；放空洞土建及金属结构安装工程（C2标）由水电九局承担；大坝及溢洪道工程（C3标）由南方水电工程联合有限公司承包；引水系统及发电厂房工程（C4标）由水电七局承包；机电安装工程（C5标）由葛洲坝工程局机电建设分公司三处承担；水轮发电机组主机由哈尔滨电机厂制造，水轮机转轮由法国阿尔斯通电气公司制造。工程于1990年下半年开始施工准备，1991年6月正式开工；1992年12月25日截流；1997年12月14日导流洞正式下闸封堵；1998年8月放空洞下闸蓄水，同年12月底首台机组正式投产发电；1999年3月29日大坝填筑至787.3m坝顶高程，同年5月三期面板浇筑完成。2000年12月四台机组全部投产，主体工程基本完工。2000年11月27日12月1日进行了竣工安全鉴定。2.2工程施工(1) 大坝施工天生桥一级水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝体堆石填筑部分采用碾压施工。1991年6月1日，两条导流洞开始施工。1994年6月，开始进行大坝坝肩开挖。1994年12月25日工程实现截流。同年11月开始进行大坝基坑开挖及右岸坝体填筑。1996年1月10日，大坝河床段正式开始填筑，共分六期施工。2月10日大坝基坑开挖基本完成，开始大规模填筑。1997年3月21日大坝第一期面板开始浇筑，5月2日，680m高程以下面板浇筑完成。1997年9月大坝月填筑量达1179313.55m3，创造了国内外同类型坝月填筑量的世界最高纪录。1998年6月，746m高程以下二期混凝土面板全部浇筑完毕，坝体临时断面填筑至768m高程。1999年2月填筑至787.3m高程，5月完成该高程以下三期面板的浇筑，汛后完成防浪墙浇筑和坝顶公路填筑。2000年7月填筑至791m高程，至此，大坝主体工程全部完工。(2) 溢洪道工程1994年4月18日溢洪道工程开工，同年9月全面开工。1994年11月15日，贵州省新联爆破工程公司在天生桥一级水电站溢洪道3号山头834.00m高程以上实施装药量为351.20t的洞室爆破作业，爆破土石方量约420600m3。至1998年6月溢洪道开挖完成设计总量的90%，出口消能段混凝土浇筑基本完成。1999年8月13日溢洪道首次泄洪。2000年8月五扇弧形闸门安装完毕，进行动水调试。(3) 放空洞工程放空洞开挖于1992年3月开工，1994年6月开始混凝土衬砌。1995年6月28日放空洞全线贯通。1997年1月、5月分别进行工作闸门、事故检修闸门安装，7月15日开始过水。1997年11月25日放空洞土建尾工及金属结构安装工程完成。(4)引水发电系统引水发电系统由引水渠、进水塔、引水隧洞、压力钢管组成。1994年10月23日引水渠及进水塔开始开挖，1998年4月其主体工程完工。塔顶双向门机已安装完成。4号压力钢管下水平段已安装完成，进水塔拦污栅门槽施工完成。发电厂房于1995年11月开始基坑开挖施工，至1998年6月，完成厂房安装间段屋面板吊装就位、4号机坑二期混凝土浇筑、2420t桥机完成安装、调试、上游副厂房装修工程等主要项目。8月25日，放空洞正式下闸蓄水，首台机组于1998年12月28日正式投产发电。2000年厂房主体工程及装修工程基本完工。3水电站运行管理3.1运行概况1998年8月天生桥一级电站水库正式蓄水，同年最高水位达740.36m，发生时间为1998年11月8日，1998年12月一级电站首4#机组投产发电，此时大坝已完成堆石体填筑(787.3 m)及三期面板浇筑，下游坝体经济断面于12月填筑到787.3m高程。1999年水库最高水位767.19m，为99年9月1日，大坝进行防浪墙及坝体787.3 m791.0m高程施工，99年12月3#机投入运行。2000年水库蓄水至正常水位780.0m运行(10月17日)，年底大坝施工全部完成，2000年9月2#机投入运行，12月1#机投入运行，至此四台机组全部投入运行。2001年水库蓄水至正常水位780.0m运行(11月11日)，2002年水库蓄水至776.96m运行(9月17日)。3.2运行特点(1)天生桥一级水电站为南盘江龙头电站，库容大，大坝为世界第二、亚州第一高的面板堆石坝，大坝的安全将对下游已建电站(天生桥二级、岩滩、大化)和在建电站(平班、龙滩)及沿岸国家和人民生命财产关系重大，若出现意外，将是灾难性的，损失难以估量，所以必须保证大坝的安全运行。(2) 一级电站下游6.5km为天生桥二级水电站首部枢纽。二级电站为迳流式电站，水库有效库容仅为800万m3，无调节性能。二级电站溢流坝闸门为平板门，单宽流量小，一级电站溢洪道闸门为弧形门，单宽流量大，所以天生桥一、二级电站的联合渡汛将十分重要。一、二级电站泄洪时要密切配合，一级电站每开一扇闸门要等二级电站达到相近的泄流量，稳定安全运行的水位，一级电站才能开一下扇闸门，以此类推。当泄流量较大时，闸门操作时间较长，并且整个闸门操作过程一、二级要配合好，不能出现调度、联系、操作等每个环节的错误，否则将对二级电站的安全带来较大影响。(3) 一级电站大坝的安全运行，关键在面板、面板与趾板之间的周边缝的工作状态。现代混凝土面板堆石坝设计的原则之一是，面板的应力状态直接和堆石坝体变形有关，和水压力关系不明显。意味着面板主要承受它和堆石坝体之间的位移差引起的荷载，不主要承受水压力。面板状态取决于堆石坝体的变形状态。面板主要是传递水压力给大坝堆石体，由于面板是钢筋混凝土，属刚性体，受大坝变形影响，面板将产生裂缝，同时面板与大坝垫层料产生脱空，也将使面板产生裂缝，需及时做出修补，否则将影响大坝的安全运行。(4) 溢洪道是天生桥一级水电站唯一的泄洪设施，它的安全运行关系到大坝的安全，同时对下游已建工程及沿河国家及人民财产影响重大，所以对溢洪道机电设备及金属结构的检查、维护极为重要，必须确保每次闸门操作能正常进行。(5) 天生桥一级电站水库库容大，对下游已建电站的经济效益显著，可增加已建电站(天生桥二级、岩滩、大化)的保证出力88.39万kW，增加年发电量40.77亿kW.h，相当于新建一座百万千瓦级的水电站。一级电站每年汛未的水库蓄水对电站群的经济效益至关重要，设计文件规定，一级电站水库汛限水位为773.1m，在9月10日后才能蓄至正常水位780.0m运行，由于南盘江流域主汛期为每年68月，对水库蓄水带来不利影响，如果出现主汛期来水集中，后汛期(910月)来水较少，就可能出现水库不能蓄水至正常水位780.0m运行，所以应对汛限水位773.1m进行调整提高或对可蓄至正常水位的时间(9月10日)调整，可以考虑对汛限水位进行动态管理，在满足电站安全运行的前提下，可适时根据每年来水情况进行调整，有利水库蓄水。(6) 天生桥一级电站放空洞作为在施工期参加导流，运行期作为电站旁通和放空水库用的特点，放空洞的安全运行较重要。由于放空洞工作闸门属于地下洞室，有渗水，空气流动性差，较潮湿，闸门控制设备容易受潮，不能保证正常工作，需作防水、通风处理，由于大坝是目前运行最高的面板堆石坝，如果大坝出现险情，必须保证放空洞能及时运行，开闸放水降低库水位，所以放空洞的闸门操作系统要维护好，以保证随时能投入运行。 (7) 引水系统跨左岸10#冲沟，由于隧洞在冲沟部位为中厚层泥岩和砂岩互层，局部上覆岩体较薄，最薄处只有21.4m，在该段的隧洞采用后张控预应力锚索技术，隧洞投入运行测压管水位在蓄水后有明显升高，宜控制渗压防止发生水力劈裂，2000年在10#冲沟隧洞上履岩进行灌浆处理，以提高围岩的弹性模量。经过灌浆围岩弹性模量得到明显提高。同时利用68#地质探洞（在10#冲沟上游侧）补打排水孔，降低岩体渗透压力，经过观测，测压管水位得到降低，有效防止水力劈裂的产生，提高了隧洞的安全运行。3.3大坝运行管理(1)人员配备天生桥一级电站大坝运行有一支专业技术队伍，它包括水库运行、调度、水工建筑物监测、维护、维修、水工金属结构的运行、维护、检修、共有30余人，大专以上学历有40%，已在天生桥二级电站及其它大型水电站工作过，有丰富的运行管理经验，同时大部分技术人员一直参与天生桥一级电站的建设，从电站截流、施工过程，有关技术专题会，工程分部项验收、隐蔽工程处理，电站启动运行，安全鉴定，竣工验收都自始自终参与，掌握中间的每一个过程。(2) 规章制度及技术标准电站在发电前编写了有关技术规程、管理制度，并在运行过程中不断完善，编写了五规五制：水工机电设备运行维护规程、水工建筑物维护规程、水工观测规程、水工安全作业规程、水库调度规程、防汛岗位责任制、防汛值班制度、汛期报汛制度、大坝安全检查与评级制度、防汛安全检查制度及有关技术手册(防汛工作手册、水库调度手册)。制定了汛前汛后安全检查、水工建筑物评级、日常巡视检查、水库调度管理、特殊巡视检查、加密观测等技术管理标准。(3) 技术工作开展及实施天生桥一级电站在建设期间，每年有两次专家技术咨询会，解决工程建设中遇到的各种技术问题，取的了较好的效果。电站投入运行以来，对有关技术问题进行专门研究处理，先后完成了大坝面板脱空灌浆处理；大坝面板裂缝调查及修补处理；天生桥一级电站水工建筑物观测资料分析；一级电站安全监测系统综合评价；一级电站诱发地震监测微震台改造；一级电站大坝强震台改造等主要项目。(4) 大坝管理日常工作对水工建筑物进行定人、定设备、定周期的观测；大坝每3天1次，其它包括溢洪道、边坡、放空洞、引水系统、导流洞堵头等每月2次，对建筑物进行每周1次的巡视检查。每年进行35次防汛专项检查；每年进行1次水工建筑物评级；每年进行1次防汛设施检修，多次维护，并进行1次闸门全行程启闭试验；定期出有关技术分析报告，每年进行水库运行，水工建筑物监测资料整理、汇编，各项工作严格按国家有关法规开展大坝安全管理工作。3.4电站防汛(1)水库调度原则天生桥一级水电站水库是一个不完全多年调节水库，汛期在确保大坝安全并兼顾下游设施的防洪安全下，充分发挥电站的发电效益。天生桥一级水电站主汛期水库应控制在汛限水位773.1m高程运行（龙滩电站投运后为776.4m高程），后汛期9月10日后可蓄水位780m高程运行。为避免给下游造成人为灾害，水库下泄流量不应超过本次洪水的入库洪峰流量。一级电站溢洪道泄洪时下泄流量应大于起挑流量（1600m3/s）的原则启闭闸门以减弱对溢洪道挑流鼻坎右侧护坦的冲刷。同时严禁闸门大幅度启闭以避免一级库水位出现大起大落现象，以保证建筑物及水库边坡的安全、稳定。按照上述原则，电厂成功解决了下泄洪水对下游二级电站构成的安全威胁，泄中、小洪水时对溢洪道挑流鼻坎下部及出口右岸护坦的冲刷等问题，通过分阶段合理实施水库调度，成功解决了水库防洪与蓄水的矛盾，充分发挥了龙头水库削峰效应，从而保证了电站自身及下游安全，取得了水库连续两年蓄至正常水位780m高程的好成绩。(2) 防汛工作安排每年汛前，电厂均要成立以厂长为首的防汛领导小组，全面负责协调全厂的防汛度汛工作，防汛领导小组下设防汛办公室，防汛办公室主任由主管生产的领导担任，成员若干名，每年3月份编制上报天生桥一级水电站年度水库调度运用计划及防汛抢险措施，以确定年度水情预报，水库用水计划，安全措施，抢险预案存在问题处理，全年来水趋势预报等。每年3月进行第一次防汛安全大检查，主要内容：水工建筑物运行情况；冲沟，边坡，排水洞淤积情况；观测设施完好情况；防汛闸门运转情况，电源是否可靠，闸门全行程启闭试验；水库调度方案及上级相关防汛文件等，并对以上检查存在的问题提出整改意见，限期在5月31日前全部完成。汛中（5月10月）不定期进行多次全面检查或专项检查，发现问题及时安排处理。每年7月提交本年度水库蓄水方案；每年11月总结防汛工作经验、教训，找出存在的问题，在下一年度工作中加以改进。(3) 几年来的防汛工作天生桥一级电站从2000年10月、2001年10月水库蓄水至正常蓄水位780.0m运行，2002年由于流域在8月20日后未来水，水库蓄水至776.96m。从这几年的防汛工作来看，从汛前准备、水库洪水预报、洪水调度、防汛设施的运行、水工建筑物的安全监测、维护消缺等每一步工作都按时完成，确保了防汛工作顺利开展，在保证水库蓄水的情况下，都实现了安全渡汛。(4) 依靠科技进步，不断提高防汛设施的技术水平。为提高电站的防汛安全管理水平，电厂始终采用先进技术，先后兴建人工电台报汛系统以及由超短波、InmarSat-C卫星、VSAT等混合组网的水情自动测报系统，并与河海大学，云南省气象局合作研制开发天生桥洪水预报系统、洪水调度系统、中长期水文预报系统，充分利用现有的水情系统遥测大量信息，自动实现水情预报作业，大大延长了洪水的预见期和提高了洪水预报精度，水情自动测报系统的畅通率，可用度均大于95%，洪水预报准确率均大于90%。（见表1），从而为争取防汛工作主动权和确保电站安全度汛创造了良好的条件。表1年份项目1999年2000年2001年2002年畅通率（%）96.0995.0096.8594.18可用度（%）98.1391.9093.3498.23洪水平均预报精度（%）92.0095.0090.6091.35最大洪峰预报精度(%)98.3097.4096.7099.903.5大坝安全监测天生桥一级电站水工建筑物安全监测项目齐全，仪器完好率较高，大坝等水工建筑物有土压力计、沉降仪、引张线水平位移计、钢筋计、应力应变计、电平器、温度计、单向测缝计、不锈钢棒、面板脱空观测、三向测缝计、渗压计、大坝绕坝渗流水位孔、大坝渗漏设有量水堰进行观测等共计约1500余支仪器，以上项目完好率在94%以上。为及时采集建筑物数据，自电厂接管以来，结合实际，建立健全了有关规章制度，严格按土石坝安全监测技术规范要求，对大坝580余支仪器进行三天一次观测；对引水系统、厂房及厂房后边坡、溢洪道、导流洞堵头、放空洞等部位680多支仪器进行了每半月一次的观测，每年采集约130000余个原始观测数据，对分析掌握电站水工建筑物的工作性态起到了重要作用。目前大坝已经过三个汛期高水位运行考验，大坝变形已趋于稳定，坝体最大沉降量达3.46m（近一年来未出现变化）, 水平位移达1.108m,面板应力,应变,周边缝测值也较稳定，大坝渗漏量维持在5080L/S左右（近一年来均未出现大的变化）, 其它包括引水系统、放空洞、溢洪道等建筑物也未出现异常，观测值较稳定。2003年7月通过对天生桥一级电站水工建筑物监测系统进行了综合评估，2003年8月通过对天生桥一级电站水工建筑物监测资料进行了全面分析，用数据模型，过准线，特征值等分析方法，得出各水工建筑物工作状态正常，能保证安全运行。通过以上两项工作，为电站下一步大坝安全监测自动化系统以少而精、实用可靠、技术先进、经济合理的实施思路提供了依据，把有限的资金用在刀刃上，计划从2003年底开始分阶段实施，以进一步提高电厂大坝安全管理工作。3.6水工建筑物维护、消缺工作.从电站98年运行以来，电厂对水工建筑物维护、消缺工作极为重视，每年制定大坝加固、维护、消缺计划，设立专项费用，每年进行专项检查，对查出的问题，及时安排处理：（1） 1998年至2000年由于工程在建，因此水工建筑物维护及消缺工作尚未全面开展，但全年仍做了大量的检查、巡视和一般性的工程缺陷处理工作；1999年，大坝在施工过程中0+7500+950桩号、755760m高程之间发生坡面斜裂缝和水平裂缝，缝宽在8090mm之间，最大达100mm，于2月14日处理完毕； （2）厂房尾水浆砌石护坡坡脚及坝下游面坡脚（645.00m以下）部分被冲刷、掏空；已处理；（3）2001年汛期，由于溢洪道泄洪流量较大，受尾水回水波浪淘刷，坝后EL650平台以下浆砌石护坡暴露出质量缺陷问题。在2001年12月5日2002年4月6日期间对坝后EL650平台进行了缺陷修复处理；（4）面板脱空处理大坝在2000年前施工过程中对一期面板、二期面板、三期面板顶部脱空进行灌水泥粉煤灰浆处理，水泥粉煤灰比例为14.24，水胶比为0.50.8。为进一步确保面板的安全运行，2002年4月5月安排对大坝面板0+4461+038（R12L25）、高程EL760787.3m的脱空进行无损探测，总探测面积27805m2，面板脱空探测的成果结论如下：a)R12L25面板块在760.0m775.0m范围内存在较大面积的脱空，但脱空高度较小；b)R12L25面板块在775.0m787.3m范围内的脱空区域少，说明面板上部采用小压力灌浆效果良好；c)R9面板没有较大面积的脱空，抬动没有造成面板脱空的后果。2002年5月7月对大坝面板进行了水泥粉煤灰灌浆处理，采用自流无压式灌浆方法（压力在0.10.3MPa，不得使面板抬动），水泥粉煤比例为1:4.3，水胶比为1.00.6，结束灌浆水胶比0.5，灌灰量达934053kg。经钻孔取样，脱空值为零，取得了良好的效果。（5）面板裂缝调查及处理2002年4月8月电厂委托昆明院勘测设计研究院岩土公司对大坝面板裂缝进行详细调查,主要调查三期面板共69块(R34L35桩号0+094+1+198m,最低高程748.6m)，裂缝总计4357条，其中新生产的裂缝2763条，旧裂缝1233条，活动裂缝541条，缝宽大于0.3mm的裂缝有80条，裂缝长度大于5m的裂缝共144条(含旧裂缝)，为确保大坝安全运行，2003年3月5月对大坝面板裂缝进行无损修补。缝宽等于及大于0.3mm面板裂缝修补工艺为：打磨清洗裂缝面(宽度10cm)在缝上间隔50cm粘贴灌浆盒缝面涂刷宽10cm，厚1mm的HK961环氧增厚涂料灌注HK-G-2环氧灌浆材料去除灌浆盒表面修补。缝宽小于0.3mm的面板裂缝修补工艺为：打磨清洗裂缝面的混凝土表面缝面涂刷宽10cm，厚1mm的HK961环氧增厚涂料，经过6月8月高温