[科普中国]-天生桥一级水电站

天生桥一级水电站1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（4×300MW），电站于1998年底首台机组发电，至2000年工程竣工。

工程特征

溢洪道布置于右岸垭口处，其开挖料为大坝填筑的主要料源。溢洪道设计标准为千年一遇洪水(Q=20900m3/s)设计，可能最大洪水(Q=28500m3/s)校核。经水库调洪后，相应的下泄流量分别为14782m3/s和21750m3/s。泄洪孔口尺寸为宽13m，高20m，共5孔。

溢洪道全长1665m，由引渠、溢流堰、泄槽、挑流鼻坎和护岸工程组成。引渠长1122m，底宽120m，渠底高程745m，底坡i=0。渠道两侧为垂直边坡，每隔22m高设1条12m宽的马道，引渠基本不衬砌。溢流堰顶高程760m，设5孔宽13m高20m的弧形闸门，溢流前缘总长81m。堰后为泄槽，泄槽平面采用不对称收缩体型，横断面为矩形，纵坡i=13%。为避免气蚀破坏，在泄槽段共设5道掺气槽。泄槽轴线与下游河道的交角为50°～60°，且流速高，泄量大，泄洪功率达2800万kW。经水力模型试验研究，选用左槽正向扩散连续大挑角鼻坎和右槽窄缝曲面贴角斜鼻坎的结合方案，较好地解决了泄流消能问题。在工程建设过程中，对上述设计方案做了简化，取消了泄槽中隔墩；又经水力模型试验，选取了两侧扩散的舌形鼻坎方案，在出口河岸相应地做了保护2。

引水发电系统引水发电系统位于左岸砂泥岩地区。进水口设在左岸8号冲沟内，10号冲沟下游侧布置地面厂房，采用单机单管布置。

引水系统包括引渠、进水口、引水隧洞和压力钢管道。根据进水口的布置，傍山开挖形成引渠。引渠沿中心线长度为284m，梯形复式断面。其底板宽98m，高程710m。进水口采用岸边塔式，进水塔长98m，宽27.5m，高84m。设置2道直栅槽，内设16扇拦污栅，1扇检修门及4扇事故门。对外通过塔顶交通桥与左岸公路相连。引水隧洞4条，中心距24m，内径9.6m，纵坡7.5%～10%，水平投影长380.39～494.09m。结构设计采用一次支护和二次衬砌形式，局部过沟地段二次支护改用后张法预应力混凝土衬砌。压力钢管道4条，中心距23.1m，采用斜井布置，坡度50°，由上弯管、斜井管、下弯管和水平管组成。钢管内径7～8.2m，水平投影长158.78～172.19m，管壁厚22～30mm3。

地面厂房地面厂房位于左岸10号冲沟下游侧，顺河向布置。厂区后山坡临时边坡高达154m，永久边坡高达109m，并有断层和向背斜结构面，对边坡稳定有影响。为此做了大量边坡稳定分析，采取了边坡综合治理措施，并设置了监测系统。

主厂房长154.4m，宽26m，高67m。厂房内安装4台单机容量为300MW的水轮发电机组，其安装高程为633.5m。上游侧副厂房布置电气设备，下游侧副厂房布置水轮机设备，端头副厂房为中控室及计算机监控设备。主变压器布置在上游侧副厂房的上游，出线架位于上游副厂房屋顶上，4回220kV出线至换流站4。

放空隧洞放空隧洞位于右岸1号冲沟的下游侧，全长1062.17m，进口高程为660m，具有施工期参与后期导流、水库蓄水期向下游电站供水、运行期放空水库检修大坝面板等功能。距放空隧洞进口339.17m处设事故闸门并，并高131m，内径11.4m，内设6.8m×9m的事故平板链轮闸门；距进口560.67m处为工作闸门室，内设6.4m×7.5m的工作弧形闸门；工作闸门室之前为圆形有压隧洞，长557.67m。内径9.6m；其后为方圆形无压隧洞，长489.5m，宽8m，高11m；洞后接长约162m的出口明渠及挑流鼻坎。

事故闸门井以交通便桥与右坝头相接；工作闸门室以交通通风洞与场内公路相连。交通通风洞布置在放空洞的左侧，为双层结构，上层交通，下层通风2。

大坝安全监测内部变形监测(1)观测点布置大坝布置有3个观测断面，0+630断面为河床中部最大断面，右岸0+438断面在1/2坝高处，左岸0+918断面位于地形突变部位。在观测断面的665、692、725、758m高程，共布置有沉降测点50个，水平位移测点31个。

(2)观测仪器坝体内部垂直位移观测采用水管式沉降仪，水平位移观测采用引张线式水平位移计。天生桥大坝安装的垂直、水平位移计管线最大长度达350m，堪称世界第一。

面板挠度监测面板挠度观测通常采用埋设测斜仪导管的方法，用活动式测斜仪观测导管的挠度变形。大坝面板坡长305m，如采用活动式测斜仪则存在以下问题：测绳太长可能产生测头下放困难；采用测头下放的辅助牵引装置，又耽心辅助牵引装置一旦发生故障，很难检修；观测耗费时间很长，也难以实现观测的自动化等。承建单位的巴西专家，根据辛戈坝的经验，建议采用电平器进行面板挠度观测，经参建各方认真研究，这一建议得到了采纳。电平器是一种固定式测斜仪，观测精度高，根据电平器观测的测点倾角变化可计算面板的挠度曲线。天生桥大坝3个观测断面的面板上游共布置64个电平器来观测面板挠度变形。

接缝监测(1)周边缝沿周边缝布置有12组三向测缝计，观测缝面开度、沉降和切向位移相对变化。

(2)垂直缝在面板垂直伸缩缝的张性缝区、张性缝和压性缝过渡区，跨缝布置单向测缝计24支，用来观测缝面开合变化。

(3)面板脱空观测大坝一期面板浇筑后，检查发现面板顶部与垫层料间有大面积脱空，决定在二期面板布置2组二向测缝计，观测面板和垫层料接触缝面的法向和切向变形；在三期面板布置7组观测面板脱空变形的二向测缝计。

表面变形监测在坝体上、下游坝面和坝顶，共布置视准线8条，其中布置在一、二期面板顶部的视准线为施工期临时测线，水平位移观测采用视准线法，垂直位移用水准仪观测。

渗流监测 3.2.1渗流压力监测

渗流监测(1)坝体渗流压力在距趾板“X”线下游3m的垫层料区基础面，布置有坑埋式渗压计13支，用来观测周边缝后坝体的渗压。

(2)坝基渗流压力在趾板灌浆帷幕前后，布置有钻孔式渗压计21支，观测坝基渗压，了解帷幕阻渗效果。

(3)绕坝渗流水位在左、右岸坝肩，共布置16个钻孔测压管观测绕坝渗流水位。

渗流量监测大坝下游布置了1个渗流汇集系统。在下游坝脚设置1道截水墙，拦截坝体渗水，使渗流汇集，通过布置在右岸的引渠流向下游，在引渠设置量水堰观测坝体渗流。在右岸坝肩排水系统的2个洞口布置了观测坝肩渗流量的量水堰。

压力、应力和温度监测 3.3.1压力监测

压力应力温度大坝0十630断面4个不同高程的面板与垫层料接触面，布置有观测接触土压力的土压力计；在坝体过渡料中部和坝轴线处，布置有观测平面应力变化的土压力计。大坝共布置土压力计28支。

混凝土面板应力和温度监测大坝面板布置了应力应变观测剖面6个，温度观测剖面4个，有应变计84支、无应力计15支、钢筋计55支、温度计27支，共计181支仪器，用来观测面板的应力、应变和温度变化。

地震反应监测大坝设置了遥测微震台网，记录坝区和库区地震情况；在坝体和基岩布置强震仪监测坝体的地震反应4。

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(787.3m)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787.3m～791.0m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。

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6～8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(9～10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2。

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3～5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2。

电站防汛(1)水库调度原则

①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。

②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。

③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。

④一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%。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4。

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。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,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50～80L/S左右,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4。

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+750～0+950桩号、▽755～760m高程之间发生坡面斜裂缝和水平裂缝，缝宽在80～90mm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1∶4.24，水胶比为0.5～0.8。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+446～1+038（R12～L25）、高程EL760～787.3m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)R12～L25面板块在760.0m～775.0m范围内存在较大面积的脱空，但脱空高度较小；

b)R12～L25面板块在775.0m～787.3m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0.1～0.3MPa，不得使面板抬动），水泥粉煤比例为1:4.3，水胶比为1.0～0.6，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(R34～L35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月高温考验，修补质量良好，效果有待进一步检验。

（6）大坝面板在2002年5月～7月进行脱空灌浆时的混凝土钻孔取芯，面板混凝土芯普遍存在气孔、蜂窝、麻面缺陷；

（7）大坝下游坝面干砌石料不符合设计要求，干砌石护坡存在干砌石松垮、变形、掉块等现象，安排2004年处理；

（8）大坝L3、L4面板挤压损坏处理4。

成绩天生桥一级水电站自1998年底发电运行以来，实现了累计发电量近200亿kW.h的较好经济效益，为云、贵、两广四省（区）的经济发展和社会进步起到了积极的促进作用。经过几年的生产运行检验，电站的运行与管理取得了较宝贵的经验，通过对大坝出现的缺陷处理，使电站主要建筑物的运行状态得到改善，安全得到了保证，但是面对混凝土面板堆石坝新技术、新特点，电厂在今后的工作中，仍需不断总结，认真探索，为混凝土面板堆石坝的运行与管理积累经验4。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学