[科普中国]-莲花水电站

牡丹江上的莲花水电站，位于中国黑龙江省海林市三道河子乡木兰集村与林口县莲花村交界处，距牡丹江市210km，总库容42亿立方米，是黑龙江省最大的一座水电站。石坝长902米，最大坝高71.8米，装机55万千瓦，设计年发电量7.97亿度，是一座以发电为主，有防洪、灌溉、航运、养殖等效益。被称为“莲花速度”。

简介水库位于区域构造相对稳定的地区，区内出露的地层主要有下元古界的混合花岗岩、混合岩及角闪斜长片麻岩等，侵入岩主要有元古界的混合花岗岩、花岗闪长岩等。区内构造断裂以南北向断裂为主，规模较大，其次为北东向、东西向及北西向断裂。区域性的牡丹江断裂通过坝址左岸垭口，向南伸入库区，向北延至下游，但无现代活动迹象。经辽宁省地震局鉴定，基本地震烈度为6度。1

库区两岸山势高峻，无相邻河谷及单薄分水岭。构成库区的岩石主要为弱透水的花岗岩或混合花岗岩，且地下水位较高，无永久性渗漏问题。坝区河谷为一不对称的U型谷，平水期江水面宽约155m。右岸为凹岸，因受河流强烈冲刷，沿江形成基岩裸露的陡壁，比高达90～180m。左岸为凸岸，分布有漫滩和Ⅰ、Ⅱ级阶地，坝头处为一近东西向的条形山脊。坝头后部山脊由于大断层通过，岩石风化破碎，构成一低矮的垭口，垭口左侧山体逐渐升高加厚。水库正常蓄水位218m，水库回水长度99．9km，淹没范围涉及2个县2个乡，总计淹没耕地10.94万亩，需迁移人口40725人。

电站属一等工程，枢纽由拦河坝（包括大坝和二坝）、溢洪道和引水发电系统等组成。大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，下游在高程200m设一宽3m的马道，在高程173m有一宽10m的进厂公路。

堆石坝体从上游到下游分为垫层区、细堆石过渡区、主堆石区及下游堆石区，在周边缝下设填筑小区，另外在面板上游侧下部设粘土铺盖及保护区。趾板最大宽度6m，厚0.6m，趾板和面板之间设置周边缝。通过趾板进行灌浆。帷幕灌浆为一排孔布置，最大深度约25m，固结灌浆于帷幕孔上下游各一排，孔深一般为6m。坝址地处寒冷山区，多年平均气温3.2℃，极端最低气温是-45.2℃，极端最高气温37.5℃。

二坝为粘土心墙砂砾石坝，布置在左岸低矮垭口处，心墙建基于呈块状的全风化岩下部，通过心墙底板进行灌浆，向右与大坝帷幕相接，向左坝肩延长约120m，另外在F1大断层破碎带加强灌浆。溢洪道位于右岸低分水岭处，为开敞式岸坡溢洪道，由引水渠、溢流堰体、泄槽、挑流鼻坎及出水渠组成。

该工程采用一次断流、隧洞导流方案，导流洞进、出口及厂房围堰为粘土心墙土石围堰，大坝上游围堰为粘土斜墙土石围堰，按10年一遇洪水设计，2条导流洞为直径13.7m的圆形断面。第一年先填筑导流隧洞进、出口及厂房围堰，江水从束窄的河床过流，第三年汛末主河床截流，江水由两条导流隧洞宣泄，第五年下闸蓄水，工程总工期67个月2。

工程量莲花水电站是中国在寒冷地区修建的一座混凝土面板堆石坝，每年施工期不足7个月。冬季石料开采或制备不停工，需解决负温下不洒水的坝体填筑质量控制问题。

总工程量为土石方开挖624.48万m3，土石方填筑590万m3，混凝土浇筑49.69万m3。工程总投资19.5亿。淹没耕地1295.5hm2，迁移人口40725人。

工程设计大坝位于主河床，坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高715m，坝顶长度9020m，坝顶宽度80m，面板总面积75400 m2，大坝上下游边坡1:1.4。坝基础铺有20m厚的排水层.坝体填筑390万m3。筑坝 堆石料为混合花岗岩，其强风化下部至徽新岩体的湿 抗压强度为51.0-150 MPa。周边缝设3道止水，勃土心墙堆石坝最大坝高472m，坝顶长度332m，坝顶宽 80m，上下游坝坡均为1，2.0、1:2.25，薪土心墙顶宽40m，上下游坡比1:0.2，猫土心墙的土料为左岸的猫土和粉质猫土，设计干密度1.62kg/cm。坝壳料为溢洪道开挖强风化 混合花岗岩和部分砂砾石料。开敞式溢洪道位于右岸的山体娅口处，溢流前沿 总长度130m，溢洪道由溢流堰、泄槽和挑流弃坎组 成，全长990m。溢洪道最大泄量18570m3/s，共7孔设有16 mx13.4m弧形工作门和平板检修门。

引水发电系统位于右岸，采用引水隧洞接地面厂房布置型式。引水隧洞进口位于右岸大坝上游200m的陡崖处。两条引水隧洞均采用岸塔式进水口，进水塔高62sm，进水口前沿设有4扇6mx33m活动拦污栅，每个进水口设计流量662m3/s，设有两扇6m-14m平板检修门及固定式卷扬启闭机。两条引水隧洞均为圆型钢筋混凝土衬砌断面，隧洞埋深70-160m，内径13.7m，1号和2号引水隧洞分别长620.54m和493.98m。

引水隧洞末端均设有一座阻抗式调压井。调压井高94.02m，横断面为复式双圆弧型。4条压力管道从井后接出，压力管道直径为8.4m，每条长140m，压力管道埋深一般为50-80m，采 用钢板衬砌。

岸边地面厂房由主厂房、副厂房、变电站和开关站组成。主厂房尺寸为162.5mx29m只55.98m（长x宽x高）。安装4台137.5 MW的水轮发电机组。发电机层与地面齐平。4台主变压器布置在厂后平台。开关站布置在厂房左侧，中控室布置在再厂左侧安装间和开关站之间3。

施工技术坝体填筑施工技术

坝体填筑前采用15.5t振动碾将砂砾石基础碾压6遍。小区料由锷式破碎机一次破碎后，再掺入15%~20%的天然河砂；冬季施工因碾压时不能洒水，掺25%~30%的人工破碎石粉，填筑时由人工摊铺，层厚0.15m，15.5 t振动碾静碾16遍。垫层料由锷式破碎机破碎石料，破碎机规格200×400、400×600、600×900共6台，最大生产能力每班为702m3。为满足细颗料含量要求，常温季节掺入15%~20%天然河砂。超径石不超过3%。含泥量不超过3%。人工摊铺铺层厚0.4 m，并向上游侧超填不大于15 cm，常温下洒水20%，15.5 t振动碾压10遍。采用反击式碎石机生产最大粒径为2cm的细石料，含水率1.7%~2.3%，含泥量极少（不超过0.5%），受冻后不易结块，是良好的细料来源。掺配比例为粗碎石∶细碎石（含石粉）∶水洗砂=4∶1∶1，满足了设计要求，解决了大坝垫层料冬季填筑施工的难题。过渡层料有采石场爆破开采，剔除大于30 cm的超径料，用4m3电铲及3m3装载机装、15t~20t自卸汽车进行运输。填筑采用后退法卸料，用180 hp推土机摊平，人工配合，铺层厚0.4m。主、次堆石料分别来自溢洪道和采石场及洞挖料，由4m3电铲及4m3~6m3装载机装、15t~42t自卸汽车进行运输，进占法卸料，推土机摊平，铺层厚主堆为60cm、80cm、次堆为100cm、120cm，15.5t振动碾碾压。在实际填筑过程中，最大日填筑强度：垫层料达1240m3/d，过渡层料达1500m3/d，堆石料达14000m3/d。

面板混凝土施工技术

无轨滑模模具设计制作 自行设计制作无轨滑模设施，据砼面板宽度考虑两种规格，滑模设施主要由滑动模板、侧模板、各种专用运输台车、混凝土拌合运输机具和提升运输机具等构成，滑动模板骨架采用桁架式，由63.5mm×5mm钢管焊制，每榀桁架高0.61m，长15m（用于14 m宽面板），桁架中心距0.4m，共4榀，各榀桁架间采用系杆连接。由于面板施工面积较大，考虑其抗磨耐久性，滑模面板采用10mm厚钢板。滑动模板尺寸（14 cm板宽）为1.6 m×15m，滑动模板重量为4.032t，滑升时根据上浮情况加钢筋作配重。侧模结构采用50×5角钢焊制成框架，人工安拆侧模每节长2m。每套侧模可周转使用，由布设在坝顶的2台5t卷扬机牵引，卷扬机由埋入堆石内的简易地锚固定。

面板砼浇筑

⑴混凝土配合比：

根据面板滑模砼的施工要求，大坝水泥的mgo含量偏高使砼具有微膨胀性，可以抵消砼的大部分收缩变形， 引气减水剂对提高砼抗冻性能效果显著，有不透水性和抗裂性，增加砼与钢筋的握裹强度的特性。

⑵周边缝沥青砂垫层施工

沥青砂垫层施工分两种：一种是预先制成块，每块长约30cm，运至现场作业面安装，各块间隙用热沥青灌注；变形模量80~100mpa，沥青砂在5~37.5℃的气温下进行浇注不堆坡，并形成1∶1.4边坡，进行了试验.试验初，曾采用粉煤灰、石棉和砂掺合料，把掺合料改为水泥和河砂。一期面板砼施工（即高程197.5m以下，板块最大斜长81.3m），完成砼量18348m3，面板面积为42008m2，最大滑升速度为4.6m/h；二期面板砼施工（即高程197.5m~208.0m），完成砼量2339m3，面板面积为11492m2，最大滑升速度为5.19m/h。为满足施工进度要求，共制做5套滑模模具，其中14m板宽的4套，7m板宽的1套。

进水口拦污栅墩砼滑模施工技术

每个进水口由5个拦污栅墩组成四孔，墩间净距6m，边墩和中墩断面均为2m×10m，次中墩断面均为1.4m×10m。为满足截流对进水口施工形象面貌要求，每个进水口5个拦污栅墩需采用整体同步滑模，制作一套模具可满足两个进水口周转使用要求。根据以往滑模施工经验，取消拦污栅槽二期砼，即栅槽埋件随滑模施工逐节安装。滑模起滑在底板形成后进行，砼水平运输采用6m3砼搅拌运输车，砼垂直运输前期主要采用布置在地面上的30/10园筒型高架门机吊罐入仓，后期利用布置在上部高程239m路和拦污栅下游高程218.5m撑墙上的门机吊罐入仓，塔吊吊小罐辅助作业。

调压井井筒砼初砌滑模施工技术

每个调压井断面轮廓由园弧、直线和折线组成，砼衬砌后断面短跨×长跨约为17m×20m。自底板高程155.08m至顶部高程250m，井筒高95m。根据1996年底首机发电对2#调压井工期要求，决定井筒砼衬砌采用滑模施工方案。考虑1#调压井亦用此方案施工，需要设计制作一套安拆方便的液压滑模模具。滑模设施主要由操作平台、提升机架、围圈、模板、砼和材料工器具运输系统、人员上下交通系统组成.操作平台承重结构采用网状钢桁架式结构，以减轻平台本身自重。采用175×5和l100×10角钢焊制，提升架安装两台千斤顶。提升架共82个，千斤顶140个滑模。模体总重为43t。砼水平运输采用6m3砼搅拌运输车，砼垂直运输，由于调压井滑模从底板上开始滑升，低部位阻抗板以下采用砼泵自底洞输送砼入仓，溜管为φ219钢管，溜管每节长2.0m，节间由法兰连接，每节均与钢丝绳连接牢固，每节溜管承受荷载均传到钢丝绳上，钢丝绳锚固在井顶部平台的地锚上。2#调压井井筒砼滑模每升高1m需安装钢筋10t，钢筋安装量大且内层水平环向钢筋绑扎困难，而且在高程228.5m又进行了改模，对滑升进度有一定影响。正常滑升速度为2.5 m/d。

莲花水电站引水隧洞砼衬砌施工技术

1）边顶拱钢模台车

台车模板由7节模板拼装组成，支立总长10.5m，每节模板沿环向分为5段。顶拱段为一整体钢模，两侧边拱段均由大、小两块钢模组成。边顶拱砼衬砌断面的中心角为288.54°。在边拱钢模上设置砼下料操作窗口若干个，模板收分采用机械收分系统，利用设置在顶拱模板和两侧边拱模板上的液压千斤顶和丝杠进行收分。台车底脚装有可沿弯曲轨道行走的轮子8个，每台钢模台车重160 t。

2）底拱钢模台车

台车模板由6节钢模板拼装组成，支立总长10.5m，每节钢模为一整块模板，底拱钢模上设置下料口，6节钢模与3根纵梁联接形成整体模板，纵横梁之间用丝杠连接，通过操作丝杠起落模板，横梁与联系梁连接，联梁底部安装4个可沿轨道行走的轮子，底拱台车重20t。

3)台车轨道及牵引动力设施

边顶拱钢模台车的轨道，是在开挖底板上垫碎渣或小骨料，其上铺枕木，轨道采用qu80型钢轨.底拱钢模台车的轨道，采用在已浇边拱砼上预埋钢板，其上固定120工字钢作为轨道。边顶拱钢模台车采用180hp推土机牵引行走。底拱钢模台车采用180hp推土机或1台5t，卷扬机牵引行走。

4）砼衬砌施工

由于进入洞内的施工通道只有进口一条，故砼整体浇筑施工应自内向外进行，每个浇筑段长度为10.5m。采用先边顶拱、后底拱的施工顺序，每条洞边顶拱砼衬砌分几个衬砌单元进行，自里向外逐单元进行；每个单元长度为10个浇筑段左右，各布置两台边顶拱钢模台车，分别布置在端部，一台钢筋台车布置在两台边顶钢模台车之间。砼运输采用6m3砼搅拌运输车运入洞内至90m3/h砼泵车，由砼泵车压送砼入仓。用回弹仪在环缝砼上进行测试，控制在砼抗压强度达45kg/cm2以上进行脱模。一般需要18~24h达到脱模强度.采用上述施工工艺，隧洞砼衬砌月进尺达105m，保证了隧洞施工形象面貌的按期实现3。

安全监测介绍莲花水电站大坝安全监测系统由东北勘测设计研究院设计。大、二坝内部观测仪器埋设和外部观测测点浇筑随坝体施工同步进行，从1993年开始，到1997年结束。大坝安全监测以变形、渗流为主，应力应变为辅；施工期和运行期监测兼顾。

项目⑴变形监测：包括大、二坝坝体表面水平、垂直位移；大坝坝体内部水平、垂直位移；砼面板板间缝、周边缝开合度及面板挠曲变形监测。

⑵渗流监测：包括大坝坝体渗透压力；大、二坝渗流量和绕坝渗流监测。

⑶应力应变监测：包括大坝砼面板应力应变和温度监测4。

系统布置1、基点网

莲花电站水平位移监测基点网—边角网，由坝区内的13个点组成，采用T2002+DI2002全站仪按国家一等三角精度施测；垂直位移监测基点网—精密水准网，由坝下游区的26个点组成，采用NI002A精密水准仪和铟瓦水准尺按国家一等水准精度施测。电站大坝、二坝、溢洪道等建筑物的水平、垂直位移观测均以上述网作为基点网。

2、大、二坝监测系统布置

⑴大、二坝坝体表面变形监测

莲花大坝（混凝土面板堆石坝）在面板、防浪墙顶部、坝顶公路下游侧、马道及进厂公路上游侧平行于坝轴线布置五排总计52个水平位移永久测点；在坝下游坡观测室旁还有6个测点。二坝（粘土心墙砂砾石坝）在上游坡、防浪墙顶部、坝顶公路下游侧及马道处平行于坝轴线布置四排总计13个水平位移永久测点。坝体表面水平位移利用边角网做为工作基点，采用边角交会或边长交会法，应用T2002+DI2002按二等三角精度进行观测。坝体表面垂直位移永久测点与水平位移永久测点在同一测墩上。坝体表面垂直位移利用精密水准网做为工作基点，组成闭合或附合水准路线，应用NI002A精密水准仪和铟瓦水准尺按二等水准精度进行观测。

⑵大坝坝体内部变形监测

取大坝两个典型断面0+170桩号（最大坝高断面）和0+496桩号（地质条件复杂断面）做为大坝坝体内部水平、垂直位移的观测断面。在每个断面坝下游坡▽180m、▽192m和▽205m三个高程处布置6个内部变形观测室，室内布置水平位移和垂直位移测点总计各24个。水平位移和垂直位移测点同组布置，同一层测点以观测主堆石体位移为主，每层都在过渡料与垫层料之间布置一个测点，以此点位移代表面板位移，兼测面板挠度。水平位移观测采用引张线式水平位移计，垂直位移采用水管式沉降仪。观测室外设内外部联系测点6个，观测观测室自身位移，以便换算出坝体内部各测点的绝对位移。

⑶大坝面板板间缝、周边缝变形监测

在靠近两岸坝肩部位的张性缝区域，各布置2支测缝计，观测面板张性缝的开度大小；在河床部位的压性缝区域，布置1支测缝计，观测面板压性缝的闭合度大小。为观测周边缝的三向位移，在河床及两岸的周边缝共布置9组三向测缝计，观测垂直于周边缝的开合、平行于周边缝的滑移及垂直于面板的沉降。

⑷大、二坝渗流监测

在大坝最大坝高断面（0+170桩号）建基面靠近上游趾板帷幕后布置4支渗压计，用来观测坝基渗透压力。在二坝0+072剖面，布置12支钢弦式渗压计，用以观测坝体浸润线。

在大坝下游离坝轴线145m，利用原有下游围堰，采用高喷灌浆形成一道阻水幕。在下游围堰0+265桩号设一座三角形量水堰，观测大坝的总渗漏量。利用二坝下游坝脚处的滤水坝址做排水沟，在二坝下游桩号1+052处设一座三角形量水堰，观测二坝的地表渗漏量。通过在河床中埋设测压管来测定二坝坝基的渗漏量。大坝右岸山体布设7孔，大、二坝之间山体布设2孔，二坝左岸山体布设9孔。对大、二坝两岸山体绕坝渗流量进行监测，以此判断山体的稳定性，为坝体安全运行提供依据。

⑸大坝面板应力应变监测

在面板上选择有代表性的部位布置应变计、钢筋计和无应力计；在靠近周边缝的部位布置三向应变计组，用于观测面板的平面应力状态。

自动化状况莲花水电站大坝安全监测系统自动化分两部分：一是内部监测自动化，包括除位移监测之外的所有监测项目；二是外部监测自动化，指大、二坝表面变形监测自动化系统。内部自动化系统由东北勘测设计研究院设计并施工，此项目还未完工，仅能进行数据自动化采集。外部自动化系统采用徕卡测量机器人进行自动化监测，该项目已投入使用。

1、内部监测自动化

大坝面板板间缝、周边缝变形监测；面板应力应变监测；大、二坝渗流监测均在自动化监测系统中。在原测点处布置测量控制单元（MCU），通过通讯电缆引至副厂房工作室，接收上位机指令，选择测点，采集传感器信号。按设计将形成一个具备数据分析处理和远程监控的自动化系统，刚开发到数据采集阶段。数据采集系统初步运行已近两年，其间被雷电击坏两次，说明采集设备防雷措施需加强。另外，由于坝址地处高寒地区，冬季低温对系统正常运行也有一定影响。

2、外部监测自动化

利用坝下游L4和L6两基点做自动化监测测站，分别放置一台徕卡TCA2003全站仪（被厂家称为测量机器人），在大、二坝坝后原测点固定棱镜，采用边长或边角交会法观测，从而求得测点坐标。观测过程中利用大、二坝坝头基点L8、L9和L10作为参考点，进行温度和气压改正。除坝前15个测点外，其余56个测点均与自动化测站通视，这足以反映出坝体的整体位移。另外，也可采用人工观测坝前测点与自动化观测其余测点相结合的半自动化方案。TCA2003机载软件可完成水平角、垂直角和斜距的野外观测记录工作，观测中能自动检查各种限差。TCA2003可与计算机相联，实现采集控制和数据传输、整理自动化；远期目标在牡丹江进行远程控制3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所