張運(yùn)達(dá)，王能峰，馬金根(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

某水電站大壩基礎(chǔ)廊道變形滲水分析

張運(yùn)達(dá)，王能峰，馬金根
(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

某水電站蓄水前，大壩基礎(chǔ)廊道多處出現(xiàn)變形滲水現(xiàn)象。通過對廊道裂縫發(fā)育特征及滲水點(diǎn)分布狀況、滲水點(diǎn)基本特征和滲水水化學(xué)的分析，并結(jié)合變形及滲壓監(jiān)測綜合分析，查明了廊道變形和滲水原因。在此基礎(chǔ)上提出了治理措施，通過補(bǔ)充固結(jié)灌漿和結(jié)構(gòu)縫止水修復(fù)治理后，至今效果良好。

水電站；廊道滲水；水化學(xué)；滲壓監(jiān)測；固結(jié)灌漿

1 工程概況

某水電站壩址位于大渡河中游四川省漢源縣和甘洛縣境內(nèi)的大渡河與支流尼日河匯口上游覺托附近，水電站攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m。水庫正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，消落深度60 m。壩基覆蓋層最大厚度75.36 m，防滲采用兩道主、副各厚1.2 m的混凝土防滲墻，墻心間距14 m，墻底嵌入基巖1.5 m，主防滲墻位于大壩軸線上，防滲墻頂與廊道連接，廊道置于心墻底670.00 m高程；副墻位于主墻上游側(cè)，河床部位下游防滲墻下布設(shè)主帷幕，上游防滲墻下布設(shè)副帷幕，主副帷幕之間布設(shè)封閉帷幕。心墻兩岸壩肩為基巖接觸，進(jìn)行固結(jié)灌漿，壩基及兩岸基巖帷幕灌漿深入不大于3Lu的基巖相對隔水層[1-3]?；A(chǔ)廊道長456 m，樁號(hào)0+50 m～0+174 m和樁號(hào)0+374.4 m～0+456 m分別為左右岸7#和8#灌漿平硐，樁號(hào)0+174 m～0+374.4 m為基礎(chǔ)廊道。2007年8月～2008年11月，發(fā)現(xiàn)灌漿廊道多處沿施工縫滴水、線狀流水現(xiàn)象[4]，廊道樁號(hào)0+177.2 m及0+354.2 m處結(jié)構(gòu)縫開始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，并有褐紅色鈣質(zhì)沉淀出現(xiàn)[4]。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

開挖揭示，河床壩基由第①層Q32漂卵石層、第③層Q41-2漂卵石層、第④層Q42漂(塊)卵石層組成，覆蓋層結(jié)構(gòu)較密實(shí)，局部具架空結(jié)構(gòu)；心墻區(qū)左岸巖性為花崗巖夾少量的輝綠巖脈，右岸為淺變質(zhì)玄武巖，兩岸巖體風(fēng)化、卸荷較強(qiáng)，且風(fēng)化、卸荷程度總體隨高程降低而逐漸減弱，邊坡巖體總體上呈鑲嵌、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，以Ⅲ級(jí)巖體為主。

壩區(qū)總的來說巖體滲透性較弱，沿河谷周邊風(fēng)化卸荷帶巖體透水性較好，在弱風(fēng)化帶內(nèi)巖體主要以弱透水為主；在微風(fēng)化帶和新鮮巖體內(nèi)，主要以微透水為主。河床覆蓋層的滲透性明顯較強(qiáng)，屬強(qiáng)透水層。兩岸地下水埋藏較深，根據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)，兩岸地下水的水力坡度較緩，平均水力坡度，左岸14°～17°，右岸22°～25°，谷坡下部卸荷帶水力坡度更小。大壩底部7#(左岸)和8#(右岸)灌漿平硐硐壁濕潤，局部滲、滴水。

3 廊道裂縫發(fā)育、滲水分布及特征

3.1 廊道裂縫發(fā)育及特征

現(xiàn)場廊道裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析表明，在統(tǒng)計(jì)的85條裂縫中，山體平硐內(nèi)有29條裂縫，其中左岸7#平硐內(nèi)(樁號(hào)0+50 m～0+174 m)有17條，占總裂縫數(shù)的20%；右岸8#平硐內(nèi)(樁號(hào)0+374.4 m～0+456 m)有12條，占總裂縫數(shù)的14.1%?；A(chǔ)廊道裂縫共56條，占總裂縫數(shù)的65.9%，主要分布在樁號(hào)0+190.2 m～0+354.2 m。統(tǒng)計(jì)的裂縫中有2條屬結(jié)構(gòu)縫，分別為樁號(hào)0+177.05 m和0+354.2 m。樁號(hào)0+177.2 m～0+190 m段，裂縫基本與壩軸線呈45°交角，且多貫通頂拱，少數(shù)成雁行錯(cuò)列變形；樁號(hào)0+325 m～0+345 m段，裂縫多為環(huán)向裂縫，大部分貫通頂拱。在樁號(hào)0+177.2 m處結(jié)構(gòu)縫寬由設(shè)計(jì)寬度的20 mm，變?yōu)?4.5 mm。

廊道中不同部位出現(xiàn)的各種裂縫表明，在不同部位廊道變形存在差異性，初步認(rèn)為，左側(cè)河床廊道裂縫具水平剪切性質(zhì)，裂縫表現(xiàn)為斜裂縫；右側(cè)河床廊道中環(huán)向裂縫則是鉛直方向差異沉降的結(jié)果；而出現(xiàn)在左、右岸灌漿平硐中的裂縫大部分可能是施工及其他原因產(chǎn)生的裂縫，圍巖變形裂縫可能性極小[5-6,8]。

3.2 滲水分布狀況及特征

廊道裂縫中出現(xiàn)滲水的有74條，占全部裂縫的87.1%。山體平硐內(nèi)裂縫滲水量較大，壩體內(nèi)廊道裂縫滲水量較少。有鈣質(zhì)析出的裂縫有74條，占全部裂縫的87.1%。一般情況下有滲水的裂縫都有鈣質(zhì)析出。特別的，在0+177.2 m處的滲滴水未見鈣質(zhì)析出，至今其滲水量基本無明顯變化，但是沿結(jié)構(gòu)逢有紅褐色鈣質(zhì)沉淀出現(xiàn)[7]。

圖1 7#灌漿平硐與河床廊道之間的加強(qiáng)灌漿帷幕和上游排水孔示意圖

通過對各滲水點(diǎn)的電導(dǎo)率檢測表明，7#灌漿平硐電導(dǎo)率基本為350～500 μs/cm，8#灌漿平硐電導(dǎo)率基本為400～750 μs/cm，河床廊道300～750 μs/cm，而兩結(jié)構(gòu)縫以及T5孔的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于其他滲水點(diǎn)的電導(dǎo)率，在1 000 μs/cm以上。

另外，施工單位在7#灌漿平硐0+177.2 m結(jié)構(gòu)縫左側(cè)上游邊墻和底板分別布置5個(gè)排水孔(施工順序依次為T2、T1、T3、T4、T5)(圖1)，其中T5孔打了約9 m就終孔，其余4孔在鉆進(jìn)過程中記錄了相關(guān)的流量和水壓力，經(jīng)分析，靠近岸坡0+175 m處的T2初始單位水壓力較高，但低于上游河水位，且以后流量基本穩(wěn)定，后期壓力緩慢升高；靠近山體的T1單位深度流量明顯大于其他3個(gè)排水孔，單位深度壓力也大于其他3個(gè)孔，壓力和流量恢復(fù)較快，表明其受補(bǔ)給較快。

經(jīng)底層廊道滲水調(diào)查分析，滲水存在區(qū)段性、時(shí)段性差異特點(diǎn)：

(1) 滲水存在較強(qiáng)區(qū)段性差異，兩岸基巖區(qū)段在施工過程中在頂拱、邊墻(上、下游)均有滲水，主要沿混凝土施工縫、混凝土缺陷縫浸水、滴水，有白色鈣質(zhì)析出。搭接帷幕、阻水帷幕及下游排水孔實(shí)施后，裂縫滲水減弱，主要表現(xiàn)為沿裂縫濕潤，局部滴水，白色鈣質(zhì)線狀析出。

(2) 河床廊道邊墻、頂拱未見滲水現(xiàn)象，主要沿底板的施工縫、缺陷縫、邊墻及頂拱見濕潤現(xiàn)象。

(3) 河床及兩岸接頭結(jié)構(gòu)縫處廊道邊墻底腳滲水嚴(yán)重，左岸0+177.2 m尤為嚴(yán)重，呈流水、涌水狀；右岸0+354.2 m處不嚴(yán)重，但有高塑性粘土被帶出，且左岸0+177.2 m流水、涌水有由最初的上游邊墻底腳向上至頂拱擴(kuò)展趨勢，有褐紅色鈣質(zhì)沉淀。

4 滲水水化學(xué)分析

前期勘察時(shí)，曾對壩區(qū)不同巖性中的水樣作了分析，花崗巖和流紋斑巖屬重碳酸鈣鉀鈉(HCO3-Ca-(Na+K))型水，玄武巖屬重碳酸硫酸鈣(HCO3-SO4-Ca)型水，凝灰?guī)r屬硫酸重碳酸鉀鈉鈣(SO4-HCO3-(Na+K)-Ca)型水；河床覆蓋層孔隙潛水和大渡河水二者化學(xué)類型基本一致，屬重碳酸鈣(HCO3-Ca)型水，尼日河水為重碳酸鈣鎂(HCO3-Ca-Mg)型水。它們的礦化度0.01～0.27 g/l，pH值一般為7.1～9.5，均屬弱堿性低礦化度淡水[9-14]。

在廊道未完成帷幕灌漿時(shí)，對廊道內(nèi)的滲水進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并測定各滲水點(diǎn)的電導(dǎo)率，0+177 m處沿結(jié)構(gòu)縫底板流水的電導(dǎo)率明顯高于其他各部位的水樣，8#灌漿平硐中水樣電導(dǎo)率略高于7#平硐中的水樣，另外，大渡河水的電導(dǎo)率為180 μs/cm，遠(yuǎn)低于其他出水點(diǎn)的電導(dǎo)率。

經(jīng)對廊道滲水等進(jìn)行采樣綜合分析，水化學(xué)特征可以歸納為以下幾點(diǎn)(圖2)：

(1) 河床廊道滲水與其他各水樣存在明顯區(qū)別，其水型為OH-Ca型，而河水及平硐水樣的水型為HCO3-Ca，花崗巖基巖裂隙水為HCO3-(Na+K)，有別于7#、8#平硐中的水樣，表明了平硐水樣受灌漿等施工影響。

(2) 河床廊道滲水pH值在11.5以上，為強(qiáng)堿性水；而其他水樣pH在7.3～8.0之間，為弱堿性水。礦化度的大小依次為：河床廊道滲水>平硐水>河水。

(3) 河床廊道中部滲水的Na、K離子含量遠(yuǎn)高于其他部位滲水的含量，極有可能是與高塑性粘土進(jìn)行離子交換吸附后的結(jié)果。

通過以上綜合對比分析，表明廊道滲水與其他水樣具有明顯差異。

水泥的水化過程的化學(xué)反應(yīng)式：

3 (CaO·SiO2) + 6 H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O (膠體) +3 Ca(OH)2(晶體)

(1)

2 (2CaO·SiO2)+4 H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2(晶體)

(2)

3 CaO·Al2O3+ 6 H2O = 3 CaO·Al2O3·

6 H2O(晶體)

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O= 3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O(膠體)

(4)

水泥水化后產(chǎn)生的游離氫氧化鈣，能與空氣和水中的二氧化碳反應(yīng)生成不溶于水的碳酸鈣[15]。利用aquachem 4.0軟件計(jì)算水樣的飽和指數(shù)，當(dāng)SI>0時(shí)，水與CaCO3處于過飽和狀態(tài)，產(chǎn)生沉淀，當(dāng)SI<0時(shí)，水與CaCO3處于非飽和狀態(tài)，CaCO3將繼續(xù)溶解，而結(jié)合表1的結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)縫處的滲水水樣的飽和指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0，水與CaCO3處于非飽和狀態(tài)；CaSO4均處于未飽和狀態(tài)，河床廊道滲水的CaCO3飽和指數(shù)為1.8～2.1左右，產(chǎn)生沉淀，與實(shí)際廊道多處出現(xiàn)的白色沉淀相符。

另外，高塑性粘土和防滲心墻料的pH為弱堿性。綜合以上分析，廊道滲水屬強(qiáng)堿性水，為其他水同混凝土、水泥土長期作用的結(jié)果，且即使混合有弱堿性水樣，如基巖裂隙水，也是少量的。

1.1區(qū)為堿土>堿；2.2區(qū)為堿>堿土；3.3區(qū)為弱酸>強(qiáng)酸；4.4區(qū)為強(qiáng)酸>弱酸；5.5區(qū)為碳酸鹽硬度>50%；6.6區(qū)為非碳酸鹽硬度>50%；7.7區(qū)為非碳酸鹽堿>50%；8.8區(qū)為碳酸鹽堿>50%；9.9區(qū)為無一對陰陽離子>50%圖2 某水電站廊道滲水水化學(xué)宏量組分Piper圖

表1 瀑布溝水電站廊道滲水水樣飽和指數(shù)

5 滲壓監(jiān)測分析

為監(jiān)測大壩防滲系統(tǒng)的防滲效果，分別在壩基(上游防滲墻之前、兩墻間、下游墻以后)和左右岸(灌漿帷幕后)布置滲壓計(jì)或測壓管監(jiān)測大壩滲壓的分布情況[16]。從圖3可以看出兩墻間壩基的水位變化規(guī)律與上下游河床的水位變化一致，相關(guān)性明顯，測值介于上下游水位之間，滲壓計(jì)(P10、P11)測點(diǎn)處的位勢(等于測點(diǎn)處水位與下游水位之差/上下游河床水位差)分別穩(wěn)定在35%和25%左右，表明上游防滲墻對上游水頭的削減作用顯著。但在2008年11月13日至2008年11月30日期間，兩墻間壩基水位出現(xiàn)突增的情況，滲壓計(jì)P10和P11的監(jiān)測水位分別上漲1 m和0.7 m，對應(yīng)位勢突增至60 %和45 %，而后測值穩(wěn)定于該值附近。水位突增是由于兩墻間壩基水體向下游滲透的排水條件發(fā)生改變所致。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場施工情況分析，2008年11月下旬期間剛好完成左岸基礎(chǔ)廊道的封閉帷幕灌漿。綜合分析認(rèn)為，兩墻間壩基水位突增是由于左岸基礎(chǔ)廊道的封閉帷幕阻斷了兩墻間壩基與下游的滲透通道，墻間水體無法排除而導(dǎo)致水位壅高，此后隨著水位的不斷升高，水體從其他滲透通道(如壩基的基礎(chǔ)灌漿廊道)流出，兩墻間壩基水位又重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖3 兩防滲墻之間樁號(hào)0+310 m壩基滲壓計(jì)測值-時(shí)間曲線

圖4為大壩左岸部位樁號(hào)0+148.49 m、壩0+00 m的滲壓計(jì)(P74～P76)和樁號(hào)0+159 m、壩0+00 m測壓管(UP28)測值-時(shí)間曲線，監(jiān)測水位介于上下游水位之間，且變化規(guī)律與上游水位的變化相似，表明該部位可能存在與河床水位相關(guān)的局部滲流現(xiàn)象，灌漿帷幕的防滲效果相對較差。這與實(shí)際的帷幕灌漿結(jié)果和倒垂孔的涌水情況相吻合。

兩墻間壩基水位變化極有可能與阻水帷幕灌漿實(shí)施有關(guān)，但是，阻水帷幕灌漿對于左岸基礎(chǔ)廊道中0+148.89 m處不同深度的P74～P76沒有明顯影響。同時(shí)，在其附近下游邊墻打的排水減壓孔出水量較大，對結(jié)構(gòu)縫的漏水量影響不明顯。

6 變形滲水及危害性分析評(píng)價(jià)

6.1 變形滲水分析評(píng)價(jià)

河床廊道變形開裂，尤其是兩岸接頭處，主要是與心墻區(qū)基礎(chǔ)固結(jié)灌漿及初期大壩快速填筑有關(guān)。特別是河床廊道兩側(cè)和中部的變形特征，表現(xiàn)為：左側(cè)河床廊道受剪切作用，集中出現(xiàn)斜裂縫；右側(cè)集中出現(xiàn)環(huán)向裂縫，與基礎(chǔ)廊道和廊道結(jié)構(gòu)縫監(jiān)測資料反映基本一致。

壩址區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，兩岸地下水由大氣降水補(bǔ)給，主要徑向排泄于河床，為基巖裂隙水。地下水位由河床向兩岸漸高，不存在大的聯(lián)系上、下游的集中滲漏斷層、破碎帶，F(xiàn)2斷層從性狀上看具阻水作用。結(jié)合水文地質(zhì)條件分析，廊道滲水來源主要有：

(1) 上游河水通過心墻壩基或上游岸坡經(jīng)貼坡面板內(nèi)側(cè)和淺表巖體繞滲至樁號(hào)0+177.2 m、0+354.2 m接頭處，由于接頭縫止水損壞，在水頭差作用下，滲流于廊道[17]。這應(yīng)是主要水源，從水質(zhì)分析和電導(dǎo)率檢測對比分析也得到驗(yàn)證。

圖4 大壩左岸樁號(hào)0+148.49 m、壩0+00 m滲壓計(jì)和樁號(hào)0+159 m、壩0+00 m測壓管測值-時(shí)間曲線

(2) 岸坡地下水，由于廊道施工存在缺陷縫、孔或洞，但不應(yīng)是近岸坡及接頭區(qū)滲水的主要來源。

(3) 上游河水由上游防滲墻缺陷處進(jìn)入兩墻間，并沿開裂、止水失效的結(jié)構(gòu)縫滲流出水。另外，從監(jiān)測反映情況看，兩岸灌漿平硐的帷幕防滲效果不是很好，須評(píng)價(jià)其防滲效果，防止在今后蓄水后在高水頭作用下，裂隙通道發(fā)生劈裂作用，滲流通道進(jìn)一步擴(kuò)大，影響防滲效果[18-21]。

6.2 危害性分析評(píng)價(jià)

截至2009年1月中旬，大壩心墻填筑高程為802.5 m，隨著大壩的后期填筑，將進(jìn)一步使大壩防滲墻和廊道變形，并可能使河床廊道產(chǎn)生新裂縫和舊裂縫的發(fā)展，將進(jìn)一步惡化防滲體系完整性。目前，由上、下游、上游與廊道間小水頭差下的滲水情況，已可以預(yù)測蓄水后高水頭作用下的滲水嚴(yán)重程度。防滲體系完整有效是土石壩安全運(yùn)行的保證，目前可見的上游與廊道間非隱蔽的體系都存在問題，那難以想象隱蔽的防滲墻、帷幕體系是否完整、有效。從目前0+354.2 m處情況看，已有高塑性粘土沿結(jié)構(gòu)縫被帶出，0+177.2 m處的褐紅色鈣質(zhì)沉淀估計(jì)也有高塑性粘土，同時(shí)0+176.2 m下游拱座的排水孔滲水與0+177.2 m處的結(jié)構(gòu)縫滴水電導(dǎo)率一致，表明高塑性粘土在結(jié)構(gòu)縫附近的防滲效果已經(jīng)變差。

7 結(jié)論及治理措施

(1) 河床廊道變形主要由上部荷載和下部防滲墻的變形及其他施工原因引起。

(2) 兩岸底層灌漿廊道的變形主要是因?yàn)槔鹊理艥仓嬖谌毕菀稹?/p>

(3) 結(jié)構(gòu)縫滲水主要應(yīng)是大渡河水從左側(cè)貼近岸坡基巖繞滲進(jìn)入兩墻間，通過破裂的止水縫漏水。

(4) 通過在左岸河床廊道樁號(hào)0+178.00 m～0+184.00 m之間、右岸河床廊道樁號(hào)0+347.50 m～0+353.50 m之間底板上靠下游邊墻部位布置5排灌漿孔，對基礎(chǔ)覆蓋層進(jìn)行水泥灌漿和結(jié)構(gòu)縫止水修復(fù)后，至今效果良好。

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作者簡介：張運(yùn)達(dá)(1976- )，男，四川萬源人，高級(jí)工程師，從事工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察工作。E-mail:zyunda@126.com

DAM CORRIDOR DEFORMATION AND WATER SEEPAGE ANALYSIS OF SOME HYDROPOWER STATION

ZHANG Yun-da，WANG Neng-feng， MA Jing-geng
(Powerchina Chengdu Engineering Corporation Limited,Sichuan Chengdu 610072,China)

Before storage of some hydropower station, the dam corridor appeared deformation and water seepage phenomenon. Through the fracture development characteristic and distribution, the basic characteristics of water seepage and its chemical analysis, combined with the pressure of deformation and seepage monitoring and comprehensive analysis, the author find out the reason of the corridor deformation and water seepage.On basis of the analysis, control measures are put forward, through consolidation grouting and structure seam water stop after repair, effect is good so far.

hydropower station；dam corridor water seepage；water chemical analysis；seepage monitoring；consolidation grouting

1006-4362(2016)04-0059-07

2016-07-19改回日期： 2016-09-28

TV74；TU433；TU472

A