張子陽(yáng)，榮 冠，顏月，譚堯升，蒙世仟

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，成都610041；3.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧530023）

1 概 述

水利水電工程中，水庫(kù)滲漏問(wèn)題屬于常見(jiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題，一般可分為壩體、壩基、壩端及繞壩滲漏［1］，滲漏影響電站蓄水發(fā)電效益，而且可能對(duì)大壩安全產(chǎn)生威脅。目前，進(jìn)行滲漏勘查方法主要有水文地質(zhì)鉆探、鉆孔電視成像、壓水試驗(yàn)、水化學(xué)分析、溫度或放射性同位素示蹤法［2-5］等。通過(guò)合理的方法找準(zhǔn)滲漏源并采取有效的監(jiān)測(cè)及防滲處理措施對(duì)保障電站發(fā)電效益與大壩安全具有重要意義。

白鶴灘水電站位于金沙江下游河段，壩型為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m。大壩工程于2017年4月開(kāi)始澆筑［6］，至今累計(jì)澆筑方量755 萬(wàn)m3，最大壩高澆筑高度263 m，最大澆筑高程829 m。為保障電站按期發(fā)電，對(duì)大壩上游進(jìn)行蓄水測(cè)試，于2020年4月26日動(dòng)工拆除上游圍堰，5月26日上游圍堰部分拆除工作完成，形成用于上游基坑充水的過(guò)流明渠，渠底高程621 m。6月6日水墊塘開(kāi)始充水，塘底高程560 m，塘內(nèi)歷史最高水位609 m。7月23日上游基坑開(kāi)始充水，金沙江汛期上游基坑內(nèi)歷史最高水位631 m。2020年5月中旬，大壩基礎(chǔ)排水廊道排水孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，且涌水量呈上升趨勢(shì)，其中17 號(hào)、18 號(hào)壩段排水孔涌水量較大，占比90%，截止至2020年11月中旬，17號(hào)、18號(hào)壩段排水孔歷史最大涌水量達(dá)410 L/min。

2 壩區(qū)基本地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

壩區(qū)為中山峽谷地貌，地勢(shì)南低北高，向東側(cè)傾斜，金沙江由南向北進(jìn)入壩前庫(kù)區(qū)，二道壩后流向逐漸轉(zhuǎn)向西北。壩區(qū)河谷呈不對(duì)稱V 字形，左岸岸坡相對(duì)平緩，右岸陡峻，壩區(qū)主要出露P2β二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，上覆T1f三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組砂、泥巖，巖層總體產(chǎn)狀N30°～55°E，SE∠15°～20°，巖層內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，規(guī)模較大的斷層有NWW 組F14、F16，NNE 組F17，層間錯(cuò)動(dòng)帶包括C2、C3、C3-1、C4、C5等，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶左岸發(fā)育程度高于右岸，規(guī)模較大的有LS331、LS337與RS331，河床下部P2β32-2巖層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育程度較高，主要有VS3216、VS3215、VS3214、VS3212等，順巖流層方向具有一定連通性［7］。

2.2 水文地質(zhì)條件

基巖裂隙水為壩區(qū)主要地下水類型，主要賦存區(qū)域包括兩岸邊坡風(fēng)化卸荷巖體、層間及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、斷層以及裂隙發(fā)育巖體。地下水的運(yùn)移主要由斷層、層間及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶控制，構(gòu)成壩區(qū)滲流場(chǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)。左岸分布有斷層F14、F16、F17，層間錯(cuò)動(dòng)帶C2、C3、C3-1，這些構(gòu)造在平行結(jié)構(gòu)面方向上透水性強(qiáng)，垂直結(jié)構(gòu)面方向上具有阻水作用，現(xiàn)場(chǎng)勘探鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中地下水位變化情況說(shuō)明壩區(qū)左岸地下水具有分層性，地下水主要進(jìn)行近水平向的流動(dòng)。右岸大氣降水受飛仙關(guān)組砂泥巖、凝灰?guī)r的阻隔，坡頂入滲補(bǔ)給水量有限，岸坡陡峻，坡面降水入滲同樣受阻，主要通過(guò)地表徑流及孔隙水流匯入金沙江，導(dǎo)致右岸地下水位埋深較大，左右岸地下水流系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 左右岸地下水流系統(tǒng)示意圖Fig.1 Groundwater flow system of left and right banks in dam site area

3 涌水區(qū)域概況

涌水區(qū)域位于河床壩基，該部位基巖自上而下為P2β33層一類柱狀節(jié)理玄武巖、P2β32-3層角礫熔巖及P2β32-2層二類柱狀節(jié)理玄武巖、P2β32-1層杏仁狀玄武巖，大壩河床壩段帷幕灌漿采取“副主副”三排孔，孔距2.0 m，排距1.0～1.1 m，副帷幕底部高程480 m，主帷幕底部高程440 m，灌漿廊道底板距離建基面13 m，防滲帷幕后基礎(chǔ)排水廊道設(shè)兩排排水孔，排水孔入巖深度60 m，最低至高程485 m。河床壩基在施工期發(fā)生過(guò)兩次涌水，具體情況如下：

2018年8月，18 號(hào)壩段帷幕灌漿1 號(hào)與4 號(hào)檢查孔在壓水試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)生涌水，總流量25.4 L/min，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔電視成像結(jié)果顯示，涌水孔段45 m 至75m 范圍內(nèi)緩傾角裂隙發(fā)育，LS331、VS3211、VS3216等錯(cuò)動(dòng)帶出露，未見(jiàn)水泥結(jié)石充填。

2019年12月31日，17 號(hào)、18 號(hào)壩段基礎(chǔ)排水廊道排水孔開(kāi)始施工，2月中旬施工完成，2020年5月下旬壩基排水廊道排水孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水區(qū)域主要集中在17 號(hào)、18 號(hào)壩段，涌水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示該區(qū)域涌水量占總涌水量90%以上，17 號(hào)、18號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道排水孔涌水情況見(jiàn)圖2。

圖2 壩基排水廊道涌水量分布圖（2020年10月26日）Fig.2 Gush water quantity of drainage holes（2020.10.26）

自17 號(hào)、18 號(hào)壩段基礎(chǔ)排水廊道排水孔出現(xiàn)涌水，歷經(jīng)一個(gè)月，涌水量自28.19 L/min 增大至310 L/min，后續(xù)涌水量小幅度上升，保持在350 L/min 上下浮動(dòng)，歷史最大涌水量為410 L/min（2020年10月26日），涌水量時(shí)變趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 涌水量時(shí)變趨勢(shì)圖Fig.3 Time-changing trend diagram of gush water quantity

4 涌水來(lái)源及滲漏通道分析

4.1 水化學(xué)分析

水化學(xué)分析是檢驗(yàn)防滲帷幕和壩體混凝土是否被溶蝕的重要手段，也可用于分析辨別滲漏水與壩區(qū)環(huán)境水從屬關(guān)系［8］，通過(guò)化學(xué)和物理方法測(cè)定水中各種化學(xué)成分，鑒別和確定水中所含物質(zhì)和化學(xué)成分含量。壩區(qū)環(huán)境水分為地表水與地下水，地表水包括金沙江江水和兩岸沖溝水，地下水包括兩岸岸坡裂隙水、左右岸山體深部裂隙水和覆蓋層內(nèi)孔隙水，對(duì)壩區(qū)水體進(jìn)行水化學(xué)分析，不同區(qū)域共采集了66 件水樣［7］，水化學(xué)分析結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 壩區(qū)環(huán)境水化學(xué)分析成果匯總表Tab.1 Hydro-chemical analysis of water in dam site area

壩區(qū)水體中主要離子成分有Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-、CO32-，水體離子成分隨著取樣點(diǎn)的不同存在較大差異，但整體上水質(zhì)分布具有一定的規(guī)律性。地下水運(yùn)移過(guò)程中與玄武巖礦物成分發(fā)生不全等反應(yīng)，反應(yīng)式如（1）所示：

從反應(yīng)式可以看出，在山體內(nèi)部地下水運(yùn)移距離越長(zhǎng)，反應(yīng)越充分，水中Na+、K+離子含量越高，Ca2+、Mg2+離子含量相對(duì)減小，地下水礦化度及硬度降低。此外，運(yùn)移過(guò)程中玄武巖中的透輝石、橄欖石等與水中H+發(fā)生反應(yīng)，H+含量逐漸減小且達(dá)到平衡狀態(tài)，從而使pH值由岸坡向山體內(nèi)逐漸增大。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)17 號(hào)、18 號(hào)壩段排水孔涌水隨機(jī)取樣進(jìn)行水質(zhì)分析，分析結(jié)果如表2 所示，以江水水質(zhì)為參照，17 號(hào)、18 號(hào)壩段涌水總硬度較低，pH值較高，符合深部裂隙水化學(xué)特征，同時(shí)與18 號(hào)壩段帷幕檢查孔涌水對(duì)比，兩者指標(biāo)差異較小，且兩次涌水點(diǎn)空間上相距較近，說(shuō)明不同時(shí)期不同位置的兩次涌水現(xiàn)象聯(lián)系密切。

表2 涌水化學(xué)分析結(jié)果Tab.2 Hydro-chemistry analysis of gush water

4.2 涌水來(lái)源分析

綜合水文地質(zhì)資料與水化學(xué)分析結(jié)果，初步認(rèn)為17 號(hào)、18號(hào)壩段基礎(chǔ)排水廊道涌水來(lái)源存在3種可能：上游庫(kù)水、基巖原生深部承壓裂隙水和左岸山體深部裂隙水，下面逐一進(jìn)行分析。

（1）上游庫(kù)水。上游圍堰動(dòng)工拆除對(duì)圍堰至壩前帷幕范圍內(nèi)滲流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，17 號(hào)、18 號(hào)壩段帷幕前水頭值持續(xù)攀升后趨于穩(wěn)定，直至7月23日壩前基坑正式充水，帷幕前水頭值再次上升，見(jiàn)圖4。涌水量與帷幕前水頭值時(shí)變趨勢(shì)圖顯示，17號(hào)、18 號(hào)壩段帷幕前水頭值首次攀升時(shí)間段內(nèi)，涌水量呈快速上升趨勢(shì)，之后17 號(hào)、18 號(hào)壩段帷幕前水頭值經(jīng)歷兩次劇烈變化，期間涌水量對(duì)應(yīng)形成類似變化趨勢(shì)，但水質(zhì)分析結(jié)果表明金沙江江水水質(zhì)與排水孔涌水水質(zhì)相差較大，排除上游庫(kù)水直接透過(guò)防滲帷幕，但不排除上游庫(kù)水通過(guò)左岸山體產(chǎn)生繞滲，繞滲過(guò)程中發(fā)生水-巖間的相互作用，繞滲滲徑較長(zhǎng)，水巖作用充分，滲水硬度降低，pH 值升高，與涌水化學(xué)特征相符，不排除上游庫(kù)水可能是17 號(hào)、18 號(hào)壩段基礎(chǔ)排水廊道涌水來(lái)源之一。

圖4 涌水量與帷幕前水頭值時(shí)變趨勢(shì)圖Fig.4 Time-changing trend diagram of gushed water quantity and headwater before curtain

（2）基巖原生深部承壓水涌水來(lái)源的另一種可能是壩基基巖下內(nèi)部承壓水，承壓水即充滿在兩個(gè)隔水層或弱透水層之間的含水層中能承受壓力的地下水，在適宜的地形條件下，當(dāng)鉆孔揭露到承壓水時(shí)，便能形成自噴水流。承壓水的埋藏條件是透水層的上下均具有相對(duì)隔水層，且地下水必須充滿整個(gè)透水層。

電站大壩建基面以下25 m范圍內(nèi)采取固結(jié)灌漿工程措施，帷幕灌漿資料顯示，基巖面下25 m固結(jié)灌漿范圍內(nèi)吸漿量普遍小于20 kg/m，使該范圍內(nèi)巖體平均透水率低于1 Lu，可當(dāng)做隔水層，主帷幕底部高程440 m以下巖體完整性較好，視為相對(duì)隔水層，相對(duì)隔水層頂板上部巖層內(nèi)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶及裂隙發(fā)育，滿足地下水賦存及徑流條件，且埋深較大，可構(gòu)成承壓水。但由于排水孔施工過(guò)程中，第一時(shí)間并未出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水發(fā)生在排水孔施工完成數(shù)月之后，說(shuō)明固結(jié)灌漿巖體與440 m 高程以下巖體之間形成完整的壩基深部承壓含水層可能性較小，但可能存在局部承壓層，據(jù)此排除原生深部承壓水作為17 號(hào)、18號(hào)壩段基礎(chǔ)排水廊道涌水來(lái)源的可能性。

（3）左岸山體深部裂隙水。左岸山體地下水位總體上隨著距河谷水平距離的增大而逐漸抬高，地下水位變化與降水量關(guān)系密切，但降水補(bǔ)給地下水具有時(shí)效性（見(jiàn)圖5）。白鶴灘降雨主要集中在5-10月，可占全年總降水量90%以上［9］，2020年降雨資料顯示，1-4月基本無(wú)降雨，5月份降雨較前期降雨顯著加大，連續(xù)降雨使金沙江流域地下水活動(dòng)活躍起來(lái)。17 號(hào)、18 號(hào)壩段排水廊道排水孔涌水始于5月14日，認(rèn)為建基面下32～63 m 范圍內(nèi)存在網(wǎng)絡(luò)裂隙含水層，地下水活躍，激活滲漏通道，網(wǎng)絡(luò)裂隙含水層通過(guò)滲漏通道得到水量補(bǔ)給，裂隙水承壓，17號(hào)、18號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道排水孔成為裂隙承壓水排水區(qū)，產(chǎn)生涌水。

圖5 涌水量與降雨量時(shí)變趨勢(shì)圖Fig.5 Time-changing trend diagram of gushed water quantity and rainfall

排水孔施工期內(nèi)，鉆孔揭露裂隙水含水層內(nèi)透水結(jié)構(gòu)但并未產(chǎn)生涌水，是因?yàn)榻鹕辰饔蛘幱诳菟?，降水不足，山體內(nèi)地下水欠活躍，地下水無(wú)法得到補(bǔ)給。另一方面，壩區(qū)環(huán)境水化學(xué)分析結(jié)果與涌水化學(xué)分析結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)左岸山體深部裂隙水與涌水化學(xué)特征相符，綜合上述分析認(rèn)為左岸山體深部裂隙水是17號(hào)、18號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道排水孔涌水主要來(lái)源。

4.3 涌水滲漏通道分析

白鶴灘水電站左岸壩基基礎(chǔ)防滲帷幕與地下廠房防滲帷幕相互連接，與水墊塘后二道壩防滲帷幕形成完備的防滲體系，一般情況下，僅有少量地下水能夠通過(guò)防滲帷幕后的排水孔緩慢排出，而17 號(hào)、18 號(hào)壩段的排水廊道中排水孔的滲漏量顯著偏大，據(jù)此判斷壩區(qū)帷幕后存在滲漏通道，依據(jù)壩區(qū)工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件，綜合涌水來(lái)源分析結(jié)果，認(rèn)為滲漏通道位于壩區(qū)左岸，涌水滲漏通道示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 涌水滲漏通道示意圖Fig.6 Leakage paths associated with water gushing

壩區(qū)左岸地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)裂隙結(jié)構(gòu)廣泛分布于基巖與兩岸山體內(nèi)，為地下水賦存提供場(chǎng)所，由斷層、層間及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜的脈狀結(jié)構(gòu)為地下水的運(yùn)移提供通道。斷層F17上盤(pán)發(fā)育有f108、f118、f145等張扭性斷層，下盤(pán)斷層不發(fā)育；層間錯(cuò)動(dòng)帶C3-1、C3上盤(pán)發(fā)育層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS423、LS415、LS414、LS411等，下盤(pán)發(fā)育層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS331、LS337、LS3318、LS3319等，上述結(jié)構(gòu)面類型多為巖塊巖屑，大多呈中等透水［10］，C3下部P2β33層第一類柱狀節(jié)理玄武巖，內(nèi)部裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)。

河床壩基自上而下巖層巖性依次為P2β32-2層第二類柱狀節(jié)理玄武巖，P2β32-1層角礫熔巖、含杏仁玄武巖，P2β31層角礫熔巖、杏仁狀玄武巖、斜斑玄武巖，第二類柱狀節(jié)理玄武巖內(nèi)發(fā)育有層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶VS3216、VS3215、VS3214、VS3212，深部揭露層間錯(cuò)動(dòng)帶C2，位于河床地面以下120 m，高程低于防滲帷幕底部高程。壩基固結(jié)灌漿資料顯示，河床17號(hào)、18號(hào)壩段第7～14段吸漿量大于等于50 kg/m，說(shuō)明該范圍內(nèi)巖體裂隙較發(fā)育且受多組層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶切割，完整性較差，透水性較強(qiáng)，儲(chǔ)水能力強(qiáng)。

防滲帷幕后，左岸山體深部裂隙水經(jīng)層間錯(cuò)動(dòng)帶、斷層等脈狀導(dǎo)水結(jié)構(gòu)、P2β3

3層第一類柱狀節(jié)理玄武巖、P2β32-2層第二類柱狀節(jié)理玄武巖向河床岸坡與壩基匯集。岸坡開(kāi)挖筑壩后，排泄受阻后向下經(jīng)F17斷層破碎帶繼續(xù)流向壩基深部或通過(guò)錯(cuò)動(dòng)區(qū)域穿過(guò)F17斷層向河床壩基匯集；向壩基深部匯集的滲水匯集至C2與F17交界處，交界處兩者發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，滲水流經(jīng)錯(cuò)動(dòng)區(qū)域穿過(guò)F17斷層，經(jīng)C2層間錯(cuò)動(dòng)帶流向河床壩基處，河床壩基下部P2β3

2-2層第二類柱狀節(jié)理玄武巖內(nèi)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，進(jìn)入雨季，左岸地下水活躍度上升，河床下部裂隙水通過(guò)上述滲漏通道得到源源不斷地補(bǔ)充，最終導(dǎo)致裂隙水承壓經(jīng)17、18 號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道排水孔涌出，受降雨月內(nèi)分配不均及降雨入滲時(shí)效性影響，涌水量隨時(shí)間上下波動(dòng)。

5 結(jié)論及建議

以河床壩段排水廊道滲漏點(diǎn)涌水量時(shí)變趨勢(shì)圖為切入點(diǎn)，應(yīng)用水化學(xué)分析方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察及水文地質(zhì)資料，對(duì)河床壩段排水廊道涌水來(lái)源及可能存在的滲漏通道進(jìn)行綜合分析，得出以下結(jié)論。

（1）左岸山體裂隙水為壩基基礎(chǔ)廊道排水孔涌水主要來(lái)源；

（2）左岸巖流層傾向河床壩基，山體內(nèi)脈狀導(dǎo)水結(jié)構(gòu)密布，C2、C3、C3-1、F17等主要脈狀結(jié)構(gòu)及柱狀節(jié)理玄武巖所處巖層為主要滲漏通道；

（3）降雨與涌水關(guān)系密切，但降雨入滲補(bǔ)充地下水具有時(shí)效性，涌水量變化滯后。

白鶴灘水電站大壩工程將于2021年全面澆筑完成，蓄水計(jì)劃啟動(dòng)，大壩初蓄階段，加強(qiáng)斷層、層間及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶等透水性較強(qiáng)、滲流控制薄弱區(qū)域滲流監(jiān)測(cè)，特別是左壩肩C2、C3、C3-1截滲洞、左岸地下廠房及排水廊道等處是重點(diǎn)部位。切實(shí)開(kāi)展涌水區(qū)域滲流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行水化學(xué)分析，以掌握蓄水過(guò)程中壩區(qū)滲流狀態(tài)實(shí)時(shí)變化，為電站安全平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。□