白鶴灘水電站壩基排水廊道施工期涌水成因分析

張子陽，榮 冠，顏月，譚堯升，蒙世仟

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072；2.中國三峽建設管理有限公司，成都610041；3.廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧530023）

1 概 述

水利水電工程中，水庫滲漏問題屬于常見的工程地質問題，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電效益，而且可能對大壩安全產生威脅。目前，進行滲漏勘查方法主要有水文地質鉆探、鉆孔電視成像、壓水試驗、水化學分析、溫度或放射性同位素示蹤法［2-5］等。通過合理的方法找準滲漏源并采取有效的監測及防滲處理措施對保障電站發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月開始澆筑［6］，至今累計澆筑方量755 萬m3，最大壩高澆筑高度263 m，最大澆筑高程829 m。為保障電站按期發電，對大壩上游進行蓄水測試，于2020年4月26日動工拆除上游圍堰，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流明渠，渠底高程621 m。6月6日水墊塘開始充水，塘底高程560 m，塘內歷史最高水位609 m。7月23日上游基坑開始充水，金沙江汛期上游基坑內歷史最高水位631 m。2020年5月中旬，大壩基礎排水廊道排水孔出現涌水現象，且涌水量呈上升趨勢，其中17 號、18 號壩段排水孔涌水量較大，占比90%，截止至2020年11月中旬，17號、18號壩段排水孔歷史最大涌水量達410 L/min。

2 壩區基本地質條件

2.1 工程地質條件

壩區為中山峽谷地貌，地勢南低北高，向東側傾斜，金沙江由南向北進入壩前庫區，二道壩后流向逐漸轉向西北。壩區河谷呈不對稱V 字形，左岸岸坡相對平緩，右岸陡峻，壩區主要出露P2β二疊系上統峨眉山組玄武巖，上覆T1f三疊系下統飛仙關組砂、泥巖，巖層總體產狀N30°～55°E，SE∠15°～20°，巖層內斷裂構造發育，規模較大的斷層有NWW 組F14、F16，NNE 組F17，層間錯動帶包括C2、C3、C3-1、C4、C5等，層內錯動帶左岸發育程度高于右岸，規模較大的有LS331、LS337與RS331，河床下部P2β32-2巖層內錯動帶發育程度較高，主要有VS3216、VS3215、VS3214、VS3212等，順巖流層方向具有一定連通性［7］。

2.2 水文地質條件

基巖裂隙水為壩區主要地下水類型，主要賦存區域包括兩岸邊坡風化卸荷巖體、層間及層內錯動帶、斷層以及裂隙發育巖體。地下水的運移主要由斷層、層間及層內錯動帶控制，構成壩區滲流場的主干網絡。左岸分布有斷層F14、F16、F17，層間錯動帶C2、C3、C3-1，這些構造在平行結構面方向上透水性強，垂直結構面方向上具有阻水作用，現場勘探鉆孔鉆進過程中地下水位變化情況說明壩區左岸地下水具有分層性，地下水主要進行近水平向的流動。右岸大氣降水受飛仙關組砂泥巖、凝灰巖的阻隔，坡頂入滲補給水量有限，岸坡陡峻，坡面降水入滲同樣受阻，主要通過地表徑流及孔隙水流匯入金沙江，導致右岸地下水位埋深較大，左右岸地下水流系統見圖1。

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

3 涌水區域概況

涌水區域位于河床壩基，該部位基巖自上而下為P2β33層一類柱狀節理玄武巖、P2β32-3層角礫熔巖及P2β32-2層二類柱狀節理玄武巖、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，防滲帷幕后基礎排水廊道設兩排排水孔，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生過兩次涌水，具體情況如下：

2018年8月，18 號壩段帷幕灌漿1 號與4 號檢查孔在壓水試驗結束后發生涌水，總流量25.4 L/min，現場鉆孔電視成像結果顯示，涌水孔段45 m 至75m 范圍內緩傾角裂隙發育，LS331、VS3211、VS3216等錯動帶出露，未見水泥結石充填。

2019年12月31日，17 號、18 號壩段基礎排水廊道排水孔開始施工，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涌水現象，涌水區域主要集中在17 號、18 號壩段，涌水量統計結果顯示該區域涌水量占總涌水量90%以上，17 號、18號壩段基礎廊道排水孔涌水情況見圖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、18 號壩段基礎排水廊道排水孔出現涌水，歷經一個月，涌水量自28.19 L/min 增大至310 L/min，后續涌水量小幅度上升，保持在350 L/min 上下浮動，歷史最大涌水量為410 L/min（2020年10月26日），涌水量時變趨勢見圖3。

圖3 涌水量時變趨勢圖Fig.3 Time-changing trend diagram of gush water quantity

4 涌水來源及滲漏通道分析

4.1 水化學分析

水化學分析是檢驗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環境水從屬關系［8］，通過化學和物理方法測定水中各種化學成分，鑒別和確定水中所含物質和化學成分含量。壩區環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孔隙水，對壩區水體進行水化學分析，不同區域共采集了66 件水樣［7］，水化學分析結果匯總見表1。

表1 壩區環境水化學分析成果匯總表Tab.1 Hydro-chemical analysis of water in dam site area

壩區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的不同存在較大差異，但整體上水質分布具有一定的規律性。地下水運移過程中與玄武巖礦物成分發生不全等反應，反應式如（1）所示：

從反應式可以看出，在山體內部地下水運移距離越長，反應越充分，水中Na+、K+離子含量越高，Ca2+、Mg2+離子含量相對減小，地下水礦化度及硬度降低。此外，運移過程中玄武巖中的透輝石、橄欖石等與水中H+發生反應，H+含量逐漸減小且達到平衡狀態，從而使pH值由岸坡向山體內逐漸增大。

現場對17 號、18 號壩段排水孔涌水隨機取樣進行水質分析，分析結果如表2 所示，以江水水質為參照，17 號、18 號壩段涌水總硬度較低，pH值較高，符合深部裂隙水化學特征，同時與18 號壩段帷幕檢查孔涌水對比，兩者指標差異較小，且兩次涌水點空間上相距較近，說明不同時期不同位置的兩次涌水現象聯系密切。

表2 涌水化學分析結果Tab.2 Hydro-chemistry analysis of gush water

4.2 涌水來源分析

綜合水文地質資料與水化學分析結果，初步認為17 號、18號壩段基礎排水廊道涌水來源存在3種可能：上游庫水、基巖原生深部承壓裂隙水和左岸山體深部裂隙水，下面逐一進行分析。

（1）上游庫水。上游圍堰動工拆除對圍堰至壩前帷幕范圍內滲流場產生擾動，17 號、18 號壩段帷幕前水頭值持續攀升后趨于穩定，直至7月23日壩前基坑正式充水，帷幕前水頭值再次上升，見圖4。涌水量與帷幕前水頭值時變趨勢圖顯示，17號、18 號壩段帷幕前水頭值首次攀升時間段內，涌水量呈快速上升趨勢，之后17 號、18 號壩段帷幕前水頭值經歷兩次劇烈變化，期間涌水量對應形成類似變化趨勢，但水質分析結果表明金沙江江水水質與排水孔涌水水質相差較大，排除上游庫水直接透過防滲帷幕，但不排除上游庫水通過左岸山體產生繞滲，繞滲過程中發生水-巖間的相互作用，繞滲滲徑較長，水巖作用充分，滲水硬度降低，pH 值升高，與涌水化學特征相符，不排除上游庫水可能是17 號、18 號壩段基礎排水廊道涌水來源之一。

圖4 涌水量與帷幕前水頭值時變趨勢圖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源的另一種可能是壩基基巖下內部承壓水，承壓水即充滿在兩個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，當鉆孔揭露到承壓水時，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隔水層，且地下水必須充滿整個透水層。

電站大壩建基面以下25 m范圍內采取固結灌漿工程措施，帷幕灌漿資料顯示，基巖面下25 m固結灌漿范圍內吸漿量普遍小于20 kg/m，使該范圍內巖體平均透水率低于1 Lu，可當做隔水層，主帷幕底部高程440 m以下巖體完整性較好，視為相對隔水層，相對隔水層頂板上部巖層內緩傾角錯動帶及裂隙發育，滿足地下水賦存及徑流條件，且埋深較大，可構成承壓水。但由于排水孔施工過程中，第一時間并未出現涌水現象，涌水發生在排水孔施工完成數月之后，說明固結灌漿巖體與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，據此排除原生深部承壓水作為17 號、18號壩段基礎排水廊道涌水來源的可能性。

（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系密切，但降水補給地下水具有時效性（見圖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月基本無降雨，5月份降雨較前期降雨顯著加大，連續降雨使金沙江流域地下水活動活躍起來。17 號、18 號壩段排水廊道排水孔涌水始于5月14日，認為建基面下32～63 m 范圍內存在網絡裂隙含水層，地下水活躍，激活滲漏通道，網絡裂隙含水層通過滲漏通道得到水量補給，裂隙水承壓，17號、18號壩段基礎廊道排水孔成為裂隙承壓水排水區，產生涌水。

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

排水孔施工期內，鉆孔揭露裂隙水含水層內透水結構但并未產生涌水，是因為金沙江流域正處于枯水期，降水不足，山體內地下水欠活躍，地下水無法得到補給。另一方面，壩區環境水化學分析結果與涌水化學分析結果對比分析，發現左岸山體深部裂隙水與涌水化學特征相符，綜合上述分析認為左岸山體深部裂隙水是17號、18號壩段基礎廊道排水孔涌水主要來源。

4.3 涌水滲漏通道分析

白鶴灘水電站左岸壩基基礎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防滲帷幕后的排水孔緩慢排出，而17 號、18 號壩段的排水廊道中排水孔的滲漏量顯著偏大，據此判斷壩區帷幕后存在滲漏通道，依據壩區工程地質條件與水文地質條件，綜合涌水來源分析結果，認為滲漏通道位于壩區左岸，涌水滲漏通道示意圖見圖6。

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

壩區左岸地質構造發育，風化卸荷強烈，巖體結構復雜，網絡裂隙結構廣泛分布于基巖與兩岸山體內，為地下水賦存提供場所，由斷層、層間及層內錯動帶構成錯綜復雜的脈狀結構為地下水的運移提供通道。斷層F17上盤發育有f108、f118、f145等張扭性斷層，下盤斷層不發育；層間錯動帶C3-1、C3上盤發育層內錯動帶LS423、LS415、LS414、LS411等，下盤發育層內錯動帶LS331、LS337、LS3318、LS3319等，上述結構面類型多為巖塊巖屑，大多呈中等透水［10］，C3下部P2β33層第一類柱狀節理玄武巖，內部裂隙發育，透水性強。

河床壩基自上而下巖層巖性依次為P2β32-2層第二類柱狀節理玄武巖，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，第二類柱狀節理玄武巖內發育有層內錯動帶VS3216、VS3215、VS3214、VS3212，深部揭露層間錯動帶C2，位于河床地面以下120 m，高程低于防滲帷幕底部高程。壩基固結灌漿資料顯示，河床17號、18號壩段第7～14段吸漿量大于等于50 kg/m，說明該范圍內巖體裂隙較發育且受多組層內錯動帶切割，完整性較差，透水性較強，儲水能力強。

防滲帷幕后，左岸山體深部裂隙水經層間錯動帶、斷層等脈狀導水結構、P2β3

3層第一類柱狀節理玄武巖、P2β32-2層第二類柱狀節理玄武巖向河床岸坡與壩基匯集。岸坡開挖筑壩后，排泄受阻后向下經F17斷層破碎帶繼續流向壩基深部或通過錯動區域穿過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，交界處兩者發生明顯錯動，滲水流經錯動區域穿過F17斷層，經C2層間錯動帶流向河床壩基處，河床壩基下部P2β3

2-2層第二類柱狀節理玄武巖內層內錯動帶發育，進入雨季，左岸地下水活躍度上升，河床下部裂隙水通過上述滲漏通道得到源源不斷地補充，最終導致裂隙水承壓經17、18 號壩段基礎廊道排水孔涌出，受降雨月內分配不均及降雨入滲時效性影響，涌水量隨時間上下波動。

5 結論及建議

以河床壩段排水廊道滲漏點涌水量時變趨勢圖為切入點，應用水化學分析方法，結合現場勘察及水文地質資料，對河床壩段排水廊道涌水來源及可能存在的滲漏通道進行綜合分析，得出以下結論。

（1）左岸山體裂隙水為壩基基礎廊道排水孔涌水主要來源；

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

（3）降雨與涌水關系密切，但降雨入滲補充地下水具有時效性，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，蓄水計劃啟動，大壩初蓄階段，加強斷層、層間及層內錯動帶等透水性較強、滲流控制薄弱區域滲流監測，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部位。切實開展涌水區域滲流實時監測，必要時進行水化學分析，以掌握蓄水過程中壩區滲流狀態實時變化，為電站安全平穩運行提供保障。□