汶川地震对陈村坝基渗流影响分析

邢林生，周建波，汪正春，孙 萍

（1.国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014；2.大唐陈村水力发电厂，安徽泾县 242500）

0 引 言

2008年5月12日14时28分，我国四川省东部汶川发生8.0级强烈地震，位于安徽南部距震中约1 400 km的陈村水电站坝址区有轻微震感。电站随即启动特殊运行工况监测方案，对大坝位移、渗流等重点项目进行加密观测，并增加人工巡视检查次数。与震前相比，震后坝顶水平、垂直位移和坝体裂缝未出现异常现象；深入坝基的10条倒垂线监测资料表明，5月12日17时即震后约2 h与震前当日8时的测值相对比，大坝基础水平位移量变化幅度只有0.06 mm，量值极小，大坝基础实际未发生水平位移。但监测发现，河床部位坝基防渗帷幕后部的扬压力和排水测孔水位，震后都有显著变化，绝大多数测孔震后比震前水位下降，同时坝基渗漏量显著增大，这种变化趋势一直延续到2008年底，部分测孔水位在2009年初仍未恢复到震前状态。本文依据陈村坝基地质条件、渗控措施以及坝基渗流实测资料，就汶川地震对陈村坝基渗流造成的影响进行分析研究。

1 坝基地质条件及渗控措施

1.1 坝基地质条件

陈村大坝为混凝土重力拱坝，最大坝高76.3 m，坝底最大宽度53.25 m，坝顶弧长419 m，共分28个坝段（自左向右编号3～30）。坝顶高程126.30 m，正常蓄水位 119.00 m，死水位101.00 m，水库总库容26.8亿m3，电站装机容量180 MW，1970年首次蓄水发电运行。大坝按7度设防。坝基由志留纪石英细砂岩、泥质细砂岩和砂质页岩三者互层组成，经过多次构造运动，岩石破碎，断层、裂隙、层间错动面纵横交错，破坏了坝基的整体性。左侧7坝段至河床17坝段的坝基处于F11（宽度一般为0.6～2.0 m，局部3.5～4.0 m）、F31（宽度0.7～1.0 m）、F32（宽度0.5～2.5 m）三条大断层的上下盘或交汇带上（见图1）。由于沿断层上盘一侧的影响带岩体被切割成大小不等的岩块，众多裂隙构成曲折迂回的集中渗漏强透水带，并与上游库区贯通，而压扭性断层破碎带本身却是弱透水体，因而这些断层把压力渗水集中和阻滞在左半个坝基中。F35（宽度0.5～4.0 m）大断层顺河向贯通右侧23坝段坝基。坝基相对隔水层（ω≤0.01L/min·m·m）埋藏较深，河床段和左侧在建基面以下40～50 m（见图2）。

图1 陈村大坝坝址地质构造示意图（高程单位：m）Fig.1 Geological structure of Chencun dam

1.2 坝基渗流控制措施

陈村坝基渗流条件复杂，设计采用堵排结合的防渗措施，并对坝基大断层进行封闭处理。

1.2.1 帷幕灌浆

在两侧110.00 m高程以上设水泥灌浆帷幕一排，向左右坝肩各延伸41.8 m和41.0 m。在110.00 m高程以下设主、副水泥灌浆帷幕各一排，主帷幕孔深至相对不透水层，为直孔，副帷幕孔位于主帷幕孔上游侧，并向上游倾斜2°～3°，较浅（见图3），后来又在7～17坝段主帷幕后部增设水泥灌浆补强帷幕一排。设计要求幕体ω≤0.01 L/min·m·m。1974年水泥灌浆帷幕完工后钻孔压水检查发现，7～17坝基幕体ω为 0.01～0.05 L/min·m·m 的孔段仍占 30%～40%，最大达0.132 L/min·m·m。帷幕后第1道排水幕线上扬压力系数最大达0.43，13～16坝段排水廊道渗漏量达45 L/min，遂决定在7～17坝段主、副帷幕之间再增设一排丙凝化学灌浆加强帷幕，采用直孔，孔深穿入F11大断层下盘5 m（见图3），基本孔距1.5 m。化灌施工是在水库蓄水后上下游水位差约40 m的条件下进行的，施工中克服了地下动水压力的干扰，保证了施工质量。1978年化灌结束后检测结果：丙凝加强幕体厚度约为2 m，幕体ω≤0.01 L/min·m·m的孔段占97.1%，其中ω≤0.005 L/min·m·m的孔段占91.3%，在幕体中心线上钻孔压水至少可承受150 m水头不破坏。陈村大坝帷幕设计上下游水位差＜60 m，幕体抗渗透破坏最小安全度＞5，整个丙凝加强帷幕沿坝轴线长约160 m，截水面积约6 600 m2，耗用丙凝10 t，这是我国第一座采用大量化灌形成防渗帷幕的水电工程。

1.2.2 排水系统设置

1.2.2.1 纵向廊道排水

在灌浆和排水廊道内，设置第1和第2道排水孔，河床坝段孔口高程分别为69.30 m和68.10 m，孔距3 m，终孔位于坝基接触面以下15～20 m。

1.2.2.2 横向廊道排水

在8、24坝段横向廊道内各布设一道排水孔，孔口高程为68.10～69.30 m。

图3 帷幕、排水孔及导流涵洞排水孔布置示意图（高程单位：m）Fig.3 Distribution of curtain,drainage holes and holes in diver-sion tunnel

1.2.2.3 坝趾排水

在14～21坝段厂坝之间坝趾部位（副厂房内）布设一道排水孔，孔口高程54.00 m，低于下游尾水，所排出的水汇集到深井泵集水井内抽排至下游。

1.2.2.4 涵洞集中排水

利用13坝段进口部位已封堵的原导流涵洞，前后布设两道各6孔辐射状排水孔，分别钻入帷幕与F11断层、F11与F32断层之间，深入基岩15～25 m，孔口高程57.00 m，排出的水汇集到溢流口高程62.00 m的集水槽内排至下游。

1.2.3 封闭断层

对与帷幕轴线相交的断层，在坝基接触部位挖深6～8 m，用混凝土塞封闭处理；对7～17坝段断层深部，用水泥帷幕封闭后，又用丙凝对F11、F31断层上、下盘以及F35断层上盘进行封闭灌浆；对F35断层还从下游峒挖回填混凝土进行封闭处理。

1978年，上述各项堵排防渗措施完工后，当库水位与帷幕化灌前相近时，7～17坝段第1道排水幕线上的扬压力系数为0.223～0.227，满足设计≤0.25的要求，13～16坝段排水廊道渗漏量为0。

2 地震前后坝基渗流变化趋势

2.1 扬压力测孔水位

全坝共布置扬压力测孔58个，其中在8、14、17、24坝段帷幕前各设一个测孔，在8、14、17坝段帷幕体内各设一个测孔。除帷幕体内测孔为深孔外，其余扬压力测孔终孔位置都在基岩接触面下0.5～1.0 m。8、14、17、24坝段帷幕前扬压力测孔距离坝踵分别约为4 m、1 m、1 m和4 m。

2.1.1 幕区扬压力测孔水位

表1是8、14、17、24坝段帷幕区扬压力测孔地震前后的水位情况，4次观测对应的库水位相接近。将5月12日17时即震后约2 h的测孔水位与震前5月5日的测值相对比，8、24坝段幕前测孔水位分别上升0.10 m和0.11 m，14坝段保持不变，17坝段下降0.20 m；8坝段幕中测孔水位保持不变，14、17坝段水位升、降变幅在0.10 m以内；幕后测孔水位2个坝段保持不变，2个坝段变幅很小，只有0.01 m。总体表明，帷幕前后坝基接触面附近的8个测孔和帷幕中的3个深孔，震后短时段内水位保持不变或变幅很小。将震后7 d5月19日各测孔水位与震前5月5日的测值相对比，除幕后8坝段测孔仍保持不变外，其它测孔升、降变幅为0.20～0.51 m，水位变幅总体有所增大，而震后21 d6月2日，各测孔水位升、降变幅总体上有所减小，震后5个多月的10月27日，多数测孔水位升、降变幅进一步减小。

2.1.2 帷幕后第1道排水幕线上扬压力测孔水位

表2列出了河床8～24坝段帷幕后第1道排水幕线上扬压力测孔地震前后的水位，6次观测对应的库水位都相近。地震后约2 h的测孔水位与震前5月5日的测值相比，总体变化不大，只有21、22坝段下降变幅分别为0.10 m和0.18 m，其它15个坝段都保持不变或升、降变幅很小。震后第7 d5月19日的测孔水位与震前5月5日的测值相比，除8、13坝段仍没有变化外，其它15个坝段都一致下降，10坝段下降变幅较小，为0.20 m，18、20坝段下降变幅较大，分别为1.47 m和1.60 m。震后21 d6月2日与震后第7 d5月19日相比，大多数坝段测孔水位基本保持不变或略有回升，只有17、19坝段继续下降。震后5个多月10月27日与震前5月5日相比，18、19、20、21坝段测孔水位下降幅度仍超过1 m。至2009年2月9日，多数坝段测孔水位已与震前2008年5月5日相接近，18、19、20坝段下降变幅仍稍大，分别为0.87 m、0.98 m和0.92 m。沿坝轴线方向测孔水位的变化趋势大致表现为：8～17坝段和22～24坝段下降变幅较小，18～21坝段下降变幅较大，且延续时间较长。

表1 防渗帷幕幕区扬压力测孔水位Table 1:Water level of uplift pressure observation holes at seepage prevention curtain area

表2 帷幕后第1道排水幕线上扬压力测孔水位Table 2:Water level of uplift pressure observation holes on the first drainage curtain line behind curtain

2.2 排水测孔水位及坝基渗漏量

2.2.1 灌浆廊道排水测孔水位

布置在河床8～24坝段灌浆廊道内的第1道排水孔，孔口高程较高，一般无渗水从孔口排出，由于这些孔深入基岩，通过孔内水位观测，可以了解基岩内渗流的变化情况。表3列出了8～24坝段地震前后排水测孔的水位，4次观测时库水位接近。震后2 d5月14日与震前5月6日相对比，17个坝段的测孔水位普遍下降，其中13和24坝段变化量很小，其它坝段下降显著，最大降幅达3.59 m，有6个坝段降幅超过1 m。震后5个多月11月4日各测孔水位比5月14日相比普遍回升，部分测孔已与震前5月6日相接近，但18、19、20坝段测孔水位仍比5月6日低1 m多。至2009年2月1日，多数坝段测孔水位已基本回复到震前状态，但18坝段测孔水位仍比震前2008年5月6日下降较多，为2.84 m。沿坝轴线方向测孔水位的变化趋势大致为：8～17和24坝段下降变幅相对较小，18、19、20和22坝段下降变幅较大，且延续时间较长。

2.2.2 坝基渗漏量

2.2.2.1 坝趾54.00 m高程渗漏量

坝趾54.00 m高程排水孔是全坝基孔口高程最低的排水孔，震后渗漏量增大趋势最为显著。表4

列出了地震前后6次渗漏量观测值，观测时库水位基本接近。震后2 d5月14日的渗漏量为震前4月28日的2.25倍。震后16 d5月28日的渗漏量继续增大，虽然当日库水位比震前4月28日低0.84 m，渗漏量却是震前的3.18倍。震后23 d6月4日的测值表明，渗漏量增大趋势已有回落，但仍是4月28日的2.63倍。至10月27日，渗漏量明显回落，是震前4月28日的1.2倍。一直到2009年2月2日，渗漏量恢复到正常状态。在渗漏量升降变化过程中，渗漏水清澈，未出现浑浊现象。

表3 灌浆廊道排水测孔水位Table 3:Water level of drainage holes in the grouting gallery

表4 坝趾54 m高程（副厂房内）排水孔渗漏量/L·min-1Table 4:Seepage of drainage holes on the elevation of 54 m(auxiliary power house)

2.2.2.2 坝基总渗漏量

表5列出了2006～2009年坝基总渗漏量和坝趾54.00 m高程的年渗漏量。从表5可大致看出，除2008年，其它年份坝基总渗漏量与当年平均库水位对应关系密切，2006和2009年平均库水位分别最低和最高，坝基总渗漏量分别最小和最大。2008年平均库水位虽然和2007年几乎相同，因地震影响，坝基总渗漏量增加了1 200 m3，增幅为24%。坝趾54.00 m高程排水孔的渗漏量，2008年比2007年增加幅度更大，达70%。2009年平均库水位虽然比2008年高出2.91 m，坝基渗漏量却明显减小，表明坝基总体防渗功能已基本恢复。

表5 坝基渗漏量Table 5:Seepage at dam foundation

3 地震影响机理及危害性分析

3.1 影响机理分析

在汶川地震力作用下，陈村坝基岩体和帷幕微细裂隙张开，渗透性增强，其地震响应的直观表征是坝基渗漏量增大。在库水位相近情况下，坝趾54.00 m高程排水孔渗漏量震后2 d达震前2.25倍，震后16 d达震前3.18倍。在年平均库水位几乎完全相同的情况下，坝趾54 m高程排水孔2008年的渗漏量比2007年增加70%，全坝基渗漏量增加1 200 m3，约为2007年的1/4，这样大的增幅表明坝基岩体和帷幕受地震影响，渗透性增强的效应比较显著。

坝基测孔水位下降是坝基在地震力作用下渗流条件变得相对通畅的表现。坝基不同部位测孔水位下降程度的不均匀性反映出各部位微细裂隙在地震力作用下张开程度是不同的。就顺河向而言，帷幕后测孔水位下降较大，表明经过全面防渗处理而形成的帷幕抗震能力较好。而沿坝轴线方向帷幕后的测孔水位，8～17坝段下降程度总体上比18～24坝段小，表明8～17坝段帷幕后的断层破碎带，由于做过局部防渗处理，加强了幕体，也具有相对较好的抗震能力。

随着时间的推移，坝基测孔水位逐渐回升，坝基渗漏量基本恢复到震前状态，表明地震力促使坝基岩体和帷幕微细裂隙张开的效应具有一定的可恢复性。震后7 d左右，帷幕后测孔水位下降大多达到最大值，随后绝大多数测孔水位开始回升；震后约5个半月，8～17坝段大多数测孔水位已与震前相接近，震后9个月基本恢复到震前状态；18～23坝段测孔水位恢复速度相对较慢，震后9个月仍有3个坝段下降超过 0.90 m，最大达 2.84 m。坝趾54.00 m高程排水孔渗漏量，震后约半个月达到最大值，随后逐渐减少，震后约9个月恢复到震前状态；2009年平均库水位比2008年高出2.91 m，但坝基总渗漏量却减少511 m3。上述变化趋势还表明，仅用水泥灌浆作防渗处理的部位，恢复速度相对较慢，而经过丙凝防渗灌浆处理的部位，恢复速度相对较快。丙凝是一种柔性化学材料，室内试验表明，自身强度虽低，充填入细缝中却有很大的抗挤出强度，并在遭受击穿破坏后，随着作用力的卸荷，具有回弹闭合自我修补能力，这次地震验证了这一宝贵性能。

3.2 危害性分析

位于8、14、17、24坝段帷幕前的4个扬压力测孔，距离坝踵1～4 m，钻孔深入基岩0.5～1.0 m，其孔内水位变化是坝踵附近坝体与基岩结合状态的直接反映。震后约2 h，这4个孔孔内水位与震前相比，1孔保持不变，3孔升、降变幅仅0.10～0.20 m，表明坝踵附近建基面在地震力作用下没有发生张开而引起扬压力水位突然上升现象。汶川地震发生时，陈村大坝库水位为107.50 m，比正常蓄水位119.00 m 低 11.50 m，比死水位 101.00 m高6.50 m，为较低水位运行工况，对大坝的抗震是有利的，震后帷幕前扬压力测孔水位变化以及大坝位移和倒垂线震后监测成果都与这一因素相吻合。

陈村重力拱坝坝底较厚，厚高比为0.698，河谷较宽，弧高比为5.491，坝基面扬压力是影响大坝稳定的重要荷载之一。汶川地震引起帷幕后扬压力测孔水位普遍下降，坝基面扬压力呈减小趋势，没有出现扬压力上升的恶化迹象，对大坝稳定没有产生不利影响。陈村坝基帷幕抗渗透破坏能力较强，安全度较高，地震引起的帷幕前后水头压差增大幅度较小，不会对帷幕造成破坏。地震引起坝基渗漏量显著增大的同时，未见渗漏水浑浊现象，表明坝基岩体和帷幕微细裂隙虽有张开，致使渗透性增强，但渗水未带出粗颗粒物质，没有发生机械管涌，坝基岩体和帷幕没有遭受损害。

18～23坝段帷幕后测孔水位，震后比震前下降值都超过1.1 m，至震后约9个月，19、20坝段坝基浅层扬压力测孔和18、19坝段坝基深部排水测孔水位的下降值仍超过0.90 m，明显大于其它部位，说明这部分坝基的微细裂隙张开程度最为显著，需继续加以关注。

4 结语

陈村水电站大坝距汶川地震震中1 400 km，受地震影响，坝基渗流发生较为显著的变化可能仅是一个工程个例。但从中可以看出，岩体破碎、地质条件差的坝基，其渗流性态对地震的影响比较敏感。坝基断层、裂隙、层面经过有效防渗处理后，抗震能力仍较强。丙凝化学加强灌浆不仅增强了岩体和帷幕的防渗和抗震能力，并具有较好的柔性自我修补性能，这是通过实践证实获得的一个重要信息。陈村坝基受汶川强烈地震影响，帷幕后测孔水位普遍下降，坝基渗漏量显著增大，但大坝稳定没有受到不利影响，坝基岩体和帷幕没有遭受损坏，震后约9个月，坝基整体防渗功能已逐渐恢复。部分坝段帷幕后测孔水位较长时段内仍未恢复到震前状态，尚需对其变化趋势和危害性做进一步分析研究。

[1]陈厚群，徐泽平，李敏.汶川大地震和大坝抗震安全[J].水利学报，2008，(10).

[2]周建平，李昇.汶川地震灾区水电工程震损调查及抗震复核工作简介[J].水力发电，2008，(11).

[3]邢林生，方榴声.陈村水电站大坝坝基渗流监测研究[J].水利学报，1990，(8).