某水电站大坝基础廊道变形渗水分析

张运达，王能峰，马金根(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

某水电站大坝基础廊道变形渗水分析

张运达，王能峰，马金根
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

某水电站蓄水前，大坝基础廊道多处出现变形渗水现象。通过对廊道裂缝发育特征及渗水点分布状况、渗水点基本特征和渗水水化学的分析，并结合变形及渗压监测综合分析，查明了廊道变形和渗水原因。在此基础上提出了治理措施，通过补充固结灌浆和结构缝止水修复治理后，至今效果良好。

水电站；廊道渗水；水化学；渗压监测；固结灌浆

1 工程概况

某水电站坝址位于大渡河中游四川省汉源县和甘洛县境内的大渡河与支流尼日河汇口上游觉托附近，水电站拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，最大坝高186 m。水库正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，消落深度60 m。坝基覆盖层最大厚度75.36 m，防渗采用两道主、副各厚1.2 m的混凝土防渗墙，墙心间距14 m，墙底嵌入基岩1.5 m，主防渗墙位于大坝轴线上，防渗墙顶与廊道连接，廊道置于心墙底670.00 m高程；副墙位于主墙上游侧，河床部位下游防渗墙下布设主帷幕，上游防渗墙下布设副帷幕，主副帷幕之间布设封闭帷幕。心墙两岸坝肩为基岩接触，进行固结灌浆，坝基及两岸基岩帷幕灌浆深入不大于3Lu的基岩相对隔水层[1-3]。基础廊道长456 m，桩号0+50 m～0+174 m和桩号0+374.4 m～0+456 m分别为左右岸7#和8#灌浆平硐，桩号0+174 m～0+374.4 m为基础廊道。2007年8月～2008年11月，发现灌浆廊道多处沿施工缝滴水、线状流水现象[4]，廊道桩号0+177.2 m及0+354.2 m处结构缝开始出现渗水现象，并有褐红色钙质沉淀出现[4]。

2 坝址区工程地质条件

开挖揭示，河床坝基由第①层Q32漂卵石层、第③层Q41-2漂卵石层、第④层Q42漂(块)卵石层组成，覆盖层结构较密实，局部具架空结构；心墙区左岸岩性为花岗岩夹少量的辉绿岩脉，右岸为浅变质玄武岩，两岸岩体风化、卸荷较强，且风化、卸荷程度总体随高程降低而逐渐减弱，边坡岩体总体上呈镶嵌、次块状结构为主，以Ⅲ级岩体为主。

坝区总的来说岩体渗透性较弱，沿河谷周边风化卸荷带岩体透水性较好，在弱风化带内岩体主要以弱透水为主；在微风化带和新鲜岩体内，主要以微透水为主。河床覆盖层的渗透性明显较强，属强透水层。两岸地下水埋藏较深，根据钻孔统计，两岸地下水的水力坡度较缓，平均水力坡度，左岸14°～17°，右岸22°～25°，谷坡下部卸荷带水力坡度更小。大坝底部7#(左岸)和8#(右岸)灌浆平硐硐壁湿润，局部渗、滴水。

3 廊道裂缝发育、渗水分布及特征

3.1 廊道裂缝发育及特征

现场廊道裂缝统计结果分析表明，在统计的85条裂缝中，山体平硐内有29条裂缝，其中左岸7#平硐内(桩号0+50 m～0+174 m)有17条，占总裂缝数的20%；右岸8#平硐内(桩号0+374.4 m～0+456 m)有12条，占总裂缝数的14.1%。基础廊道裂缝共56条，占总裂缝数的65.9%，主要分布在桩号0+190.2 m～0+354.2 m。统计的裂缝中有2条属结构缝，分别为桩号0+177.05 m和0+354.2 m。桩号0+177.2 m～0+190 m段，裂缝基本与坝轴线呈45°交角，且多贯通顶拱，少数成雁行错列变形；桩号0+325 m～0+345 m段，裂缝多为环向裂缝，大部分贯通顶拱。在桩号0+177.2 m处结构缝宽由设计宽度的20 mm，变为54.5 mm。

廊道中不同部位出现的各种裂缝表明，在不同部位廊道变形存在差异性，初步认为，左侧河床廊道裂缝具水平剪切性质，裂缝表现为斜裂缝；右侧河床廊道中环向裂缝则是铅直方向差异沉降的结果；而出现在左、右岸灌浆平硐中的裂缝大部分可能是施工及其他原因产生的裂缝，围岩变形裂缝可能性极小[5-6,8]。

3.2 渗水分布状况及特征

廊道裂缝中出现渗水的有74条，占全部裂缝的87.1%。山体平硐内裂缝渗水量较大，坝体内廊道裂缝渗水量较少。有钙质析出的裂缝有74条，占全部裂缝的87.1%。一般情况下有渗水的裂缝都有钙质析出。特别的，在0+177.2 m处的渗滴水未见钙质析出，至今其渗水量基本无明显变化，但是沿结构逢有红褐色钙质沉淀出现[7]。

图1 7#灌浆平硐与河床廊道之间的加强灌浆帷幕和上游排水孔示意图

通过对各渗水点的电导率检测表明，7#灌浆平硐电导率基本为350～500 μs/cm，8#灌浆平硐电导率基本为400～750 μs/cm，河床廊道300～750 μs/cm，而两结构缝以及T5孔的电导率远高于其他渗水点的电导率，在1 000 μs/cm以上。

另外，施工单位在7#灌浆平硐0+177.2 m结构缝左侧上游边墙和底板分别布置5个排水孔(施工顺序依次为T2、T1、T3、T4、T5)(图1)，其中T5孔打了约9 m就终孔，其余4孔在钻进过程中记录了相关的流量和水压力，经分析，靠近岸坡0+175 m处的T2初始单位水压力较高，但低于上游河水位，且以后流量基本稳定，后期压力缓慢升高；靠近山体的T1单位深度流量明显大于其他3个排水孔，单位深度压力也大于其他3个孔，压力和流量恢复较快，表明其受补给较快。

经底层廊道渗水调查分析，渗水存在区段性、时段性差异特点：

(1) 渗水存在较强区段性差异，两岸基岩区段在施工过程中在顶拱、边墙(上、下游)均有渗水，主要沿混凝土施工缝、混凝土缺陷缝浸水、滴水，有白色钙质析出。搭接帷幕、阻水帷幕及下游排水孔实施后，裂缝渗水减弱，主要表现为沿裂缝湿润，局部滴水，白色钙质线状析出。

(2) 河床廊道边墙、顶拱未见渗水现象，主要沿底板的施工缝、缺陷缝、边墙及顶拱见湿润现象。

(3) 河床及两岸接头结构缝处廊道边墙底脚渗水严重，左岸0+177.2 m尤为严重，呈流水、涌水状；右岸0+354.2 m处不严重，但有高塑性粘土被带出，且左岸0+177.2 m流水、涌水有由最初的上游边墙底脚向上至顶拱扩展趋势，有褐红色钙质沉淀。

4 渗水水化学分析

前期勘察时，曾对坝区不同岩性中的水样作了分析，花岗岩和流纹斑岩属重碳酸钙钾钠(HCO3-Ca-(Na+K))型水，玄武岩属重碳酸硫酸钙(HCO3-SO4-Ca)型水，凝灰岩属硫酸重碳酸钾钠钙(SO4-HCO3-(Na+K)-Ca)型水；河床覆盖层孔隙潜水和大渡河水二者化学类型基本一致，属重碳酸钙(HCO3-Ca)型水，尼日河水为重碳酸钙镁(HCO3-Ca-Mg)型水。它们的矿化度0.01～0.27 g/l，pH值一般为7.1～9.5，均属弱碱性低矿化度淡水[9-14]。

在廊道未完成帷幕灌浆时，对廊道内的渗水进行现场调查，并测定各渗水点的电导率，0+177 m处沿结构缝底板流水的电导率明显高于其他各部位的水样，8#灌浆平硐中水样电导率略高于7#平硐中的水样，另外，大渡河水的电导率为180 μs/cm，远低于其他出水点的电导率。

经对廊道渗水等进行采样综合分析，水化学特征可以归纳为以下几点(图2)：

(1) 河床廊道渗水与其他各水样存在明显区别，其水型为OH-Ca型，而河水及平硐水样的水型为HCO3-Ca，花岗岩基岩裂隙水为HCO3-(Na+K)，有别于7#、8#平硐中的水样，表明了平硐水样受灌浆等施工影响。

(2) 河床廊道渗水pH值在11.5以上，为强碱性水；而其他水样pH在7.3～8.0之间，为弱碱性水。矿化度的大小依次为：河床廊道渗水>平硐水>河水。

(3) 河床廊道中部渗水的Na、K离子含量远高于其他部位渗水的含量，极有可能是与高塑性粘土进行离子交换吸附后的结果。

通过以上综合对比分析，表明廊道渗水与其他水样具有明显差异。

水泥的水化过程的化学反应式：

3 (CaO·SiO2) + 6 H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O (胶体) +3 Ca(OH)2(晶体)

(1)

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

(2)

3 CaO·Al2O3+ 6 H2O = 3 CaO·Al2O3·

6 H2O(晶体)

(3)

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

(4)

水泥水化后产生的游离氢氧化钙，能与空气和水中的二氧化碳反应生成不溶于水的碳酸钙[15]。利用aquachem 4.0软件计算水样的饱和指数，当SI>0时，水与CaCO3处于过饱和状态，产生沉淀，当SI<0时，水与CaCO3处于非饱和状态，CaCO3将继续溶解，而结合表1的结果可以看出，结构缝处的渗水水样的饱和指数远远小于0，水与CaCO3处于非饱和状态；CaSO4均处于未饱和状态，河床廊道渗水的CaCO3饱和指数为1.8～2.1左右，产生沉淀，与实际廊道多处出现的白色沉淀相符。

另外，高塑性粘土和防渗心墙料的pH为弱碱性。综合以上分析，廊道渗水属强碱性水，为其他水同混凝土、水泥土长期作用的结果，且即使混合有弱碱性水样，如基岩裂隙水，也是少量的。

1.1区为碱土>碱；2.2区为碱>碱土；3.3区为弱酸>强酸；4.4区为强酸>弱酸；5.5区为碳酸盐硬度>50%；6.6区为非碳酸盐硬度>50%；7.7区为非碳酸盐碱>50%；8.8区为碳酸盐碱>50%；9.9区为无一对阴阳离子>50%图2 某水电站廊道渗水水化学宏量组分Piper图

表1 瀑布沟水电站廊道渗水水样饱和指数

5 渗压监测分析

为监测大坝防渗系统的防渗效果，分别在坝基(上游防渗墙之前、两墙间、下游墙以后)和左右岸(灌浆帷幕后)布置渗压计或测压管监测大坝渗压的分布情况[16]。从图3可以看出两墙间坝基的水位变化规律与上下游河床的水位变化一致，相关性明显，测值介于上下游水位之间，渗压计(P10、P11)测点处的位势(等于测点处水位与下游水位之差/上下游河床水位差)分别稳定在35%和25%左右，表明上游防渗墙对上游水头的削减作用显著。但在2008年11月13日至2008年11月30日期间，两墙间坝基水位出现突增的情况，渗压计P10和P11的监测水位分别上涨1 m和0.7 m，对应位势突增至60 %和45 %，而后测值稳定于该值附近。水位突增是由于两墙间坝基水体向下游渗透的排水条件发生改变所致。同时结合现场施工情况分析，2008年11月下旬期间刚好完成左岸基础廊道的封闭帷幕灌浆。综合分析认为，两墙间坝基水位突增是由于左岸基础廊道的封闭帷幕阻断了两墙间坝基与下游的渗透通道，墙间水体无法排除而导致水位壅高，此后随着水位的不断升高，水体从其他渗透通道(如坝基的基础灌浆廊道)流出，两墙间坝基水位又重新达到新的平衡状态。

图3 两防渗墙之间桩号0+310 m坝基渗压计测值-时间曲线

图4为大坝左岸部位桩号0+148.49 m、坝0+00 m的渗压计(P74～P76)和桩号0+159 m、坝0+00 m测压管(UP28)测值-时间曲线，监测水位介于上下游水位之间，且变化规律与上游水位的变化相似，表明该部位可能存在与河床水位相关的局部渗流现象，灌浆帷幕的防渗效果相对较差。这与实际的帷幕灌浆结果和倒垂孔的涌水情况相吻合。

两墙间坝基水位变化极有可能与阻水帷幕灌浆实施有关，但是，阻水帷幕灌浆对于左岸基础廊道中0+148.89 m处不同深度的P74～P76没有明显影响。同时，在其附近下游边墙打的排水减压孔出水量较大，对结构缝的漏水量影响不明显。

6 变形渗水及危害性分析评价

6.1 变形渗水分析评价

河床廊道变形开裂，尤其是两岸接头处，主要是与心墙区基础固结灌浆及初期大坝快速填筑有关。特别是河床廊道两侧和中部的变形特征，表现为：左侧河床廊道受剪切作用，集中出现斜裂缝；右侧集中出现环向裂缝，与基础廊道和廊道结构缝监测资料反映基本一致。

坝址区水文地质条件简单，两岸地下水由大气降水补给，主要径向排泄于河床，为基岩裂隙水。地下水位由河床向两岸渐高，不存在大的联系上、下游的集中渗漏断层、破碎带，F2断层从性状上看具阻水作用。结合水文地质条件分析，廊道渗水来源主要有：

(1) 上游河水通过心墙坝基或上游岸坡经贴坡面板内侧和浅表岩体绕渗至桩号0+177.2 m、0+354.2 m接头处，由于接头缝止水损坏，在水头差作用下，渗流于廊道[17]。这应是主要水源，从水质分析和电导率检测对比分析也得到验证。

图4 大坝左岸桩号0+148.49 m、坝0+00 m渗压计和桩号0+159 m、坝0+00 m测压管测值-时间曲线

(2) 岸坡地下水，由于廊道施工存在缺陷缝、孔或洞，但不应是近岸坡及接头区渗水的主要来源。

(3) 上游河水由上游防渗墙缺陷处进入两墙间，并沿开裂、止水失效的结构缝渗流出水。另外，从监测反映情况看，两岸灌浆平硐的帷幕防渗效果不是很好，须评价其防渗效果，防止在今后蓄水后在高水头作用下，裂隙通道发生劈裂作用，渗流通道进一步扩大，影响防渗效果[18-21]。

6.2 危害性分析评价

截至2009年1月中旬，大坝心墙填筑高程为802.5 m，随着大坝的后期填筑，将进一步使大坝防渗墙和廊道变形，并可能使河床廊道产生新裂缝和旧裂缝的发展，将进一步恶化防渗体系完整性。目前，由上、下游、上游与廊道间小水头差下的渗水情况，已可以预测蓄水后高水头作用下的渗水严重程度。防渗体系完整有效是土石坝安全运行的保证，目前可见的上游与廊道间非隐蔽的体系都存在问题，那难以想象隐蔽的防渗墙、帷幕体系是否完整、有效。从目前0+354.2 m处情况看，已有高塑性粘土沿结构缝被带出，0+177.2 m处的褐红色钙质沉淀估计也有高塑性粘土，同时0+176.2 m下游拱座的排水孔渗水与0+177.2 m处的结构缝滴水电导率一致，表明高塑性粘土在结构缝附近的防渗效果已经变差。

7 结论及治理措施

(1) 河床廊道变形主要由上部荷载和下部防渗墙的变形及其他施工原因引起。

(2) 两岸底层灌浆廊道的变形主要是因为廊道砼浇筑存在缺陷引起。

(3) 结构缝渗水主要应是大渡河水从左侧贴近岸坡基岩绕渗进入两墙间，通过破裂的止水缝漏水。

(4) 通过在左岸河床廊道桩号0+178.00 m～0+184.00 m之间、右岸河床廊道桩号0+347.50 m～0+353.50 m之间底板上靠下游边墙部位布置5排灌浆孔，对基础覆盖层进行水泥灌浆和结构缝止水修复后，至今效果良好。

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作者简介：张运达(1976- )，男，四川万源人，高级工程师，从事工程地质和水文地质勘察工作。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

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