乌东德水电站首次蓄水期坝基渗流控制效果评价

施炎 黄灿新 黄孝泉 王团乐 郝文忠 孙云山

摘要：在特高拱坝首次蓄水期，对坝基渗流控制效果进行评价是保障大坝安全的重要依据。以岩溶地区300 m级特高拱坝乌东德水电站坝基为例，利用监测成果分析、测试分析、工程地质分析等手段，分析了首次蓄水期坝基渗流变化规律及分布特征，以及蓄水过程中产生的局部渗漏问题，评价渗流控制措施的工程效果。结果表明：乌东德水电站首次蓄水完成后，幕后渗压折减系数一般为0.08～0.27，最大0.40，均在规范允许范围;幕后山体地下水位增加0～13 m，幕后排水孔出水总流量6.5 L/s，总体变化均较小;水化学与地质信息表明右岸733 m灌浆平洞局部渗水来源主要为坝后水垫塘。综合表明，坝基扬压力正常，渗漏量总体较小，渗流状态趋于平稳，大坝防渗帷幕及排水幕效果理想，在同类工程中处于较优水平。

关 键 词：特高拱坝; 首次蓄水期; 渗压监测; 渗流控制; 乌东德水电站

中图法分类号：  TV223.4

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.023

   0 引 言

随着近年来水电资源开发的不断深入，一批高坝工程陆续兴建，如拉西瓦（250.00 m）、小湾（294.50 m）、锦屏一级（305.00 m）、溪洛渡（285.50 m）、乌东德（270.00 m）等。这些特高拱坝多建设在深切峡谷区，具有工程规模巨大、地质条件复杂、工程作用强烈、挡水水头高等特点  [1-3] 。高坝工程建设过程中除了岩土体的结构变形及稳定性问题外，工程区域内渗流问题也显得极为重要  [2，4] ，直接关系到施工安全、结构安全以及水库的正常运行。

工程实践中一般采用灌浆帷幕、排水廊道和排水孔组成的防渗系统进行渗流控制，通过灌浆封堵断层、裂隙、溶蚀等形成的渗漏通道，降低建筑物基础的扬压力以及提高岩土体或建筑物的抗渗透能力  [2，5] 。因此，对特高拱坝岩基的渗流控制措施进行评价是确保工程长久安全运行，实现水利水电工程与生态环境协调发展的重要依据。

特高拱坝首次蓄水期，库区水位快速上升，区域地下水位受库水位影响整体抬升，导致地下水的补给、径流与排泄条件均发生较大变化，此时是工程建筑物重要且敏感的阶段，也是检验工程设计效果的关键时期。作为中国岩溶地区的第一高坝工程，乌东德水电站的渗流控制问题更为复杂，本次研究以乌东德水电站拱坝为例，通过监测坝基首次蓄水前后的渗流情况，分析大坝渗流场特征，评价渗流控制措施的合理性，为乌东德水库运行管理、大坝安全评价提供科学依据与技术支撑，同时为类似水电工程提供借鉴。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

乌东德水电站坝址位于四川省会东县和云南省禄劝县境内，是金沙江下游攀枝花至宜宾河段4个梯级（乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝）中最上游一级水电站。乌东德水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪与航运，并促进地方经济社会发展和移民群众脱贫致富。水电站枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成，其中挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程988.00 m，最大坝高270.0 m;泄洪建筑物由5个表孔、6个中孔和3条泄洪洞组成;引水发电系统采用地下廠房，总装机容量10 200 MW，属于Ⅰ等大（1）型工程  [6] 。

乌东德水库蓄水分3个阶段：第1阶段（即首次蓄水期）为导流洞下闸封堵、导流形式转换阶段，其库水位由导流洞过流的初始水位832.00 m，逐步抬升至895.00 m，由中孔过流;第2阶段为中孔控泄，库水位上升到死水位945.00 m，为机组有水调试提供条件;第3阶段，根据工程进度及环保要求，择机蓄至正常蓄水位975.00 m。

首次蓄水自2020年1月15日开始导流洞下闸，库水位快速抬升，最大日上升高度达32.00 m，1月20日水位上升至885.00 m，中孔开始过流，1月23日库水位稳定在895.00 m左右，首次蓄水过程基本完成。

1.2 地质与水文地质条件

乌东德水电站大坝所处河段属中山峡谷地貌，两岸地形陡峻，河谷呈狭窄的“V”型，两岸谷坡基本对称。坝址河床覆盖层深厚，一般可达52～65 m。

坝址主要工程岩体为前震旦系浅变质碳酸盐岩，其中大坝主防渗帷幕工程涉及的地层主要为落雪组（Pt  2l ）厚层-中厚层灰岩、大理岩化白云岩，因民组（Pt  2   y ）互层、薄层、极薄层大理岩化白云岩，走向与河流呈大角度相交。帷幕区断层发育规模较小，走向多与河流近正交  [7] 。

研究区强-弱透水层（Pt  2l   3 灰岩及大理岩、Pt  2l   1 灰岩及白云岩）、微透水层（Pt  2l   2 大理岩化白云岩、Pt  2y   2-1 大理岩化白云岩）与隔水层（Pt  2l   5 千枚岩）相间分布，褶皱基底呈近直立的垂河向带状水文地质结构，盖层呈缓倾左岸偏上游的层状水文地质结构。岩溶以顺层溶蚀为主，除发育规模较大的K25溶洞外，其余规模均较小  [8] 。

坝址区地下水主要来源于大气降水和两岸山体地下水侧向补给，其中高程1 150～1 200 m处地形较为平缓，接受降雨补给较多，由大气降水直接渗入补给地下水;两岸近岸区地下水水力坡度平缓，左岸平缓区范围较右岸小，平缓区以远水力坡度略大。前人研究表明地下水中的SO  4   2- 含量普遍较高  [9-10] 。

2 渗流控制设计概况

2.1 防渗帷幕布置

为了有效控制坝基的渗流状态，依据研究区工程地质与水文地质条件，在大坝及左右岸山体段布置防渗主帷幕与幕后排水系统  [11-13] 。大坝主帷幕以大坝拱肩槽隔水层为起点，左岸接落雪组第二段（Pt  2l   2-1 ），右岸接因民组上段（Pt  2y   2-1 ），线路全长约2 100 m，防渗面积42.7万m  2 （见图1）。坝基及近岸山体段主帷幕设计标准为 q ≤1Lu，远岸山体段主帷幕设计标准为 q ≤3Lu。两岸防渗帷幕采用分层搭接的形式进行布置，利用两岸沿帷幕线各布置6层灌浆平洞，分布高程分别为988，945，890～895，850，780，733 m（见图2）。

为减小库水向地下洞室的渗漏，有效降低地下电站的安全风险，在两岸各布置一道临江侧封闭帷幕（见图1）。临江侧封闭帷幕沿河流流向布置，上游接主帷幕，下游均接至隔水层（Pt  2   l   4 岩体）。左、右岸线路全长分别约436 m和332 m，防渗面积约7.2万m  2 。临江侧封闭帷幕设计标准为 q ≤3 Lu。

此外，为减少大坝基础廊道的渗漏，在河床坝基下游设置一道减渗帷幕（见图1）。

2.2 渗压监测布置

为监测坝基扬压力在蓄水后的变化特征，采用渗压计及测压管对坝基及坝体的渗流压力进行监测，监测断面及设施布置如图3、4所示。

纵向监测断面布置如下：在主河床6～10号坝段基础廊道主排水幕（俯孔）的每个坝段布设1个测压管，共5个测压管，形成大坝基础渗压纵向监测断面（见图3）。

横向监测断面布置如下：在坝基共布置5支渗压计，其中防渗帷幕前3支，分别位于4，7，8号坝段坝基上游侧;防渗帷幕后2支，分别位于4，8号坝段坝基下游侧（见图4）。

另外，在大坝两岸灌浆平洞防渗帷幕的下游布置39支测压管，监测左、右岸山体帷幕后地下水位的变化情况，为帷幕的防渗效果和绕坝渗流评价提供数据。

3 结果与讨论

3.1 坝基渗流压力监测

研究区坝基渗压计监测结果如图5所示。从图5可以看出，乌东德水库首次蓄水（2020年1月15日开始蓄水）后，坝前库水位达到895.00 m，坝后水垫塘水位828.00 m左右。防渗帷幕前（坝踵处）渗压水位介于860～892 m之间，渗压水头介于92～173 m之间，其中7号坝段处渗压水头最大。与蓄水前相比，蓄水 后的渗压水头变幅达到54～69 m。防渗帷幕后（坝趾处）渗压水位介于789～813 m，渗压水头介于34～70 m，其中8号坝段处渗压水头最大。与蓄水前相比，蓄水后的渗压水头变幅达到34～43 m。

扬压力变化历时曲线表明，幕前坝基的扬压力与坝前水位保持相同变化趋势，两者之间呈现较明显的相关性（见图5（a））。幕后坝基扬压力变化与坝前水位变化的相关性较小（见图5（b）），而与坝后水位具明显相关性（2020年1月19日后，大坝中孔过流，坝后水垫塘充水运行，坝后水位快速上升，幕后扬压力突增）。因此，定性来看，坝基主帷幕有效阻断了上下游水力联系，防渗效果良好。

从图6、表1可以看出，首次蓄水結束后，高程733 m基础灌浆廊道的幕后测压管水位介于733～798 m，坝基渗压水头位于13～69 m，水头变幅位于0～39 m。实际工程中一般采用幕后渗压水头与坝踵处扬压力水头的比值（折减系数）作为防渗帷幕与排水幕的评价指标。由表1可知：各坝段幕后渗压折减系数一般为0.08～0.27，最大为0.40，均在规范允许（≤0.4）范围内  [14] 。

从国内已建成的300 m级特高拱坝首次蓄水期坝基渗压情况来看，锦屏一级  [15] 幕后渗压折减系数约为0～0.36，小湾  [16] 约为0～0.76，溪洛渡  [17] 约为0.10～0.30，拉西瓦  [18] 约为0.18～0.48。对比表明，乌东德水电站坝基渗压控制较同类工程总体处于较高水平。

3.2 幕后地下水位监测

高程733，780，850 m，890～895 m灌浆平洞内防渗帷幕后地下水位监测结果如图7所示。从图7可以看出，首次蓄水结束后（2020年1月15日～2020年3月13日），各灌浆平洞内地下水位变幅较小，总体上保持较平稳的趋势，其中高程733 m和780 m灌浆平洞的地下水位在蓄水期间略有升高，水位增幅分别为2～13 m和4～8 m。

首次蓄水完成后，高程733 m灌浆平洞内幕后地下水位在733～759 m，高程780 m灌浆平洞地下水位介于764～788 m，均低于大坝下游水位（826 m），且高程850，890 m灌浆平洞内幕后山体地下水位亦低于相应灌浆平洞的底板高程。乌东德水库蓄水后，各灌浆平洞地下水位变幅较小，整体上均保持较稳定的趋势。

3.3 渗漏特征

根据幕后渗漏监测结果可以看出（见表2），水库蓄水之前（2020年1月14日前），各层灌浆廊道和灌浆平洞内排水孔出水量很小，总出水量1.8 L/s;蓄水初期（2020年1月15日～2020年1月23日）排水孔总出水量6.3 L/s，与蓄水前相比出水量增加了4.5  L/s ;蓄水结束后（2020年1月23日后）灌浆平洞排水孔总出水量为6.5 L/s，总体保持较平稳的趋势。从表2可以看出，水库蓄水之后出现的渗漏集中于高程733 m灌浆平洞（占98%），其中右岸渗漏量较左岸大（右岸占比80%）。

为进一步分析右岸高程733 m灌浆平洞的渗漏来源，对733 m灌浆平洞幕后排水孔流量及坝前水位的长期观测成果进行分析，结果如图8所示。

（1） 2019年8月3日至11月23日期间（上游围堰与大坝之间的基坑主动充水期间），坝前水位从792 m上升至820 m的过程中，排水孔总出水量基本保持不变，总量约0.76 L/s。

（2） 2019年11月29日至2020年1月14日期间（坝后水垫塘主动充水期间），坝后水位从732 m上升至753 m，各排水孔流量呈增大趋势，总出水量增大至1.6 L/s左右，此后保持稳定。

（3） 2020年1月15～19日（首次蓄水期），坝前水位自843 m快速上升至895 m，各排水孔流量呈缓慢增大趋势，总出水量增大至2.5 L/s左右。

（4） 2020年1月20日之后（中孔过流，坝后水垫塘快速充水运行），坝后水位自753 m快速上升至827 m，各排水孔流量出现突增，总流量增大至6.5 L/s后保持稳定状态。

根据分析可知，733 m灌浆平洞出水量与坝前水位相关性较小，而与坝后水位具明显相关性。表明蓄水期733 m灌浆平洞的渗漏主要来自于坝后水垫塘江水。

从国内已建成的300 m级特高拱坝首次蓄水后坝基渗流情况来看，锦屏一级  [15] 坝基总渗漏量约为 64.9  L/s，小湾  [16] 约为1.7 L/s，溪洛渡  [17] 约为24.9 L/s，拉西瓦  [19] 约为6.0 L/s左右。对比表明，作为岩溶地区特高拱坝，乌东德水电站坝基渗漏量较同类工程总体处于较低水平，渗控工程效果优良。

3.4 水化学特征

为分析蓄水前后坝址区地下水化学特征的变化情况，取江水、坝前基坑水、山体地下水、蓄水前后右岸733 m灌浆平洞排水孔渗水进行水化学测试（见表3），结果表明：

（1） 蓄水前坝前基坑水为江水、施工用水等混杂而成，成分复杂，其矿化度（TDS）约为750 mg/L，pH值约12，与江水及地下水具有明显区别。

（2）  坝址区山体地下水SO  4   2- 含量一般为57～164 mg/L，明显高于江水及坝前基坑水，地质分析其成因主要与坝址区灰岩和白云岩地层中的黄铁矿有关。因此可将高SO  4   2- 含量作为判别地下水的标志之一。

（3） 蓄水前，右岸733 m灌浆平洞排水孔出水矿化度一般约为260～500 mg/L，pH值约为7.4，与坝前基坑水具有明显差别，其SO  4   2- 含量（57～164 mg/L）明显高于江水，水质特征更接近于山体地下水。

（4） 蓄水后，右岸733 m灌浆平洞排水孔出水中SO  4   2- 含量呈现一定的降低，其可能的原因为江水的混合稀释作用。

综合水化学及前述渗漏特征分析成果表明，右岸733 m灌浆平洞排水孔的初始出水为山体地下水，蓄水后其新增出水量主要来自于坝后水垫塘江水，其水量、水质均与库水均无明显相关性，进一步表明坝基防渗帷幕可有效阻断库水向下游的渗漏途径。

4 结 论

在乌东德水库首次蓄水期间，防渗帷幕前坝基扬压力变化过程与坝前水位保持相同变化趋势，幕后坝基扬压力变化过程与坝后水垫塘水位具有一定相关性，与坝前水位相关性不大，定性分析表明坝基主帷幕可有效阻断上下游水力联系。首次蓄水完成后，幕后渗压折减系数为一般为0.08～0.27，最大为0.40，均在设计规范允许范围内，坝基扬压力正常。

幕后山体地下水位较蓄水前增加约0～13 m，总体变化较小。除高程733，780 m灌浆平洞外，其余平洞内幕后山体地下水均低于相应平洞底板高程。各层灌浆平洞幕后地下水位变化总体上保持较平稳状态。

首次蓄水完成后，幕后排水孔总出水量6.5 L/s，与蓄水之前相比增量为4.7 L/s，坝基及绕坝渗漏量较小。综合流量观测及水质，分析成果表明，右岸733 m灌浆平洞局部渗水部位初始出水主要来自山体地下水，新增的出水量主要来自于充水运行后的坝后水垫塘江水。

整体上，乌东德水电站特高拱坝首次蓄水期，坝基扬压力正常，渗漏量总体较小，渗流状态趋于平稳，大坝防渗帷幕及排水幕运行有效，渗控效果较同类工程处于较优水平。

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（编辑：郑 毅）

Evaluation on seepage control effect of extra-high arch dam foundation during first  impoundment period：case of Wudongde Hydropower Station

SHI Yan 1，HUANG Canxin 2，HUANG Xiaoquan 1，WANG Tuanle 1，HAO Wenzhong 1，SUN Yunshan 2

 （ 1.Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China; 2.China Three Gorges Projects Development Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China ）

Abstract：

During the first impoundment period of extra-high arch dams，the evaluation on seepage control effect is significant for dams safety.For Wudongde Hydropower Station，a typical 300 m high arch dam in karst region，we used monitoring data，test analysis and engineering geology to analyze the variation and distribution of dam foundation seepage，identify local leakage positions，and evaluate the effect of the seepage control measurements.The results showed that after the first impoundment of Wudongde Hydropower Station，the reduction coefficient of seepage pressure behind the curtain ranged from 0.08 to 0.27 with the highest value of 0.40，which were within the allowable range of the standard.The groundwater level of the mountain behind the curtain increased by 0～13 m，and the total discharge amount of drainage holes behind the curtain was 6.5 L/s.According to the analysis of water chemistry and engineering geology，the seepage at elevation of 733 m grouting curtain was mainly from the water cushion pond behind the dam.The comprehensive analysis showed that the seepage uplift pressure of the dam foundation was normal，the amount of seepage leakage was generally small and the anti-seepage curtain and drainage curtain of the dam had a good effect，being a relatively supreme position among similar projects in China.

Key words：

extra-high arch dam;first impoundment period;seepage pressure monitoring;seepage control;Wudongde Hydropower Station