烏東德水電站首次蓄水期壩基滲流控制效果評價

施炎 黃燦新 黃孝泉 王團(tuán)樂 郝文忠 孫云山

摘要：在特高拱壩首次蓄水期，對壩基滲流控制效果進(jìn)行評價是保障大壩安全的重要依據(jù)。以巖溶地區(qū)300 m級特高拱壩烏東德水電站壩基為例，利用監(jiān)測成果分析、測試分析、工程地質(zhì)分析等手段，分析了首次蓄水期壩基滲流變化規(guī)律及分布特征，以及蓄水過程中產(chǎn)生的局部滲漏問題，評價滲流控制措施的工程效果。結(jié)果表明：烏東德水電站首次蓄水完成后，幕后滲壓折減系數(shù)一般為0.08～0.27，最大0.40，均在規(guī)范允許范圍;幕后山體地下水位增加0～13 m，幕后排水孔出水總流量6.5 L/s，總體變化均較小;水化學(xué)與地質(zhì)信息表明右岸733 m灌漿平洞局部滲水來源主要為壩后水墊塘。綜合表明，壩基揚壓力正常，滲漏量總體較小，滲流狀態(tài)趨于平穩(wěn)，大壩防滲帷幕及排水幕效果理想，在同類工程中處于較優(yōu)水平。

關(guān) 鍵 詞：特高拱壩; 首次蓄水期; 滲壓監(jiān)測; 滲流控制; 烏東德水電站

中圖法分類號： ?TV223.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.023

?? 0 引 言

隨著近年來水電資源開發(fā)的不斷深入，一批高壩工程陸續(xù)興建，如拉西瓦（250.00 m）、小灣（294.50 m）、錦屏一級（305.00 m）、溪洛渡（285.50 m）、烏東德（270.00 m）等。這些特高拱壩多建設(shè)在深切峽谷區(qū)，具有工程規(guī)模巨大、地質(zhì)條件復(fù)雜、工程作用強(qiáng)烈、擋水水頭高等特點? [1-3] 。高壩工程建設(shè)過程中除了巖土體的結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性問題外，工程區(qū)域內(nèi)滲流問題也顯得極為重要? [2，4] ，直接關(guān)系到施工安全、結(jié)構(gòu)安全以及水庫的正常運行。

工程實踐中一般采用灌漿帷幕、排水廊道和排水孔組成的防滲系統(tǒng)進(jìn)行滲流控制，通過灌漿封堵斷層、裂隙、溶蝕等形成的滲漏通道，降低建筑物基礎(chǔ)的揚壓力以及提高巖土體或建筑物的抗?jié)B透能力? [2，5] 。因此，對特高拱壩巖基的滲流控制措施進(jìn)行評價是確保工程長久安全運行，實現(xiàn)水利水電工程與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要依據(jù)。

特高拱壩首次蓄水期，庫區(qū)水位快速上升，區(qū)域地下水位受庫水位影響整體抬升，導(dǎo)致地下水的補給、徑流與排泄條件均發(fā)生較大變化，此時是工程建筑物重要且敏感的階段，也是檢驗工程設(shè)計效果的關(guān)鍵時期。作為中國巖溶地區(qū)的第一高壩工程，烏東德水電站的滲流控制問題更為復(fù)雜，本次研究以烏東德水電站拱壩為例，通過監(jiān)測壩基首次蓄水前后的滲流情況，分析大壩滲流場特征，評價滲流控制措施的合理性，為烏東德水庫運行管理、大壩安全評價提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐，同時為類似水電工程提供借鑒。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

烏東德水電站壩址位于四川省會東縣和云南省祿勸縣境內(nèi)，是金沙江下游攀枝花至宜賓河段4個梯級（烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩）中最上游一級水電站。烏東德水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪與航運，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和移民群眾脫貧致富。水電站樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，其中擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988.00 m，最大壩高270.0 m;泄洪建筑物由5個表孔、6個中孔和3條泄洪洞組成;引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠房，總裝機(jī)容量10 200 MW，屬于Ⅰ等大（1）型工程? [6] 。

烏東德水庫蓄水分3個階段：第1階段（即首次蓄水期）為導(dǎo)流洞下閘封堵、導(dǎo)流形式轉(zhuǎn)換階段，其庫水位由導(dǎo)流洞過流的初始水位832.00 m，逐步抬升至895.00 m，由中孔過流;第2階段為中孔控泄，庫水位上升到死水位945.00 m，為機(jī)組有水調(diào)試提供條件;第3階段，根據(jù)工程進(jìn)度及環(huán)保要求，擇機(jī)蓄至正常蓄水位975.00 m。

首次蓄水自2020年1月15日開始導(dǎo)流洞下閘，庫水位快速抬升，最大日上升高度達(dá)32.00 m，1月20日水位上升至885.00 m，中孔開始過流，1月23日庫水位穩(wěn)定在895.00 m左右，首次蓄水過程基本完成。

1.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

烏東德水電站大壩所處河段屬中山峽谷地貌，兩岸地形陡峻，河谷呈狹窄的“V”型，兩岸谷坡基本對稱。壩址河床覆蓋層深厚，一般可達(dá)52～65 m。

壩址主要工程巖體為前震旦系淺變質(zhì)碳酸鹽巖，其中大壩主防滲帷幕工程涉及的地層主要為落雪組（Pt? 2l ）厚層-中厚層灰?guī)r、大理巖化白云巖，因民組（Pt? 2?? y ）互層、薄層、極薄層大理巖化白云巖，走向與河流呈大角度相交。帷幕區(qū)斷層發(fā)育規(guī)模較小，走向多與河流近正交? [7] 。

研究區(qū)強(qiáng)-弱透水層（Pt? 2l?? 3 灰?guī)r及大理巖、Pt? 2l?? 1 灰?guī)r及白云巖）、微透水層（Pt? 2l?? 2 大理巖化白云巖、Pt? 2y?? 2-1 大理巖化白云巖）與隔水層（Pt? 2l?? 5 千枚巖）相間分布，褶皺基底呈近直立的垂河向帶狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，蓋層呈緩傾左岸偏上游的層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。巖溶以順層溶蝕為主，除發(fā)育規(guī)模較大的K25溶洞外，其余規(guī)模均較小? [8] 。

壩址區(qū)地下水主要來源于大氣降水和兩岸山體地下水側(cè)向補給，其中高程1 150～1 200 m處地形較為平緩，接受降雨補給較多，由大氣降水直接滲入補給地下水;兩岸近岸區(qū)地下水水力坡度平緩，左岸平緩區(qū)范圍較右岸小，平緩區(qū)以遠(yuǎn)水力坡度略大。前人研究表明地下水中的SO? 4?? 2- 含量普遍較高? [9-10] 。

2 滲流控制設(shè)計概況

2.1 防滲帷幕布置

為了有效控制壩基的滲流狀態(tài)，依據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，在大壩及左右岸山體段布置防滲主帷幕與幕后排水系統(tǒng)? [11-13] 。大壩主帷幕以大壩拱肩槽隔水層為起點，左岸接落雪組第二段（Pt? 2l?? 2-1 ），右岸接因民組上段（Pt? 2y?? 2-1 ），線路全長約2 100 m，防滲面積42.7萬m? 2 （見圖1）。壩基及近岸山體段主帷幕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為 q ≤1Lu，遠(yuǎn)岸山體段主帷幕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為 q ≤3Lu。兩岸防滲帷幕采用分層搭接的形式進(jìn)行布置，利用兩岸沿帷幕線各布置6層灌漿平洞，分布高程分別為988，945，890～895，850，780，733 m（見圖2）。

為減小庫水向地下洞室的滲漏，有效降低地下電站的安全風(fēng)險，在兩岸各布置一道臨江側(cè)封閉帷幕（見圖1）。臨江側(cè)封閉帷幕沿河流流向布置，上游接主帷幕，下游均接至隔水層（Pt? 2?? l?? 4 巖體）。左、右岸線路全長分別約436 m和332 m，防滲面積約7.2萬m? 2 。臨江側(cè)封閉帷幕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為 q ≤3 Lu。

此外，為減少大壩基礎(chǔ)廊道的滲漏，在河床壩基下游設(shè)置一道減滲帷幕（見圖1）。

2.2 滲壓監(jiān)測布置

為監(jiān)測壩基揚壓力在蓄水后的變化特征，采用滲壓計及測壓管對壩基及壩體的滲流壓力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測斷面及設(shè)施布置如圖3、4所示。

縱向監(jiān)測斷面布置如下：在主河床6～10號壩段基礎(chǔ)廊道主排水幕（俯孔）的每個壩段布設(shè)1個測壓管，共5個測壓管，形成大壩基礎(chǔ)滲壓縱向監(jiān)測斷面（見圖3）。

橫向監(jiān)測斷面布置如下：在壩基共布置5支滲壓計，其中防滲帷幕前3支，分別位于4，7，8號壩段壩基上游側(cè);防滲帷幕后2支，分別位于4，8號壩段壩基下游側(cè)（見圖4）。

另外，在大壩兩岸灌漿平洞防滲帷幕的下游布置39支測壓管，監(jiān)測左、右岸山體帷幕后地下水位的變化情況，為帷幕的防滲效果和繞壩滲流評價提供數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 壩基滲流壓力監(jiān)測

研究區(qū)壩基滲壓計監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，烏東德水庫首次蓄水（2020年1月15日開始蓄水）后，壩前庫水位達(dá)到895.00 m，壩后水墊塘水位828.00 m左右。防滲帷幕前（壩踵處）滲壓水位介于860～892 m之間，滲壓水頭介于92～173 m之間，其中7號壩段處滲壓水頭最大。與蓄水前相比，蓄水 后的滲壓水頭變幅達(dá)到54～69 m。防滲帷幕后（壩趾處）滲壓水位介于789～813 m，滲壓水頭介于34～70 m，其中8號壩段處滲壓水頭最大。與蓄水前相比，蓄水后的滲壓水頭變幅達(dá)到34～43 m。

揚壓力變化歷時曲線表明，幕前壩基的揚壓力與壩前水位保持相同變化趨勢，兩者之間呈現(xiàn)較明顯的相關(guān)性（見圖5（a））。幕后壩基揚壓力變化與壩前水位變化的相關(guān)性較小（見圖5（b）），而與壩后水位具明顯相關(guān)性（2020年1月19日后，大壩中孔過流，壩后水墊塘充水運行，壩后水位快速上升，幕后揚壓力突增）。因此，定性來看，壩基主帷幕有效阻斷了上下游水力聯(lián)系，防滲效果良好。

從圖6、表1可以看出，首次蓄水結(jié)束后，高程733 m基礎(chǔ)灌漿廊道的幕后測壓管水位介于733～798 m，壩基滲壓水頭位于13～69 m，水頭變幅位于0～39 m。實際工程中一般采用幕后滲壓水頭與壩踵處揚壓力水頭的比值（折減系數(shù)）作為防滲帷幕與排水幕的評價指標(biāo)。由表1可知：各壩段幕后滲壓折減系數(shù)一般為0.08～0.27，最大為0.40，均在規(guī)范允許（≤0.4）范圍內(nèi)? [14] 。

從國內(nèi)已建成的300 m級特高拱壩首次蓄水期壩基滲壓情況來看，錦屏一級? [15] 幕后滲壓折減系數(shù)約為0～0.36，小灣? [16] 約為0～0.76，溪洛渡? [17] 約為0.10～0.30，拉西瓦? [18] 約為0.18～0.48。對比表明，烏東德水電站壩基滲壓控制較同類工程總體處于較高水平。

3.2 幕后地下水位監(jiān)測

高程733，780，850 m，890～895 m灌漿平洞內(nèi)防滲帷幕后地下水位監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，首次蓄水結(jié)束后（2020年1月15日～2020年3月13日），各灌漿平洞內(nèi)地下水位變幅較小，總體上保持較平穩(wěn)的趨勢，其中高程733 m和780 m灌漿平洞的地下水位在蓄水期間略有升高，水位增幅分別為2～13 m和4～8 m。

首次蓄水完成后，高程733 m灌漿平洞內(nèi)幕后地下水位在733～759 m，高程780 m灌漿平洞地下水位介于764～788 m，均低于大壩下游水位（826 m），且高程850，890 m灌漿平洞內(nèi)幕后山體地下水位亦低于相應(yīng)灌漿平洞的底板高程。烏東德水庫蓄水后，各灌漿平洞地下水位變幅較小，整體上均保持較穩(wěn)定的趨勢。

3.3 滲漏特征

根據(jù)幕后滲漏監(jiān)測結(jié)果可以看出（見表2），水庫蓄水之前（2020年1月14日前），各層灌漿廊道和灌漿平洞內(nèi)排水孔出水量很小，總出水量1.8 L/s;蓄水初期（2020年1月15日～2020年1月23日）排水孔總出水量6.3 L/s，與蓄水前相比出水量增加了4.5 ?L/s ;蓄水結(jié)束后（2020年1月23日后）灌漿平洞排水孔總出水量為6.5 L/s，總體保持較平穩(wěn)的趨勢。從表2可以看出，水庫蓄水之后出現(xiàn)的滲漏集中于高程733 m灌漿平洞（占98%），其中右岸滲漏量較左岸大（右岸占比80%）。

為進(jìn)一步分析右岸高程733 m灌漿平洞的滲漏來源，對733 m灌漿平洞幕后排水孔流量及壩前水位的長期觀測成果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。

（1） 2019年8月3日至11月23日期間（上游圍堰與大壩之間的基坑主動充水期間），壩前水位從792 m上升至820 m的過程中，排水孔總出水量基本保持不變，總量約0.76 L/s。

（2） 2019年11月29日至2020年1月14日期間（壩后水墊塘主動充水期間），壩后水位從732 m上升至753 m，各排水孔流量呈增大趨勢，總出水量增大至1.6 L/s左右，此后保持穩(wěn)定。

（3） 2020年1月15～19日（首次蓄水期），壩前水位自843 m快速上升至895 m，各排水孔流量呈緩慢增大趨勢，總出水量增大至2.5 L/s左右。

（4） 2020年1月20日之后（中孔過流，壩后水墊塘快速充水運行），壩后水位自753 m快速上升至827 m，各排水孔流量出現(xiàn)突增，總流量增大至6.5 L/s后保持穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)分析可知，733 m灌漿平洞出水量與壩前水位相關(guān)性較小，而與壩后水位具明顯相關(guān)性。表明蓄水期733 m灌漿平洞的滲漏主要來自于壩后水墊塘江水。

從國內(nèi)已建成的300 m級特高拱壩首次蓄水后壩基滲流情況來看，錦屏一級? [15] 壩基總滲漏量約為 64.9 ?L/s，小灣? [16] 約為1.7 L/s，溪洛渡? [17] 約為24.9 L/s，拉西瓦? [19] 約為6.0 L/s左右。對比表明，作為巖溶地區(qū)特高拱壩，烏東德水電站壩基滲漏量較同類工程總體處于較低水平，滲控工程效果優(yōu)良。

3.4 水化學(xué)特征

為分析蓄水前后壩址區(qū)地下水化學(xué)特征的變化情況，取江水、壩前基坑水、山體地下水、蓄水前后右岸733 m灌漿平洞排水孔滲水進(jìn)行水化學(xué)測試（見表3），結(jié)果表明：

（1） 蓄水前壩前基坑水為江水、施工用水等混雜而成，成分復(fù)雜，其礦化度（TDS）約為750 mg/L，pH值約12，與江水及地下水具有明顯區(qū)別。

（2） ?壩址區(qū)山體地下水SO? 4?? 2- 含量一般為57～164 mg/L，明顯高于江水及壩前基坑水，地質(zhì)分析其成因主要與壩址區(qū)灰?guī)r和白云巖地層中的黃鐵礦有關(guān)。因此可將高SO? 4?? 2- 含量作為判別地下水的標(biāo)志之一。

（3） 蓄水前，右岸733 m灌漿平洞排水孔出水礦化度一般約為260～500 mg/L，pH值約為7.4，與壩前基坑水具有明顯差別，其SO? 4?? 2- 含量（57～164 mg/L）明顯高于江水，水質(zhì)特征更接近于山體地下水。

（4） 蓄水后，右岸733 m灌漿平洞排水孔出水中SO? 4?? 2- 含量呈現(xiàn)一定的降低，其可能的原因為江水的混合稀釋作用。

綜合水化學(xué)及前述滲漏特征分析成果表明，右岸733 m灌漿平洞排水孔的初始出水為山體地下水，蓄水后其新增出水量主要來自于壩后水墊塘江水，其水量、水質(zhì)均與庫水均無明顯相關(guān)性，進(jìn)一步表明壩基防滲帷幕可有效阻斷庫水向下游的滲漏途徑。

4 結(jié) 論

在烏東德水庫首次蓄水期間，防滲帷幕前壩基揚壓力變化過程與壩前水位保持相同變化趨勢，幕后壩基揚壓力變化過程與壩后水墊塘水位具有一定相關(guān)性，與壩前水位相關(guān)性不大，定性分析表明壩基主帷幕可有效阻斷上下游水力聯(lián)系。首次蓄水完成后，幕后滲壓折減系數(shù)為一般為0.08～0.27，最大為0.40，均在設(shè)計規(guī)范允許范圍內(nèi)，壩基揚壓力正常。

幕后山體地下水位較蓄水前增加約0～13 m，總體變化較小。除高程733，780 m灌漿平洞外，其余平洞內(nèi)幕后山體地下水均低于相應(yīng)平洞底板高程。各層灌漿平洞幕后地下水位變化總體上保持較平穩(wěn)狀態(tài)。

首次蓄水完成后，幕后排水孔總出水量6.5 L/s，與蓄水之前相比增量為4.7 L/s，壩基及繞壩滲漏量較小。綜合流量觀測及水質(zhì)，分析成果表明，右岸733 m灌漿平洞局部滲水部位初始出水主要來自山體地下水，新增的出水量主要來自于充水運行后的壩后水墊塘江水。

整體上，烏東德水電站特高拱壩首次蓄水期，壩基揚壓力正常，滲漏量總體較小，滲流狀態(tài)趨于平穩(wěn)，大壩防滲帷幕及排水幕運行有效，滲控效果較同類工程處于較優(yōu)水平。

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（編輯：鄭 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