白鹤滩水电站坝基排水廊道施工期涌水成因分析

张子阳; 荣冠; 颜月; 谭尧升; 蒙世仟; Zi-yang ZHANG; Guan RONG; Yue YAN; Yao-sheng TAN; Shi-qian MENG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (10) : 156-161.

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A Causal Analysis of Water Gushing in the Foundation Drainage Gallery during the Construction Period in Baihetan Hydropower Station

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摘要

白鹤滩水电站坝区地质条件复杂，发育有多条横穿上下游的层间错动带及断层，左岸及河床P₂ β ₃地层内存在裂隙发育柱状节理玄武岩，地下水埋藏分布复杂，坝区渗流状态复杂。2020年5月中旬，17号、18号坝段基础排水廊道排水孔施工完成后产生涌水，最大涌水量达410 L/min。现场取样进行水化学分析，并追踪涌水量变化情况，参照近期水文气象资料，结合前期工程及水文地质资料，对涌水来源及涌水渗漏通道进行了综合分析，确认左岸山体深部裂隙水为涌水主要来源，P₂ β ₃地层内第一、二类柱状节理玄武岩与C₂、C₃、C_3-1等结构面为主要渗漏通道，据此为大坝蓄水过程及正常运行阶段坝区渗流状态监测布置提供建议。

Abstract

The interlayer staggered zones and faults are widely distributed in Baihetan Hydropower Station in Jinsha River Basin， China. The columnar joints basalts found in left bank and riverbed are abundant in fissures. Complex distribution of groundwater table perplexes the seepage state of the dam site area. In late May 2020， water gushed in the foundation drainage galleries of 17&18# dam sections， with maximum gush of water up to 410 L/min. On-site sampling for hydro-chemistry analysis， tracking changes of gush water amount， referring to hydrological data of recent months and consulting previous engineering geology datum and hydro-geological data are done for comprehensive analysis of gush water sources and gush water leakage paths， which confirms that deep fissures water in the left bank is the main gushing water source. The columnar arthritic basalts in the P₂ β ₃ rock formation， and layers C₂， C₃， C_3-1 are the main leakage paths. Proposals are offered for arranging seepage state monitoring during impoundment and normal operation stages with reference to this conclusion.

关键词

白鹤滩水电站 / 涌水 / 水化学分析 / 柱状节理玄武岩 / 层间错动带 / 渗漏通道

Key words

Baihetan Hydropower Station / water gushing / hydro-chemistry analysis / columnar joints basalts / interlayer staggered zones / leakage paths

基金

三峡集团科研项目(BHT/0811)

桂科(AB18126046)

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张子阳 , 荣冠 , 颜月 , 谭尧升 , 蒙世仟. 白鹤滩水电站坝基排水廊道施工期涌水成因分析[J].中国农村水利水电, 2021(10): 156-161

Zi-yang ZHANG , Guan RONG , Yue YAN , Yao-sheng TAN , Shi-qian MENG. A Causal Analysis of Water Gushing in the Foundation Drainage Gallery during the Construction Period in Baihetan Hydropower Station[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(10): 156-161

1 概述

水利水电工程中，水库渗漏问题属于常见的工程地质问题，一般可分为坝体、坝基、坝端及绕坝渗漏^［1］，渗漏影响电站蓄水发电效益，而且可能对大坝安全产生威胁。目前，进行渗漏勘查方法主要有水文地质钻探、钻孔电视成像、压水试验、水化学分析、温度或放射性同位素示踪法^［2-5］等。通过合理的方法找准渗漏源并采取有效的监测及防渗处理措施对保障电站发电效益与大坝安全具有重要意义。

白鹤滩水电站位于金沙江下游河段，坝型为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m。大坝工程于2017年4月开始浇筑^［6］，至今累计浇筑方量755 万m³，最大坝高浇筑高度263 m，最大浇筑高程829 m。为保障电站按期发电，对大坝上游进行蓄水测试，于2020年4月26日动工拆除上游围堰，5月26日上游围堰部分拆除工作完成，形成用于上游基坑充水的过流明渠，渠底高程621 m。6月6日水垫塘开始充水，塘底高程560 m，塘内历史最高水位609 m。7月23日上游基坑开始充水，金沙江汛期上游基坑内历史最高水位631 m。2020年5月中旬，大坝基础排水廊道排水孔出现涌水现象，且涌水量呈上升趋势，其中17号、18号坝段排水孔涌水量较大，占比90%，截止至2020年11月中旬，17号、18号坝段排水孔历史最大涌水量达410 L/min。

2 坝区基本地质条件

2.1 工程地质条件

坝区为中山峡谷地貌，地势南低北高，向东侧倾斜，金沙江由南向北进入坝前库区，二道坝后流向逐渐转向西北。坝区河谷呈不对称V字形，左岸岸坡相对平缓，右岸陡峻，坝区主要出露P₂ β二叠系上统峨眉山组玄武岩，上覆T₁f三叠系下统飞仙关组砂、泥岩，岩层总体产状N30°~55°E，SE∠15°~20°，岩层内断裂构造发育，规模较大的断层有NWW组F₁₄、F₁₆，NNE组F₁₇，层间错动带包括C₂、C₃、C_3-1、C₄、C₅等，层内错动带左岸发育程度高于右岸，规模较大的有LS₃₃₁、LS₃₃₇与RS₃₃₁，河床下部P₂ β ₃ ^2-2岩层内错动带发育程度较高，主要有VS₃₂₁₆、VS₃₂₁₅、VS₃₂₁₄、VS₃₂₁₂等，顺岩流层方向具有一定连通性^［7］。

2.2 水文地质条件

基岩裂隙水为坝区主要地下水类型，主要赋存区域包括两岸边坡风化卸荷岩体、层间及层内错动带、断层以及裂隙发育岩体。地下水的运移主要由断层、层间及层内错动带控制，构成坝区渗流场的主干网络。左岸分布有断层F₁₄、F₁₆、F₁₇，层间错动带C₂、C₃、C_3-1，这些构造在平行结构面方向上透水性强，垂直结构面方向上具有阻水作用，现场勘探钻孔钻进过程中地下水位变化情况说明坝区左岸地下水具有分层性，地下水主要进行近水平向的流动。右岸大气降水受飞仙关组砂泥岩、凝灰岩的阻隔，坡顶入渗补给水量有限，岸坡陡峻，坡面降水入渗同样受阻，主要通过地表径流及孔隙水流汇入金沙江，导致右岸地下水位埋深较大，左右岸地下水流系统见图1。

图1 左右岸地下水流系统示意图

Fig.1 Groundwater flow system of left and right banks in dam site area

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3 涌水区域概况

涌水区域位于河床坝基，该部位基岩自上而下为P₂ β ₃ ³层一类柱状节理玄武岩、P₂ β ₃ ^2-3层角砾熔岩及P₂ β ₃ ^2-2层二类柱状节理玄武岩、P₂ β ₃ ^2-1层杏仁状玄武岩，大坝河床坝段帷幕灌浆采取“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，灌浆廊道底板距离建基面13 m，防渗帷幕后基础排水廊道设两排排水孔，排水孔入岩深度60 m，最低至高程485 m。河床坝基在施工期发生过两次涌水，具体情况如下：

2018年8月，18号坝段帷幕灌浆1号与4号检查孔在压水试验结束后发生涌水，总流量25.4 L/min，现场钻孔电视成像结果显示，涌水孔段45 m至75m范围内缓倾角裂隙发育，LS₃₃₁、VS₃₂₁₁、VS₃₂₁₆等错动带出露，未见水泥结石充填。

2019年12月31日，17号、18号坝段基础排水廊道排水孔开始施工，2月中旬施工完成，2020年5月下旬坝基排水廊道排水孔出现涌水现象，涌水区域主要集中在17号、18号坝段，涌水量统计结果显示该区域涌水量占总涌水量90%以上，17号、18号坝段基础廊道排水孔涌水情况见图2。

图2 坝基排水廊道涌水量分布图（2020年10月26日）

Fig.2 Gush water quantity of drainage holes （2020.10.26）

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自17号、18号坝段基础排水廊道排水孔出现涌水，历经一个月，涌水量自28.19 L/min增大至310 L/min，后续涌水量小幅度上升，保持在350 L/min上下浮动，历史最大涌水量为410 L/min（2020年10月26日），涌水量时变趋势见图3。

图3 涌水量时变趋势图

Fig.3 Time-changing trend diagram of gush water quantity

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4 涌水来源及渗漏通道分析

4.1 水化学分析

水化学分析是检验防渗帷幕和坝体混凝土是否被溶蚀的重要手段，也可用于分析辨别渗漏水与坝区环境水从属关系^［8］，通过化学和物理方法测定水中各种化学成分，鉴别和确定水中所含物质和化学成分含量。坝区环境水分为地表水与地下水，地表水包括金沙江江水和两岸冲沟水，地下水包括两岸岸坡裂隙水、左右岸山体深部裂隙水和覆盖层内孔隙水，对坝区水体进行水化学分析，不同区域共采集了66件水样^［7］，水化学分析结果汇总见表1。

表1 坝区环境水化学分析成果汇总表

Tab.1 Hydro-chemical analysis of water in dam site area

水源	主要离子/（mg·L^-1）							总硬度/（mg·L^-1）	pH
水源	K⁺、Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO₄ ^2-	CO₃ ^2-	HCO₃ ^-	总硬度/（mg·L^-1）	pH
江水	18.4~20.6	33.0~38.6	11.4~23.2	11.5~22.0	13.8~35.0	-	130.3~212.3	130.4~191.9	8.0~8.3
冲沟水	10.0~29.0	18.1~46.8	13.6~36.5	2.1~8.0	17.4~62.6	4.2~15.1	122.1~307.5	114.1~258.0	7.9~8.6
左岸坡裂隙水	2.3~37.8	6.4~48.3	1.9~19.5	2.5~6.3	17~80	-	80.5~202.7	24.1~186.4	7.5~8.0
右岸坡裂隙水	21.5~38.5	18.6~49.4	4.0~72.4	3.8~12.8	13.8~25.0	0	91.2~530.7	64.4~405.0	7.5~7.9
左岸山体深部	32.5~61.0	0.8~5.4	0.2~1.9	0.7~6.4	4.0~54.9	23.7~49.5	0~40.2	3.2~21.5	8.3~10.4
右岸山体深部	57.5~119.0	0.4~12.5	0.5~3.9	2.4~17.2	30.6~95.4	0~64.3	12.6~205.5	3.2~45.9	8.5~10.6

坝区水体中主要离子成分有Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、HCO₃ ^-、SO₄ ^2-、Cl^-、CO₃ ^2-，水体离子成分随着取样点的不同存在较大差异，但整体上水质分布具有一定的规律性。地下水运移过程中与玄武岩矿物成分发生不全等反应，反应式如（1）所示：

\begin{array}{l} N a A l S i_{3} O_{8} + C O_{2} + 5.5 H_{2} O \to \\ 0.5 A l_{2} S i_{2} O_{5} {(O H)}_{4} + N a^{+} + H C {O_{3}}^{-} + 2 H_{4} S i O_{4} \\ K A l S i_{3} O_{8} + 3 C O_{2} + 16 H_{2} O \to \\ H_{3} O A l_{2} [A l S i_{3} O_{10}] {(O H)}_{2} + 3 K^{+} + 6 H_{4} S i O_{4} + 3 H C {O_{3}}^{-} \end{array}

（1）

从反应式可以看出，在山体内部地下水运移距离越长，反应越充分，水中Na⁺、K⁺离子含量越高，Ca²⁺、Mg²⁺离子含量相对减小，地下水矿化度及硬度降低。此外，运移过程中玄武岩中的透辉石、橄榄石等与水中H⁺发生反应，H⁺含量逐渐减小且达到平衡状态，从而使pH值由岸坡向山体内逐渐增大。

现场对17号、18号坝段排水孔涌水随机取样进行水质分析，分析结果如表2所示，以江水水质为参照，17号、18号坝段涌水总硬度较低，pH值较高，符合深部裂隙水化学特征，同时与18号坝段帷幕检查孔涌水对比，两者指标差异较小，且两次涌水点空间上相距较近，说明不同时期不同位置的两次涌水现象联系密切。

表2 涌水化学分析结果

Tab.2 Hydro-chemistry analysis of gush water

部位	指标
部位	浊度	色度	水温/℃	pH	耗氧量/ （mg·L^-1）	总硬度/ （mg·L^-1）	铁/ （mg·L^-1）	铜/ （mg·L^-1）	锌/ （mg·L^-1）
江水	158	45	28	7.75	1.52	158	0.160	0.005	0
18号坝段帷幕检查孔	0.83	<5	23	10.51	1.23	62	0.008	0.070	0
17号、18号坝段排水孔	0.86	<5	20	10.28	1.14	80	0.141	0.131	0
	0.76	<5	20	10.34	1.06	40	0	0.160	0.030
	1.19	<5	20	10.44	1.02	60	0	0.390	0.040

4.2 涌水来源分析

综合水文地质资料与水化学分析结果，初步认为17号、18号坝段基础排水廊道涌水来源存在3种可能：上游库水、基岩原生深部承压裂隙水和左岸山体深部裂隙水，下面逐一进行分析。

（1）上游库水。上游围堰动工拆除对围堰至坝前帷幕范围内渗流场产生扰动，17号、18号坝段帷幕前水头值持续攀升后趋于稳定，直至7月23日坝前基坑正式充水，帷幕前水头值再次上升，见图4。涌水量与帷幕前水头值时变趋势图显示，17号、18号坝段帷幕前水头值首次攀升时间段内，涌水量呈快速上升趋势，之后17号、18号坝段帷幕前水头值经历两次剧烈变化，期间涌水量对应形成类似变化趋势，但水质分析结果表明金沙江江水水质与排水孔涌水水质相差较大，排除上游库水直接透过防渗帷幕，但不排除上游库水通过左岸山体产生绕渗，绕渗过程中发生水-岩间的相互作用，绕渗渗径较长，水岩作用充分，渗水硬度降低，pH值升高，与涌水化学特征相符，不排除上游库水可能是17号、18号坝段基础排水廊道涌水来源之一。

图4 涌水量与帷幕前水头值时变趋势图

Fig.4 Time-changing trend diagram of gushed water quantity and headwater before curtain

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（2）基岩原生深部承压水涌水来源的另一种可能是坝基基岩下内部承压水，承压水即充满在两个隔水层或弱透水层之间的含水层中能承受压力的地下水，在适宜的地形条件下，当钻孔揭露到承压水时，便能形成自喷水流。承压水的埋藏条件是透水层的上下均具有相对隔水层，且地下水必须充满整个透水层。

电站大坝建基面以下25 m范围内采取固结灌浆工程措施，帷幕灌浆资料显示，基岩面下25 m固结灌浆范围内吸浆量普遍小于20 kg/m，使该范围内岩体平均透水率低于1 Lu，可当做隔水层，主帷幕底部高程440 m以下岩体完整性较好，视为相对隔水层，相对隔水层顶板上部岩层内缓倾角错动带及裂隙发育，满足地下水赋存及径流条件，且埋深较大，可构成承压水。但由于排水孔施工过程中，第一时间并未出现涌水现象，涌水发生在排水孔施工完成数月之后，说明固结灌浆岩体与440 m高程以下岩体之间形成完整的坝基深部承压含水层可能性较小，但可能存在局部承压层，据此排除原生深部承压水作为17号、18号坝段基础排水廊道涌水来源的可能性。

（3）左岸山体深部裂隙水。左岸山体地下水位总体上随着距河谷水平距离的增大而逐渐抬高，地下水位变化与降水量关系密切，但降水补给地下水具有时效性（见图5）。白鹤滩降雨主要集中在5-10月，可占全年总降水量90%以上^［9］，2020年降雨资料显示，1-4月基本无降雨，5月份降雨较前期降雨显著加大，连续降雨使金沙江流域地下水活动活跃起来。17号、18号坝段排水廊道排水孔涌水始于5月14日，认为建基面下32~63 m范围内存在网络裂隙含水层，地下水活跃，激活渗漏通道，网络裂隙含水层通过渗漏通道得到水量补给，裂隙水承压，17号、18号坝段基础廊道排水孔成为裂隙承压水排水区，产生涌水。

图5 涌水量与降雨量时变趋势图

Fig.5 Time-changing trend diagram of gushed water quantity and rainfall

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排水孔施工期内，钻孔揭露裂隙水含水层内透水结构但并未产生涌水，是因为金沙江流域正处于枯水期，降水不足，山体内地下水欠活跃，地下水无法得到补给。另一方面，坝区环境水化学分析结果与涌水化学分析结果对比分析，发现左岸山体深部裂隙水与涌水化学特征相符，综合上述分析认为左岸山体深部裂隙水是17号、18号坝段基础廊道排水孔涌水主要来源。

4.3 涌水渗漏通道分析

白鹤滩水电站左岸坝基基础防渗帷幕与地下厂房防渗帷幕相互连接，与水垫塘后二道坝防渗帷幕形成完备的防渗体系，一般情况下，仅有少量地下水能够通过防渗帷幕后的排水孔缓慢排出，而17号、18号坝段的排水廊道中排水孔的渗漏量显著偏大，据此判断坝区帷幕后存在渗漏通道，依据坝区工程地质条件与水文地质条件，综合涌水来源分析结果，认为渗漏通道位于坝区左岸，涌水渗漏通道示意图见图6。

图6 涌水渗漏通道示意图

Fig.6 Leakage paths associated with water gushing

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坝区左岸地质构造发育，风化卸荷强烈，岩体结构复杂，网络裂隙结构广泛分布于基岩与两岸山体内，为地下水赋存提供场所，由断层、层间及层内错动带构成错综复杂的脉状结构为地下水的运移提供通道。断层F₁₇上盘发育有f₁₀₈、f₁₁₈、f₁₄₅等张扭性断层，下盘断层不发育；层间错动带C_3-1、C₃上盘发育层内错动带LS₄₂₃、LS₄₁₅、LS₄₁₄、LS₄₁₁等，下盘发育层内错动带LS₃₃₁、LS₃₃₇、LS₃₃₁₈、LS₃₃₁₉等，上述结构面类型多为岩块岩屑，大多呈中等透水^［10］，C₃下部P₂ β ₃ ³层第一类柱状节理玄武岩，内部裂隙发育，透水性强。

河床坝基自上而下岩层岩性依次为P₂ β ₃ ^2-2层第二类柱状节理玄武岩，P₂ β ₃ ^2-1层角砾熔岩、含杏仁玄武岩，P₂ β ₃ ¹层角砾熔岩、杏仁状玄武岩、斜斑玄武岩，第二类柱状节理玄武岩内发育有层内错动带VS₃₂₁₆、VS₃₂₁₅、VS₃₂₁₄、VS₃₂₁₂，深部揭露层间错动带C₂，位于河床地面以下120 m，高程低于防渗帷幕底部高程。坝基固结灌浆资料显示，河床17号、18号坝段第7~14段吸浆量大于等于50 kg/m，说明该范围内岩体裂隙较发育且受多组层内错动带切割，完整性较差，透水性较强，储水能力强。

防渗帷幕后，左岸山体深部裂隙水经层间错动带、断层等脉状导水结构、P₂ β ₃ ³层第一类柱状节理玄武岩、P₂ β ₃ ^2-2层第二类柱状节理玄武岩向河床岸坡与坝基汇集。岸坡开挖筑坝后，排泄受阻后向下经F₁₇断层破碎带继续流向坝基深部或通过错动区域穿过F₁₇断层向河床坝基汇集；向坝基深部汇集的渗水汇集至C₂与F₁₇交界处，交界处两者发生明显错动，渗水流经错动区域穿过F₁₇断层，经C₂层间错动带流向河床坝基处，河床坝基下部P₂ β ₃ ^2-2层第二类柱状节理玄武岩内层内错动带发育，进入雨季，左岸地下水活跃度上升，河床下部裂隙水通过上述渗漏通道得到源源不断地补充，最终导致裂隙水承压经17、18号坝段基础廊道排水孔涌出，受降雨月内分配不均及降雨入渗时效性影响，涌水量随时间上下波动。

5 结论及建议

以河床坝段排水廊道渗漏点涌水量时变趋势图为切入点，应用水化学分析方法，结合现场勘察及水文地质资料，对河床坝段排水廊道涌水来源及可能存在的渗漏通道进行综合分析，得出以下结论。

（1）左岸山体裂隙水为坝基基础廊道排水孔涌水主要来源；

（2）左岸岩流层倾向河床坝基，山体内脉状导水结构密布，C₂、C₃、C_3-1、F₁₇等主要脉状结构及柱状节理玄武岩所处岩层为主要渗漏通道；

（3）降雨与涌水关系密切，但降雨入渗补充地下水具有时效性，涌水量变化滞后。

白鹤滩水电站大坝工程将于2021年全面浇筑完成，蓄水计划启动，大坝初蓄阶段，加强断层、层间及层内错动带等透水性较强、渗流控制薄弱区域渗流监测，特别是左坝肩C₂、C₃、C_3-1截渗洞、左岸地下厂房及排水廊道等处是重点部位。切实开展涌水区域渗流实时监测，必要时进行水化学分析，以掌握蓄水过程中坝区渗流状态实时变化，为电站安全平稳运行提供保障。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2020-12-07	2021-10-15
发布日期
2021-11-09

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