汶川地震對陳村壩基滲流影響分析

邢林生，周建波，汪正春，孫 萍

（1.國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310014；2.大唐陳村水力發(fā)電廠，安徽涇縣 242500）

0 引 言

2008年5月12日14時28分，我國四川省東部汶川發(fā)生8.0級強烈地震，位于安徽南部距震中約1 400 km的陳村水電站壩址區(qū)有輕微震感。電站隨即啟動特殊運行工況監(jiān)測方案，對大壩位移、滲流等重點項目進行加密觀測，并增加人工巡視檢查次數(shù)。與震前相比，震后壩頂水平、垂直位移和壩體裂縫未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；深入壩基的10條倒垂線監(jiān)測資料表明，5月12日17時即震后約2 h與震前當(dāng)日8時的測值相對比，大壩基礎(chǔ)水平位移量變化幅度只有0.06 mm，量值極小，大壩基礎(chǔ)實際未發(fā)生水平位移。但監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，河床部位壩基防滲帷幕后部的揚壓力和排水測孔水位，震后都有顯著變化，絕大多數(shù)測孔震后比震前水位下降，同時壩基滲漏量顯著增大，這種變化趨勢一直延續(xù)到2008年底，部分測孔水位在2009年初仍未恢復(fù)到震前狀態(tài)。本文依據(jù)陳村壩基地質(zhì)條件、滲控措施以及壩基滲流實測資料，就汶川地震對陳村壩基滲流造成的影響進行分析研究。

1 壩基地質(zhì)條件及滲控措施

1.1 壩基地質(zhì)條件

陳村大壩為混凝土重力拱壩，最大壩高76.3 m，壩底最大寬度53.25 m，壩頂弧長419 m，共分28個壩段（自左向右編號3～30）。壩頂高程126.30 m，正常蓄水位 119.00 m，死水位101.00 m，水庫總庫容26.8億m3，電站裝機容量180 MW，1970年首次蓄水發(fā)電運行。大壩按7度設(shè)防。壩基由志留紀石英細砂巖、泥質(zhì)細砂巖和砂質(zhì)頁巖三者互層組成，經(jīng)過多次構(gòu)造運動，巖石破碎，斷層、裂隙、層間錯動面縱橫交錯，破壞了壩基的整體性。左側(cè)7壩段至河床17壩段的壩基處于F11（寬度一般為0.6～2.0 m，局部3.5～4.0 m）、F31（寬度0.7～1.0 m）、F32（寬度0.5～2.5 m）三條大斷層的上下盤或交匯帶上（見圖1）。由于沿斷層上盤一側(cè)的影響帶巖體被切割成大小不等的巖塊，眾多裂隙構(gòu)成曲折迂回的集中滲漏強透水帶，并與上游庫區(qū)貫通，而壓扭性斷層破碎帶本身卻是弱透水體，因而這些斷層把壓力滲水集中和阻滯在左半個壩基中。F35（寬度0.5～4.0 m）大斷層順河向貫通右側(cè)23壩段壩基。壩基相對隔水層（ω≤0.01L/min·m·m）埋藏較深，河床段和左側(cè)在建基面以下40～50 m（見圖2）。

圖1 陳村大壩壩址地質(zhì)構(gòu)造示意圖（高程單位：m）Fig.1 Geological structure of Chencun dam

1.2 壩基滲流控制措施

陳村壩基滲流條件復(fù)雜，設(shè)計采用堵排結(jié)合的防滲措施，并對壩基大斷層進行封閉處理。

1.2.1 帷幕灌漿

在兩側(cè)110.00 m高程以上設(shè)水泥灌漿帷幕一排，向左右壩肩各延伸41.8 m和41.0 m。在110.00 m高程以下設(shè)主、副水泥灌漿帷幕各一排，主帷幕孔深至相對不透水層，為直孔，副帷幕孔位于主帷幕孔上游側(cè)，并向上游傾斜2°～3°，較淺（見圖3），后來又在7～17壩段主帷幕后部增設(shè)水泥灌漿補強帷幕一排。設(shè)計要求幕體ω≤0.01 L/min·m·m。1974年水泥灌漿帷幕完工后鉆孔壓水檢查發(fā)現(xiàn)，7～17壩基幕體ω為 0.01～0.05 L/min·m·m 的孔段仍占 30%～40%，最大達0.132 L/min·m·m。帷幕后第1道排水幕線上揚壓力系數(shù)最大達0.43，13～16壩段排水廊道滲漏量達45 L/min，遂決定在7～17壩段主、副帷幕之間再增設(shè)一排丙凝化學(xué)灌漿加強帷幕，采用直孔，孔深穿入F11大斷層下盤5 m（見圖3），基本孔距1.5 m?；嗍┕な窃谒畮煨钏笊舷掠嗡徊罴s40 m的條件下進行的，施工中克服了地下動水壓力的干擾，保證了施工質(zhì)量。1978年化灌結(jié)束后檢測結(jié)果：丙凝加強幕體厚度約為2 m，幕體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%，在幕體中心線上鉆孔壓水至少可承受150 m水頭不破壞。陳村大壩帷幕設(shè)計上下游水位差＜60 m，幕體抗?jié)B透破壞最小安全度＞5，整個丙凝加強帷幕沿壩軸線長約160 m，截水面積約6 600 m2，耗用丙凝10 t，這是我國第一座采用大量化灌形成防滲帷幕的水電工程。

1.2.2 排水系統(tǒng)設(shè)置

1.2.2.1 縱向廊道排水

在灌漿和排水廊道內(nèi)，設(shè)置第1和第2道排水孔，河床壩段孔口高程分別為69.30 m和68.10 m，孔距3 m，終孔位于壩基接觸面以下15～20 m。

1.2.2.2 橫向廊道排水

在8、24壩段橫向廊道內(nèi)各布設(shè)一道排水孔，孔口高程為68.10～69.30 m。

圖3 帷幕、排水孔及導(dǎo)流涵洞排水孔布置示意圖（高程單位：m）Fig.3 Distribution of curtain,drainage holes and holes in diver-sion tunnel

1.2.2.3 壩趾排水

在14～21壩段廠壩之間壩趾部位（副廠房內(nèi)）布設(shè)一道排水孔，孔口高程54.00 m，低于下游尾水，所排出的水匯集到深井泵集水井內(nèi)抽排至下游。

1.2.2.4 涵洞集中排水

利用13壩段進口部位已封堵的原導(dǎo)流涵洞，前后布設(shè)兩道各6孔輻射狀排水孔，分別鉆入帷幕與F11斷層、F11與F32斷層之間，深入基巖15～25 m，孔口高程57.00 m，排出的水匯集到溢流口高程62.00 m的集水槽內(nèi)排至下游。

1.2.3 封閉斷層

對與帷幕軸線相交的斷層，在壩基接觸部位挖深6～8 m，用混凝土塞封閉處理；對7～17壩段斷層深部，用水泥帷幕封閉后，又用丙凝對F11、F31斷層上、下盤以及F35斷層上盤進行封閉灌漿；對F35斷層還從下游峒挖回填混凝土進行封閉處理。

1978年，上述各項堵排防滲措施完工后，當(dāng)庫水位與帷幕化灌前相近時，7～17壩段第1道排水幕線上的揚壓力系數(shù)為0.223～0.227，滿足設(shè)計≤0.25的要求，13～16壩段排水廊道滲漏量為0。

2 地震前后壩基滲流變化趨勢

2.1 揚壓力測孔水位

全壩共布置揚壓力測孔58個，其中在8、14、17、24壩段帷幕前各設(shè)一個測孔，在8、14、17壩段帷幕體內(nèi)各設(shè)一個測孔。除帷幕體內(nèi)測孔為深孔外，其余揚壓力測孔終孔位置都在基巖接觸面下0.5～1.0 m。8、14、17、24壩段帷幕前揚壓力測孔距離壩踵分別約為4 m、1 m、1 m和4 m。

2.1.1 幕區(qū)揚壓力測孔水位

表1是8、14、17、24壩段帷幕區(qū)揚壓力測孔地震前后的水位情況，4次觀測對應(yīng)的庫水位相接近。將5月12日17時即震后約2 h的測孔水位與震前5月5日的測值相對比，8、24壩段幕前測孔水位分別上升0.10 m和0.11 m，14壩段保持不變，17壩段下降0.20 m；8壩段幕中測孔水位保持不變，14、17壩段水位升、降變幅在0.10 m以內(nèi)；幕后測孔水位2個壩段保持不變，2個壩段變幅很小，只有0.01 m。總體表明，帷幕前后壩基接觸面附近的8個測孔和帷幕中的3個深孔，震后短時段內(nèi)水位保持不變或變幅很小。將震后7 d5月19日各測孔水位與震前5月5日的測值相對比，除幕后8壩段測孔仍保持不變外，其它測孔升、降變幅為0.20～0.51 m，水位變幅總體有所增大，而震后21 d6月2日，各測孔水位升、降變幅總體上有所減小，震后5個多月的10月27日，多數(shù)測孔水位升、降變幅進一步減小。

2.1.2 帷幕后第1道排水幕線上揚壓力測孔水位

表2列出了河床8～24壩段帷幕后第1道排水幕線上揚壓力測孔地震前后的水位，6次觀測對應(yīng)的庫水位都相近。地震后約2 h的測孔水位與震前5月5日的測值相比，總體變化不大，只有21、22壩段下降變幅分別為0.10 m和0.18 m，其它15個壩段都保持不變或升、降變幅很小。震后第7 d5月19日的測孔水位與震前5月5日的測值相比，除8、13壩段仍沒有變化外，其它15個壩段都一致下降，10壩段下降變幅較小，為0.20 m，18、20壩段下降變幅較大，分別為1.47 m和1.60 m。震后21 d6月2日與震后第7 d5月19日相比，大多數(shù)壩段測孔水位基本保持不變或略有回升，只有17、19壩段繼續(xù)下降。震后5個多月10月27日與震前5月5日相比，18、19、20、21壩段測孔水位下降幅度仍超過1 m。至2009年2月9日，多數(shù)壩段測孔水位已與震前2008年5月5日相接近，18、19、20壩段下降變幅仍稍大，分別為0.87 m、0.98 m和0.92 m。沿壩軸線方向測孔水位的變化趨勢大致表現(xiàn)為：8～17壩段和22～24壩段下降變幅較小，18～21壩段下降變幅較大，且延續(xù)時間較長。

表1 防滲帷幕幕區(qū)揚壓力測孔水位Table 1:Water level of uplift pressure observation holes at seepage prevention curtain area

表2 帷幕后第1道排水幕線上揚壓力測孔水位Table 2:Water level of uplift pressure observation holes on the first drainage curtain line behind curtain

2.2 排水測孔水位及壩基滲漏量

2.2.1 灌漿廊道排水測孔水位

布置在河床8～24壩段灌漿廊道內(nèi)的第1道排水孔，孔口高程較高，一般無滲水從孔口排出，由于這些孔深入基巖，通過孔內(nèi)水位觀測，可以了解基巖內(nèi)滲流的變化情況。表3列出了8～24壩段地震前后排水測孔的水位，4次觀測時庫水位接近。震后2 d5月14日與震前5月6日相對比，17個壩段的測孔水位普遍下降，其中13和24壩段變化量很小，其它壩段下降顯著，最大降幅達3.59 m，有6個壩段降幅超過1 m。震后5個多月11月4日各測孔水位比5月14日相比普遍回升，部分測孔已與震前5月6日相接近，但18、19、20壩段測孔水位仍比5月6日低1 m多。至2009年2月1日，多數(shù)壩段測孔水位已基本回復(fù)到震前狀態(tài)，但18壩段測孔水位仍比震前2008年5月6日下降較多，為2.84 m。沿壩軸線方向測孔水位的變化趨勢大致為：8～17和24壩段下降變幅相對較小，18、19、20和22壩段下降變幅較大，且延續(xù)時間較長。

2.2.2 壩基滲漏量

2.2.2.1 壩趾54.00 m高程滲漏量

壩趾54.00 m高程排水孔是全壩基孔口高程最低的排水孔，震后滲漏量增大趨勢最為顯著。表4

列出了地震前后6次滲漏量觀測值，觀測時庫水位基本接近。震后2 d5月14日的滲漏量為震前4月28日的2.25倍。震后16 d5月28日的滲漏量繼續(xù)增大，雖然當(dāng)日庫水位比震前4月28日低0.84 m，滲漏量卻是震前的3.18倍。震后23 d6月4日的測值表明，滲漏量增大趨勢已有回落，但仍是4月28日的2.63倍。至10月27日，滲漏量明顯回落，是震前4月28日的1.2倍。一直到2009年2月2日，滲漏量恢復(fù)到正常狀態(tài)。在滲漏量升降變化過程中，滲漏水清澈，未出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。

表3 灌漿廊道排水測孔水位Table 3:Water level of drainage holes in the grouting gallery

表4 壩趾54 m高程（副廠房內(nèi)）排水孔滲漏量/L·min-1Table 4:Seepage of drainage holes on the elevation of 54 m(auxiliary power house)

2.2.2.2 壩基總滲漏量

表5列出了2006～2009年壩基總滲漏量和壩趾54.00 m高程的年滲漏量。從表5可大致看出，除2008年，其它年份壩基總滲漏量與當(dāng)年平均庫水位對應(yīng)關(guān)系密切，2006和2009年平均庫水位分別最低和最高，壩基總滲漏量分別最小和最大。2008年平均庫水位雖然和2007年幾乎相同，因地震影響，壩基總滲漏量增加了1 200 m3，增幅為24%。壩趾54.00 m高程排水孔的滲漏量，2008年比2007年增加幅度更大，達70%。2009年平均庫水位雖然比2008年高出2.91 m，壩基滲漏量卻明顯減小，表明壩基總體防滲功能已基本恢復(fù)。

表5 壩基滲漏量Table 5:Seepage at dam foundation

3 地震影響機理及危害性分析

3.1 影響機理分析

在汶川地震力作用下，陳村壩基巖體和帷幕微細裂隙張開，滲透性增強，其地震響應(yīng)的直觀表征是壩基滲漏量增大。在庫水位相近情況下，壩趾54.00 m高程排水孔滲漏量震后2 d達震前2.25倍，震后16 d達震前3.18倍。在年平均庫水位幾乎完全相同的情況下，壩趾54 m高程排水孔2008年的滲漏量比2007年增加70%，全壩基滲漏量增加1 200 m3，約為2007年的1/4，這樣大的增幅表明壩基巖體和帷幕受地震影響，滲透性增強的效應(yīng)比較顯著。

壩基測孔水位下降是壩基在地震力作用下滲流條件變得相對通暢的表現(xiàn)。壩基不同部位測孔水位下降程度的不均勻性反映出各部位微細裂隙在地震力作用下張開程度是不同的。就順河向而言，帷幕后測孔水位下降較大，表明經(jīng)過全面防滲處理而形成的帷幕抗震能力較好。而沿壩軸線方向帷幕后的測孔水位，8～17壩段下降程度總體上比18～24壩段小，表明8～17壩段帷幕后的斷層破碎帶，由于做過局部防滲處理，加強了幕體，也具有相對較好的抗震能力。

隨著時間的推移，壩基測孔水位逐漸回升，壩基滲漏量基本恢復(fù)到震前狀態(tài)，表明地震力促使壩基巖體和帷幕微細裂隙張開的效應(yīng)具有一定的可恢復(fù)性。震后7 d左右，帷幕后測孔水位下降大多達到最大值，隨后絕大多數(shù)測孔水位開始回升；震后約5個半月，8～17壩段大多數(shù)測孔水位已與震前相接近，震后9個月基本恢復(fù)到震前狀態(tài)；18～23壩段測孔水位恢復(fù)速度相對較慢，震后9個月仍有3個壩段下降超過 0.90 m，最大達 2.84 m。壩趾54.00 m高程排水孔滲漏量，震后約半個月達到最大值，隨后逐漸減少，震后約9個月恢復(fù)到震前狀態(tài)；2009年平均庫水位比2008年高出2.91 m，但壩基總滲漏量卻減少511 m3。上述變化趨勢還表明，僅用水泥灌漿作防滲處理的部位，恢復(fù)速度相對較慢，而經(jīng)過丙凝防滲灌漿處理的部位，恢復(fù)速度相對較快。丙凝是一種柔性化學(xué)材料，室內(nèi)試驗表明，自身強度雖低，充填入細縫中卻有很大的抗擠出強度，并在遭受擊穿破壞后，隨著作用力的卸荷，具有回彈閉合自我修補能力，這次地震驗證了這一寶貴性能。

3.2 危害性分析

位于8、14、17、24壩段帷幕前的4個揚壓力測孔，距離壩踵1～4 m，鉆孔深入基巖0.5～1.0 m，其孔內(nèi)水位變化是壩踵附近壩體與基巖結(jié)合狀態(tài)的直接反映。震后約2 h，這4個孔孔內(nèi)水位與震前相比，1孔保持不變，3孔升、降變幅僅0.10～0.20 m，表明壩踵附近建基面在地震力作用下沒有發(fā)生張開而引起揚壓力水位突然上升現(xiàn)象。汶川地震發(fā)生時，陳村大壩庫水位為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，為較低水位運行工況，對大壩的抗震是有利的，震后帷幕前揚壓力測孔水位變化以及大壩位移和倒垂線震后監(jiān)測成果都與這一因素相吻合。

陳村重力拱壩壩底較厚，厚高比為0.698，河谷較寬，弧高比為5.491，壩基面揚壓力是影響大壩穩(wěn)定的重要荷載之一。汶川地震引起帷幕后揚壓力測孔水位普遍下降，壩基面揚壓力呈減小趨勢，沒有出現(xiàn)揚壓力上升的惡化跡象，對大壩穩(wěn)定沒有產(chǎn)生不利影響。陳村壩基帷幕抗?jié)B透破壞能力較強，安全度較高，地震引起的帷幕前后水頭壓差增大幅度較小，不會對帷幕造成破壞。地震引起壩基滲漏量顯著增大的同時，未見滲漏水渾濁現(xiàn)象，表明壩基巖體和帷幕微細裂隙雖有張開，致使?jié)B透性增強，但滲水未帶出粗顆粒物質(zhì)，沒有發(fā)生機械管涌，壩基巖體和帷幕沒有遭受損害。

18～23壩段帷幕后測孔水位，震后比震前下降值都超過1.1 m，至震后約9個月，19、20壩段壩基淺層揚壓力測孔和18、19壩段壩基深部排水測孔水位的下降值仍超過0.90 m，明顯大于其它部位，說明這部分壩基的微細裂隙張開程度最為顯著，需繼續(xù)加以關(guān)注。

4 結(jié)語

陳村水電站大壩距汶川地震震中1 400 km，受地震影響，壩基滲流發(fā)生較為顯著的變化可能僅是一個工程個例。但從中可以看出，巖體破碎、地質(zhì)條件差的壩基，其滲流性態(tài)對地震的影響比較敏感。壩基斷層、裂隙、層面經(jīng)過有效防滲處理后，抗震能力仍較強。丙凝化學(xué)加強灌漿不僅增強了巖體和帷幕的防滲和抗震能力，并具有較好的柔性自我修補性能，這是通過實踐證實獲得的一個重要信息。陳村壩基受汶川強烈地震影響，帷幕后測孔水位普遍下降，壩基滲漏量顯著增大，但大壩穩(wěn)定沒有受到不利影響，壩基巖體和帷幕沒有遭受損壞，震后約9個月，壩基整體防滲功能已逐漸恢復(fù)。部分壩段帷幕后測孔水位較長時段內(nèi)仍未恢復(fù)到震前狀態(tài)，尚需對其變化趨勢和危害性做進一步分析研究。

[1]陳厚群，徐澤平，李敏.汶川大地震和大壩抗震安全[J].水利學(xué)報，2008，(10).

[2]周建平，李昇.汶川地震災(zāi)區(qū)水電工程震損調(diào)查及抗震復(fù)核工作簡介[J].水力發(fā)電，2008，(11).

[3]邢林生，方榴聲.陳村水電站大壩壩基滲流監(jiān)測研究[J].水利學(xué)報，1990，(8).