特高土石壩首次蓄水期壩基滲控監(jiān)測分析評價

曹文彬　羅鵬飛　鄧韶輝　劉健

摘要：水庫蓄水期的壩基滲流控制效果評價是大壩安全評價的重要組成部分，總結(jié)蓄水期壩基滲流變化規(guī)律對特高土石壩工程的安全運行意義重大。以中國已建成的300 m級特高土石壩——兩河口水電站礫石土心墻堆石壩為例，結(jié)合工程布置特點，利用監(jiān)測成果分析、地質(zhì)條件分析等手段，分析和討論蓄水過程中的滲控監(jiān)測情況，指出了相關(guān)問題和可能存在的注意事項，對滲控措施的工程效果進行了評價。首次蓄水期壩基滲流分析表明：蓄水期壩基滲壓與庫水位的變化存在一定相關(guān)性且相關(guān)性效應(yīng)需在一定水頭作用下才會顯現(xiàn)，壩基滲壓變化較庫水位變化一般具有滯后性，壩基深部滲壓并不一定關(guān)聯(lián)反映水頭或水位。相關(guān)經(jīng)驗可為后續(xù)類似高土石壩建設(shè)提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：特高土石壩； 首次蓄水； 壩基滲控； 滲壓監(jiān)測； 兩河口水電站

中圖法分類號： TV641.4 文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.034

0 引 言

土石壩是世界大壩工程建設(shè)中應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。中國糯扎渡（壩高261.5 m）、兩河口（壩高295 m）、雙江口（壩高314 m）、如美（壩高315 m）等一批已建和在建的大型高土石壩已創(chuàng)下并將不斷刷新國內(nèi)土石壩建設(shè)記錄。這些超高土石壩多建設(shè)在高深峽谷中，具有工程規(guī)模巨大、地質(zhì)條件復(fù)雜、建設(shè)周期長、擋水水頭高等特點［1-3］，其工程屬性、運行效益、民生保障及承載的庫水容量決定了大壩結(jié)構(gòu)安全是大壩工程界最為關(guān)切的問題之一［4］。

特高土石壩壩基處理中面臨的工程地質(zhì)條件和本構(gòu)關(guān)系較復(fù)雜，滲流控制和防滲處理面臨較大挑戰(zhàn)。壩基滲控效果不佳產(chǎn)生的影響主要包括壩基失穩(wěn)、滲透破壞、滲漏損失等［5］。在高水頭、高應(yīng)力作用下特高土石壩的壩基滲流研究與控制可能面臨的問題更為復(fù)雜。不同地形地質(zhì)條件下采用不同施工材料、施工工藝建設(shè)的土石壩在一定意義上具有唯一性，但在大壩規(guī)模、形式等普遍概念上類似工程應(yīng)具有一定規(guī)律性。分析水庫首次蓄水期間的滲壓變化情況、探尋壩基滲流變化規(guī)律，從而評價壩基滲流的穩(wěn)定性、安全性對工程的安全運行意義重大。本文結(jié)合兩河口工程特點，對首次蓄水期間前兩個階段的壩基滲控監(jiān)測成果進行系統(tǒng)分析，總結(jié)相應(yīng)變化規(guī)律和特征，以期為后續(xù)工程建設(shè)提供借鑒和思路。

1 工程概況

兩河口水電站地處四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流，水庫控制流域面積6.57萬km2，為雅礱江中上游龍頭電站［6］。水庫正常蓄水位2 865 m，總庫容107.67億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，多年調(diào)節(jié)能力顯著［7］，且水庫補償效益可延伸至金沙江干流下游段的烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩以及長江干流的三峽和葛洲壩。水電站裝機容量300萬kW，工程為Ⅰ等大（一）型工程，礫石土心墻堆石壩壩頂高程2 875 m，最大壩高295 m，為目前已建成的中國第一高堆石壩。

兩河口水庫蓄水分為3個階段：第一階段，初期導(dǎo)流洞下閘封堵、轉(zhuǎn)換導(dǎo)流洞過流，庫水位由初期導(dǎo)流洞過流的初始水位2 608 m逐步抬升至2 675 m，由5號導(dǎo)流洞過流；第二階段，5號導(dǎo)流洞控泄，庫水位上升至死水位2 785 m，為機組調(diào)試、啟動發(fā)電提供條件；第三階段，結(jié)合工程監(jiān)測情況、防洪度汛、來水情況及下游梯級聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化，擇機蓄至正常蓄水位2 865 m。

首次蓄水自2020年11月1日開始初期導(dǎo)流洞下閘，庫水位抬升，開始第一階段蓄水，12月11日5號導(dǎo)流洞過流；2021年6月10日5號導(dǎo)流洞控泄，開始第二階段蓄水，8月19日庫水位達2 785 m（死水位），此后大壩承受約200 m以上水頭考驗。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

樞紐區(qū)河谷呈略不對稱的“V”形深切峽谷，谷坡陡峻，臨河坡高500～1 000 m，主要為砂板巖，但根據(jù)地層分類，砂板巖比例分布不均且?guī)r性有較大差異；左岸地形溝梁相間；壩址區(qū)巖體風(fēng)化較弱，但局部卸荷較強。壩址區(qū)基巖兩河口組中、下段（T3lh2、T3lh1）出露，其中兩河口組下段出露完整，主要為變質(zhì)砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，殘坡積層最大厚度45.7 m，崩坡積塊碎石土一般厚度10～30 m［8］。

壩址區(qū)砂板巖透水性弱，不同地貌單元透水性各異，岸坡較強而河床相對較弱。據(jù)壩址區(qū)Ⅲ勘探線滲透剖面分析，壩址區(qū)為橫向谷，微新砂板巖透水性總體較弱，壩基巖體透水性不均一，局部存在透水率介于1～10 Lu的弱透水段，透水率≤3 Lu的相對隔水巖體在河床部位垂直埋深160～180 m，在正常蓄水位高程岸坡水平埋深200～250 m［9］。

壩址區(qū)地下水類型主要為松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水。最重要的地下水類型為分布廣泛的基巖裂隙潛水，可分為淺層風(fēng)化裂隙水和裂隙承壓水，受大氣降水補給，排泄于雅礱江［10］，地下水位變幅受大氣降水的影響較為明顯。水質(zhì)分析試驗資料表明，壩區(qū)地表、地下的水質(zhì)類型大多為NaK-HCO3、Ca-HCO3-，總礦化度137.45～451.44 mg/L，中性偏弱堿性，pH=7.5～8.3，對混凝土無任何腐蝕性。

3 滲控及監(jiān)測設(shè)計概況

3.1 防滲帷幕布置

分別在左右兩岸壩肩基礎(chǔ)2 575.50，2 640.00，2 700.00，2 760.00，2 820.00，2 875.00 m高程各設(shè)置1層帷幕灌漿平洞，各層平洞軸線在豎直斷面基本重合［11］，河床基礎(chǔ)灌漿廊道與兩岸2575.50m高程灌漿平洞相連。為進行有效壩基滲流控制，根據(jù)樞紐區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，在河床基礎(chǔ)和左右岸壩肩基礎(chǔ)布置防滲主帷幕、搭接帷幕與幕后排水系統(tǒng)。帷幕灌漿通過河床基礎(chǔ)灌漿廊道和各層灌漿平洞進行。

對大壩軸線所在平面的大壩基巖進行灌漿帷幕形成壩基防滲面，防滲面上以基巖透水率q≤3 Lu作為相對不透水層界限，灌漿帷幕深入相對不透水層5 m?？紤]在長期高水頭作用下壩基帷幕的可靠性，河床基礎(chǔ)防滲帷幕底高程為2 420.00 m。左岸防滲帷幕向山體延伸深度約為150～280 m，右岸各層灌漿平洞與廠房灌漿平洞連為一體，廠區(qū)防滲帷幕與大壩軸線部位的防滲帷幕連為一體，涵蓋整個廠房（見圖1）。

3.2 滲控監(jiān)測布置

根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算分析成果，沿最大壩高斷面設(shè)1個監(jiān)測斷面，在左右岸坡處各布設(shè)2個監(jiān)測斷面，共5個監(jiān)測橫斷面（見圖2）。沿監(jiān)測橫斷面在壩基建基面高程附近布設(shè)滲壓計，以監(jiān)測壩基滲透壓力的變化、判斷壩基防滲狀態(tài)和排水設(shè)施工作效能。

在河床基礎(chǔ)廊道和各層灌漿平洞內(nèi)防滲帷幕后布置測壓管，鉆孔深度10～25 m，用以監(jiān)測主帷幕防滲效果。

另外，在兩岸壩肩灌漿廊道、交通洞及下游岸坡布設(shè)繞滲孔，監(jiān)測繞壩滲流情況，了解伸入兩岸山體的灌漿帷幕防滲效果。

在河床基礎(chǔ)廊道和各層灌漿平洞集水井兩側(cè)的排水溝內(nèi)布設(shè)量水堰，在壩后沿順水流方向開挖排水溝槽并安裝量水堰，用以監(jiān)測壩區(qū)兩岸山體、壩基及壩體滲漏量。

4 成果分析與討論

4.1 壩基滲壓

兩河口水庫第二階段蓄水后，庫水位為2 785 m，下游水位為2 607 m，第一、二階段庫水位分別抬升67，110 m。建基面壩基滲壓計監(jiān)測成果如圖3～4所示。帷幕前滲壓變化與庫水位呈一定程度的正相關(guān)性，在第一階段蓄水期間相關(guān)性不明顯，第二階段蓄水期間相關(guān)性較明顯，說明該種相關(guān)性效應(yīng)需在一定水頭作用下才會有所顯現(xiàn)；部分滲壓變化在時間分布上較庫水位抬升滯后1～2個月，滯后時間長短與地質(zhì)條件、防滲效果以及壩基測點部位滲流路徑等因素相關(guān)；比較兩河口第一、二階段蓄水后滲壓可知，其變化相關(guān)性效應(yīng)和滯后性規(guī)律體現(xiàn)較明顯，類似規(guī)律在其它高壩也有一定體現(xiàn)［12-13］。帷幕后滲壓總體變化與庫水位抬升相關(guān)性不明顯。沿順河向布置5個監(jiān)測斷面的滲壓變化規(guī)律總體一致，蓄水期間變化量值基本接近。

比較最大壩高斷面建基面滲壓計成果可知：① 帷幕前。壩基最高滲壓水頭143.5 m，折算水位2 723.4 m，第一階段蓄水后水頭增幅29.5 m，第二階段蓄水后水頭增幅72.1 m。② 帷幕后。壩基滲壓水頭介于38.2～62.0 m，折算水位2 611.2～2 634.2 m，第一階段蓄水后水頭最大增幅11.4 m，第二階段蓄水后水頭最大增幅22.0 m。

根據(jù)帷幕后壩基深部滲壓計監(jiān)測成果，深部滲壓第一階段蓄水后增幅介于-0.033～0.145 MPa，第二階段蓄水后增幅介于-0.008～0.246 MPa，最大壩高監(jiān)測斷面帷幕后深部滲壓增加較明顯且滲壓增加主要發(fā)生在第二階段蓄水期間（見圖5），其余監(jiān)測斷面帷幕后深部滲壓水頭變化不明顯或略有降低。結(jié)合地質(zhì)條件、勘察情況和建基面壩基滲壓情況比較分析，壩基深部滲壓變化可能與高水壓通過深部基巖微細裂隙進行的壓力傳遞有關(guān)，深部滲壓并不一定關(guān)聯(lián)反映監(jiān)測部位水頭或水位，但可在一定程度反映防滲薄弱點。

4.2 帷幕后地下水位

剔除粗差和明顯異常測點，高程2 575，2 640，2 700，2 760 m灌漿平洞內(nèi)壩區(qū)主帷幕后測壓管監(jiān)測水位如圖6所示。第一階段蓄水結(jié)束后帷幕后地下水位變幅較小，第二階段蓄水結(jié)束后水位略有升高但量值總體不大，兩階段蓄水累計最大水位增幅25.5 m。高程2 575 m灌漿平洞內(nèi)帷幕后地下水位在2 590.29 m以下，較庫水位折減水頭194.71～222.75 m，水頭折減率84.0%～95.2%。蓄水后地下水位變化趨勢總體平緩，與庫水位變化相關(guān)性不明顯。

4.3 繞滲監(jiān)測

繞滲孔水位監(jiān)測成果表明（見表1），大壩左岸繞滲孔當前折算水位介于2 620.63～2 806.11 m，大壩右岸繞滲孔當前折算水位介于2 610.36～2 687.72 m，蓄水以來大壩左右岸繞滲孔監(jiān)測水位增幅介于-9.21～8.42 m。蓄水后各繞滲孔水位變化與庫水位增長未見明顯相關(guān)性，繞滲孔水位應(yīng)主要與監(jiān)測部位降雨、岸坡巖體裂隙水增減等影響因素有關(guān)。

4.4 滲流量

根據(jù)帷幕后各量水堰監(jiān)測成果（見表2），水庫蓄水前壩后和各層灌漿平洞滲水量很小，總滲流量0.59 L/s；第一階段蓄水后總滲流量7.48 L/s，較蓄水前增加了6.89 L/s；第二階段蓄水結(jié)束后總滲流量4.80 L/s，較蓄水前增幅為4.21 L/s。壩后量水堰蓄水期實測滲流量存在一定波動，經(jīng)與壩址區(qū)日降雨量關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)壩后量水堰滲流量與降雨量正相關(guān)性較強，且滲流量增減較日降雨量增減在時間分布上有1～2 d滯后，由此可基本判定壩后量水堰滲流量受降雨、外水滲入等因素影響較大。其它各層灌漿平洞滲水量較小且在蓄水前后變化不大。

從目前國內(nèi)已建成的高心墻堆石壩在首次蓄水后的壩基滲流情況來看，建于深厚覆蓋層上的瀑布溝和長河壩壩基最小總滲漏量分別為20.31 L/s［13］和25.32 L/s［14］，建于基巖上的糯扎渡壩基最小總滲漏量36.1 L/s［15］。不同的地質(zhì)條件、帷幕布置方式在一定程度上對壩基滲流情況具有較強影響，實測滲流量主要與壩址區(qū)封閉條件和全斷面滲漏量截取率有關(guān)。監(jiān)測成果表明，兩河口壩基滲漏量總體較小，蓄水前后滲流增量不大，滲流控制效果優(yōu)秀。

5 結(jié) 論

（1） 壩基滲壓與庫水位變化一般呈一定程度的正相關(guān)，相關(guān)程度強弱在一定程度上反映壩基防滲效果。實測滲壓變化與庫水位的正相關(guān)效應(yīng)需要在一定水頭條件作用下才會顯現(xiàn)，庫水位抬升較低時壩基實測滲壓水頭不一定有明顯變化，其相關(guān)效應(yīng)顯現(xiàn)時間與地質(zhì)條件、地形條件、測點部位、防滲效果等因素有關(guān)。

（2） 壩基實測滲壓的變化較庫水位抬升在時間分布上一般都具滯后性，滯后時間與壩基地質(zhì)條件、防滲效果以及滲流路徑等因素相關(guān)。

（3） 帷幕后測壓管和深部滲壓計較能真實反映壩基深部滲控情況，深部滲壓并不一定關(guān)聯(lián)反映水頭或水位，但可在一定程度上反饋防滲薄弱點或薄弱區(qū)域。

（4） 監(jiān)測成果表明，兩河口水電站首蓄期壩基滲壓規(guī)律正常，較庫水位水頭折減明顯，滲流量總體較小，滲流滲壓變化趨于平穩(wěn)，壩基滲控工作性態(tài)正常、運行有效，滲控效果良好。

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（編輯：鄭 毅）

Analysis and evaluation of seepage control monitoring of dam foundation during first impoundment period of a ultra-high earth rock dam

CAO Wenbin1，LUO Pengfei1，DENG Shaohui2，LIU Jian2

（1.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410000，China； 2.Yalong River Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610051，China）

Abstract： The evaluation of seepage control effect of dam foundation in the impoundment period is an important part of dam safety evaluation.It has significant meaning to summarize the seepage variation law of dam foundation during impoundment period for ensuring safe operation of ultra-high earth rock dams.Taking a 300m-level ultra-high earth-rock dam，Lianghekou Hydropower Station in China as an example，we analyzed and discussed the seepage control monitoring in the process of impoundment by analyzing the monitoring data and considering geological conditions as well as engineering layout.We ascertained the relevant problems and possible precautions and evaluated the engineering effect of seepage control measures.The result show that there is a certain correlation between the seepage pressure of dam foundation and the change of reservoir water level during the storage period，and the correlation effect only appears under the action of a certain water head.The change of seepage pressure of the dam foundation generally lags behind the change of reservoir water level.The deep seepage pressure of the dam foundation does not necessarily reflect the head or water level.The relevant experiences in this paper can provide references and ideas for subsequent similar projects.

Key words： ultra-high earth-rock dam；first impoundment；seepage control of dam foundation；seepage pressure monitoring；Lianghekou Hydropower Station

收稿日期：2022-03-03

作者簡介：曹文彬，男，工程師，碩士，主要從事工程安全監(jiān)測資料分析和技術(shù)管理工作。 E-mail：358473720@qq.com