江垭大坝基础排水孔管涌原因与处理

摘要：江垭大坝于1998年10月18日下闸蓄水。在初期运行过程中，8#坝段坝基主排水孔发生突发性强涌水，携带出中、粗砂20余m3，基础廊道被淹。积水抽干后，通过各项观测、孔内电视、水文地质条件和渗控工程布置特征等综合分析，查明了坝基主排水孔涌水来自左岸山体。管涌原因是防渗帷幕阻断了下部含水层的渗流排泄通道，两岸坝肩幕后山体排水未形成，无新的排泄出逸处，主排水孔未设反滤。暴雨期间排泄不畅，地下水急骤升高，使坝基层间溶蚀带内的充填物产生渗透破坏，出现管涌。对管涌发生情况、管涌原因、处理步骤、完善排水设施、处理效果与体会作了全面阐述。

关键词：排水孔；管涌；排水设计；处理；江垭电站

1 前言

江垭大坝为全断面碾压混凝土重力坝，最大坝高131m，坝顶长度367m，由河床溢流坝和左、右岸非溢流坝组成。坝丛为层状灰岩透水岩体。为截断基础渗流，降低基础扬压力，防止集中渗流，避免基础层间剪切带中泥化夹层的渗流破坏，采用灌浆帷幕与排水相结合的基础渗流控制措施，以保证渗透稳定和大坝安全。坝基防渗帷幕轴线位于坝轴线下游5.5m，自两岸坝端转折向上游，沿河岸山坡前缘延伸至3#、4#冲沟与P1q1-2隔水层及设计水位237.59m高程封闭，形成向上游开口的“梯形”。近河岸地段的帷幕下游设一道主排水孔，河床坝段幕后设一道主排水，两道副排水孔。1998年10月18日导流洞下闸蓄水投入初期运行，1999年6月下旬坝区连日降雨，6月30日凌晨，8#坝段1#、2#、6#基础主排水孔发生突发性强涌水，并携带出20余m3中、粗砂及少量细砾喷出孔口(以下称“管涌”)，廊道被淹。将廊道积水抽干清淤后，查明基础排水孔涌水来自左岸山体。查明了基础排水孔管涌”原因，提出了管涌处理步骤和两岸山体排水补充设计与完善排水系统的措施。有关专家认为，处理措施得当，效果明显。

2 地质条件与渗控工程布置特征

2.1 地质条件

坝基持力层为下二迭栖霞组(P1q)，主要岩性为中一厚层状灰岩夹页状滑石化灰岩，岩石新鲜完善。岩层走向55°～65°，横切河谷与河流方向近于正交。倾向下游(SE)，倾角35°～41°。坝基范围内仅见有4条小断层。裂隙不甚发育，大多延伸不长，切割不深。层间剪断错动带发育，共有19层，其透水性微弱，具各向异性特征。坝区岩溶主要以沿NW、NNE向裂隙或断层形成的构造溶蚀和层面溶蚀，在交汇带处，局部形成管道状溶洞，是岩溶水活动排泄的主要通道，坝基范围内共有层间溶蚀带9层。岩溶的发育规律和地下水的活性特征都明显受相对隔水层控制，其表现为：岩溶以顺层和构造裂隙发育为主，多限于各含水层之间，地下水顺层面向河床排泄，两岸上、下含水层分布有其独立的岩溶发育和地下水排泄系统，河岸边有各自的排泄出口泉水分布。

大坝座落于下部(部分)岩溶含水层，中部相对隔水层和部分上部岩溶含水层之上，原下部含水层地下水排泄出口W25泉被大坝坝基混凝土复盖和灌浆封堵。

2.2 渗控工程布置特征

2.2.1 防渗帷幕

根据坝基岩体的地质结构和渗透特征，充分利用距建基面较近且渗透性较弱的P1q1岩组页状滑石化灰岩、白云质泥灰岩和D3x岩组页岩夹砂岩及石英砂岩等隔水岩层作为防渗依托，以封闭栖霞灰岩等透水岩体的渗漏通道。坝基防渗帷幕轴线位于坝轴线下游5.5m，两岸在坝轴线附近折转向上游，沿河岸山坡前缘延伸至3#、4#冲沟与P1q1-2隔水层及设计水位237.59m高程封闭，形成向上游开口的“梯形”。幕体防渗帷幕标准为透水率小于1Lu。

采用灌浆洞将主帷幕分段，使单层帷幕灌浆孔深度缩短至50m左右，上、下层帷幕呈迭瓦式分层搭接。帷幕灌浆孔河床三排，两岸坝肩为二排，设计最大灌浆压力4.5MPa，两岸坝肩则视水头大小和地质结构特征，灌浆压力作了降低。

2.2.2 主副排水孔

主排水孔位于基础灌浆廊道主帷幕下游，平行帷幕，分布在4#～8#坝段和左岸EL.193、右岸EL.186m以下的近河地段。主排水孔孔深为主帷幕深度的1/2～1/3，一般30～40m，倾向下游，顶角18°、30°，孔距3m，孔径手φ110mm。

副排水孔位于主排水下游坝基中、下部，纵向廊道内设两道副排水孔，4#～8#坝段横缝廊道内各布设1道排水孔，排水孔孔深12～15m。副排水廊道与基础灌浆廊道不连通。

3 排水孔“管涌”情况

1998年10月18日导流洞下闸封堵前，在坝190m高程以下的防渗帷幕与排水工程已完成并通过阶段验收后投入初期运行，1999年5月18日发电。1999年6月下旬坝区连日降雨，6月30日凌晨4时左右，河床基础灌浆排水廊道8#坝段1#、2#、6#基础主排水孔发生严重的突发性涌水，涌水前廊道内发出一声巨响，几股水柱挟带砂砾喷射至EL.133m处廊道顶拱，长100余m的底层廊道很快被淹，水位由EL.120m上升至EL.146m的1#施工支洞流向坝下游，直至当日15时许水位开始回落。随后开始廊道抽水，在快将积水抽干排净时，7月15日、16日又遇昼夜暴雨，8#坝段1#、2#排水孔又一次发生大量涌水，廊道再次被淹。将廊道积水抽干后查明：(1)“管涌”携带物质共约20余m3，主要成份为含中、粗砂，夹有少量砾石、水泥结石及岩石碎块，并见有一块短柱状岩芯。在“管涌”排水孔喷射水柱相对应的廊道顶拱的混凝土面上，见有被高速水流冲刷的凹面两处(面积0.3～0.4m2，深1～5cm)；(2)基础排水孔涌水来自左岸山体，涌水时左岸绕坝渗流观测孔水位高达240m；(3)对8#坝段2#、6#“管涌”孔进行了孔内电视观察，分别在孔深36m和34m的F26断层及K202层间溶蚀带上见有明显的冲刷、涌水现象，最大淘空高度25～40cm，宽5cm。

4 排水孔“管涌”原因分析

坝基排水孔“管涌”发生后，根据库水位与被淹廊道动态水位观测，降雨与绕坝渗流观测孔地下水位观测、排水孔涌水量变化观测资料分析，突发性强涌水的原因为：

(1)8#坝段排水孔的涌水来自W25泉补给源。坝基开挖后W25泉在2#灌浆洞口附近出露，雨季最大泉水流量1～3m3/min，枯水期流量变小，在帷幕灌浆施工前采用灌浆截堵等措施，将原下部含水层的排泄通道出口(W25泉)封堵。

(2)防渗灌浆帷幕轴线河床平行岩层走向和地下水流方向。两岸则自坝端附近转折向上游与岩层走向及地下水排泄方向正交，阻断了下部含水层地下水渗流排泄通道。

(3)大坝防渗帷幕形成后，改变了地下水渗流场形态，帷幕体的上游延长段则出现双向受力特征，即：上游面承受来自库水的渗透压力，下游面承受来自山体地下水的渗透压力。由于两岸坝肩幕后排水和山体排水系统不完善，特别是W25泉被封堵后，无新的排泄出口，在帷幕和排水孔施工过程中发现K203、K202层间溶蚀带有含泥中粗砂充填，可灌性差，未针对这一地质结构特征对排水孔全面设置反滤。在雨季山体地下水升高更为明显，增加了坝基深层扬压力。

(4)中部相对隔水层(P1q4-1)作为含水层顶板复盖，致使暴雨期间下部含水层地下水位急骤升高后，使少数排水孔层间溶蚀和构造溶蚀带内的充填物产生集中渗流，承受水头压力大，从而出现类似气爆型的挟砂砾喷发性涌水。

5 “管涌”处理与排水系统完善

根据大坝基础排水孔发生“管涌”前后绕坝渗流观测资料显示，两岸山体地下水位最高时左岸EL.240m，右岸EL.220m，基础灌浆廊道内的测压管及坝内扬压力计建基面上的扬压力小，与库水位的变化无明显关系。针对排水孔“管涌”的原因分析和存在的潜在隐患，设计单位提出1999年大坝安全度汛的临时措施和完善排水系统的补充设计。

5.1 “管涌”处理 “管涌”处理方案经现场研究分以下三阶

(1)增设低位排水孔形成新的排泄出逸处，降低山体地下水位 对“管涌”孔进行灌浆加固处理前，首先利用顺水流向低部位的2号施工支洞和导流洞的幕后增设排水孔共26个，钻孔总孔深1913.8m。排水孔穿过下部岩溶含水层(P1q2、P1q3)，终孔后安没反滤装置。高低相错的两道排水幕形成后，有效地排除山体地下水，降低坝基扬压力起到了良好作用。1999年8月28日至29日坝区又连日降雨，2#施工支洞中新增的20个排水孔有15个出现涌水，总渗流量200L/min，与5#～8#坝段排水孔“管涌”前的总渗流量相近，此时，左岸绕坝渗流观测孔地下水位显著降低(最高水位EL.183.5m)。

(2)对“管涌”孔和渗流量大的排水孔进行灌浆加固 对“管涌排水孔和相邻部位渗流量变化异常的12个排水孔进行灌浆加固，自低位开始，分区施工。上述12个孔灌浆加固后，对相邻部位渗流量增大的7个排水孔也进行了灌浆。灌浆压力1.0～1.5MPa，灌注材料原要求“管涌”段采用水泥砂浆灌注，经5#坝段试灌后，耗灰量不大，故全部改为水泥浆材灌注，浆液配比1：1、0.8：1、0.5：1。排水孔灌浆加固共注入水泥85.7t。其中8#坝段1#、2#排水孔灌浆时相互串通，注入水泥25.6t，6#排水孔注入水泥29.1t，共注入水泥达54.7t。从灌浆资料成果分析，“管涌”对排水孔淘蚀影响较大，采用低压全孔综合灌浆工艺，还不能弥补对坝基岩体造成的损伤，需加固层间溶蚀带含泥夹砂层的补强灌浆。

(3)对5#～8#坝段帷幕进行补强灌浆 在主排水孔轴线上布置14个补强灌浆孔，总孔深528m，单孔孔深32～42m，倾向下游，顶角5°，采用自上而下分段灌浆，最大灌浆压力2.0MPa。补强灌浆于1999年8月28日开工，9月28日完工，平均单位水泥注入量36.23kg/m，其中6#坝段K201、K202层间溶蚀带上，8#坝段F26断层带各有两段单位水泥注入量大于100kg/m。14个补灌孔中有9个孔11段出现涌水，涌水孔深20.3～42m，最大涌水量34.8L/min，一般14～28L/min，最大涌水压力0.2MPa。有涌水的孔段透水奉一般较大，可灌性相对较好，失水回浓较严重。补强灌浆结束后，分别在5#坝段和8#坝段各布检查孔1个，压水14段，小于1Lu的12段，大于1Lu的孑L段位于K202、K201层间溶蚀带上，检查孔有4段涌水，涌水压力0.01～0.05MPa，涌水流量3.7～12.9L/min。本次补强灌浆位于主帷幕下游与主排水幕之间，对进一步充填幕后“管涌”产生的淘蚀补强有一定作用，但对细微裂隙发育和含泥砂充填的层间溶蚀带灌注效果不理想，补强措施值得进一步研究。

5.2 补充完善坝基和两岸山体排水设计

5.2.1 重新恢复被灌浆封堵的主排水孔

“管涌”处理灌浆时，将EL.120m基础灌浆廊道内的主排水孔已灌浆封堵了19个，重新恢复排水孔23个，总孔深575m，钻孔位于原布孔轴线上的排水孔之间，倾向下游，倾角20°、孔深25m，不穿过K201层间溶蚀带。

5.2.2 两岸坝肩增设山体排水洞和排水孔

(1)左岸自导流洞和2#施工支洞中段左侧进洞各开挖排水洞1条。钻排水孔104个，总孔深2254m。

(2)右岸排水洞自坝下游KL.210m进洞，洞轴线长305m。右岸坝顶交通洞(KL.245m)兼作排水，洞轴线长304.95m。钻排水孔118个，总孔深3567m。上层排水洞底板上的排水孔，钻穿下层排水洞的顶拱，形成梳状自流排水。

5.2.3 导流洞内设阻水帷幕

为防止导流洞新增加的临时排水孔和溶蚀通道与坝基内溶蚀带连通，在下游水位高于基础灌浆廊道内的情况下产生反向渗流，同时阻止山体地下水渗入坝基，决定在导流洞堵头下游河岸一侧设置单排阻水帷幕。阻水帷幕经检查合格后，再在阻水幕左侧钻设9个永久性排水孔，单孔孔深50.5～77.5m，总孔深603m，并安设反滤装置。导流洞12#排水孔钻至孔深40.80m～50.90m时，初始涌水量达276L/min(1999年4月10日)。说明阻水幕的作用明显。

5.2.4 两岸坝肩幕后及右岸1#、3#施工支洞内增设排水孔

为避免再次出现幕后地下水位雍高，分别在两岸坝肩1#～4#灌浆洞和施工支洞内增设排水孔。上述部位合计共增加排水孔289个，总孔深6441m。

5.2.5 完善排水孔反滤设施

大坝基础主副排水孔施工过程中遇到有流砂层的排水孔7个，设计要求下钢花管进行保护外，其余均未安设反滤装置、管涌发生后，分别采用下列几种反滤设施。

(1)采用钢花管反滤装置。

(2)两岸山体排水洞、灌浆洞及1#、3#施工支洞等部位新增设的排水孔除φ60mm浅孔外，其余均安设φ80mm软式排水管。

(3)引坝基副排水廊道抽水检测孔深冲清淤后，重新安设φ65mm软式排水管和孔口装置。

6 结束语

(1)根据“管涌”原因分析研究确定了处理措施。在“管涌”处理过程中分为三个阶段，以排泄降低山体地下水位为主体的处理思路清晰，措施稳妥，施工快捷，确保了1999年的安全度汛和大坝蓄水的安全运行。

(2)在完善排水系统设计过程中，充分利用延伸自坝下游的各种地下洞室以及地形地质条件的有利因素，再分层增设山体排水洞和排水孔，按照高水高排，低水低排，以自流为主，直接导引和抽排至坝下游的原则，自上而下形成完善的系统排水幕，经两个汛期检验，处理效果明显。

(3)完善坝基渗流控制的长期观测系统，建立健全各项观测制度和规程，加强资料分析整理，及时进行信息反馈，发现异常及早提出处理措施，防止基础条件的恶化。

(4)大坝基础排水孔采用的几种反滤设施装置，由于施工紧迫，未经反滤效果现场试验，多数孔存在反滤花管不能紧贴孔壁问题，建议在运行过程中进行观测检查。

(5)复杂的水文地质条件的坝基，在进行渗控工程设计前，建议进行三维渗流模型试验，根据试验成果，有针对性地进行设计，以避免出现重大失误。

[作者简介]

作者简介：罗熙康，长江水利委员会江垭工程监理总站副总监，高级工程师。