白鹤滩水电站阶段性蓄水过程坝基渗流状态分析

张胡琦，荣 冠，陈文夫，谭尧升，邱钦焱，徐李达

（1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 2.中国三峡建工（集团）有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

西南峡谷地区大型水利水电工程均表现出规模宏大、地形地貌复杂和工程建设涉及复杂岩体等重要特征，工程建设过程中，除岩体的变形及稳定性问题较为突出外，渗流安全与控制问题也极为重要［1，2］。大坝建成蓄水后，在高水头差作用下，库水会以坝基及两岸坝肩存在的软弱地质结构为渗漏通道向下游渗漏，库水渗漏不仅会造成水量损失，影响电站的发电效益，由渗透水流引起的扬压力更会对坝体稳定造成不利影响［3，4］。因此，为了阻止库水渗漏，渗控系统的合理布置对坝体安全至关重要，防渗帷幕是通过降低岩土体的渗透特性控制渗流，阻挡库水向下游渗漏；抽、排水等工程措施通过对初始渗流场进行控制达到渗流控制的目的，可有效降低坝基扬压力［1］。此外，为了对大坝的渗流情况有充分的了解，监测系统的布置以及对监测资料的分析同样十分重要。通过原型观测可以达到监控大坝渗流状态的目的，也是检验其渗流设计值合理性的行之有效的方法［5-7］。对监测资料进行分析，能够了解大坝的渗流性态，及时发现大坝渗流的异常表现［8，9］，为分析潜在渗漏通道提供依据，还可以为渗流仿真计算提供边界条件。

白鹤滩大坝最大坝高达289 m，坝址区汇水范围大，左右岸地下水具有分层性，坝基岩体卸荷裂隙发育、柱状节理玄武岩的渗透各向异性突出，厂坝区渗控结构复杂［10，11］。大坝建成蓄水后上下游水头差可达235 m，且坝址区软弱结构面发育，在高水头差和渗控系统共同作用下，整个坝区的渗流场将十分复杂［12］。本文以白鹤滩水电站阶段性蓄水过程中坝基的渗流状态为研究目标，以蓄水以来的渗流监测成果为依托，分析坝基各个部位的渗流状态，评价大坝防渗排水系统的渗控效果，指出坝基渗流异常部位，并结合地质勘测资料分析可能存在的渗漏通道，为大坝后续蓄水及正常运行提供保障。

1 工程背景

1.1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游河段，为金沙江下游梯级电站中的第二级，位于云南省与四川省的交界处。电站枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成，其中拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，水库正常蓄水位825 m，死水位765 m，总库容206.27亿m3。电站开发任务以发电为主，兼顾防洪，总装机容量16 000 MW，多年平均发电量624.43亿kWh。阶段性蓄水过程中，水库自2021年4月初开始蓄水，同年9月底水位最高抬升至816.5 m，随后水位开始回落，到2022年2月底水位缓慢回落至790 m左右。

1.2 地质条件

白鹤滩大坝坝区属中山峡谷地貌，地势北高南低，向东侧倾斜，金沙江由南向北流入坝区。坝区主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩，上覆三叠系下统飞仙关组砂、泥岩，河床和缓坡台地上分布第四系堆积物。坝址区玄武岩特征为隐晶质玄武岩中发育柱状节理，在P2β3

2和P2β33两个岩流层内最为发育，柱体内还发育原生微裂隙。坝址区断层较发育，数量达上百条，普遍具有60°以上的陡倾角，规模较大的有F14、F16和F17。坝址区11个岩流层顶部凝灰岩中发育有C2、C3和C3-1等层间错动带，在平行层面方向上透水性强，垂直结构面方向上具有阻水作用。这些错动带在坝址分布广泛，延伸较长，是控制坝址区围岩稳定的关键结构面［13］。坝基主要断层及错动带分布见图1。

图1 河床坝基主要结构面分布图Fig.1 Distribution of main structural planes in riverbed dam fondation

大坝防渗线路上陡倾断层与缓倾层间、层内错动带发育，帷幕沿线岩体透水性从两岸坝肩到河床坝基以微、弱透水岩体为主，其中14～19号坝段的P2β32-2层第二类柱状节理玄武岩、P2β32-1层含杏仁状玄武岩中缓倾角错动带及裂隙发育，岩体多呈弱透水至中等透水，局部为强透水。拱轴线工程地质剖面图见图2。

图2 拱轴线工程地质剖面图Fig.2 Engineering and geological conditions of arch axis section

左右岸地下水流系统具有独立性，受断层、层间错动带及地层倾向的影响，左岸地下水流系统具有分层性且地下水活动较为活跃，右岸受地形及上部岩体岩性的影响，降雨大多顺坡而下排入金沙江，下渗补给有限，又由于结构面及地层倾向的影响，右岸地下水活跃度较差。

1.3 渗控方案

白鹤滩大坝渗控措施体现“防排并举”原则，防渗与排水相结合，以防为主，以排为辅。

枢纽区防渗帷幕由大坝基础防渗帷幕、地下厂房防渗帷幕和二道坝防渗帷幕三部分组成。平面上，大坝基础防渗帷幕线近似平行于拱坝轴线，沿基础廊道布置，左右岸坝头帷幕线延伸一定距离后分别与两岸地下厂房帷幕结为一体；立面上，左岸在834、796、753、704、656和600 m高程设置六层灌浆平洞，右岸在834、773、738、704、656和618 m高程设置六层灌浆平洞。大坝防渗帷幕在河床坝基600 m高程以下为三排帷幕灌浆，中间一排为主帷幕，灌浆孔孔底高程440 m，两侧为副帷幕，深度为0.7倍主帷幕孔深；两岸岸坡600～794 m高程采用两排帷幕灌浆；794 m高程以上采用一排帷幕灌浆。

拱坝排水系统分为大坝基础排水系统、坝肩抗力体和水垫塘基础排水系统两部分，两岸坝基和抗力体内的排水系统为自流式，河床坝基和水垫塘范围内排水系统为抽排式。大坝基础排水系统由两道排水幕、坝内集水井和坝内深井泵房组成。第一道排水幕布置为：左右岸各设置5层排水平洞（600、656、704、753和796 m），河床坝基部位设置基础排水廊道（高程600 m以下），排水幕位于帷幕中心线下游；第二道排水幕布置于大坝下游侧坝趾贴角混凝土上，渗水沿下游贴角排入水垫塘内；600 m高程以下部位采用两排排水孔，排距1.5 m，主排水孔孔深约为主防渗帷幕的0.7倍，副排水孔孔深约为主排水孔的0.7倍，孔深30～85 m；600 m高程以上部位采用一排排水孔，孔深40～56 m。排水孔孔径为110 mm，间距为3 m。白鹤滩坝区防渗排水设计方案如图3所示。

图3 白鹤滩大坝渗控方案图Fig.3 Seepage control scheme of Baihetan Dam

2 坝基渗流规律分析及渗控效果

白鹤滩水电站自2021年4月6日开始蓄水，初始水位640 m，6月中旬蓄至死水位765 m，6月底水位升至780 m左右，随后水位逐渐降低，至8月中旬，水位缓慢回落到771 m左右，此后水位再次抬升，至9月底水位最高抬升至816.5 m，到2022年2月底水位缓慢回落至790 m左右。

2.1 坝基渗流量分析

按量水堰布置位置分类，大坝坝基渗流量可分为河床坝基渗流量及左右岸坝基渗流量，河床坝基渗流量包括11～24号坝段坝基排水孔渗流量，左右岸坝基渗流量包括左右岸排水平洞内的渗流量，各部分具体监测范围见图2。

2.1.1 河床坝基渗流量

渗流量监测主要依靠安装于各部位的量水堰，河床坝基部位量水堰安装在19、20号坝段排水廊道内，主要监测11～24号坝段坝基排水孔出水量。河床坝基总渗流量时序变化过程线见图4，由于坝基部分排水孔被封堵，蓄水前总渗流量持续减小，蓄水一周后，总渗流量低至329.84 L/min，此后，随着上游水位持续升高及坝基排水孔数量的增加，总渗流量开始持续增加，至2021年10月中旬，渗流量最大达1 226.37 L/min，较蓄水前增加784.78 L/min。此后随着上游水位的降低，总渗流量开始减小。从图4可以看出，河床坝基总渗流量与上游水位密切相关，同步性较好，两者的线性相关系数为0.964，而降雨量对总渗流量的影响较小，说明河床坝基总渗流量的变化主要由上游水位变化引起，渗水主要来源于库水，坝基部位可能存在连通上下游的渗漏通道。

图4 河床坝基总渗流量时序变化过程线Fig.4 Time series variation process line of total seepage flow of the riverbed dam base

11～24号坝段中，只有15～21号坝段的基础排水孔中有水流排出。据2021年9月30日监测数据，15～21号坝段流量占比图见图5，由图5可知，15、16、18和19号坝段排水孔流量较大，其中15、16号坝段渗流量之和超7个坝段渗流量总和的50%，自蓄水以来，这一特点一直有所体现。

图5 15～21号坝段流量占比图Fig.5 Proportion of seepage flow in 15#～21# dam sections

2.1.2 左右岸坝基渗流量

左右岸坝基渗流量监测主要监测左右岸排水平洞内的渗流量，与河床坝基总渗流量相比，左右岸坝基渗流量相对较小，蓄水以来，左岸渗流量最大为361.85 L/min（2021年10月27日），右岸最大为89.31 L/min（2021年7月11日）。从两岸渗流量分布情况来看，左岸渗流量主要集中在600 m高程排水平洞内，其渗流量超过100 L/min，长期保持在左岸坝基渗流总量的50%左右，其他高程排水平洞最大渗流量一般不超过50 L/min，总的来看，左岸坝基各排水平洞内渗流量随高程增加而减小；右岸渗流量分布规律与左岸一致，随高程增加各排水平洞渗流量逐渐减小。左右岸对比来看，左岸渗流量远大于右岸，这是由于左岸地层倾向坡外偏上游，地质构造发育，岩体风化卸荷强烈且结构复杂［14］；而右岸地层反倾坡内偏上游，地下水位埋深较大，活动程度较弱。左右岸坝基渗流量与上游水位的相关系数分别为0.890、0.520 ，故左岸坝基渗流量受上游水位影响更大，这与左岸分布的各类软弱结构面关系密切。同时，降雨量对左右岸渗流量存在显著影响，说明左右岸渗流量受地下水影响也较大。左右岸坝基渗流量时序过程线见图6。

图6 左右岸坝基渗流量时序变化过程线Fig.6 Time series variation process line of seepage flow of left and right bank dam base

2.2 坝基渗压分析

渗透水流流经坝基，产生的扬压力会对坝体抗滑稳定产生不利影响；软弱结构面内的填充物质会在渗透水流的作用下泥化变质，从而削弱结构面的力学性质，影响坝体稳定。故渗压分析主要围绕河床坝基以及分布于左右岸坝基的软弱结构面进行。

拱坝渗压监测依靠测压管和埋设在水位孔中的渗压计。在各高程帷幕灌浆平洞和排水洞中钻孔布置的渗压计，用于监测两岸坝基范围内各结构面的渗压分布情况；大坝坝基除了在基础灌浆廊道、基础排水廊道和坝趾排水廊道每个坝段布置测压管外，还在7、11、14、17、20、22、25号共7个坝段的灌浆廊道与排水廊道之间的横向交通廊道内钻孔埋设测压管，以构成坝基扬压力横向监测断面。此外，在11、13、15、17、18、19、21、23、25号共9个坝段防渗帷幕前布置渗压计，用以监测帷幕前水压。

2.2.1 各坝段折算地下水位变化情况分析

选取2021年9月30日监测数据（上游水位816.51 m），将安装于各坝段帷幕前、灌浆廊道、坝基排水廊道及坝趾排水廊道的测压管的监测数据绘制成水位分布图，见图7。由图7可知，各坝段帷幕前折算地下水位相较于库水位均有不同程度的下降，且越靠近河床中部折算地下水位越低；经过防渗帷幕后，各坝段水头明显下降，表明防渗帷幕能有效阻挡库水下渗，左岸3～7号坝段、右岸28～30号坝段灌浆廊道地下水位低于廊道底板高程；经过坝基排水孔后，各坝段基础折算地下水位均低于排水廊道底板高程，可见排水孔能有效排出坝基渗水，消减了坝基扬压力。根据当日监测数据，18坝段扬压力折减系数分布见图8，根据A、B、C、D四点的扬压力变化可知，坝基渗控系统的布置有效地减小了坝基渗压，保障了坝体的抗滑稳定性。

图7 坝基折算地下水位左右岸方向分布图Fig.7 Distribution of dam foundation converted groundwater level in left and right bank direction

图8 18号坝段扬压力折减系数分布图Fig.8 Reduction coefficient distribution of uplift pressure in 18th dam section

2.2.2 软弱结构面渗压分析

由于左右岸坝基存在贯穿上下游的结构面，其中错动带的变形模量远低于两侧岩体，其抗变形能力较差，且具有遇水劣化的特性［11］，虽已采用相应工程措施（如截渗井、截渗洞、置换洞）改善其局部渗透特性，但由于结构面的顺层向导水性，加上其延伸范围较长，所以仍有可能成为库水向下游渗透的通道。针对左右岸坝基软弱结构面的渗流监测，主要手段为在各结构面截渗洞内安装渗压计监测其水头。结构面包括C3、C3-1、C4和C5层间错动带，各渗压计安装位置及高程见表1。

表1 渗压计安装位置及监测数据Tab.1 Installation position and monitoring data of manometer

监测资料表明，蓄水后各渗压计水位均有不同程度的上升，其中安装于26坝段的渗压计PYC3-1监测到的水头最高，为15.94 m，其折算地下水位与上游水位相关性好，相关系数为0.973，说明右岸坝基层间错动带C3或C3-1与库水的连通性好，但蓄水以来右岸渗流量相对较小，未出现集中渗漏现象，表明针对右岸C3、C3-1层间错动带的渗控措施很好地发挥了作用，但在后续蓄水及正常运行阶段应对其进行重点关注；位于4号坝段的各渗压计监测水位与上游水位的相关性较好，表明左岸坝基部位的渗透水流较活跃，上下游水力联系较强，因此分布于左岸坝基的软弱结构面可能为库水渗漏提供通道。部分渗压计监测水位变化过程线见图9。

图9 渗压计监测水位变化过程线Fig.9 Monitoring water level change process line of manometer

2.3 绕坝渗流分析

绕坝渗流分析主要依靠绕坝渗流水位孔内的渗压计监测数据进行，水位孔布设位置包括左右岸坝肩灌浆平洞和排水平洞、左右岸抗力体排水洞等，在水位孔内埋设渗压计，用于监测各部位的压力水头。由于水位孔数量较多，在已安装的73个水位孔中，按平面位置和高程选取能充分反映绕坝渗流性态的水位孔监测数据来进行分析。2022年2月20日监测数据见表2、3。由表可见，高程相差不大情况下，坝后水头顺河向逐渐减小，且抗力体部位水头相对偏小，同时右岸坝基WMR1灌浆廊道内的渗压计最高水头达85.14 m，明显高于其他部位；随高程增加，坝后水头同样逐渐减小，符合一般规律。

表2 左岸绕坝渗流水位孔监测数据Tab.2 Monitoring data of seepage level hole around the dam on the left bank

表3 右岸绕坝渗流水位孔监测数据Tab.3 Monitoring data of seepage level hole around the dam on the right bank

2.4 渗控效果评价

渗控系统布置目的在于阻挡库水向下游渗漏，消减坝基扬压力。以11、15、18、21、23和25号坝段顺河向布置的渗压计监测数据为依据（2021年9月30日，上游水位816.51 m），各坝段顺河向压力水头变化情况见表4。如前所述，帷幕前各坝段压力水头均在200 m以上，经过防渗帷幕后，压力水头迅速减小，除18号坝段外，其余坝段减小幅度均在150 m以上，至排水廊道处压力水头减小至十几米甚至几米。816.51 m水位条件下，3～30号坝段扬压力折减系数在帷幕前为0.73～0.97，帷幕后为0.07～0.30，排水廊道处则为0～0.07。可见河床坝基部位防渗帷幕很好地阻挡了库水向下游的渗透，而防渗帷幕后排水孔的排水作用也有效地减小了作用于坝基的扬压力。整体上来看，现有的渗控系统能有效地发挥作用，坝基渗控效果良好，渗控系统布置方案合理。

表4 河床坝段顺河向压力水头变化Tab.4 Changes of water pressure along the river in riverbed dam sections

表5 15、16号坝段排水孔流量统计表Tab.5 Flow statistic of rainage hole in 15th and 16th dam section

3 坝基渗漏通道分析

通过对大坝渗流监测成果的整理分析可知，河床坝段坝基渗流量占大坝坝基总渗流量的70%以上，且大坝中心部分坝段渗压明显高于相邻坝段，因此河床坝基部位可能存在渗漏通道，故对河床坝段进行重点分析，探寻异常原因及可能存在的渗漏通道。

3.1 河床坝段渗流分析

河床坝段指15～21号坝段，蓄水前后各坝段渗流量变化过程线如图10所示。蓄水前，河床坝基渗流量主要来源于17、18号坝段，两坝段渗流量之和占坝基总渗流量的80%以上。由于渗流量过大，2021年初白鹤滩工程部在17～19号坝段灌浆廊道进行化学灌浆，但渗流量并无明显变化，故于2021年3月末将位于17、18号坝段的排水孔部分封堵。排水孔封堵后，17、18号两坝段的涌水量急剧减小，由于此时15、16号坝段未钻排水孔，河床坝基总渗流量大幅减小。开始蓄水后，随着上游水位的上升以及15、16号坝段排水孔数量增加，河床坝基总渗流量迅速上升，15、16号坝段渗流量迅速上涨并显著大于其他坝段，19号坝段渗流量在蓄水后也大幅上升，18号坝段渗流量虽大幅减小，但仍保持在100 L/min以上。由图4可知，河床坝基总渗流量与上游水位存在较好的相关性（相关系数为0.964），且同步性也较好，可知基础廊道排水主要来源于库水，由此可以判断河床坝基部位可能存在渗漏通道。

图10 蓄水前后河床坝段流量变化过程线Fig.10 Change process line of riverbed dam sections before and after impoundment

基于2022年2月22日监测数据，作出17～19号坝段顺河向折算地下水位图，如图11所示。18号坝段帷幕前折算地下水位明显低于相邻坝段，帷幕后折算地下水位却又高于相邻坝段，由此可知18号坝段帷幕灌浆效果相对较差，库水由防渗帷幕薄弱部位向下游渗漏，造成蓄水前17、18号坝段渗流量显著高于其他坝段。

图11 17～19号坝段顺河向折算地下水位图Fig.11 Converted groundwater level along the river of 17th～19th dam section

如图12所示，通过蓄水前后（2021年3月21日、2022年2月22日）各坝段流量占比情况可知，蓄水后16号坝段渗流量最大，其相邻坝段15号占比也较大，两者渗流量之和占7个坝段渗流量的50%以上。结合2022年2月22日两坝段排水孔流量可知，15号坝段渗流量目前主要来源于3个排水孔，各排水孔流量由大到小依次相差约20 L/min；16号坝段渗流量则主要来源于一个排水孔，该排水孔流量占整个坝段总流量的60%，而该坝段其他排水孔流量不超过30 L/min。由表4中4个排水孔的分布位置来看，越靠近18号坝段，排水孔流量越大，这说明15、16号坝段排水与18号坝段渗压异常表现密切相关。

图12 蓄水前后各坝段流量占比图Fig.12 Proportion of seepage flow in each dam section before and after impoundment

3.2 坝基渗漏通道分析

河床坝基部位岩层整体上缓倾上游偏右岸，自上而下为P2β33层一类柱状节理玄武岩、P2β32-3层角砾熔岩及P2β32-2层二类柱状节理玄武岩、P2β32-1层杏仁状玄武岩，且P2β32-2岩流层内发育错动带VS3216、VS3215和VS3214等。18号坝段顺河向剖面图见图13。

图13 18号坝段顺河向剖面图Fig.13 Section of the 18th dam along the river

白鹤滩柱状节理玄武岩呈“柱状镶嵌结构”，表现出非连续性、各向异性和非均质性等性质，开挖后易产生松弛，完整性降低［15，16］，相关实验研究表明，渗流对柱状节理岩体的强度有削弱作用［17］。河床坝基经过固结灌浆［18］和帷幕灌浆后，贯通上下游的软弱地质构造被截断，但由于柱状节理玄武岩柱体内微裂隙发育，且灌浆效果难以保证，故坝基岩体内仍有可能存在透水裂隙。随着导流建筑物下闸，上游水位迅速抬升，防渗帷幕上下游侧水头差增大，库水便通过防渗帷幕薄弱部位向下游渗透，由于17、18号坝段排水孔被部分封堵，渗透水流原有排泄路径被截断，在高水头差作用下，大部分渗水便以倾向右上侧的P2β32-2和P2β32-1岩流层为主要导水层，并结合岩流层中发育的柱状节理、缓倾角层内错动带等软弱结构向相邻坝段扩散，由于排水孔揭穿了固结灌浆层，大量渗透水流便从15、16号坝段的排水孔中排出。坝基渗透水流流动通道示意图见图14。

图14 坝基渗透水流流动通道示意图Fig.14 Schematic diagram of seepage flow channel of dam foundation

4 结 论

根据白鹤滩水电站阶段性蓄水过程中的渗流监测成果，结合坝址区的工程地质条件以及渗控布置方案，分析了自蓄水以来白鹤滩大坝坝基的渗流状态，并对坝基可能存在的渗漏通道进行了综合分析，得出以下结论。

（1）河床坝基渗流量受上游水位影响较大，蓄水以来渗流量最大达1 226.37 L/min，较蓄水前增加784.78 L/min，且渗流量主要集中在15、16、18和19号坝段；左右岸坝基渗流量相对较小，左岸最大为361.85 L/min，右岸最大为89.31 L/min，但左岸渗流量受上游水位影响更大，这与分布于左岸的软弱结构面密切相关。

（2）816.51 m水位条件下，3～30号坝段扬压力折减系数在帷幕前为0.73～0.97，帷幕后为0.07～0.30，排水廊道处则为0～0.07。各坝段防渗帷幕前折算地下水位相较库水位出现了不同幅度的下降，其中18号坝段下降幅度最大；防渗帷幕后折算地下水位出现了大幅度的下降，至坝基排水孔处降至较低水平。这表明大坝渗控系统的布置能较为有效地阻断库水的渗透路径并减小坝基的扬压力，布置方案合理有效。

（3）上游库水通过防渗帷幕薄弱部位向下游渗透，由于17、18号坝段排水孔被部分封堵，渗透水流原有排泄路径被截断，在高水头差作用下渗水便以P2β32-2和P2β32-1岩流层为主要导水地层，并结合岩流层中发育的柱状节理、缓倾角层内错动带等软弱结构向邻近坝段的排水孔汇渗，造成15、16号坝段渗流量显著升高。

总的来看，阶段性蓄水过程中大坝坝基渗流状态稳定，坝基渗流量在可控范围内，坝基扬压力能够得到有效控制，在大坝渗控系统作用下渗透水流对坝基的影响可控。但由于现阶段蓄水进程中库水位并未达正常蓄水位，现有监测资料不足以全面反映大坝在后续阶段可能出现的渗流问题，故应加强对渗控重点部位的监测与分析，保障大坝的安全稳定和电站的平稳运行。