江埡大壩基礎排水孔管涌原因與處理

摘要：江埡大壩于1998年10月18日下閘蓄水。在初期運行過程中，8#壩段壩基主排水孔發生突發性強涌水，攜帶出中、粗砂20余m3，基礎廊道被淹。積水抽干后，通過各項觀測、孔內電視、水文地質條件和滲控工程布置特征等綜合分析，查明了壩基主排水孔涌水來自左岸山體。管涌原因是防滲帷幕阻斷了下部含水層的滲流排泄通道，兩岸壩肩幕后山體排水未形成，無新的排泄出逸處，主排水孔未設反濾。暴雨期間排泄不暢，地下水急驟升高，使壩基層間溶蝕帶內的充填物產生滲透破壞，出現管涌。對管涌發生情況、管涌原因、處理步驟、完善排水設施、處理效果與體會作了全面闡述。

關鍵詞：排水孔；管涌；排水設計；處理；江埡電站

1 前言

江埡大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，最大壩高131m，壩頂長度367m，由河床溢流壩和左、右岸非溢流壩組成。壩叢為層狀灰巖透水巖體。為截斷基礎滲流，降低基礎揚壓力，防止集中滲流，避免基礎層間剪切帶中泥化夾層的滲流破壞，采用灌漿帷幕與排水相結合的基礎滲流控制措施，以保證滲透穩定和大壩安全。壩基防滲帷幕軸線位于壩軸線下游5.5m，自兩岸壩端轉折向上游，沿河岸山坡前緣延伸至3#、4#沖溝與P1q1-2隔水層及設計水位237.59m高程封閉，形成向上游開口的“梯形”。近河岸地段的帷幕下游設一道主排水孔，河床壩段幕后設一道主排水，兩道副排水孔。1998年10月18日導流洞下閘蓄水投入初期運行，1999年6月下旬壩區連日降雨，6月30日凌晨，8#壩段1#、2#、6#基礎主排水孔發生突發性強涌水，并攜帶出20余m3中、粗砂及少量細礫噴出孔口(以下稱“管涌”)，廊道被淹。將廊道積水抽干清淤后，查明基礎排水孔涌水來自左岸山體。查明了基礎排水孔管涌”原因，提出了管涌處理步驟和兩岸山體排水補充設計與完善排水系統的措施。有關專家認為，處理措施得當，效果明顯。

2 地質條件與滲控工程布置特征

2.1 地質條件

壩基持力層為下二迭棲霞組(P1q)，主要巖性為中一厚層狀灰巖夾頁狀滑石化灰巖，巖石新鮮完善。巖層走向55°～65°，橫切河谷與河流方向近于正交。傾向下游(SE)，傾角35°～41°。壩基范圍內僅見有4條小斷層。裂隙不甚發育，大多延伸不長，切割不深。層間剪斷錯動帶發育，共有19層，其透水性微弱，具各向異性特征。壩區巖溶主要以沿NW、NNE向裂隙或斷層形成的構造溶蝕和層面溶蝕，在交匯帶處，局部形成管道狀溶洞，是巖溶水活動排泄的主要通道，壩基范圍內共有層間溶蝕帶9層。巖溶的發育規律和地下水的活性特征都明顯受相對隔水層控制，其表現為：巖溶以順層和構造裂隙發育為主，多限于各含水層之間，地下水順層面向河床排泄，兩岸上、下含水層分布有其獨立的巖溶發育和地下水排泄系統，河岸邊有各自的排泄出口泉水分布。

大壩座落于下部(部分)巖溶含水層，中部相對隔水層和部分上部巖溶含水層之上，原下部含水層地下水排泄出口W25泉被大壩壩基混凝土復蓋和灌漿封堵。

2.2 滲控工程布置特征

2.2.1 防滲帷幕

根據壩基巖體的地質結構和滲透特征，充分利用距建基面較近且滲透性較弱的P1q1巖組頁狀滑石化灰巖、白云質泥灰巖和D3x巖組頁巖夾砂巖及石英砂巖等隔水巖層作為防滲依托，以封閉棲霞灰巖等透水巖體的滲漏通道。壩基防滲帷幕軸線位于壩軸線下游5.5m，兩岸在壩軸線附近折轉向上游，沿河岸山坡前緣延伸至3#、4#沖溝與P1q1-2隔水層及設計水位237.59m高程封閉，形成向上游開口的“梯形”。幕體防滲帷幕標準為透水率小于1Lu。

采用灌漿洞將主帷幕分段，使單層帷幕灌漿孔深度縮短至50m左右，上、下層帷幕呈迭瓦式分層搭接。帷幕灌漿孔河床三排，兩岸壩肩為二排，設計最大灌漿壓力4.5MPa，兩岸壩肩則視水頭大小和地質結構特征，灌漿壓力作了降低。

2.2.2 主副排水孔

主排水孔位于基礎灌漿廊道主帷幕下游，平行帷幕，分布在4#～8#壩段和左岸EL.193、右岸EL.186m以下的近河地段。主排水孔孔深為主帷幕深度的1/2～1/3，一般30～40m，傾向下游，頂角18°、30°，孔距3m，孔徑手φ110mm。

副排水孔位于主排水下游壩基中、下部，縱向廊道內設兩道副排水孔，4#～8#壩段橫縫廊道內各布設1道排水孔，排水孔孔深12～15m。副排水廊道與基礎灌漿廊道不連通。

3 排水孔“管涌”情況

1998年10月18日導流洞下閘封堵前，在壩190m高程以下的防滲帷幕與排水工程已完成并通過階段驗收后投入初期運行，1999年5月18日發電。1999年6月下旬壩區連日降雨，6月30日凌晨4時左右，河床基礎灌漿排水廊道8#壩段1#、2#、6#基礎主排水孔發生嚴重的突發性涌水，涌水前廊道內發出一聲巨響，幾股水柱挾帶砂礫噴射至EL.133m處廊道頂拱，長100余m的底層廊道很快被淹，水位由EL.120m上升至EL.146m的1#施工支洞流向壩下游，直至當日15時許水位開始回落。隨后開始廊道抽水，在快將積水抽干排凈時，7月15日、16日又遇晝夜暴雨，8#壩段1#、2#排水孔又一次發生大量涌水，廊道再次被淹。將廊道積水抽干后查明：(1)“管涌”攜帶物質共約20余m3，主要成份為含中、粗砂，夾有少量礫石、水泥結石及巖石碎塊，并見有一塊短柱狀巖芯。在“管涌”排水孔噴射水柱相對應的廊道頂拱的混凝土面上，見有被高速水流沖刷的凹面兩處(面積0.3～0.4m2，深1～5cm)；(2)基礎排水孔涌水來自左岸山體，涌水時左岸繞壩滲流觀測孔水位高達240m；(3)對8#壩段2#、6#“管涌”孔進行了孔內電視觀察，分別在孔深36m和34m的F26斷層及K202層間溶蝕帶上見有明顯的沖刷、涌水現象，最大淘空高度25～40cm，寬5cm。

4 排水孔“管涌”原因分析

壩基排水孔“管涌”發生后，根據庫水位與被淹廊道動態水位觀測，降雨與繞壩滲流觀測孔地下水位觀測、排水孔涌水量變化觀測資料分析，突發性強涌水的原因為：

(1)8#壩段排水孔的涌水來自W25泉補給源。壩基開挖后W25泉在2#灌漿洞口附近出露，雨季最大泉水流量1～3m3/min，枯水期流量變小，在帷幕灌漿施工前采用灌漿截堵等措施，將原下部含水層的排泄通道出口(W25泉)封堵。

(2)防滲灌漿帷幕軸線河床平行巖層走向和地下水流方向。兩岸則自壩端附近轉折向上游與巖層走向及地下水排泄方向正交，阻斷了下部含水層地下水滲流排泄通道。

(3)大壩防滲帷幕形成后，改變了地下水滲流場形態，帷幕體的上游延長段則出現雙向受力特征，即：上游面承受來自庫水的滲透壓力，下游面承受來自山體地下水的滲透壓力。由于兩岸壩肩幕后排水和山體排水系統不完善，特別是W25泉被封堵后，無新的排泄出口，在帷幕和排水孔施工過程中發現K203、K202層間溶蝕帶有含泥中粗砂充填，可灌性差，未針對這一地質結構特征對排水孔全面設置反濾。在雨季山體地下水升高更為明顯，增加了壩基深層揚壓力。

(4)中部相對隔水層(P1q4-1)作為含水層頂板復蓋，致使暴雨期間下部含水層地下水位急驟升高后，使少數排水孔層間溶蝕和構造溶蝕帶內的充填物產生集中滲流，承受水頭壓力大，從而出現類似氣爆型的挾砂礫噴發性涌水。

5 “管涌”處理與排水系統完善

根據大壩基礎排水孔發生“管涌”前后繞壩滲流觀測資料顯示，兩岸山體地下水位最高時左岸EL.240m，右岸EL.220m，基礎灌漿廊道內的測壓管及壩內揚壓力計建基面上的揚壓力小，與庫水位的變化無明顯關系。針對排水孔“管涌”的原因分析和存在的潛在隱患，設計單位提出1999年大壩安全度汛的臨時措施和完善排水系統的補充設計。

5.1 “管涌”處理 “管涌”處理方案經現場研究分以下三階

(1)增設低位排水孔形成新的排泄出逸處，降低山體地下水位 對“管涌”孔進行灌漿加固處理前，首先利用順水流向低部位的2號施工支洞和導流洞的幕后增設排水孔共26個，鉆孔總孔深1913.8m。排水孔穿過下部巖溶含水層(P1q2、P1q3)，終孔后安沒反濾裝置。高低相錯的兩道排水幕形成后，有效地排除山體地下水，降低壩基揚壓力起到了良好作用。1999年8月28日至29日壩區又連日降雨，2#施工支洞中新增的20個排水孔有15個出現涌水，總滲流量200L/min，與5#～8#壩段排水孔“管涌”前的總滲流量相近，此時，左岸繞壩滲流觀測孔地下水位顯著降低(最高水位EL.183.5m)。

(2)對“管涌”孔和滲流量大的排水孔進行灌漿加固 對“管涌排水孔和相鄰部位滲流量變化異常的12個排水孔進行灌漿加固，自低位開始，分區施工。上述12個孔灌漿加固后，對相鄰部位滲流量增大的7個排水孔也進行了灌漿。灌漿壓力1.0～1.5MPa，灌注材料原要求“管涌”段采用水泥砂漿灌注，經5#壩段試灌后，耗灰量不大，故全部改為水泥漿材灌注，漿液配比1：1、0.8：1、0.5：1。排水孔灌漿加固共注入水泥85.7t。其中8#壩段1#、2#排水孔灌漿時相互串通，注入水泥25.6t，6#排水孔注入水泥29.1t，共注入水泥達54.7t。從灌漿資料成果分析，“管涌”對排水孔淘蝕影響較大，采用低壓全孔綜合灌漿工藝，還不能彌補對壩基巖體造成的損傷，需加固層間溶蝕帶含泥夾砂層的補強灌漿。

(3)對5#～8#壩段帷幕進行補強灌漿 在主排水孔軸線上布置14個補強灌漿孔，總孔深528m，單孔孔深32～42m，傾向下游，頂角5°，采用自上而下分段灌漿，最大灌漿壓力2.0MPa。補強灌漿于1999年8月28日開工，9月28日完工，平均單位水泥注入量36.23kg/m，其中6#壩段K201、K202層間溶蝕帶上，8#壩段F26斷層帶各有兩段單位水泥注入量大于100kg/m。14個補灌孔中有9個孔11段出現涌水，涌水孔深20.3～42m，最大涌水量34.8L/min，一般14～28L/min，最大涌水壓力0.2MPa。有涌水的孔段透水奉一般較大，可灌性相對較好，失水回濃較嚴重。補強灌漿結束后，分別在5#壩段和8#壩段各布檢查孔1個，壓水14段，小于1Lu的12段，大于1Lu的孑L段位于K202、K201層間溶蝕帶上，檢查孔有4段涌水，涌水壓力0.01～0.05MPa，涌水流量3.7～12.9L/min。本次補強灌漿位于主帷幕下游與主排水幕之間，對進一步充填幕后“管涌”產生的淘蝕補強有一定作用，但對細微裂隙發育和含泥砂充填的層間溶蝕帶灌注效果不理想，補強措施值得進一步研究。

5.2 補充完善壩基和兩岸山體排水設計

5.2.1 重新恢復被灌漿封堵的主排水孔

“管涌”處理灌漿時，將EL.120m基礎灌漿廊道內的主排水孔已灌漿封堵了19個，重新恢復排水孔23個，總孔深575m，鉆孔位于原布孔軸線上的排水孔之間，傾向下游，傾角20°、孔深25m，不穿過K201層間溶蝕帶。

5.2.2 兩岸壩肩增設山體排水洞和排水孔

(1)左岸自導流洞和2#施工支洞中段左側進洞各開挖排水洞1條。鉆排水孔104個，總孔深2254m。

(2)右岸排水洞自壩下游KL.210m進洞，洞軸線長305m。右岸壩頂交通洞(KL.245m)兼作排水，洞軸線長304.95m。鉆排水孔118個，總孔深3567m。上層排水洞底板上的排水孔，鉆穿下層排水洞的頂拱，形成梳狀自流排水。

5.2.3 導流洞內設阻水帷幕

為防止導流洞新增加的臨時排水孔和溶蝕通道與壩基內溶蝕帶連通，在下游水位高于基礎灌漿廊道內的情況下產生反向滲流，同時阻止山體地下水滲入壩基，決定在導流洞堵頭下游河岸一側設置單排阻水帷幕。阻水帷幕經檢查合格后，再在阻水幕左側鉆設9個永久性排水孔，單孔孔深50.5～77.5m，總孔深603m，并安設反濾裝置。導流洞12#排水孔鉆至孔深40.80m～50.90m時，初始涌水量達276L/min(1999年4月10日)。說明阻水幕的作用明顯。

5.2.4 兩岸壩肩幕后及右岸1#、3#施工支洞內增設排水孔

為避免再次出現幕后地下水位雍高，分別在兩岸壩肩1#～4#灌漿洞和施工支洞內增設排水孔。上述部位合計共增加排水孔289個，總孔深6441m。

5.2.5 完善排水孔反濾設施

大壩基礎主副排水孔施工過程中遇到有流砂層的排水孔7個，設計要求下鋼花管進行保護外，其余均未安設反濾裝置、管涌發生后，分別采用下列幾種反濾設施。

(1)采用鋼花管反濾裝置。

(2)兩岸山體排水洞、灌漿洞及1#、3#施工支洞等部位新增設的排水孔除φ60mm淺孔外，其余均安設φ80mm軟式排水管。

(3)引壩基副排水廊道抽水檢測孔深沖清淤后，重新安設φ65mm軟式排水管和孔口裝置。

6 結束語

(1)根據“管涌”原因分析研究確定了處理措施。在“管涌”處理過程中分為三個階段，以排泄降低山體地下水位為主體的處理思路清晰，措施穩妥，施工快捷，確保了1999年的安全度汛和大壩蓄水的安全運行。

(2)在完善排水系統設計過程中，充分利用延伸自壩下游的各種地下洞室以及地形地質條件的有利因素，再分層增設山體排水洞和排水孔，按照高水高排，低水低排，以自流為主，直接導引和抽排至壩下游的原則，自上而下形成完善的系統排水幕，經兩個汛期檢驗，處理效果明顯。

(3)完善壩基滲流控制的長期觀測系統，建立健全各項觀測制度和規程，加強資料分析整理，及時進行信息反饋，發現異常及早提出處理措施，防止基礎條件的惡化。

(4)大壩基礎排水孔采用的幾種反濾設施裝置，由于施工緊迫，未經反濾效果現場試驗，多數孔存在反濾花管不能緊貼孔壁問題，建議在運行過程中進行觀測檢查。

(5)復雜的水文地質條件的壩基，在進行滲控工程設計前，建議進行三維滲流模型試驗，根據試驗成果，有針對性地進行設計，以避免出現重大失誤。

[作者簡介]

作者簡介：羅熙康，長江水利委員會江埡工程監理總站副總監，高級工程師。