四川和西藏地區水電工程地質面臨的形勢與挑戰

彭仕雄，張世殊

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

四川和西藏地區水電工程地質面臨的形勢與挑戰

彭仕雄，張世殊

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

四川和西藏地區水電資源豐富，地處印度洋板塊和歐亞板塊碰撞地帶，以青藏高原快速隆起為代表，山高谷深、邊坡高陡，巖性構造復雜、高地應力、超深厚覆蓋層、高地震烈度，滑坡、泥石流發育等，在這些地區進行水電開發，關鍵工程地質技術問題十分突出。本文對水電工程地質發展現狀、專業發展面臨的形勢和挑戰進行分析研究，提出水電工程地質專業未來技術發展方向，在一定程度上展望了地質科技未來發展的重點和難點，對該地區水電工程地質工作的開展有參考價值。

關鍵工程地質技術；科技需求；復雜地質條件

0 前 言

四川水力資源豐富，居全國之首，四川境內共有大小河流1 000多條，居全國之冠。西部高山高原區主要河流有大渡河、雅礱江、金沙江、青衣江。水能蘊藏量約占全國的五分之一，其蘊藏量達1.43億kW。西藏有河流356條，全區水力資源理論蘊藏量占全國的29%，居全國第一位。西藏水力資源量巨大，雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江干流梯級水電站規模大多在100萬kW以上，個別為1 000萬kW級的巨型電站，是全國乃至世界少有的水力資源“富礦”。四川和西藏地區地處印度洋板塊和歐亞板塊碰撞地帶，地質條件十分復雜，在這些地區建設高壩大庫，將面臨著高地震烈度區帶來的區域構造穩定問題、高地應力環境下的超大規模地下洞室群穩定問題、復雜的水文巖溶地質環境問題、變形巖體形成的超高工程開挖邊坡穩定、超深厚覆蓋層建壩等復雜的工程地質問題和巖石力學問題，還面臨著一系列新的理論難題和技術挑戰。對建設過程中可能遇到的重大地質技術問題進行研究和探討，對指導工程建設，消除重大安全風險無疑具有重要的現實意義。

1 水電工程地質發展現狀

我國能源資源的特點是以煤炭資源為主，水力資源豐富，石油和天然氣資源較少。在當前科學發展觀的指導下，我國能源開發正朝著高效、清潔、多元化方向發展。水電是清潔、可再生、且能成規模開發的能源，開發水電資源不僅能夠為國民經濟和社會發展提供能源，還能獲得防洪、灌溉、航運、供水、旅游、生態環境保護等綜合效益。目前我國經濟正在快速穩定發展，水電開發的速度也是史無前例的，我國正從世界水電大國，發展成為世界水電強國。改革開放以來，四川和西藏地區建成了一大批大型水電工程，通過二灘、溪洛渡、錦屏一級、官地、瀑布溝、大崗山、長河壩、猴子巖、雙江口、兩河口、藏木等一批巨型、大型工程的鍛煉，培養了一大批優秀的高水平的地質專業技術人才，為我國水電建設作出了突出貢獻。地質專業通過多年科技攻關的總結、提煉、創新和新技術推廣應用，使地質工程專業水平有了較大的提升，創新和完善了一系列工程地質勘察手段、方法、評價體系。主要體現在：

（1）創新和完善了高壩壩基巖體質量利用評價體系；

（2）建立了利用深厚覆蓋層建壩的地質分析評價體系；

（3）建立了大跨度洞室群圍巖穩定性評價方法體系；

（4）創新和完善了水庫塌岸預測評價方法體系；

（5）創新和完善了泥石流、危巖體等地質災害評價方法體系；

（6）創新和完善了高陡斜坡穩定性研究評價體系；

（7）基本完成了工程地質三維設計系統的研發，從而實現地質三維成圖，實現了多年來的夢想，使得地質室內工作取得了長足進步。

在取得成績的同時，也存在一些不足，主要表現在：

（1）水庫蓄水后庫岸穩定評價問題，水庫蓄水后大型水庫仍存在較多滑坡、變形、塌岸問題，對其預測和蓄水后岸坡的破壞機理仍需深入研究；

（2）復雜地質條件下的工程開挖高邊坡穩定評價問題，有的工程在施工過程中仍有邊坡垮塌變形失穩情況發生，分析認為有的與地質對邊坡變形破壞機理認識不清有關；

（3）大跨度地下洞室群圍巖大變形穩定問題，有的深埋地下大跨度洞室群開挖過程中存在大變形，給工程處理帶來較大的難題，初步分析對其破壞機理認識不足有關；

（4）深埋高地應力環境下洞室圍巖工程地質問題的勘察與評價問題；如何準確分析預測評價其工程地質問題對工程建設有重要影響；

（5）高地震烈度區建壩安全風險問題，現在已經有不少水電工程位于地震烈度高達Ⅷ度及以上構造復雜地區，對于構造穩定性的評價需要有新的認識；

（6）超高陡工程邊坡的穩定性評價問題，有的工程邊坡高達數百米，如何客觀評價其穩定性，至今還無成熟的經驗和評價標準；

（7）超深厚細粒土覆蓋層地基的工程地質評價問題，有的工程大壩地基覆蓋層主要由細粒土組成，覆蓋層厚達數百米，砂土液化的臨界深度和土體工程地質特性評價標準需要更深入研究；

（8）深埋巖土體物理力學參數取值問題，有的工程涉及深達數百米甚至3 000 m左右巖石參數取值問題，至今還沒有較好的解決辦法。根據我國水電開發規劃和現狀分析，今后水電開發將轉向我國西部地質條件更為復雜的地區，因此水電地質工作任務將更加艱巨和繁重，有更多的技術難題問題需要去攻克。

2 水電工程地質專業發展面臨的形勢

2.1 面臨我國大力發展可再生能源，積極開發水電，拓展國際合作的發展機遇

國家能源發展戰略行動計劃（2014-2020）提出大力發展可再生能源，積極開發水電。在做好生態環境保護和移民安置的前提下，以西南地區金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江等河流為重點，積極有序推進大型水電基地建設。因地制宜發展中小型電站，開展抽水蓄能電站規劃和建設，加強水資源綜合利用。到2020年，力爭常規水電裝機達到3.5億kW左右。大力發展風電。重點規劃建設酒泉、內蒙古西部、內蒙古東部、冀北、吉林、黑龍江、山東、哈密、江蘇等9個大型現代風電基地以及配套送出工程。以南方和中東部地區為重點，大力發展分散式風電，穩步發展海上風電。國家能源發展戰略行動計劃還提出拓展能源國際合作。加強統籌協調，支持企業“走出去”。

“面臨國家絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的一帶一路、中部崛起、沿海開發大戰略的歷史機遇。

2.2 傳統水電開發轉向地質條件復雜地區，技術難度越來越大，科技創新要求高

工程地質專業工作的特點是：研究對象的復雜性和研究手段的局限性；內業和外業，兩條線作戰，體力和腦力的結合；全過程、全方位的服務。眾所周知，西南地區地處印度洋板塊和歐亞板塊碰撞地帶，以青藏高原快速隆起為代表，是我國工程地質條件十分復雜的地區，山高谷深、邊坡高陡，巖性構造復雜、高地應力、超深厚覆蓋層、地震烈度頻度高，滑坡、泥石流發育等。目前，我們的認識手段和方法雖然有了長足的進步，但面對復雜的客觀地質條件時，卻顯得十分有限。所有這一切，都構成了地質工作認識的艱巨性和更大的風險性。地質專業從河流規劃開始，到預可、可研、招標，一直到技施設計，工程建成，必須全過程參與工作，一方面對勘探各專業提要求，分析提供資料，另一方面為水工、施工、路橋、建筑、環保水保、規劃、機電等各專業提供資料。在前期勘察工作中，在占有大量的野外第一手資料的基礎上，還要進行全面系統的室內分析工作，工程開工后，又要投入大量的技術人員，到危險的邊坡和洞內收集資料，展開工作。

2.3 水電主業呈現顯著放緩趨勢，新業務市場競爭激烈

國內水電勘測設計行業經過十幾年的快速發展，面臨傳統業務增速顯著放緩、高盈利市場逐步放開、新業務市場競爭激烈的態勢。地質專業業務范圍主要集中在常規水電、新能源和延伸項目，目前水電主業呈現下滑趨勢，為適應市場競爭的需要，今后將在工業與民用建筑、城市軌道交通、市政、鐵路、公路等行業的地質工程、巖土工程、地質災害與環境地質專業拓展。專業的科技發展方向應著眼于未來，以專業生產為導向，在兩個方面加大投入，一是在水電水利傳統行業方面，針對已完成的工程項目進行經驗總結，對已使用的新技術進行應用分析，并不斷地在領域內研究創新；二是針對目前的市場需求，研究并推廣使用實用性強、提高企業競爭力的新技術、新方法，為巖土市場拓展鋪路。

3 水電工程地質專業面臨的挑戰

3.1 環境地質問題

要在復雜的地質條件下興建高壩大庫，不可避免地要對地質環境進行改造，需要開挖工程邊坡、開挖地基、開挖地下工程，需要堆放棄碴，而我國西部有的地方生態環境十分脆弱，環境地質保護的壓力較大，若不加重視，可帶來諸如泥石流、滑坡等一系列環境工程地質災害問題，需要我們水電地質工作者時刻保持敏感的神經，在環境地質工作中做到超前認識和精準判斷，為采取可靠的預防措施提供技術支撐，避免重大環境地質問題的發生。

3.2 面臨更加復雜的地質環境，諸多世界性地質技術難題急需解決

20世紀初期20年，我國水電工程建設中，需要攻克許多世界級工程技術難題，西南地區是我國水能資源的富集地區，是當前和未來水電建設的重點所在，但該區域地形地質條件十分復雜，地震烈度高（不少達Ⅷ～Ⅸ度），斷裂構造發育（四川省著名的有龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶等，西藏地區主中央斷裂、主邊界斷裂等），巖石條件差異較大（軟巖廣泛分布），變形巖體廣布（傾倒變形體、拉裂巖體）、地應力高（不少地區實測地應力達40 MPa以上）、水文地質條件十分復雜、泥石流等地質災害頻發；電站規模大，百萬千瓦以上的達20多座，很多工程的勘察和設計研究具有世界級難度，有的已超出了我們的認識水平。在這些地區建設高壩大庫，將面臨著高地震烈度區帶來的區域構造穩定問題、高地應力環境下的超大埋深和超大規模地下洞室群穩定問題、復雜的水文巖溶地質環境問題、變形巖體形成的超高工程開挖邊坡穩定、超深厚覆蓋層建壩等復雜的工程地質問題和巖石力學問題，面臨著一系列新的理論難題和技術挑戰，這些都需要水電地質工作者不斷探索和進行科技攻關。

教師應當“通過生動形象的課堂教學、熱情細致的課外輔導和開放坦誠的思想交流，對學生的成就給予及時合理的強化與反饋”（陳琦等，2011），如此，學生才會對自己有著更深刻的認識，對于自己的愿望和學習目標更加明確。

3.3 水庫蓄水后的庫岸穩定問題突出

從四川和西藏地區已經建成蓄水的一批高壩大庫看，重大地質問題仍然較為突出。大多數都存在著變形、塌岸、滑坡、滲漏、浸沒等地質問題。不少基巖邊坡出現了嚴重的變形開裂現象（如溪洛渡庫區、錦屏一級、毛爾蓋、獅子坪庫區），有的表現為傾倒變形、有的為基巖順層滑移變形破壞，這些變形失穩現象不少都超出了教科書和規程規范的范圍要求，給蓄水后巖質邊坡穩定性評價工作帶來了不少難題。需要通過蓄水后大型水庫現場變形、塌岸等方面科研工作的開展，進一步分析評價蓄水條件下岸坡巖土體與庫水作用機理、變形過程，完善或形成巖質邊坡安全性評價準則。

4 未來水電工程地質技術發展方向展望

4.1 傳統水電地質將向高尖技術方向發展

通過多年的努力，地質專業已經在傳統水電站勘察方面形成了一些成熟技術。主要有：

（1）水電站區域構造穩定性研究評價技術；（2）水庫工程地質勘察評價技術體系；

（3）巖基建高混凝土壩工程地質勘察技術；

（4）深厚覆蓋層建高土石壩、閘壩工程地質勘察技術；

（5）工程高邊坡工程地質勘察技術；

（7）深埋長隧洞工程地質勘察技術；

（8）巖溶工程地質勘察技術；

（9）滑坡等地質災害工程地質勘察技術；（10）天然建筑材料工程地質勘察技術；

（11）水電水利工程泥石流勘察與防治技術；（12）水電水利工程環境邊坡危巖體勘察關鍵技術等等。

面對新的科技形勢和科技發展面臨的需求，需要完善和形成一系列前沿高尖技術，包括：

（1）超深厚覆蓋層建壩工程地質；

（2）堰塞湖相覆蓋層建壩工程地質；

（3）超埋深長越鄰高地應力隧洞工程地質；

（4）高地應力大跨度地下廠房洞室群成洞工程地質；

（5）水電工程地質災害評價工程地質；

（6）水庫蓄水后巖質邊坡穩定性評價工程地質；

（7）新技術和新方法（數值分析、3S、三維激光掃描等）。

4.2 大巖土化將是未來發展的主流

面臨國家一帶一路、中部崛起、沿海開發大戰略的歷史機遇，水電顯著放緩的前提下，需要積極向國外、市政、交通、地災、新能源等方面拓展，需要投入更多的人力資源，投入更多的科研力量，保證專業拓展的持續發展，完成水電地質創新業務的轉型升級。我國水電地質目前多采用前蘇聯模式，以單一的地質研究為主，而國外已經實現大巖土化，我國其它行業也大多實現了大巖土，隨著國內外市場的開拓，為適應市場需求，集巖土工程勘察設計于一體的大巖土化必將成為未來地質發展的主流。

4.3 工程地質三維協同設計將成為新常態

從水電地質手工繪圖到CAD二維成圖，大大提高了人們的工作效率，隨著計算機技術的不斷進步，地質人員夢想的高效三維成圖技術取得了長足進步，有望得到普及應用。借助計算機技術，工程地質信息系統和三維協同設計將成為新常態，從而實現工程地質生產模式的再一次革新。但仍有不少地方需要完善，如與勘察資料數據庫的對接問題，與巖土體物理力學性質試驗利用問題等。需要形成更加合理可行的地質三維建模技術，提高勞動生產效率，實現地質三維可視化技術的進一步超越。研發集地質資料收集管理、分析解譯過程、地質成果信息輸出為一體的數字化三維工作平臺。

5 結 語

四川和西藏地區山高坡陡，傳統水電開發轉向地質條件復雜地區，技術難度越來越大，工程建成后仍出現諸多重大地質問題，仍需攻堅克難，有的工程地質問題已經超出了目前人們的認識水平和規程規范的要求范圍，需要在工作中不斷總結完善，需要進一步開展科技攻關工作，今后一段時間需要重點在超深厚覆蓋層建壩工程地質，堰塞湖相覆蓋層建壩工程地質，超埋深長越鄰高地應力隧洞工程地質，高地應力大跨度地下廠房洞室群成洞工程地質，三維地質建模技術，水電工程地質災害評價，水庫蓄水后巖質邊坡穩定性評價工程地質，新技術和新方法，市政、交通、地質災害、新能源等方面進行重點研究和拓展。傳統水電地質將向高尖技術方向發展，大巖土化將是未來發展的主流，工程地質三維協同設計將成為新常態。

［1]周少森，唐榮斌，等.四川水力資源條件、開發價值及開發前景展望［J］，水電站設計，2006（06）.

［2]胡向陽，何子生.西藏水能資源開發前景淺析［J］.人民長江，2009（08）.

TV221.2

A

1003-9808（2015）04-0001-03

2015-08-19

彭仕雄（1964-），男，重慶永川人，教授級高級工程師，從事地質工程方面的研究工作。