錦屏一級水電站工程地質勘察綜述

劉忠緒， 楊靜熙

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

錦屏一級水電站工程地質勘察綜述

劉忠緒， 楊靜熙

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

錦屏一級水電站工程勘察歷經20余年，形成了大量勘察成果，本文對錦屏一級水電站的地質勘察工作進行了較為全面的總結。本文重點介紹了工程場址的選擇、壩區(qū)左岸深部裂縫成因及對建壩影響、特高壩壩基可利用巖體、壩基巖體質量評價、高陡邊坡穩(wěn)定性、高應力較低巖石強度條件下大跨度洞室群圍巖穩(wěn)定性、多巖性組合骨料選擇，以及三維數字技術在勘察中的應用等諸多方面的勘察成果和勘察經驗。

深部裂縫；場址；壩基巖體；高陡邊坡；高應力；組合混凝土骨料；三維數字；錦屏一級水電站

0 前 言

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內，是雅礱江干流中下游水電開發(fā) “控制性”水庫梯級，在雅礱江梯級滾動開發(fā)中具有“承上啟下”的重要作用。

錦屏一級水電站工程規(guī)模巨大，開發(fā)任務主要是發(fā)電，兼顧防洪、攔沙。電站裝機容量3 600 MW，正常水位1 880 m，總庫容77.6億m3，調節(jié)庫容49.1億m3，屬年調節(jié)水庫。樞紐主要由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘、右岸泄洪洞及右岸地下廠房等永久性建筑物組成。拱壩高達305 m，是目前建成的世界第一高壩。

錦屏一級水電站地處西南高山峽谷地區(qū)，工程地質和水文地質條件極為復雜，是國內外專家公認的“地質條件最復雜，施工環(huán)境最惡劣，技術難度最大”的巨型水電工程，面臨的工程復雜性前所未見。樞紐區(qū)具有“兩高兩深”的基本地質特點，即高邊坡、高地應力、深切峽谷、深卸荷，由此帶來了復雜的、獨特的工程地質問題：

(1)壩區(qū)左岸發(fā)育的“深部裂縫”的成因及其對建壩條件不利影響問題；

(2)壩區(qū)各類構造結構面發(fā)育，尤其左岸山體發(fā)育深部裂縫，邊坡巖層傾倒變形、卸荷拉裂強烈，穩(wěn)定問題突出；

(3)特高拱壩壩基地層層位多，斷層、層間擠壓錯動帶、綠片巖、煌斑巖脈等地質缺陷發(fā)育，復雜地基巖體質量評價與利用研究難度高；

(4)左岸抗力體斷層、巖脈、深卸荷發(fā)育，巖體完整性差，不能滿足抗變形穩(wěn)定要求，對其勘察和評價難度大；

(5)大型地下洞室群區(qū)域地應力高，圍巖強度應力比較低，高地應力條件下圍巖變形及長期穩(wěn)定問題十分突出；

(6)工程區(qū)為一套以大理巖、變質砂板巖為主的淺變質巖，巖性復雜，巖石強度較低，作為300 m量級拱壩混凝土骨料都存在不同程度的缺陷，使得拱壩混凝土骨料選擇問題也很突出。

為查明工程的地質條件，成都院投入了大量的人力物力，經過二十余年的勘察工作，完成了大量勘探、巖土體試驗和專題科研，為電站成功建成創(chuàng)造了良好的條件。

工程于2005年11月正式開工建設，2013年8月首批機組建成發(fā)電，2016年4月通過樞紐工程專項驗收。

錦屏一級水電站工程勘察獲2015年中國電力規(guī)劃設計協(xié)會工程勘測一等獎、2015年四川省優(yōu)秀工程勘察一等獎、2016年中國電力建設股份有限公司工程勘測一等獎。

1 復雜區(qū)域地質背景下高壩場址選擇

錦屏一級水電站工程區(qū)位于楊子地臺與松潘甘孜地槽褶皺系交界部位，所處“川滇菱形斷塊”的邊界斷裂均為多期繼承性活動斷裂帶，喜山期以來，由于印度洋板塊向歐亞板塊的強烈推擠，使得在青藏高原急劇抬升的同時，川滇菱形斷塊亦向南東方向推移，導致上述各邊界斷裂均發(fā)生強烈的水平剪切錯動，成為現代地震活動的發(fā)震構造。這些發(fā)震構造的發(fā)育分布及其新活動性直接影響工程場地區(qū)域構造穩(wěn)定性。

錦屏一級水電站區(qū)域構造穩(wěn)定性研究在傳統(tǒng)的地質調查、坑槽探和斷層活動性測齡等手段、方法的基礎上，基于20世紀80年代末期、90年代初期的技術水平，引進新技術、新方法開展了航衛(wèi)片的遙感地質調查、構造穩(wěn)定性數值模擬研究、地球物理場深部構造研究等專題研究，并采用多層次、多手段、不同方法來查明工程區(qū)所在大地構造單元、區(qū)域地質背景、地貌與新構造運動特征、主要斷裂及其活動性。

首先，開展了錦屏一級所在大河灣地區(qū)區(qū)域地質背景遙感地質調查和外圍地質調查、測繪工作。從錦屏大河灣地區(qū)及其外圍地區(qū)1∶20萬航衛(wèi)片的遙感地質調查開始，到大河灣地區(qū)1∶5萬航衛(wèi)片的遙感地質調查，再到錦屏一級工程區(qū)1∶2.5萬航衛(wèi)片的遙感地質調查，逐步逼近工程區(qū)，并結合地面地質調查成果，反復深入研究了河灣地區(qū)的地層巖性及地質構造形跡；其次，在查清河灣及其外圍地區(qū)地層、地質構造形跡、外動力地質作用等的基礎上，開展工程區(qū)主要斷層同位素年齡測定及活動性研究，對研究范圍內具有一定規(guī)模的斷層，全面系統(tǒng)、逐條地取樣，應用多種實驗室測試方法進行同位素年齡測定，提出了一批數量較多的斷層活動測年數據，為研究論證錦屏地區(qū)的地殼穩(wěn)定性提供了較充分的定量依據；再次，在大河灣地區(qū)1∶10萬地面區(qū)域地質調查的基礎上，又開展大河灣地區(qū)深部構造解譯和構造穩(wěn)定性數值模擬研究。

1993年完成了《雅礱江錦屏大河灣地區(qū)區(qū)域構造穩(wěn)定專題研究》，在充分研究由斷裂活動性、地震活動性、巖漿活動性及水熱活動性等因素綜合作用所表現的穩(wěn)定程度的基礎上，還研究了與內動力作用密切相關的地形地貌及介質塊體的特征及完整性等的影響，選擇斷層活動年代新老、地震活動性、水熱活動性、構造活動性、塊體的介質條件、地形地貌特性等6個因素，分“穩(wěn)定、較穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定”4個等級，對錦屏一級所在整個錦屏大河灣地區(qū)進行分級分區(qū)的區(qū)域構造穩(wěn)定性評價、篩選，最后確定的錦屏一級工程建設的場址位于構造穩(wěn)定區(qū)。

2 “深部裂縫”勘察及對工程影響研究

錦屏一級水電站普斯羅溝壩段河谷狹窄，地形陡峻，兩岸谷坡相對高差達千余米。壩區(qū)左岸為反向坡，邊坡中上部由三疊系雜谷腦組變質砂巖、板巖組成，下部為大理巖。勘探過程中，在岸坡淺表卸荷帶以里穿過一段相對緊密完整的巖體后，又陸續(xù)揭露出一系列規(guī)模不等的張開裂縫或裂隙松弛帶，由于其分布深度大，與已有的工程經驗中對岸坡卸荷改造規(guī)律性認識不一致，因此，統(tǒng)稱為“深部裂縫”。

“深部裂縫”是錦屏一級水電站特有的地質現象，對建壩條件具有重要影響，它的存在制約了壩址、壩線選擇，是影響壩基變形穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定以及邊坡穩(wěn)定評價的最主要不利地質因素之一。查明其發(fā)育特性、形成機制及演化趨勢，是評價壩基巖體和工程邊坡穩(wěn)定性十分重要的基礎工作，研究電站建設過程中及在泄洪霧化和工程蓄水后深部裂縫可能產生的變化，對確保工程安全意義重大。

成都院自1992年底勘探發(fā)現深部裂縫后，圍繞深部裂縫發(fā)育、分布規(guī)律開展了大量洞探、物探、連通試驗工作，聯(lián)合成都理工大學、中國科學院地質與地球物理研究所、清華大學等多家知名科研院所，開展了有關左岸高邊坡深部裂縫形成機理、工程適宜性分析、邊坡穩(wěn)定性評價等方面的多項專題研究。在施工詳圖階段，成都院與成都理工大學再次聯(lián)合開展了“左岸深部裂縫發(fā)育特征” 研究工作，利用左岸的各種施工通道、廊道、排水洞及抗剪傳力洞等開挖，對深部裂縫的空間分布特征、工程地質性狀進行詳細調查，進一步研究深部裂縫的空間展布規(guī)律及其成因機制，得出了與勘測設計階段一致的結論。壩區(qū)左岸深部裂縫是在左岸特定的高邊坡地形、地質構造、高地應力環(huán)境和巖性組合條件下，伴隨河谷的快速下切過程，邊坡高應力發(fā)生強烈釋放、分異、重分布，而在原有構造結構面基礎上卸荷張裂所形成的一套邊坡深卸荷拉裂體系。

通過對深部裂縫的勘察、研究，準確把握了其對大壩工程及左岸邊坡穩(wěn)定的不利影響，拱壩軸線選擇避開深部裂縫發(fā)育強烈區(qū)域，具備建高拱壩的地形地質條件，為壩址和壩型比選提供了有力地質依據。

3 河床及兩岸建基面選擇研究

河床壩基建基面高程的選擇直接關系到壩高，對拱壩體形、基礎處理的設計影響大。

電站地處高山峽谷地區(qū)，地質條件極其復雜，通過大量的分析研究工作，首先確定了建基面選擇中應遵循的原則。①河床壩基建基面：第一，應盡量利用雜谷腦組第2段第3層大理巖中較完整的微新無卸荷的Ⅱ級和微風化、弱卸荷的Ⅲ1級巖體；第二，鑒于河床應力集中較高，建基面應盡量遠離河床谷底應力集中帶(1 550 m高程以下)，減小高應力對河床壩基開挖的影響。②兩岸壩基建基面：建基面可利用巖體的確定,應充分考慮拱壩受力狀況，拱壩壩基中下部應全部置于Ⅱ級或Ⅲ1級巖體之中，中上部應盡可能置于Ⅲ1級巖體之中。

根據上述原則，確定的河床壩基建基面高程為1 580 m，避開了河谷地應力集中區(qū)，合理的建基高程最大程度地減小了高地應力對河床壩基開挖的不利影響，建基面物探檢測顯示，河床壩基開挖后地應力集中造成的巖體松弛較弱。

考慮到左岸深部卸荷形成的深部裂縫巖帶分布深度大，在加強基礎處理的基礎上，應減少開挖深度，左岸平均挖深40～60 m，右岸平均挖深20～40 m。

經過蓄水運行檢驗，壩體工作正常，說明最終確定的壩基建基面是合理的。

4 壩基巖體質量評價

4.1 研究并建立了適合錦屏一級水電站工程地質特點的壩基巖體質量分類體系

錦屏一級水電站壩址區(qū)巖性層位多，既有堅硬的大理巖、變質砂巖，又有相對軟弱的板巖和綠片巖，巖石組合較復雜；巖體內層面、層間擠壓錯動帶、斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育；巖體賦存環(huán)境地應力高；兩岸淺表部巖體受卸荷作用影響強烈，特別是左岸存在的深部裂縫等構成了影響壩基巖體質量的主要地質要素。因此，在壩基巖體質量分類時，首先以巖體所屬地層層位和巖石組合特征為基礎，同時考慮巖體結構特征及卸荷作用影響程度，進行基本工程地質單元劃分和巖體質量初步分級；其次對初分巖級與巖體力學試驗成果進行相關分析，研究主要地質因素與巖體力學參數的相關性和規(guī)律性，在此基礎上，進行巖級的調整、歸納，并結合相關規(guī)范，建立了以“工程地質巖組+巖體結構特征+巖體緊密程度+深部裂縫”為要素的壩基巖體質量綜合分級評價體系和標準。施工圖階段，通過拱壩建基面地質編錄、多方法巖體結構參數調查、巖體結構面風化程度的回彈試驗、補充原位承壓試驗、系統(tǒng)和針對性物探檢測等，對壩基巖體質量綜合分級評價體系和標準做了進一步完善，為客觀評價壩基巖體質量奠定了良好的基礎。

4.2 開展系統(tǒng)檢測和隨機檢測相結合的多種定量測試

錦屏一級水電站拱壩壩基地質缺陷發(fā)育，除貫穿壩基規(guī)模相對較大的順河向軟弱結構面(右岸f13、f14、f18斷層及煌斑巖脈，左岸f2、f5、f8斷層)外，還有隨機分布的溶蝕裂隙帶、風化綠片巖，特別是左岸拉裂松弛巖帶等軟弱巖體(巖帶)，對拱壩變形穩(wěn)定影響大。壩基左右岸、上下高程間的地質條件差異較大，右岸壩基由較完整的大理巖構成，而左岸壩基有較多的風化卸荷拉裂的砂板巖巖體；右岸壩基中上部大理巖模量較高，而下部及其深部含較多綠片巖，模量較低；左岸中上高程壩基由砂板巖構成，巖體普遍風化卸荷拉裂，巖體完整性差，模量較低，而低高程壩基由新鮮大理巖構成，模量較高。

為了查明建基面及建基面以里一定范圍的巖體質量，科學評價巖體質量和地質缺陷，評價爆破開挖對巖體質量的損傷，在壩基開挖前和開挖過程中開展了系統(tǒng)和隨機檢測相結合的多種定量測試，包括單孔、對穿孔聲波測試、鉆孔攝像、鉆孔彈模測試、壩面剛性承壓板測試以及壩基巖體長期聲波檢測。通過檢測和測試獲得了大量的實測資料，得到了各級巖體和各類地質缺陷的定量化指標，查明了開挖爆破對壩基巖體質量的損傷，分析預測了壩基巖體卸荷松弛隨時間的變化趨勢，從而準確地進行了壩基巖體質量分級分區(qū)評價，建立了壩基巖體質量分布三維模型，實現了對壩基巖體質量、地質缺陷的科學評價。

4.3 多項新技術新方法應用于壩基巖體質量評價研究

在壩基地質編錄中引進三維激光掃描及內置高清晰相機真彩取像技術，適時地獲得了壩基開挖后的建基面地形、地質體真彩信息資料，建立起包括長度大于50 cm節(jié)理裂隙的壩基三維模型，從三維模型上完成建基巖體質量分級分區(qū)評價、地質缺陷圈定，為工程處理設計提供了詳實可靠的基礎地質資料。

在壩基巖體力學指標檢測中引入了基于成都院科研所研制的建基面巖體變形快速檢測儀(YBKC-70)的壩面剛性承壓板試驗技術，克服了建基面不具備常規(guī)平洞的反力條件而無法進行承壓板變模測試的困難，跟隨開挖進度在壩基的每一開挖梯段均選擇代表部位(重點是低巖級巖體和地質缺陷)進行現場承壓板測試，并完成了配套聲波測試，共獲得了83組測試數據，復核驗證了可研階段建立的壩基巖體變模-波速關系(E0-Vp關系)。

4.4 壩基軟巖帶——綠片巖的性狀及其對壩基巖體質量的影響研究

錦屏一級左岸壩基高程1 730 m以下、河床及右岸壩基全部由大理巖組成，隨機分布有不同規(guī)模、不同性狀的綠片巖。綠片巖性狀軟，對大壩變形穩(wěn)定有較大不利影響。

在前期勘察階段，調查研究表明左岸綠片巖以綠泥石片巖為主，順層發(fā)育、延伸較長；右岸綠片巖中微新的鈣質綠片巖、大理片巖占62.5%，弱～強風化的綠片巖占37.5%，多呈透鏡狀。施工詳圖設計階段，對建基面揭示的每一個綠片巖透鏡體(夾層)都進行了仔細的地質編錄，詳細劃分了綠片巖的風化程度，分析了不同綠片巖的工程性狀、空間展布情況及其對壩基巖體質量的影響；對其中規(guī)模較大的、性狀較差的綠片巖開展了聲波、鉆孔變模以及現場承壓板測試，獲得了極其寶貴的檢測資料。通過上述調查、分析、測試，對隨機分布的各類綠片巖對壩基巖體質量的影響有了更為深入、系統(tǒng)的認識：微新的鈣質綠片巖、大理片巖對巖體質量影響小，不單獨劃分巖級；微新的炭質片巖和弱～強風化的綠片巖性狀差，對巖體質量影響大，單獨劃分了巖級，其中弱風化的綠片巖劃為Ⅲ2級，強風化的綠片巖及微新的炭質片巖劃為Ⅳ級。研究成果為各類綠片巖的工程處理設計提供了有力的地質依據。

4.5 低高程壩基開挖卸荷松弛研究

針對錦屏一級水電站壩區(qū)實測最大主應力達40 MPa以上的情況，拱壩基坑開挖前和開挖過程中，高度重視高應力可能引發(fā)的壩基巖體松弛破壞研究。

從低高程建基巖體分析，河床建基面選擇時就考慮了要遠離應力集中區(qū)，河床建基巖體為微新、弱卸荷的Ⅲ1級巖體，河谷演化過程中已發(fā)生卸荷，應力已釋放。綜合分析后預測基坑開挖后巖體發(fā)生大規(guī)模強烈卸荷松弛破壞的可能性較小。河床建基巖體采取了預留了保護層開挖等措施，開挖后即開始拱壩混凝土澆筑，建基面暴露的時間短，卸荷松弛深度僅2～5 m。

基坑開挖驗證了上述預測的準確，保證了基坑開挖的順利完成。

5 高陡邊坡穩(wěn)定性研究

錦屏一級水電站樞紐區(qū)左右岸開挖邊坡均超過了300 m，特別是左岸邊坡，自然谷坡高陡，巖體卸荷強烈，發(fā)育有斷層、層間擠壓帶、深部裂縫，地質條件極其復雜。左岸開挖高達530 m，是當時水電工程開挖高度最高、開挖規(guī)模最大、穩(wěn)定條件最差的工程邊坡之一，發(fā)育變形拉裂巖體及傾倒變形巖體，穩(wěn)定問題突出，在國內外水電工程中十分罕見。從可研階段一直到施工圖階段，成都院開展了大量的勘探、試驗工作，并聯(lián)合多家科研院所共同對邊坡穩(wěn)定性進行了長期研究。

樞紐區(qū)左岸為反向坡，下部為較堅硬的大理巖，上部為砂板巖。邊坡穩(wěn)定條件復雜，中低高程大理巖巖體卸荷拉裂明顯，高高程砂板巖在卸荷松弛的基礎上又疊加了傾倒拉裂和蠕滑拉裂等變形，且受巖性、巖體結構控制明顯，按變形破裂型式可分為卸荷拉裂、傾倒拉裂、蠕滑拉裂和變形拉裂巖體，穩(wěn)定性研究難度大。前期采用平洞結合鉆孔的勘探方法和專題研究，查清了自然岸坡已有變形破壞模式，通過數值模擬分析等研究了邊坡變形破壞機制，分析了邊坡在天然、暴雨、地震、雨霧等各種工況下的穩(wěn)定性。

施工開挖期繼續(xù)地質資料的收集和檢測試驗工作，對關鍵技術問題進行深入研究，開展了砂板巖巖體及結構面流變特性研究，巖體長期強度參數取值研究，高應力強滲水條件下軟巖體、弱化效應研究、動態(tài)反饋分析等。通過深化左岸復雜高邊坡地質條件的認識，優(yōu)化了設計方案，取得了顯著效益，邊坡降低開挖高度250 m，減少錨索3 500束，減少交通道路長約6 km，共計節(jié)約工程投資6.65億元，縮短工期2年，效益顯著。

6 高地應力條件下地下廠房圍巖穩(wěn)定性研究

錦屏一級水電站主廠房水平埋深約110～300 m，垂直埋深約180～350 m。主廠房全長276.99 m，開挖跨度28.90 m，高度68.80 m。主變室位于主廠房下游，廠房和主變室之間的巖墻厚度為45 m，主變室尺寸為197.10 m×19.30 m×32.70 m(長×寬×高)。尾水調壓室采用“三機一室一洞”布置型式，設置兩個圓型調壓室，直徑(上室)分別為37.00 m、41.00 m。

地下廠區(qū)洞室群置于三疊系中上統(tǒng)雜谷腦組第2段大理巖內，洞室密集，規(guī)模較大，斷層、煌斑巖脈等軟弱結構面發(fā)育，實測最高地應力高達35.7 MPa，高地應力是制約洞室圍巖穩(wěn)定的關鍵工程地質技術問題。勘測設計階段開展了大量勘探、試驗、測試工作，查明了地下洞室區(qū)工程地質條件和影響圍巖穩(wěn)定主要地質問題，如高地應力、地下涌水、局部穩(wěn)定問題等。開挖期又聯(lián)合中國科學院地質與地球物理研究所、清華大學、四川大學等，針對廠房工程地質條件、圍巖變形與穩(wěn)定問題開展了專題研究。

廠房三大洞室區(qū)進行了較全面的地應力測試，包括孔徑法和孔壁法。結果表明，地下廠區(qū)實測地應力量級較大，最大主應力20～37.5 MPa，屬高～極高地應力區(qū)，地應力方向為NW向，高地應力對洞室穩(wěn)定影響大，而且錦屏一級地下洞室區(qū)除層面裂隙外主要結構面多為陡傾角，方向不利時對洞室穩(wěn)定影響較大。

三大洞室軸向擬定時綜合考慮了以下幾個主要因素：①地下廠區(qū)為高地應力區(qū)，最大主應力σ1方向為N48.7°W，三大洞室軸向盡量與σ1平行；②主要結構面的優(yōu)勢方向為N40°～60°E/NW∠15°～30°；N50°～70°E/SE∠50°～80°；③N50°～70°W/NE(SW)∠80°～90°；洞室軸向盡量與主要結構面走向呈大角度相交。最終將三大洞室軸線方向確定為N65°W，與σ1夾角僅15°，與第①、②組結構面夾角為70°～90°，最大程度地減輕了高地應力和結構面的不利影響。

在地下洞室開挖過程中，除常規(guī)圍巖工程地質分類進行穩(wěn)定性評價外，還進行了地下洞室圍巖二次應力測試、系統(tǒng)聲波長觀測試、孔內電視成像和圍巖變形監(jiān)測，開展了塊體穩(wěn)定分析，監(jiān)測反饋分析、二維反演分析與開挖支護模擬、三維數值仿真分析等，有效地指導了洞室開挖與支護動態(tài)設計和施工。

開挖期由于復雜的洞室結構、超高地應力、相對較低的巖石強度等因素的影響，廠房圍巖出現了較大的變形破壞現象。針對圍巖變形問題，及時開展了地下廠房洞室群圍巖變形破壞機理及加固措施專題研究，詳細調查了圍巖變形破壞情況，利用各種測試成果(長觀聲波測試、孔內電視、CT成像、變形監(jiān)測等)，將圍巖卸荷松弛巖體分為坡壞區(qū)、強松弛區(qū)和弱松弛區(qū)，提出了每一分區(qū)的松弛巖體工程特性。進行的圍巖變形機理分析認為:高地應力與相對較低巖體強度之間的矛盾是廠區(qū)圍巖變形破壞的根本原因，而洞室與地應力主軸之間空間角度關系的不對稱性形成的“偏壓”是造成廠房洞室群破壞位置不對稱的主要原因。圍繞圍巖穩(wěn)定和支護設計問題，進行深入的研究和分析，結合現場出現的圍巖破壞現象及破壞機理，針對性地進行了局部加強支護，確保了圍巖穩(wěn)定。

錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期明顯呈現出高地應力條件下圍巖變形與松弛的時效特征，這種圍巖時效力學行為超出已有工程的經驗判斷，因此錦屏一級水電站地下廠房洞室群所總結出的地質勘察經驗，施工經驗，設計理念，以及圍巖變形控制、加固等，對其他類似工程將具有重要的借鑒意義。

7 左岸抗力體地質缺陷勘察

錦屏一級水電站工程高壩承受荷載大、壩體應力量級高，拱壩、墊座建基面形態(tài)較為復雜，因而對壩基及抗力體的要求較高。左岸抗力體地質條件復雜，軟弱巖帶較發(fā)育，針對左岸抗力體工程地質條件，采用了混凝土墊座、軟弱巖帶混凝土網格(斜井、平洞)置換、抗剪傳力洞及固結灌漿等大量而復雜的工程處理。左岸抗力體的工程處理主要通過1 885 m、1 829 m、1 785 m、1 730 m、1 670 m高程5層洞室群進行施工，各層洞室群主要由施工主通道、次通道、灌漿平洞、排水洞、抗剪傳力洞、斷層及煌斑巖脈置換網格等組成。

左岸抗力體范圍發(fā)育的主要地質缺陷有f5、f8、f2斷層、煌斑巖脈(X)、層間擠壓錯動帶及一系列規(guī)模不等的卸荷張開裂縫或深部裂縫，屬Ⅳ2級、Ⅴ1級巖體，此外還有Ⅲ2級巖體，抗變形能力差，對壩體受力狀態(tài)和變形穩(wěn)定等均會產生較大不利影響。為了查明左岸抗力體范圍工程地質條件，前期開展了大量地質調查、勘探、巖體和結構面測試、灌漿試驗等工作，對左岸抗力體地質條件進行了詳細勘察和深入研究，獲得了大量工程地質勘察資料和研究成果，并據此提出了合理的加固處理建議。施工詳圖階段利用左岸邊坡和抗力體內基礎處理各類洞室開挖，以及大量的測試工作和監(jiān)測成果，對左岸抗力體變形及穩(wěn)定性又進行了深入研究。基于地質精細測量、Jv測量、RQD測量等現場調查成果，對5層基礎處理洞室?guī)r體結構特征進行了分段統(tǒng)計分析，給出了各段巖體特征指標和各巖級巖體的空間分布特征，以及f5、f2斷層和煌斑巖脈的空間分布、分區(qū)性狀。為左岸基礎處理設計和施工提供了堅實的基礎資料。

8 組合混凝土骨料勘察

錦屏一級水電站混凝土工程共需成品骨料1 877萬t，約800萬m3，其中大壩混凝土骨料約510萬m3。由于電站壩址區(qū)附近天然砂礫石料匱乏，混凝土骨料采用人工骨料。

工程區(qū)附近出露地層主要為一套三疊系淺變質巖，巖性以變質砂巖和板巖為主，局部夾大理巖，近壩范圍內未發(fā)現堅硬的火成巖。從壩址附近出露的地層巖性分析，可作為人工骨料料源的僅有大理巖和變質砂巖。此外，在壩址下游51 km的九龍河口一帶出露花崗巖，在大河灣東側錦屏二級工程區(qū)模薩溝一帶出露三疊系白山組大理巖，也作為大壩混凝土骨料進行了補充調查。

經調查，壩址附近三灘溝、蘭壩及松坪子大理巖料場均含有強度較低的粗晶大理巖及綠片巖，巖性均一性差，不能滿足大壩混凝土要求。模薩溝右岸分布的白山組大理巖儲量大，但原巖強度較低，且運距較遠。三灘右岸大理巖料場巖石強度基本滿足人工骨料要求，儲量較大，開采運輸條件較優(yōu)越，但料場巖性均一性較差，占總量20%～30%的白色灰色中晶大理巖強度偏低，呈條帶狀或透鏡體狀分布于料場巖體中，開采時無法剔除，巖石強度總體偏低。九龍河花崗巖料場強度較高，滿足人工骨料質量技術要求，儲量大，開采條件較好，但離壩址約51 km，運距較遠。大奔流溝砂巖料場巖石強度較高，滿足人工骨料質量技術要求，開采條件較差，有用層儲量約1 320萬m3，能滿足工程需要，距壩址約9 km，公路直達壩址，運輸方便，但存在潛在堿活性問題。

壩區(qū)附近沒有單獨一個料場質量指標能完全滿足特高拱壩混凝土骨料要求，經過大量試驗、研究，最終選擇了大奔流砂巖粗骨料和三灘右岸大理巖細骨料的組合骨料做為大壩混凝土骨料，較好地適應了錦屏一級特高拱壩對混凝土骨料的要求。

9 三維數字化設計技術在工程勘察中的應用

錦屏一級水電站工程利用成都院開發(fā)的“水電水利工程地質三維數字化平臺”(GeoSmart)建立了完整的工程地質數據中心和地質模型。項目首先由機載激光雷達形成高精度地形面，隨即將物探、鉆探、硐探、坑井、試驗、地質編錄、激光掃描、數碼攝影等原始資料錄入到數據中心。然后基于數據開展地質解析，進行交互式工程地質三維設計，形成含地質屬性的三維模型和相關參數。除應用于常規(guī)生產過程中與下游專業(yè)協(xié)同設計、數值分析、施工預報、輔助決策和二維出圖等方面外，還在研究和解決世界級重大工程問題分析中發(fā)揮了重要作用。

錦屏一級水電站地處西部深山峽谷區(qū)，壩基既有堅硬的大理巖、砂巖，又有軟弱的板巖、綠片巖，地層構成多樣，兩岸斷層等結構面發(fā)育，且左岸發(fā)育特有的寬張的“深部裂縫”。通過三維數字化分析與設計，客觀準確地再現了工程區(qū)地質條件，反映了錦屏的復雜工程地質條件，為世界第一高拱壩設計和施工奠定了基礎。錦屏一級工程擁有高達500 m的陡峻邊坡，且發(fā)育大量斷層、層間擠壓帶、煌斑巖脈等軟弱結構面，卸荷強烈，深部裂縫多達130條，最寬達150 cm，該邊坡的穩(wěn)定性分析及工程處理是世界級難題。利用三維數字平臺協(xié)助解決了錦屏一級500 m世界級高邊坡的一系列工程地質問題，如利用三維平臺，準確地再現了深部裂縫的空間位置和分布規(guī)律，以此為邊界條件，在三維條件下進行了受力分析驗算和邊坡穩(wěn)定性分析，并據此進行工程處理設計，水庫蓄水后的監(jiān)測數據表明，設計方案經受住了時間的檢驗；錦屏一級地下廠房洞室群規(guī)模巨大，最大跨度達28.9 m，巖性復雜，結構面發(fā)育，地應力高，運用三維地質模型，除完成洞室塊體穩(wěn)定分析，準確預測斷層等不良地質體在洞室分布位置外，更是對開挖后地應力重分布、集中部位、量值等進行了研究，找出了高地應力條件下洞室圍巖變形破壞的分布規(guī)律、特征，為后期加強支護提供直接技術支撐；錦屏一級大壩現場施工涉及到高陡邊坡、深部裂縫等一系列復雜工程地質問題，要求在施工期間及時開展地質預測預報，并根據現場開挖情況隨時調整，出具設計方案，利用三維數字化平臺進行現場編錄，及時、準確地反映了現場地質條件，為設計、施工、業(yè)主決策等提供了堅實的基礎資料。

數字化設計技術的應用，對錦屏一級工程關鍵技術問題的解決、施工布置與進度規(guī)劃、安全評價與現場管理發(fā)揮了指導性作用。數字化設計精準、高效、豐富、直觀，應用成效顯著，具有極高的推廣應用價值。

10 結 語

錦屏一級水電站成功建成離不開大量工程地質勘察和對重大工程地質問題的深入研究。前期勘察階段完成了大量地質調查、勘探、試驗和專題研究工作，施工詳圖階段又開展了地質條件復核研究，補充開展了大壩建基巖體變形試驗、壩基巖體質量和松弛檢測、地下廠區(qū)地應力測試等，獲得了大量詳實的工程地質資料。針對錦屏一級水電站工程地質條件復雜特點，充分利用國內科研院所的科研優(yōu)勢，聯(lián)合開展重大工程地質問題專題研究，先后有19家國內知名高等院校和科研單位，針對區(qū)域、水庫和樞紐區(qū)重大工程地質問題開展了42項專題研究，取得了豐富的研究成果。通過上述大量地質勘察和專題研究，查明了區(qū)域、水庫和水工建筑物布置區(qū)的工程地質條件和主要工程地質問題，為工程成功建成奠定了堅實基礎。

[1] 鞏滿福，廖榮貴，彭文楷，等. 四川省雅礱江干流水電規(guī)劃報告[R]. 成都：能源部、水利部成都勘測設計研究院，1992.

[2] 鞏滿福，楊靜熙，鄧衛(wèi)東，等. 四川省雅礱江錦屏一級水電站預可行性研究報告4 工程地質[R]. 成都：國家電力公司成都勘測設計研究院，1998.

[3] 鞏滿福，鄭漢淮，楊靜熙，等. 四川省雅礱江錦屏一級水電站可行性研究報告3 工程地質[R]. 成都：國家電力公司成都勘測設計研究院，2003.

[4] 楊靜熙，劉忠緒，舒建平，等. 雅礱江錦屏一級水電站樞紐工程竣工安全鑒定設計單位自檢報告第三分冊 工程地質[R]. 成都：中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，2015.

2017-02-20

劉忠緒(1968-) ，男，河北元氏人，教授級高級工程師，從事水利水電工程地質勘察工作。

TV223

A

1003-9805(2017)02-0005-06