水電工程地質動態設計探討

羅 宇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 動態設計

以往的水電工程地質設計工作往往都是規范化的設計，以設計作為標準指導性施工，服務的意識和理念都相對較差。目前水電工程行業的設計、施工已達到較高水準，加上市場環境的改變，催生了PPP、EPC、BOT等多種工程建設模式的應用。單一設計水平高已不具競爭力，只有改變服務理念和意識，才能在新型的市場環境中得以生存。動態設計是一種設計理念的改變，設計從傳統指導施工向服務施工發展；設計過程中應充分考慮造價效益、施工條件、施工工藝、設備采購等多種問題的精細化設計；在技施階段也根據現場施工實際情況及時、適當地調整設計方案，從而形成一種精細化動態設計的新常態。本文就工程地質專業在實際工程施工中的動態設計實例加以佐證。

2 工程概況

玉瓦水電站位于四川省九寨溝縣白水江流域一級支流黑河上游，屬黑河～白水江水電規劃“一庫七級”方案中的第二梯級引水式電站，裝機容量49 MW，為小(1)型工程。首部樞紐建筑由重力壩、泄洪閘、沖沙閘和取水口組成，庫容量13.24萬m3，最大閘高14.5 m；引水線路全長約14.121 km，隧洞主要斷面型式為城門洞形，開挖斷面高5.1～5.8 m，寬4.2～5.1 m；廠房樞紐由調壓室、壓力管道和地面廠房組成。

3 引水隧洞圍巖類別精細化劃分

3.1 隧洞區工程地質條件

引水隧洞區總體呈斜縱向谷，地形較完整，山頂海拔高程2 500～2 800 m，拔河高差500～800 m，屬中高山峽谷型地貌。隧洞區大多基巖裸露，出露基巖地層為二疊系下統黑河組上段(P1h21～ P1h25)淺變質巖系，巖性為一套濱、淺海交互相沉積的碎屑巖和碳酸巖。以薄層狀砂質灰巖為主，夾中～厚層砂質灰巖、板巖及少量千枚巖。

引水隧洞位于大錄-陵江背斜北東冀，地層擠壓褶皺強烈，次級褶曲發育，但總體表現為單斜構造，巖層產狀N50°～60°W/NE∠60°～70°。沿線無區域性大斷裂通過，巖體中斷層不甚發育，次級小斷層和順層擠壓破碎帶出現幾率低，寬度一般為0.2～0.5 m，由碎塊巖、片狀巖、角礫巖和糜棱巖組成。區內結構面以層面和節理裂隙為主，節理裂隙的發育程度和分布具巖性差異性和區段性特點。

區內物理地質作用不強烈，未發現較大規模的滑坡和變形體分布。其物理地質作用主要表現為兩岸巖體的風化卸荷、兩岸沖溝溝口的沖洪積堆積體，以及兩岸岸坡的崩坡積堆積體。

區內地下水活動總體微弱，地下水位埋深大，谷坡中、上部未見泉水出露，谷坡下部地下水位接近河水位。巖體含水性及透水性受地層巖性、地質構造及風化卸荷的影響，存在一定差異，中厚層砂質灰巖為含水巖層，千枚巖為相對隔水巖層，斷層破碎帶、擠壓破碎帶、節理密集帶含水相對較豐富。

3.2 初設圍巖類別劃分

玉瓦水電站為小(1)型工程。依據《中小型水力發電工程地質勘察規范》(DL/T5410-2009)(以下簡稱《規范》)中巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水狀態和主要結構面產狀等五大項，將隧洞區圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共三類圍巖。

Ⅲ類圍巖：薄層狀砂質灰巖、板巖，巖石新鮮，強度以中硬為主，巖層走向與洞線交角10°～15°，巖體完整性較差，呈薄層狀結構，圍巖局部穩定性差。施工中應采用短進尺、弱爆破、及時支護的施工工藝。

Ⅳ類圍巖：隧洞進、出口段，上伏基巖淺埋段的薄層狀砂質灰巖、板巖段，地下水豐富段，一般巖層走向與洞線小角度相交，巖體較破碎，多呈薄層狀～塊裂結構。該類圍巖可能出現較大規模的塌方，圍巖不穩定，必須加強支護。

Ⅴ類圍巖：過溝淺埋段、斷層破碎帶、層間擠壓帶和千枚巖集中出露段，以及巖層走向與洞線近于平行或小角度相交的板巖夾千枚巖的弱風化、弱卸荷巖體，該類圍巖呈碎裂結構～散體結構，巖體強度低，地下水活動強烈，圍巖極不穩定，必須加強支護。

3.3 精細化圍巖類別劃分

玉瓦水電站引水隧洞的開挖單價分別為：Ⅲ類圍巖約5 000元/延米，Ⅳ類圍巖約11 400元/延米，而Ⅴ類圍巖超過20 000元/延米，并且開挖斷面和支護形式也有差異。圍巖類別的精準劃分對工程造價和進度影響巨大。

現場應用《規范》對圍巖類別劃分時發現：規范中巖石強度評分、巖體完整程度評分和地下水狀態評分這三項取值區間大，導致地質人員對有些洞段不同的圍巖類別評分有較大差異，個別還會出現圍巖類別差異等問題。由此可見《規范》是一種普適的行業標準，在應用過程中還應結合相應的區域地質特征綜合考慮。

對此地質人員針對上述三種評分，結合區域地質特征，對其進行了細化。在符合《規范》的前提下制定了統一的、具有操作性的細化評分標準。

在評分細化過程中，首先結合28組巖石物理力學性質試驗數據和巖性相對應的現場錘擊、開挖成型、殘孔率、水敏性等特征，細化巖石強度評分；綜合區域地質條件下巖體結構、結構面特征、開挖情況等，細化巖體完整程度評分；依據引水隧洞區域內地下水的出水特征和水量等細化地下水狀態評分。細化成果見表1。

通過使用細化后的評分標準發現，不同地質人員對同一段圍巖的評分差異明顯減小，消除了圍巖類別劃分不同的情況。實踐應用結果表明，基于《規范》結合現場實際地質條件及現場調查法得到的評分細化研究成果，能夠較好地適用于本工程，具有較高的實用價值。

表1 地下水狀態評分細化成果

4 閘首防滲方案優化設計

4.1 閘首工程地質條件

閘首區河道彎曲呈“S”型，河流總體流向近EW，河谷總體上與地層走向呈中等角度相交，屬斜縱向谷。右岸谷坡陡峻，山體渾厚，基巖裸露，平均坡度為60°～65°；左岸階地發育，地形寬緩，2 022 m高程為Ⅱ級階地，2 028 m高程為公路，以上為覆蓋層斜坡，坡度為30°～40°，河谷呈不對稱“U”型谷。

河床覆蓋層厚度一般為30～40 m，最厚達51.8 m。河谷左岸崩坡積層廣布，厚度不大，鉛直厚度一般約5～10 m，結構較松散；右岸基巖裸露，僅坡腳零星分布有崩坡積塊碎石土，厚度較小，一般厚約3～5 m，結構較松散；河床覆蓋層以沖洪積含漂砂礫石層為主。區內覆蓋層按其物質組成、結構和成因，由老至新可分四層：第①層為含漂砂卵礫石層(Qal)，主要分布于河床中下部及階地部位，厚一般為30～40 m，最厚51.8 m；第②層為碎礫石土(Qal)，主要分布于Ⅰ、Ⅱ階地的表層，厚約3～4 m；第③層為現代河床的含漂砂卵礫石層(Qal)，主要分布于現代河床上部，厚約5～8 m；第④層為現代崩坡積塊碎石土層(Qcol+dl)，主要分布于兩岸的坡腳一帶，結構較松散，右岸分布較少，厚度較小，左岸公路高程以上及閘軸線下游地段分布較廣，厚度變化較大。

水工建筑物基礎主要分布于第①層和第③層。

4.2 初設防滲方案

初期設計擬定了鋪蓋水平防滲和防滲墻垂直防滲兩種方案比選。經計算防滲墻垂直方案較鋪蓋水平防滲方案的總滲流量略小，閘室底部的水頭作用更優，出口坡降略小，且防滲墻深度不大，施工難度可控，接頭少，防滲保證率高，最終采用防滲墻垂直防滲方案。

4.3 防滲設計方案優化

隨著工程開工建設施工，參建單位結合現場施工條件提出了鋪蓋水平防滲方案，既可與閘體施工同步進行，又可避開冬季施工作業。如技術方案可行，安全性能夠得到保障，就可使工期可控性更強。隨著工程開工建設，地質基礎資料收集日漸完善，對閘首防滲方案進行研究和優化是可行的。

對此設計方在收集得到現場大量基礎數據的前提下，多次(組)試驗、計算最終得到了：初期設計覆蓋層第①層的滲透系數和允許水力比降是合理的；覆蓋層第③層因前期試驗條件影響，數據較少，類比確定的允許水力比降值偏于保守。最終決定優化防滲方案，采用鋪蓋水平防滲，且水平鋪蓋長度由初期設計的水平防滲對比方案中的80 m，縮短到了55 m。

工程完工后表明，優化的防滲方案不僅減少了開挖量和混凝土工程量，節約了投資成本，還便利了施工，縮短了施工工期。可看出：初期設計的垂直防滲方案并不是最優方案，但也無法確定水平防滲是否能滿足防滲要求。只有在工程施工過程中逐步完善基礎資料收集，動態地調整設計方案，服務于施工才能使設計方案更好、更優。

5 廠房后邊坡和壓力管道方案優化設計

5.1 廠房工程地質條件

廠房位于黑河右岸 Ⅰ 級階地上，階地長約300 m，寬約50 m，階面高程約1 859 m，枯水期河水位高程1 857 m，水面寬18 m，階面拔河高約2 m。

區內出露的基巖地層為黑河組上段第二層中部(P1h22-2)的灰色薄板狀～條紋狀灰巖，夾少量千枚巖。地層產狀為N50°～60°W/NE∠60°～70°。廠房后坡1 880 m高程以上基巖裸露。坡腳分布有少量的崩坡積塊碎石土，厚度較小；階地為沖洪堆積的含漂(塊)砂卵礫石層(Qal+pl)，厚約48～51 m，結構密實。勘探揭示，廠區覆蓋層按其成因和物質組成，自下而上可分為三層：第①層為沖洪積堆積的含漂(塊)砂卵礫石層(Qal+pl)，主要分布于階地及現代河床中下部，厚48～51 m，結構密實；第②層為現代河床沖積堆積的含漂(塊)砂卵礫石層(Qal)，結構松散，局部有架空現象，厚5～8 m，主要分布于現代河床表淺層；第③層為崩坡積塊碎石土層(Qcol+dl)，零星分布于廠房后坡坡腳一帶，平均厚度5～10 m，結構松散。

廠址在構造上位于大錄-陵江背斜北東翼，地質構造簡單，次級褶曲不發育，小斷層、層內錯動帶出現頻率較低，除層面裂隙發育外，優勢節理組有3組：①N10°～30°E/SE(NW)∠60°～70°，延伸大于5 m，間距20～40 cm；②近EW/S(N)∠10°～20°，延伸大于5 m，間距50～60 cm；③N60°～70°E/SE(NW)∠60°～70°，延伸1～3 m，間距40～60 cm。另外，發育1～2組隨機節理。

岸坡走向與巖層走向大角度相交，邊坡整體穩定性好。區內未發現較大的滑坡、崩塌等不良地質現象，物理地質作用主要表現為巖體的風化、卸荷。據地質調查和勘探揭示，推測區內強卸荷水平深度約為30～40 m，弱風化水平深度約為70～80 m。

5.2 邊坡及壓力管道初設方案

壓力管道下平段洞口位于覆蓋層內。可研階段，出于對壓力管道洞挖施工安全及壓力鋼管安裝施工的考慮，設計方案為開挖邊坡，將覆蓋層堆積體挖除，再對形成的開挖邊坡進行支護，壓力管道在基巖出露后進行洞挖施工。開挖邊坡高度約為50～60 m。

5.3 設計方案優化

隨著廠房建筑物基坑開挖，邊坡部分基覆界線出露、覆蓋層地質條件揭示：原推測的邊坡覆蓋層深度較厚，復核原剖面如圖1所示。

圖1 復核原剖面

壓力管道段覆蓋層厚度由原來推測的40 m，到最新資料推測該位置覆蓋層深度約15 m。雖然覆蓋層邊坡厚度減少，但開挖高度并未發生明顯變化。若按原設計方案開挖，人為切腳形成高陡邊坡，邊坡穩定和施工安全都將存在較大風險，邊坡穩定治理的投資和工期將大大超出預期，且壓力管道出口的覆蓋層為沖擊含漂卵石層，結構較密實，具備了砂卵石層直接進洞的條件，同時類比其他類似工程后，提出了覆蓋層進洞的施工方案。

經設計多方綜合分析施工進度、施工難度、工程投資等方面后，調整了原設計方案，同意采用覆蓋層進洞方式，壓力鋼管采用覆蓋層洞內安裝。實際施工效果：廠房邊坡開挖僅僅受控于廠房建筑物基坑開挖要求，實際開挖高度15 m，其中11.5 m為臨時邊坡，永久邊坡高度3.5 m。壓力管道洞挖13 m后出露基巖，與資料完善后推測結果基本一致。不僅有效地減小了開挖方量、節約了開挖工期和投資，同時也極大地保證了施工期的安全，降低了后期高邊坡高昂的支護費用。

6 結 語

不難看出，在設計初期由于前期勘探資料缺乏，設計的施工方案是無法達到最優。只有在實際施工過程逐步完善基礎資料的收集，并動態地驗證、更新各種設計成果，適當地提出優化設計方案，才能使設計方案一步一步達到最優的效果，從而提高設計水平和服務意識。

參考文獻：

[1] (DL/T5410-2009) 中小型水力發電工程地質勘察規范[S].2009.

[2] (GB/T 50218-2014) 工程巖體分級標準[S].2014.