尼泊爾水電站地質勘察經驗綜述

丁 斌，裴曉東，許凱凱

(1. 上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434；2. 中國三峽新能源(集團)股份有限公司，北京 100053)

尼泊爾地處喜馬拉雅山脈南麓，主要有柯西(Koshi)、甘達基(Gandaki)和卡納利(Karnali)三大河流系統，每個河系均有多條河流。這些河流大多發源于喜馬拉雅山脈的高海拔地區，由于河道比降大，自北向南奔流而下，水流湍急，蘊藏著極豐富的水力資源，可開發裝機容量約4 200萬kW。

尼泊爾為世界上最不發達國家之一，局限于經濟、技術水平及投資等因素，尼泊爾水能資源整體開發程度低，僅為2%左右，電力緊缺現象較為普遍。為了推進尼泊爾社會經濟的發展，開發水電是尼泊爾國家開發建設的重要戰略措施。

在中國“一帶一路”倡議的推進下，中國和尼泊爾不斷深化在能源電力、交通運輸等多領域的合作。改善尼泊爾電力供應和交通狀況，不僅可以促進尼泊爾電力、交通行業的發展，還有利于中尼經貿合作的大局。隨著越來越多的中國企業進入尼泊爾，為尼泊爾的發展帶來了新機遇，水電站、中尼鐵路、機場、公路、學校、工廠等大中型基建項目都有中國承建和中國援建的身影。

尼泊爾位于印度和歐亞板塊交界處喜馬拉雅弧形構造帶內，構造發育，地質條件復雜。在尼泊爾開展工程建設將面臨各種各樣的地質問題。

水電站地質勘察技術方法有很多[1]，由于尼泊爾地形、交通條件、運輸周期、當地技術水平、勘察成本等因素的限制，在尼泊爾水電站勘察中綜合運用難以實現。主要采用地質測繪分析項目可能存在的主要工程地質問題，為后續勘察工作提供明確方向。

持續的構造運動導致尼泊爾的河流普遍發育有厚度大于40 m的深厚覆蓋層。在河床深厚覆蓋層上建壩存在諸多工程地質問題[2]，可見深厚覆蓋層的勘察是尼泊爾水電站地質勘察的重點內容。

本文根據尼泊爾多座水電站豐富的工程經驗，對地質勘察的重點問題、現場地質測繪和深厚覆蓋層勘探工作的側重點及相應的勘察技術方法進行總結歸納。

1 尼泊爾地形特征及區域概況

尼泊爾位于喜馬拉雅山脈中段南麓，境內80%的土地為山地，屬于山地國家，山脈總體呈東西走向，整體地勢北高南低，地形起伏明顯。根據地形特征可將尼泊爾從北到南分為3個自然地理單元：①北部高山區，北部橫貫喜馬拉雅山脈，整體海拔在4 800 m以上，為世界的屋脊，海拔超過8 000 m的高峰有8座，屬構造侵蝕地貌；②中部山區，中部為溝壑縱橫的中低山地，在崇山峻嶺中分布著許多大小河谷，由于河流坡降大，河谷多呈V型峽谷，屬構造侵蝕地貌；③南部平原區，南部平原稱為特萊平原，海拔一般在200 m以下，屬河流沖積堆積地貌。

喜馬拉雅山脈是印度板塊與歐亞板塊碰撞形成的全球最年輕、規模最大的造山帶，由于兩大板塊的激烈碰撞作用，形成了藏南拆離系(STD)、主中央逆斷裂帶(MCT)、主邊界逆斷裂帶(MBT)和主前緣斷裂帶(MFT)等4條延伸上千公里的斷裂帶[3]。尼泊爾境內區域地質構造背景復雜，地震活動非常活躍，且多為淺源地震，地震災害頻發。沿著喜馬拉雅弧形構造帶，歷史上發生過至少8次7.5級以上大地震，最近一次Gorkha大地震發生在2015年4月25日，震級為8.1級，震源深度20 km。

2 尼泊爾水電站地質勘察重點

受歐亞板塊碰撞影響，尼泊爾境內地質構造發育，地形地質條件復雜。通過對尼泊爾多個水電站項目工程經驗進行總結并結合相關規程規范[4]，歸納出尼泊爾水電站地質勘察的重點,主要包括以下幾個方面。

a) 地震動參數。評估區域構造穩定性，查明工程區是否有長大斷裂帶分布，特別是有無活動性斷裂通過；評價工程場地地震安全性，并確定各水工建筑物工程區合理的地震動參數及相應的地震基本烈度。

b) 工程區范圍內的地質災害。尼泊爾區域地質背景復雜，地質災害現象屢見不鮮，尤其在2015年8.1級大地震后，山區地質災害頻發。需查明工程區范圍內是否存在堰塞湖、泥石流、岸坡崩塌、大型滑坡體、高陡邊坡滾石等地質災害，并對其危險性進行評估[5]，尤其應查明是否存在制約工程成立的地質災害風險。

c) 深厚覆蓋層。尼泊爾河床深厚覆蓋層成因大致可分為堰塞湖積、河流沖洪積、冰川堆積和冰水堆積。同一工程場地有時兼具多種成因，物質組成也復雜多變，大孤石、漂卵石、碎礫石、砂卵礫石、砂層、粉土層均有分布，且多具有分布不均、厚度變化大、粗粒土透水性大等特點。在河床深厚覆蓋層上構筑建筑物必然存在覆蓋層承載力不足、液化、不均勻沉降變形、壩基滲透穩定及軟弱夾層導致的抗滑穩定等問題。查明擬建建筑物處的深厚覆蓋層地質成因、物質組成及其物理力學性質是水電站地質勘察的重中之重。

d) 邊坡穩定性。尼泊爾山區河谷兩岸山高坡陡，且多為單斜地層，卸荷嚴重。邊坡穩定問題尤為突出。需查明庫區、近壩區、建筑物區各擬建建筑物、隧洞進出口邊坡的穩定問題，對邊坡失穩可能造成的工程地質問題進行評價，從而為設計方案選擇及水工建筑物的布置提供地質依據，并對可能采取的工程處理方案提出建議。隧洞進出口邊坡除查明邊坡穩定性外還需評價其成洞條件。邊坡具體分為覆蓋層邊坡和基巖邊坡，覆蓋層邊坡需查明松散堆積物的成因、分布范圍、地下水發育情況及其物理力學性質；基巖邊坡需查明主控結構面發育特征、巖體風化、卸荷、傾倒變形等情況。

e) 地下洞室。水電站涉及大量的地下洞室開挖工作，地下洞室圍巖等級情況對工程的整體造價、施工的難易程度及工期均有較大的影響。因此需查明隧洞沿線發育的地層巖性、巖層產狀及其結構類型、完整程度、地質構造、富水帶的分布、是否分布有大規模滑坡體和可能產生大規模涌水的匯水構造等情況，然后對地下洞室的圍巖穩定性進行綜合評判，為地下洞室的布置、軸線方向的選擇和方案的優化提供地質依據。

f) 天然建筑材料。天然建筑材料的優劣直接關系到開發水電站的經濟效益。經調查，尼泊爾水電站的混凝土骨料大多取自河床料，少部分采用洞挖料。因此需查明洞挖料是否可用，河床砂礫石的分布范圍、質量、儲量及開采難易程度。在充分考慮工程開挖料的情況下，盡可能地選擇運距小儲量大的料場。

3 水電站地質測繪綜述

水電站勘察技術方法主要包括地質測繪、工程物探、地質鉆探及相關原位和室內試驗[1]。其中地質測繪是水電站地質勘察的基礎工作，通過地質測繪調查工程區范圍內的地質現象。根據測繪成果，分析項目可能存在的主要工程地質問題。

本節就尼泊爾野外地質測繪中常見的地質現象、側重點及工作方法做詳細闡述。

3.1 地質測繪中常見的地質現象

在尼泊爾野外地質測繪中常見的地質現象主要有以下幾個方面。

a) 單斜構造。尼泊爾巖層多呈單斜構造。

b) 滑坡體。滑坡體在尼泊爾屢見不鮮，滑體后緣地形不完整呈明顯的負地形是滑坡體區別于崩坡積體的典型特征。圖1中滑體呈明顯的圈椅狀，圖2為滑坡體滑動后形成堰塞湖，在流水長期沖刷潰壩后殘留在滑體對岸山體上。據此可判斷滑坡體上游一段時間內為湖相沉積，河床中大概率發育有厚層的砂層、粉土層。

圖1 典型的滑坡體

圖2 右岸可見左岸滑坡后殘留的堆積物

c) 斷層破碎帶。斷層帶及兩側影響帶內巖體破碎，帶內多為碎裂巖、構造巖塊及巖屑充填。上下兩盤影響帶外側完整性相對較好。長大斷裂所經地段巖體有明顯的強烈擠壓、錯動等應力特征，伴有崩塌、滑坡現象。

d) 擠壓破碎帶。尼泊爾山體多雄厚，部分山梁處基巖呈破碎狀，卻未見明顯的斷裂構造痕跡，推測為造山運動時山體擠壓隆起而成(圖3)。

圖3 位于山梁處的擠壓破碎帶

e) 傾倒變形體。在反傾臨坡巖層中多發育傾倒變形體，軟質巖、硬質巖中均會存在。圖4為典型的傾倒變形體。

圖4 傾倒變形體表部松動卸荷嚴重

f) 巖體卸荷。巖體卸荷現象在尼泊爾普遍存在，卸荷裂隙多發育，普遍微張至張開十幾厘米不等，卸荷深度一般在50 m以內。

g) 殘留階地。在距現有河水面幾十米高的山坡上仍能發現殘留階地的痕跡，其中有磨圓很好的卵石，也有成層的砂層，這說明尼泊爾經過多次山體抬升和河流深下切。階地缺失則可能伴隨有大的構造運動。

h) 冰川、冰水堆積臺地。由于第四紀冰川作用，尼泊爾北部山區河谷多殘留冰川、冰水堆積臺地。

i) 泥石流沖溝。泥石流沖溝在尼泊爾山區多有發育，按其特征多為發展至旺盛期高頻黏性泥石流沖溝，幾乎每年雨季均會產生泥石流。

3.2 地質測繪中需關注的重點

針對水電站不同區域地質勘察的側重點有所不同，總結出尼泊爾水電站不同區域野外地質測繪的側重點如下。

a) 庫區和近壩區的重點是查明是否存在影響壩址成立的問題，即查明是否存在滲漏、塌岸、滑坡、泥石流等問題。野外地質測繪中需重點關注庫區(尤其是近壩5 km段)和近壩區兩岸是否存在單薄山體、單薄分水嶺、低分水嶺、寬大的斷層等分布，是否存在大的庫岸穩定問題，尤其是大規模滑坡體。對泥石流沖溝一定要進行詳細的調查。

b) 建筑物區的重點是查明是否存在影響主要建筑物安全的地質問題，即查明建筑物區附近是否存在泥石流、大的邊坡穩定問題，是否存在長大斷裂等。建筑物區野外地質測繪要做細，壩址區緩傾角結構面一定要重視，這涉及到壩基抗滑穩定問題。務必準確量測緩傾角產狀，結構面狀態、充填物描述清楚，分辨其張剪性。

c) 建筑物區邊坡問題是地質測繪的重點，對土質邊坡需重點查明其狀態、密實度、是否存在裂縫等，通過野外地質測繪，也可初步判別土體的滲透性，如邊坡表面若無因流水形成的小沖溝，則表明具有較強的滲透性；巖質邊坡需查明邊坡的主控結構面特征、風化程度、卸荷、傾倒變形等情況，并運用赤平投影對邊坡的穩定性進行初步分析[6]。野外地質測繪時大規模斷層容易識別，小型斷層不易被發現，而單一結構面與小斷層相交也可能造成邊坡失穩，由于疏忽從而缺失相應的支護措施，小斷層往往比大斷層更可怕。

地下洞室沿線的重點是查明隧洞進出口邊坡的成洞條件，隧洞沿線地表富水帶分布，地下洞室是否穿越滑坡體、大型深切沖溝，有無可能產生大規模涌水的匯水構造等。

尼泊爾的基巖巖性主要為變質巖，以片麻巖、片巖、千枚巖為主，幾乎無儲水能力。斷層破碎帶及影響帶、裂隙密集帶具有良好的儲水和導水性能，有利于地表和地下水匯集，易于形成不同形式的富水帶。查清地下洞室沿線富水帶的分布，尤其是淺埋段富水帶的分布對施工支洞的布置和隧洞開挖中突水突泥的預測和防治具有指導意義。

隧洞沿線地表若存在不明厚度的大規模滑坡體，需采用物探等手段查明滑坡體的厚度，以免將地下洞室布置在滑體內，造成重大經濟損失和安全隱患。

地下洞室穿越的每條深切沖溝處是否存在大規模斷裂，查明穿越沖溝段地下洞室上覆基巖的厚度，對該段在開挖時是否會出現突水突泥進行初步判定。

3.3 野外地質測繪方法

工程地質測繪的基本方法有遙感影像解譯法和地質點法[7]。遙感影像解譯法主要用于中小比例尺地質測繪，而水電站地質測繪的精度均大于1∶5 000，屬于大比例尺地質測繪，所以地質點法為地質測繪的主要方法。

地質點法為最傳統的地質測繪方法，在野外實際開展地質測繪過程中，需根據勘察精度和工程地質測繪的重點，布置一定量的地質點。并利用羅盤、地質錘、放大鏡對每一個地質點進行測繪分析，掌握各點的地質條件。

有地形圖時可根據地形地貌、地表建筑物特征，采用羅盤交匯法對地質點進行定位。亦可采用手持GPS、手機奧維地圖進行定位，精度一般均可滿足1∶5 000～1∶2 000的精度要求。精度要求1∶1 000～1∶500時可利用RTK進行精確定位。

尼泊爾山高坡陡，地勢險峻，且水電站工程涉及的工程范圍較大，單純采用地質點法工作效率較低，在實際測繪各種地質界線時容易產生“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的錯覺，對工程師的體能也提出了很高的挑戰。而隨著無人機技術的不斷發展，無人機傾斜攝影測量技術在高精度地形圖測繪、地質災害調查中均已得到廣泛應用[8]。許凱凱[9]運用傾斜攝影測量技術對礦山基巖邊坡結構面進行編錄，通過無人機量測的產狀與地質工程師現場編錄結果基本一致，能夠滿足工程要求。將無人機運用至尼泊爾水電站工程地質測繪中已無技術障礙。

對工程區踏勘后，可初步總結出本工程地質測繪重點。先采用無人機在重點區域范圍內進行低空拍攝，根據影像數據處理后建立的高清三維實景模型，界線明顯的地質界線可準確繪制，不明顯的可根據地形地貌進行初步勾勒，再有針對性地布置地質點，進行現場復核并采集地質點相關的地質信息，這樣不僅可以提高工作效率，還能夠更好地保證地質測繪成果的準確性，尤其對泥石流沖溝、大規模滑坡體、崩塌體、高陡邊坡結構面特征及危巖體進行調查時，無人機均具有明顯優勢。

4 覆蓋層勘察綜述

河床深厚覆蓋層和滑坡體的勘察是尼泊爾水電站勘察的重點工作。

4.1 覆蓋層勘察的重點

根據建筑物性質覆蓋層勘察的重點略有不同，但主要為查清覆蓋層厚度、成因類型、物質組成、軟弱夾層的分布情況及各分層的物理力學性質。

尼泊爾河床覆蓋層地質成因主要可分為冰川堆積、冰水堆積、河流相沖洪積。通過地表坡度的差異，斷面揭露出的顏色、磨圓度、分選性、密實程度可判斷出地質成因。如冰川堆積地表大多不平整，還殘留大的孤石，地表坡度一般大于13°，磨圓差，無分選，物質混雜，還夾雜少量黏粒，顏色一般為淺綠色，內部可能存在空腔，內部密實度比表部密實度要差。正常的河流相階地地表多平坦，地表坡度一般小于3°，磨圓好，具明顯的分選性，顏色一般偏淺紅色，地表可見二元結構，內部密實度好于表部密實度。

覆蓋層的物質組成、級配直接影響其物理力學性質，粗顆粒土的物理力學性質要好于細顆粒土[10]。當大塊石含量超過70%時，塊石間的細粒土將不起作用，整體力學參數指標高。即邊坡土體中若含有較多大的孤石、塊石，穩定性相對較好。

4.2 覆蓋層勘察中主要方法

物探、鉆探、坑槽探及相關水文、原位試驗是覆蓋層勘察中的主要方法和手段。

地下洞室沿線分布的滑坡體厚度是勘察關注的重點。若地下洞室穿越滑體或穿越下伏破碎基巖，將嚴重影響地下洞室的穩定性，也將影響到地下洞室的整體布置。可布置相關物探工作以查清地下洞室沿線滑體厚度，常用的物探方法[11]主要有高密度電法、大地電磁測深法和微動面波物探法，也可根據需要布置勘探孔進行驗證。

對工程區建筑物安全構成威脅的滑坡體布置物探主要查清其厚度、范圍、滑床的起伏形態，而布置坑槽探和鉆探，則用于準確掌握其厚度、物質組成[12]、密實度、滲透性、地下水位等，并可在滑帶土中取樣做相關力學試驗，若取原狀樣困難，則需在滑動帶處加密進行相關原位試驗，為設計分析水庫蓄水、邊坡開挖等多種工況下滑體穩定性提供地質依據。同時還可以根據工程設計需要，把勘探孔升級為變形監測孔，對邊(滑)坡體穩定進行長期變形監測。

對于河床深厚覆蓋層的勘察，可先根據擬建建筑物的范圍布置一些物探工作，根據物探曲線初步查明覆蓋層的密實度、基巖的埋深及起伏情況、是否存在河床深槽等。再根據擬建建筑物的位置，結合物探成果和相關規程規范，有針對性地布置鉆探工作，以查清覆蓋層的厚度、地質分層、地質成因、物質組成、密實程度、滲透性、地下水位、下臥基巖的巖性、風化狀態、完整程度、透水率等。若上述部分內容通過鉆孔難以查清，還可在鉆孔中應用綜合測井技術[13]來進一步查明。

涉及到開挖深度和地基處理深度，覆蓋層的利用深度、砂層的液化、軟弱夾層是勘察需查明的重點內容之一[14]。要達到此目的，鉆探取芯質量必須嚴格保證，同時還需進行相關原位試驗用以查明覆蓋層性狀。覆蓋層中一般每2 m進行1次重型動力觸探試驗(覆蓋層表部可根據情況適當加密)，連續試驗段長度一般為60 cm，若動探擊數較小則應繼續貫入，試驗段原則上不超過1 m；遇砂層應做標準貫入試驗，厚層砂層標貫間距為1 m，以進行液化判別。條件允許還可以進行現場載荷試驗。

涉及滲漏量的計算、基坑開挖支護、防滲墻的形式及深度等，覆蓋層的滲透性也是勘察需查明的重點內容之一。水文試驗段應進行清水鉆進，注水試驗不能跨層實施，段長可控制在5 m以內。必要時還可對河床砂卵礫石層進行抽水試驗。

鉆孔中的地下水位是重要的水文地質參數。鉆進過程中還需進行地下水的初見和終孔水位的觀測，并注意每日水位的變化，并作好記錄。終孔穩定水位的觀測應在充分洗孔并剔除孔內殘存水之后進行。

4.3 尼泊爾當地勘探力量現狀

尼泊爾有多家勘探公司，設備多為萬國造，型號多種多樣，落錘的質量、動探探頭也不標準，套管配備少，不能滿足深厚覆蓋層多級變徑的需求，巖芯管多為單管，不配置取土器、膨潤土及SM植物膠等沖洗液。鉆探工藝水平落后，無論地層如何一律采用清水跟管鉆進，河床覆蓋層正常鉆進速度約1～2 m/d，不僅工作效率低，巖芯采取率也很低。孔內殘留巖芯巖粉較厚，極容易造成孔內事故，很難達到鉆探的目的。若要進行深厚覆蓋層勘探，尼泊爾當地公司無法滿足工程質量和工期要求。

基于現狀，水電站地質勘探工作需要委托給國內成熟的水電勘探隊伍。由于中尼之間貨物運輸周期較長，在尼泊爾很難采購相關配件，需超前部署，保證充足的耗材和易損配件。

4.4 覆蓋層中鉆探的施工工藝

首先根據鉆孔擬鉆進孔深及地層大致情況，配備好合適鉆具、多級套管，做好鉆孔結構設計。

覆蓋層采用大孔徑(φ150 mm或φ130 mm)單管配備硬質合金鉆頭回轉鉆進開孔，表部一般較松散，成孔性差，需及時用厚壁套管(φ146 mm或φ127 mm)跟進護壁。在φ146 mm套管內采用φ130 mm鉆具鉆進。根據鉆孔任務書要求水文試驗段應進行清水鉆進，其余段可采用泥漿和SM植物膠[15]回轉鉆進，不僅能夠起到保護孔壁的作用，還可以有效避免土層擾動并提高采取率。根據經驗，沖洗液配比可采用SM植物膠∶水∶膨潤土=2～3∶100∶12，純堿添加量一般約為植物膠和膨潤土總重量的5%～8%。當單管鉆具取芯不能滿足要求時需改用SD單動雙管半合管鉆具鉆進。

正常鉆進后視地層情況，孔壁穩定地層可裸孔鉆進，既提高鉆探速度，又降低后續起拔套管難度，但不穩定地層需及時跟管鉆進，每級套管跟管鉆進控制在10～25 m。當套管回轉鉆進或錘擊跟管困難時，可考慮下小一級套管跟進。除遇特殊情況，套管均應下入較完整基巖中。

鉆探過程中遇細顆粒土、滑動帶時需少水干鉆，縮短回次進尺，保證取芯質量，以準確鑒定軟弱夾層、滑動帶的物質組成、深度及厚度，并進行相關原位試驗。若地層較松散，鉆探中易掉塊或塌孔，一般應及時跟進套管，否則容易造成卡鉆埋鉆事故。若由于種種原因套管跟進困難，亦可考慮用水泥漿進行封孔固壁處理。若鉆探過程中持續不返水，會造成孔內殘留較厚沉淀物，從而導致燒鉆或埋鉆，需引起注意，應及時打撈巖粉，保證孔內無殘留或少殘留。

4.5 內業資料整理

隨著現場工作的逐步推進，需要及時處理相關內業資料，對目前所掌握資料進行分析整理，發現可能存在的工程地質問題，實時調整工作側重點，有針對性地調整后續鉆探工作，也能更好地指導現場工作。

傳統的二維繪圖軟件可視化不強，缺乏立體感，一旦工程區交叉剖面增多，剖面交點及鉆孔投影處地層均容易出錯，且整體作圖效率較低。三維地質軟件很好地解決以上問題[16]。水電站工程一般地形、地質條件較為復雜，設計專業要求提供較多的地質剖面，在工程區開展大量勘探工作后，可對工程區范圍內地質情況進行三維地質建模，通過不斷的修改完善。模型建立后，可根據需要隨時抽取剖面圖、平切圖。

對于邊坡的穩定性，地質專業更熟悉其邊界條件、地質參數等，除定性分析外，還可利用有限元軟件進行分析計算，供設計參考。

5 結語

尼泊爾區域構造發育，地形地質條件復雜多變。地震動參數、制約工程成立的地質災害風險、深厚覆蓋層、邊坡穩定性、地下洞室的圍巖穩定性、天然建筑材料料場的選擇是尼泊爾水電站地質勘察的重點。

地質測繪是水電站地質勘察的重要手段之一，根據可靠的地質測繪成果，分析出可能存在的工程地質問題，可輔助后續勘察工作的重心方向。在尼泊爾水電站地質測繪中采用地質點法和無人機技術相結合的方法，可從整體到細節，從宏觀到微觀全面把控工程區地形地貌、地質構造、物理地質現象等地質信息，不僅可以有效提高工作效率，還能夠更好地保證地質測繪成果的準確性。

深厚覆蓋層是尼泊爾水電站地質勘察的重中之重。為查清覆蓋層相關的地質信息，可采用物探、鉆探、坑槽探及相關原位試驗等多種方法和手段。在深厚覆蓋層中用泥漿和SM植物膠作為沖洗液，采用SD單動雙管半合管鉆具回轉鉆進，基本能保證鉆孔孔壁的穩定，可有效避免土層擾動，還能提高巖芯采取率和工作效率，能夠滿足工程需要。

三維地質軟件不僅可視化強，還可根據設計專業需要隨時抽取剖面圖、平切圖，在水電站地質勘察中應進行全面推廣。