西部水電開(kāi)發(fā)重大工程地質(zhì)問(wèn)題分析

王壽宇

（水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

1 引言

中國(guó)水電建設(shè)已完全走出了舒適區(qū)，逐步向高海拔、高寒、高地震烈度等地質(zhì)環(huán)境漸趨復(fù)雜的地區(qū)邁進(jìn)，面臨的工程地質(zhì)問(wèn)題難度逐步加大。針對(duì)當(dāng)前水電站建設(shè)趨勢(shì)中的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，圍繞勘察手段的新要求，結(jié)合工程案例研究了工程地質(zhì)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施等。

2 西部地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)背景環(huán)境

①西部地區(qū)是印度板塊與歐亞板塊碰撞部位，是構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地殼抬升最為強(qiáng)烈的地區(qū)。區(qū)內(nèi)發(fā)育諸多晚更新世～全新世活動(dòng)斷裂，雅魯藏布江斷裂帶、嘉黎—易貢斷裂帶、墨脫斷裂、龍門(mén)山斷裂、小江斷裂、鮮水河斷裂帶等，圍繞上述斷裂帶歷史上發(fā)生多次震級(jí)較大的破壞性地震，區(qū)域構(gòu)造背景環(huán)境十分復(fù)雜。②青藏高原及其邊緣地帶，地殼劇烈抬升，地貌發(fā)育處于青壯年期，雪山、深谷、河流均有發(fā)育。此地區(qū)河谷深切，岸坡高陡，山體高度大多1 000～2 000 m。區(qū)域地震頻繁，烈度高，滑坡、崩塌、泥石流、卸荷等不良物理地質(zhì)作用強(qiáng)烈，地震等次生災(zāi)害影響范圍廣、程度高，同時(shí)還有高原地區(qū)特有的冰崩、冰湖潰決等自然災(zāi)害。

3 面臨的重大工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1 地震頻發(fā)、高地震烈度工程抗震問(wèn)題

①西部的四川、云南、西藏、新疆等處于從中亞到青藏高原地震帶，這里自古以來(lái)便是高地震地區(qū)，區(qū)域內(nèi)深大邊界斷裂非常發(fā)育，活動(dòng)性斷層廣布，如鮮水河斷裂帶北段在300 年間有9次7級(jí)以上地震，且強(qiáng)震的重現(xiàn)周期短，近期便有汶川、雅安、九寨溝、玉樹(shù)等多次大地震發(fā)生，工程的抗震問(wèn)題非常突出。②隨著人類(lèi)活動(dòng)的頻繁且加深，全球極端氣候頻發(fā)，因地震產(chǎn)生的次生地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、崩塌、以及強(qiáng)降雨疊加影響產(chǎn)生的泥石流等地質(zhì)災(zāi)害威脅，地震次生災(zāi)害防治也是一個(gè)需面對(duì)的重大問(wèn)題。

3.2 河床深厚覆蓋層問(wèn)題

西部河流中普遍出現(xiàn)深厚覆蓋層問(wèn)題，比如大渡河、新疆開(kāi)都河等，覆蓋層厚度少則30 m，厚的可達(dá)100 m以上，甚至個(gè)別電站勘探鉆孔100 m 以上仍未揭示基巖出露，目前可知YLZBJ下游河流覆蓋層發(fā)育厚度可達(dá)數(shù)百米。

覆蓋層的結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，物質(zhì)組成多樣，有河湖沉積相的粉質(zhì)粘土、粉砂，有河流沖積相的砂卵礫石，有崩坡積成因的塊碎石土等。不同覆蓋層其物理力學(xué)參數(shù)差異大，用什么樣的勘探手段，采取何種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)覆蓋層建壩的設(shè)計(jì)極為重要。同時(shí)深厚覆蓋層往往伴隨著沉降變形、滲漏及滲透破壞、砂土液化等問(wèn)題，都是工程中的需面對(duì)的棘手問(wèn)題。

3.3 特殊巖體條件壩基

西部壩基巖體物質(zhì)組成、年代、構(gòu)造背景等十分復(fù)雜，開(kāi)挖揭示的壩基巖體往往存在特殊的地質(zhì)問(wèn)題。如某水電站開(kāi)挖壩基至河床底部時(shí)，巖體出現(xiàn)開(kāi)挖卸荷松弛等問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：“蔥皮”現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）、沿已有裂隙錯(cuò)動(dòng)、張開(kāi)和擴(kuò)展、“板裂”現(xiàn)象、差異回彈和蠕滑現(xiàn)象；某水電站拱壩壩基建基于柱狀節(jié)理玄武巖上，柱狀節(jié)理玄武巖具有易松弛、各向異性和低變形模型的力學(xué)特性；某水電站壩基開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)局部壩段存在深度超過(guò)30 m 的深槽，未在可行性研究階段勘察控制范圍內(nèi)，自上而下穿過(guò)整個(gè)壩基，立面呈不規(guī)則“U”和“V”型。

3.4 超大型地下洞室

中國(guó)水電站建設(shè)地下洞室規(guī)模日趨宏大，由于西部獨(dú)特的地形地質(zhì)條件，埋深多達(dá)數(shù)千米，且由于所處高山峽谷、急劇抬升區(qū)、高地震區(qū)，使得巖體中地應(yīng)力量級(jí)很高，如二灘水電站最高水平應(yīng)力達(dá)到35～40 MPa，錦屏一級(jí)達(dá)到30～35 MPa，小灣也在30～40 MPa，錦屏二級(jí)達(dá)到60～70 MPa，高應(yīng)力給地下洞室的巖體質(zhì)量、圍巖條件與穩(wěn)定等帶來(lái)明顯的影響，洞室開(kāi)挖后，隨著初始應(yīng)力平衡狀態(tài)的打破，應(yīng)力產(chǎn)生重新分布，巖石易向洞室空間變形，形成巖爆、片幫、掉塊、塌落、滑移、冒頂、底鼓等，威脅施工期人員及設(shè)備的安全，并對(duì)設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)提出挑戰(zhàn)。同時(shí)青藏高原地區(qū)地下洞室還面臨著高地溫、有害氣體等諸多的工程地質(zhì)難題。

3.5 高陡邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

青藏高原及其邊緣地區(qū)是中國(guó)新生代上升最強(qiáng)烈的地區(qū)，切割之后的河谷斜坡變形還處于青壯年期，物理地質(zhì)作用現(xiàn)象強(qiáng)烈發(fā)育，無(wú)論是自然邊坡還是工程邊坡，其穩(wěn)定問(wèn)題十分突出。西部地區(qū)河谷快速下切，谷坡高陡俊俏，切割深度大，如錦屏一級(jí)河谷到一級(jí)夷平面高差達(dá)1 500 m左右，小灣電站工程邊坡高達(dá)700 m，錦屏一級(jí)工程邊坡達(dá)500 m，在工程邊坡上方還有近1 000 m的自然邊坡，兩河口水電站泄水區(qū)工程邊坡高達(dá)近700 m（見(jiàn)圖2），給地質(zhì)勘察及支護(hù)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大的困難。同時(shí)伴隨著高陡邊坡還存在自然邊坡危巖體廣布，泄洪霧化區(qū)大規(guī)模滑坡、堆積體的穩(wěn)定問(wèn)題，其對(duì)水電施工期及運(yùn)行期的風(fēng)險(xiǎn)及處理方式都是要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

4 工程地質(zhì)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施

4.1 工程抗震問(wèn)題

中國(guó)除了全國(guó)范圍尺度的五代區(qū)劃圖，針對(duì)水電工程等的單一工程地區(qū)的地震地質(zhì)研究資料相對(duì)匱乏，空白點(diǎn)較多，對(duì)區(qū)域穩(wěn)定和地震地質(zhì)背景的研究一般需進(jìn)行專(zhuān)題研究。目前多是委托國(guó)家、省級(jí)地震安評(píng)部門(mén)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)性研究，并經(jīng)相關(guān)有資質(zhì)的單位進(jìn)行評(píng)審即可。但是反過(guò)來(lái)說(shuō)，地震安全性并不是我們水電工作者一味的去滿(mǎn)足國(guó)家的地震要求，而是從我們工程的安全需要，必要需要完成的一項(xiàng)工作，因此，我們必須對(duì)此高度重視。

設(shè)計(jì)在大壩防震抗震方面，往往采取設(shè)置梁向鋼筋、跨縫阻尼器、布置拱座抗力體抗震預(yù)應(yīng)力錨索，并在大壩上游面一定范圍內(nèi)噴涂防滲涂料等工程抗震措施；與此同時(shí)，還會(huì)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用電源，設(shè)計(jì)和配置電站端的衛(wèi)星終端設(shè)備，以滿(mǎn)足電站在緊急情況時(shí)系統(tǒng)調(diào)度通信和對(duì)外通信聯(lián)系的需求；相關(guān)建設(shè)單位也會(huì)編制相應(yīng)的地震應(yīng)急預(yù)案，確保地震到來(lái)時(shí)能夠及時(shí)的采取應(yīng)急處置措施，使得地震產(chǎn)生的損失降至最小；因此我們需綜合采取一些列的措施，來(lái)應(yīng)對(duì)強(qiáng)震發(fā)生可能對(duì)水電站施工期及運(yùn)行期的不利影響。

4.2 河床深厚覆蓋層問(wèn)題

目前深厚覆蓋層的勘探主要在鉆孔原狀樣的采取和試驗(yàn)，水電系統(tǒng)在經(jīng)歷若干年的大發(fā)展后，積累了先進(jìn)的勘探技術(shù)手段，并在持續(xù)的創(chuàng)新發(fā)展中。針對(duì)覆蓋層的處理，對(duì)于防滲，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備比較成熟的防滲墻施工技術(shù)；對(duì)于覆蓋層基礎(chǔ)建壩面臨的地基問(wèn)題，目前主要采取強(qiáng)夯、振沖樁等手段來(lái)改善覆蓋層的物理力學(xué)性質(zhì)，但有效深度小，對(duì)于超深厚覆蓋層，仍沒(méi)有找到很好的處理技術(shù)，是我們這代人需攻克的技術(shù)難題；同時(shí)我們也可以采用合適的壩型來(lái)適應(yīng)深厚覆蓋層建壩，例如深厚覆蓋層地區(qū)選擇修建當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚取Ｒ虼耍ＷC充分的勘探工作、采取針對(duì)有效的處理措施，我們終會(huì)克服相應(yīng)的難題，實(shí)現(xiàn)在深厚覆蓋層上安全建壩。

4.3 特殊巖體條件壩基

針對(duì)壩基巖體開(kāi)挖松弛，水電系統(tǒng)創(chuàng)新性的提出了預(yù)留保護(hù)層的開(kāi)挖方式，并采取清除、高質(zhì)量的固結(jié)灌漿、利用固結(jié)灌漿孔布設(shè)錨筋樁、鋪設(shè)應(yīng)力鋼筋等措施，檢測(cè)成果表明，壩基處理后滿(mǎn)足要求；后期類(lèi)似工程，施工過(guò)程中，可采取預(yù)留保護(hù)層,及時(shí)澆筑等辦法，減少壩基開(kāi)挖后壩基基巖的暴露時(shí)間。針對(duì)特高拱壩適應(yīng)基礎(chǔ)巖體的力學(xué)特性，某水電站創(chuàng)新性提出了拱壩擴(kuò)大基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)置于壩趾，以有效降低壩基巖體的應(yīng)力，三維非線(xiàn)性有限元方法計(jì)算分析表明，擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)控制壩體位移作用明顯，擴(kuò)大基礎(chǔ)能使壩肩壓應(yīng)力集中區(qū)從建基面附近轉(zhuǎn)移到擴(kuò)大基礎(chǔ)與下游面銜接拐角處，減小了基巖應(yīng)力大小及應(yīng)力梯度，明顯改善建基面附近應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)改善了拱壩的對(duì)稱(chēng)性。因此特殊巖體建壩，應(yīng)因地制宜的采取有效的壩基處理手段，確保大壩建基巖體滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.4 超大型地下洞室設(shè)計(jì)

高地應(yīng)力對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響非常明顯，局部區(qū)域圍巖劈裂破壞、壓碎破壞、應(yīng)力松弛現(xiàn)象明顯，變形量值及深度較大，錨桿、錨索應(yīng)力超限，大變形部位大多發(fā)生在應(yīng)力較集中區(qū)和小斷層、節(jié)理、裂隙相對(duì)密集的地方。水電工程建設(shè)這些年，始終強(qiáng)調(diào)減小分層開(kāi)挖深度，進(jìn)行深預(yù)裂、薄層開(kāi)挖，做到精細(xì)施工，盡量減小對(duì)已開(kāi)挖和支護(hù)圍巖及不良地質(zhì)巖體的擾動(dòng)，強(qiáng)化淺錨支護(hù)和及時(shí)施工，提高噴錨的有效性，經(jīng)采取多種措施后，對(duì)減少洞室的大變形在某水電站施工中得到了很好的驗(yàn)證。同時(shí)在施工階段，堅(jiān)持以柔性支護(hù)為主、剛性支護(hù)為輔，系統(tǒng)支護(hù)為主、局部支護(hù)為輔的原則，根據(jù)開(kāi)挖揭示地質(zhì)條件和圍巖監(jiān)測(cè)及時(shí)反饋分析，實(shí)施“動(dòng)態(tài)支護(hù)”設(shè)計(jì)。以上這些手段都取得了良好的效果，目前已建成的水電站大型地下洞室運(yùn)行狀況良好，為下一步的工程開(kāi)發(fā)中大規(guī)模的地下洞室開(kāi)挖提供了很好的借鑒。

西部地區(qū)越來(lái)越多的水電工程在油氣地層或相近的地層中建設(shè)，大型地下洞室將遇到有害氣體的危害問(wèn)題。對(duì)于火成巖地區(qū)，地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)對(duì)人體有害的輻射礦物成份，因此有毒有害氣體和放射性檢測(cè)與防護(hù)也是地下工程勘察及設(shè)計(jì)需重視問(wèn)題之一。

4.5 高陡邊坡工程處理

針對(duì)高陡人工邊坡，水電工程主要采取按不同高程、分區(qū)域邊坡治理方案，后續(xù)施工應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖提示的地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整加固支護(hù)措施，某些工程中采取放坡開(kāi)挖、邊坡開(kāi)挖前完成開(kāi)口線(xiàn)上的鎖口錨桿，各層隨機(jī)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，淺層系統(tǒng)支護(hù)隨開(kāi)挖逐層施工，施加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。以上措施在工程中普遍使用，且支護(hù)效果良好，同時(shí)，對(duì)于極個(gè)別存在深卸荷等特殊地質(zhì)問(wèn)題的邊坡，還創(chuàng)新性地使用抗剪洞等加強(qiáng)支護(hù)。目前，處理后已建工程的特高陡的工程邊坡均運(yùn)行狀況良好。

水電工程自然邊坡高陡，危巖體分布廣且往往人員難以到達(dá)，工程建設(shè)區(qū)內(nèi)高邊坡滾石、局部崩塌等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，威脅施工期人身安全及運(yùn)行期建筑物的安全；危巖體勘察難度大，目前對(duì)危巖體的勘察方法除現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪等外，還可借助激光掃描成像法、攝像等方法，隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)等新手段也給危巖體的調(diào)查增添新的途徑；同時(shí)建議，由于自然邊坡上的危巖體、滾石如不在樞紐主體工程大規(guī)模開(kāi)挖之前進(jìn)行清理、處置，會(huì)對(duì)下部樞紐區(qū)施工人員、設(shè)備造成嚴(yán)重威脅，因此對(duì)規(guī)模大、危險(xiǎn)性大的危巖體、不穩(wěn)定體等應(yīng)在所在部位工程開(kāi)工之前盡早完成清理或支護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

分析西部水電開(kāi)發(fā)面臨的重大工程地質(zhì)問(wèn)題，水電工程者積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合不同的工程地質(zhì)問(wèn)題開(kāi)展針對(duì)性的勘察，采取相應(yīng)的處理措施，得到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理的處理方案，為水電站施工期及運(yùn)行期安全等提供強(qiáng)有力的保障。水電工程地質(zhì)工作者面對(duì)即將到來(lái)的前所未有的挑戰(zhàn)，要繼承前人豐富、有效的勘察工作經(jīng)驗(yàn)，積極吸收與發(fā)展最新的勘察技術(shù)；此外可與高校科研院所等開(kāi)展一些探索性的前沿研究工作，與此同時(shí)應(yīng)建立起一套完善的人才培養(yǎng)體系，以確保未來(lái)水電工程地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量。