西部水電開發重大工程地質問題分析

王壽宇

（水電水利規劃設計總院，北京 100120）

1 引言

中國水電建設已完全走出了舒適區，逐步向高海拔、高寒、高地震烈度等地質環境漸趨復雜的地區邁進，面臨的工程地質問題難度逐步加大。針對當前水電站建設趨勢中的主要工程地質問題，圍繞勘察手段的新要求，結合工程案例研究了工程地質問題的應對措施等。

2 西部地區復雜地質背景環境

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

3 面臨的重大工程地質問題

3.1 地震頻發、高地震烈度工程抗震問題

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，這里自古以來便是高地震地區，區域內深大邊界斷裂非常發育，活動性斷層廣布，如鮮水河斷裂帶北段在300 年間有9次7級以上地震，且強震的重現周期短，近期便有汶川、雅安、九寨溝、玉樹等多次大地震發生，工程的抗震問題非常突出。②隨著人類活動的頻繁且加深，全球極端氣候頻發，因地震產生的次生地質災害，如滑坡、崩塌、以及強降雨疊加影響產生的泥石流等地質災害威脅，地震次生災害防治也是一個需面對的重大問題。

3.2 河床深厚覆蓋層問題

西部河流中普遍出現深厚覆蓋層問題，比如大渡河、新疆開都河等，覆蓋層厚度少則30 m，厚的可達100 m以上，甚至個別電站勘探鉆孔100 m 以上仍未揭示基巖出露，目前可知YLZBJ下游河流覆蓋層發育厚度可達數百米。

覆蓋層的結構層次復雜，物質組成多樣，有河湖沉積相的粉質粘土、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參數差異大，用什么樣的勘探手段，采取何種評價標準，對覆蓋層建壩的設計極為重要。同時深厚覆蓋層往往伴隨著沉降變形、滲漏及滲透破壞、砂土液化等問題，都是工程中的需面對的棘手問題。

3.3 特殊巖體條件壩基

西部壩基巖體物質組成、年代、構造背景等十分復雜，開挖揭示的壩基巖體往往存在特殊的地質問題。如某水電站開挖壩基至河床底部時，巖體出現開挖卸荷松弛等問題，主要表現為：“蔥皮”現象（見圖1）、沿已有裂隙錯動、張開和擴展、“板裂”現象、差異回彈和蠕滑現象；某水電站拱壩壩基建基于柱狀節理玄武巖上，柱狀節理玄武巖具有易松弛、各向異性和低變形模型的力學特性；某水電站壩基開挖發現局部壩段存在深度超過30 m 的深槽，未在可行性研究階段勘察控制范圍內，自上而下穿過整個壩基，立面呈不規則“U”和“V”型。

3.4 超大型地下洞室

中國水電站建設地下洞室規模日趨宏大，由于西部獨特的地形地質條件，埋深多達數千米，且由于所處高山峽谷、急劇抬升區、高地震區，使得巖體中地應力量級很高，如二灘水電站最高水平應力達到35～40 MPa，錦屏一級達到30～35 MPa，小灣也在30～40 MPa，錦屏二級達到60～70 MPa，高應力給地下洞室的巖體質量、圍巖條件與穩定等帶來明顯的影響，洞室開挖后，隨著初始應力平衡狀態的打破，應力產生重新分布，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備的安全，并對設計襯砌支護提出挑戰。同時青藏高原地區地下洞室還面臨著高地溫、有害氣體等諸多的工程地質難題。

3.5 高陡邊坡穩定問題

青藏高原及其邊緣地區是中國新生代上升最強烈的地區，切割之后的河谷斜坡變形還處于青壯年期，物理地質作用現象強烈發育，無論是自然邊坡還是工程邊坡，其穩定問題十分突出。西部地區河谷快速下切，谷坡高陡俊俏，切割深度大，如錦屏一級河谷到一級夷平面高差達1 500 m左右，小灣電站工程邊坡高達700 m，錦屏一級工程邊坡達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工程邊坡高達近700 m（見圖2），給地質勘察及支護設計工作帶來很大的困難。同時伴隨著高陡邊坡還存在自然邊坡危巖體廣布，泄洪霧化區大規模滑坡、堆積體的穩定問題，其對水電施工期及運行期的風險及處理方式都是要重點關注的問題。

4 工程地質問題的應對措施

4.1 工程抗震問題

中國除了全國范圍尺度的五代區劃圖，針對水電工程等的單一工程地區的地震地質研究資料相對匱乏，空白點較多，對區域穩定和地震地質背景的研究一般需進行專題研究。目前多是委托國家、省級地震安評部門進行專門性研究，并經相關有資質的單位進行評審即可。但是反過來說，地震安全性并不是我們水電工作者一味的去滿足國家的地震要求，而是從我們工程的安全需要，必要需要完成的一項工作，因此，我們必須對此高度重視。

設計在大壩防震抗震方面，往往采取設置梁向鋼筋、跨縫阻尼器、布置拱座抗力體抗震預應力錨索，并在大壩上游面一定范圍內噴涂防滲涂料等工程抗震措施；與此同時，還會設置柴油發電機組作為應急備用電源，設計和配置電站端的衛星終端設備，以滿足電站在緊急情況時系統調度通信和對外通信聯系的需求；相關建設單位也會編制相應的地震應急預案，確保地震到來時能夠及時的采取應急處置措施，使得地震產生的損失降至最小；因此我們需綜合采取一些列的措施，來應對強震發生可能對水電站施工期及運行期的不利影響。

4.2 河床深厚覆蓋層問題

目前深厚覆蓋層的勘探主要在鉆孔原狀樣的采取和試驗，水電系統在經歷若干年的大發展后，積累了先進的勘探技術手段，并在持續的創新發展中。針對覆蓋層的處理，對于防滲，國內已經具備比較成熟的防滲墻施工技術；對于覆蓋層基礎建壩面臨的地基問題，目前主要采取強夯、振沖樁等手段來改善覆蓋層的物理力學性質，但有效深度小，對于超深厚覆蓋層，仍沒有找到很好的處理技術，是我們這代人需攻克的技術難題；同時我們也可以采用合適的壩型來適應深厚覆蓋層建壩，例如深厚覆蓋層地區選擇修建當地材料壩等。因此，保證充分的勘探工作、采取針對有效的處理措施，我們終會克服相應的難題，實現在深厚覆蓋層上安全建壩。

4.3 特殊巖體條件壩基

針對壩基巖體開挖松弛，水電系統創新性的提出了預留保護層的開挖方式，并采取清除、高質量的固結灌漿、利用固結灌漿孔布設錨筋樁、鋪設應力鋼筋等措施，檢測成果表明，壩基處理后滿足要求；后期類似工程，施工過程中，可采取預留保護層,及時澆筑等辦法，減少壩基開挖后壩基基巖的暴露時間。針對特高拱壩適應基礎巖體的力學特性，某水電站創新性提出了拱壩擴大基礎的結構形式，擴大基礎設置于壩趾，以有效降低壩基巖體的應力，三維非線性有限元方法計算分析表明，擴大基礎對控制壩體位移作用明顯，擴大基礎能使壩肩壓應力集中區從建基面附近轉移到擴大基礎與下游面銜接拐角處，減小了基巖應力大小及應力梯度，明顯改善建基面附近應力狀態，同時改善了拱壩的對稱性。因此特殊巖體建壩，應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足設計要求。

4.4 超大型地下洞室設計

高地應力對地下洞室圍巖穩定的影響非常明顯，局部區域圍巖劈裂破壞、壓碎破壞、應力松弛現象明顯，變形量值及深度較大，錨桿、錨索應力超限，大變形部位大多發生在應力較集中區和小斷層、節理、裂隙相對密集的地方。水電工程建設這些年，始終強調減小分層開挖深度，進行深預裂、薄層開挖，做到精細施工，盡量減小對已開挖和支護圍巖及不良地質巖體的擾動，強化淺錨支護和及時施工，提高噴錨的有效性，經采取多種措施后，對減少洞室的大變形在某水電站施工中得到了很好的驗證。同時在施工階段，堅持以柔性支護為主、剛性支護為輔，系統支護為主、局部支護為輔的原則，根據開挖揭示地質條件和圍巖監測及時反饋分析，實施“動態支護”設計。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行狀況良好，為下一步的工程開發中大規模的地下洞室開挖提供了很好的借鑒。

西部地區越來越多的水電工程在油氣地層或相近的地層中建設，大型地下洞室將遇到有害氣體的危害問題。對于火成巖地區，地下洞室開挖過程中還會出現對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與防護也是地下工程勘察及設計需重視問題之一。

4.5 高陡邊坡工程處理

針對高陡人工邊坡，水電工程主要采取按不同高程、分區域邊坡治理方案，后續施工應根據開挖提示的地質條件、現場實際情況動態優化調整加固支護措施，某些工程中采取放坡開挖、邊坡開挖前完成開口線上的鎖口錨桿，各層隨機支護及時跟進，淺層系統支護隨開挖逐層施工，施加預應力錨索進行加強支護。以上措施在工程中普遍使用，且支護效果良好，同時，對于極個別存在深卸荷等特殊地質問題的邊坡，還創新性地使用抗剪洞等加強支護。目前，處理后已建工程的特高陡的工程邊坡均運行狀況良好。

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，工程建設區內高邊坡滾石、局部崩塌等地質災害時有發生，威脅施工期人身安全及運行期建筑物的安全；危巖體勘察難度大，目前對危巖體的勘察方法除現場地質測繪等外，還可借助激光掃描成像法、攝像等方法，隨著技術的發展，無人機等新手段也給危巖體的調查增添新的途徑；同時建議，由于自然邊坡上的危巖體、滾石如不在樞紐主體工程大規模開挖之前進行清理、處置，會對下部樞紐區施工人員、設備造成嚴重威脅，因此對規模大、危險性大的危巖體、不穩定體等應在所在部位工程開工之前盡早完成清理或支護。

5 結語

分析西部水電開發面臨的重大工程地質問題，水電工程者積累了大量工程經驗。結合不同的工程地質問題開展針對性的勘察，采取相應的處理措施，得到技術、經濟合理的處理方案，為水電站施工期及運行期安全等提供強有力的保障。水電工程地質工作者面對即將到來的前所未有的挑戰，要繼承前人豐富、有效的勘察工作經驗，積極吸收與發展最新的勘察技術；此外可與高校科研院所等開展一些探索性的前沿研究工作，與此同時應建立起一套完善的人才培養體系，以確保未來水電工程地質勘察工作的質量。