官地水电站重大工程地质问题研究综述

彭　仕　雄

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



官地水电站重大工程地质问题研究综述

彭仕雄

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

重大工程地质问题研究关系到工程建设的成败，也涉及工程建设的技术可行性和经济合理性。官地水电站处于构造复杂的地质环境中，库区有可溶岩地层分布，枢纽区主要以二叠系玄武岩为主，岸坡风化卸荷深度大，岩体中拉裂变形现象普遍，错动带发育，有承压水分布，这些使得工程区的地质问题复杂，为了查清基本地质条件，采取了不同的勘察手段和研究方法；注重加强宏观分析判断，定量和定性分析相结合，论证了存在的重大工程地质问题，评价了实施效果。

官地水电站;重大地质问题;实施效果;综述

1　概　　述

工程枢纽区位于四川省凉山彝族自治州西昌市与盐源县接壤地带，电站主要任务是发电。电站水库正常蓄水位1 330.0 m，坝高168 m，装机2 400 MW，总库容7.6亿m3，水库回水长58 km，属日调节水库。电站枢纽主要由拦河碾压混凝土重力坝、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物等组成。地下厂房系统主要由厂房、主变室和尾水调压室三大洞室平行布置组成。2011年11月大坝主体工程完建，下闸蓄水，2012年3月首台机组发电，2013年3月4台机组全部投产发电。

官地电站地处高山峡谷地区，工程规模大，技术难度高，是一个具有挑战性的工程。主要体现在复杂的地质条件下的岩体卸荷、缓倾结构面、深夹泥、高地应力等引起的区域构造稳定、水库岩溶渗漏、坝基抗滑稳定、大跨度地下洞室群稳定、裂隙岩体渗透稳定、边坡稳定等多个方面。枢纽区出露地层主要为二叠系上统坚硬的玄武岩组，以角砾集块熔岩、杏仁状玄武岩、斑状玄武岩、致密状玄武岩与紫红色凝灰岩构成多个次级喷发旋回为特征，第四纪覆盖层分布较为广泛。枢纽区地处矿山梁子断裂与小高山断裂所夹持的打罗地质块体之上，其内部为向西陡倾(总体产状为近SN/W∠75°～85°)的单斜构造。枢纽区经过多次构造运动，发育有断层及大量的错动带，裂隙亦十分发育，卸荷拉裂岩体广布，地应力较高，库区有可溶岩地层分布，针对上述特点，需要全面查明复杂的地质条件和客观评价存在的工程地质问题。

2　区域构造稳定问题

在预可研阶段，会同国家地震局，就区域构造稳定问题展开了全面、深入的区域地质调研，以工程区300 km为调查范围。野外调查的重点放在该区基本构造格架、控制区域构造稳定的主要大断裂上，对其展布、性状、新构造活动特征、地震活动性等，进行现场复核和补充调研。从第四纪地层的分布、活动构造地貌特征、河流阶地形成时代与形变，主要活动断裂带的分布及近代活动特征等方面入手，研究区内的新构造活动特征、进行了构造应力场分析。通过上述多手段的深入研究后认为：工程区位于鲜水河-安宁河-则木河-小江断裂带和金沙江-红河断裂带所围限的川滇巨型菱形断块内，金河-箐河断裂、锦屏山-小金河断裂带为边界的锦屏盐源次级断块上。区内断裂构造发育，主要为北北东向和近南北向断裂带。此外，还有次一级的北西向和北东东向断裂发育。新构造活动以断块间大断裂继承性差异活动及断块本身的间歇性整体抬升为基本特征。

近场区内地震活动强度低、频度低，地壳稳定性较好，不具备发生中强震的构造条件。近场区外历史上邻近地震对坝址的影响烈度未达到Ⅶ度，场地地震基本烈度为Ⅶ度。汶川5.12地震后国家地震局进行了地震安全性评价的复核，因对潜在震源的重新认识，将场地基本烈度定为Ⅷ度。

3　水库诱发地震问题

官地水库为高山峡谷型，库长58 km，库盆主要为碎屑岩、玄武岩及灰岩，产状总体近SN向倾W，倾角70°～80°，其中可溶岩分布面积约占60%。在巴折、周家坪一带有区域性小高山、周家坪断裂通过。玄武岩和碎屑岩透水性微弱，一般不利于诱发地震，而灰岩岩溶有所发育，透水性相对较强，是利于诱发地震的岩组；同时断裂带通过地段岩体破碎，透水性较好，亦利于水库诱发地震。经地震地质背景，从各库段岩性、地质构造、渗透条件、地应力状态和地震活动等初步分析，诱发水库地震的主要地段为距坝址3～7 km、10～13 km、15～20 km、28～33 km可溶岩出露段以及距坝址38 km、47～49 km处小高山～玻璃村断裂、周家坪断裂通过地段。对上述库段的岩层厚度、岩体透水性、断裂特征综合分析并结合国内外工程实例，初步估计水库可能诱发地震最大震级不高于5.5级，震中烈度约为Ⅶ度，衰减到坝址其烈度将均不超过Ⅵ度，低于坝址区地震基本烈度，不会对官地工程的安全造成明显影响，但对库区环境将会带来一定危害。于2009年建立的水库地震监测台网，由1个中继站和10个子台构成，经过蓄水后多年的监测，库区蓄水前后地震活动水平没有明显变化，地震活动频度与坝前水位变化无明显的关联性，蓄水前后库区地震活动均处于相对较低水平，未发现水库诱发地震存在。

4　库首岩溶渗漏问题

库首左岸为一向西凸出的河湾，地形陡峻，地表迳流强烈，具典型的侵蚀剥蚀地貌，地层为石炭系和二迭系，以中厚层、薄层和极薄层为主，由三套可溶岩(碳酸盐岩)与两套非可溶岩(碎屑岩)互层组成相对独立的且沟通上下游的岩石条带。大坝建成后，这套碳酸盐岩地层正好构成了贯穿水库与河弯(大坝)下游的灰岩(岩溶)裂隙渗漏通道，是需要论证的重大工程地质问题。

前期完成了1 个长达899 m的斜穿可溶岩地层到达分水岭的KD04勘探平洞，开展了专题研究，洞室存在多处出水，对这个出水，有2种不同观点，有的认为是天然地下水；有的认为是上层滞水，天然情况下存在地下水分水岭，其高程可能低于正常蓄水位，可能存在裂隙-溶隙型水库渗漏问题，最后研究为慎重起见，建议先进行监测，根据监测结果确定地下水位，再来决定是否进行防渗工程处理。施工期间，沿山脊布置了一条长约1 100 m的监测洞，并在洞内实施了7个监测孔，监测表明，钻孔地下水位大多高于监测洞底板(底板高程约1 342～1 350 m)，钻孔最低地下稳定水位在1 338 m左右，存在明显的地下水分水岭，地下水分水岭与地表分水岭一致，地下水位高于水库正常蓄水位。

从2012年2月蓄水以来，长期观测表明，河弯地块地下水位没有随水库水位的升高而发生明显改变，地表没有发现异常出水情况，观测表明河弯地块地下水位较高，原平洞观测到的出水属于地下水，库水未沿河弯地块产生渗漏，说明蓄水前提出先不实施防渗方案的决定是正确的，直接节约了工程投资约1.55亿元。

5　岸坡稳定问题

坝前一带河谷岸坡为纵向谷，河谷大体与似层面方向平行，两岸斜坡岩体为似层面方向的顺向坡、逆向坡或斜向坡，地质条件相对较差，变形体、滑坡体和覆盖层均较发育，边坡稳定性差。主要建筑物一带岸坡为横向谷，避开了不利地段的纵向谷，斜坡主要受控于中缓倾坡外的结构面和与岸坡近于平行的陡倾结构面。

枢纽区浅表生改造现象十分明显，表现为岩体的卸荷松弛，伴有系列差异回弹错动拉裂，主要破坏类型有拉裂体、变形体、松动岩体、风化破碎岩体、滑坡等，对工程安全构成威胁，稳定性研究难度大。主要采用平洞结合钻孔的勘探方法手段，查清了岸坡变形破坏模式，分析边坡变形破坏机制，对边坡进行天然、暴雨、地震、雨雾、开挖等各种工况稳定分析及各种数值摸拟，加固后的稳定性验算，监测资料的反馈设计等，对存在稳定问题的不良地质体进行了工程处理，解决了复杂地质结构的边坡稳定问题。

对各类开挖高边坡开挖高度进行了优化调整，可研阶段设计的导流洞边坡、电站进水口边坡、尾水洞出口边坡等均开挖较高，一般开挖坡高在150～260 m之间，将形成高陡开挖边坡。为此通过进一步地质分析工作，分析边坡存在的可能失稳模式，采取“早进洞，晚出洞，少扰动、强支护”的原则，从而优化了边坡的开挖高度，实际开挖坡高控制在了150 m以内。如右岸导流洞(洞径16 m×19 m)出口轴线与边坡小角度相交，以Ⅳ类岩体为主，一般工程设计基本上都是以开挖边坡高度换取上覆和侧向岩体厚度来保证大跨度洞室的稳定，采用垂直出洞方式，原设计内侧坡开挖高达160 m。通过地质分析认为边坡无特定结构面组合控制，外侧岩体较薄的问题可以采取工程措施来实现，内侧坡可以采取加强支护方法保证稳定，设计采纳了地质建议，对边坡不开挖直接采取加固措施，总计减少开挖量67万m3，节约了大量的工程投资，缩短了工期。监测表明洞室及边坡处于稳定状态。该设计施工优化方案,为复杂地质高边坡条件下超大断面地下洞室出洞布置积累了经验。

6　坝基岩体质量和抗滑稳定问题

大坝区虽为陡倾的玄武岩地层，但是地表调查发现，缓倾角结构面较为发育，岩体中夹泥深度大，有多个卸荷拉裂岩体出现，坝区地质条件复杂。在坝址选择方面，避开了变形拉裂岩体广布的上坝址而选择下坝址，在坝线选择上充分利用整体性较好、构造不发育、风化卸荷较浅、厚度较大的角砾(集块)熔岩来布置坝体，为适应坝后分布数个规模不等的变形拉裂岩体，从而采用底流消能方式，让水工建筑充分适应复杂的地质条件，做到水工建筑物与地质条件的较完美而巧妙的结合。但底流消能的规模和难度较大，通过大量的分析研究工作，对可能存在的技术问题进行了处理，较好地克服了这一难题。

为了查明建基面的地质条件，在现场地质测绘的基础上，针对高重力坝的特点，考虑河床坝基抗滑稳定边界条件，进行了勘探工作，实施时考虑钻孔取芯和钻孔试验的兼顾。深度50 m以上是取芯重点，需查明节理裂隙、缓倾角结构面的分布，关键部位还采用了定向取芯、孔内电视、综合测井等新技术；50～80 m重点做压水试验，以了解岩体的透水性。为查有无顺河断层的分布采用了对穿斜孔，确保了勘探工作的质量。同时对河床地应力进行了kassi法测试，岸边主要结合平洞和钻孔进行勘探，通过地质与勘探工作，查明了建基岩体的基本地质条件和抗滑稳定的边界条件。

前期勘探表明，坝区夹泥较多且深度大，风化、卸荷深度也较大，与其它工程相比有其特殊性，官地电站为高达168 m的重力坝，若按照常规的坝基岩体利用原则，夹泥岩体不能利用，开挖深度将很大。为了减少坝基开挖，研究提出了适用于官地电站的风化、卸荷划分标准和岩体质量分类标准，与规程规范相比，主要提出了岩体的块裂结构与裂块结构，将夹泥率指标引入了分类体系，根据夹泥的多少将Ⅲ类岩体细分为Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3等亚类，提出了突破规程规范的岩体抗压强度标准值，提出中低坝段可利用Ⅲ2、Ⅲ3类岩体作为建基岩体、高坝段可利用Ⅲ1类岩体的原则，工程施工中按此原则开挖，开挖揭示的建基岩体与前期预测基本一致，对开挖坝段岩体抗滑稳定模式进行深入研究，由于坝基存在较多顺坡向和缓倾角裂隙对坝基侧向及顺向抗滑稳定不利，二维稳定计算有的不能满足规程规范要求，充分利用官地抗滑稳定三维效应明显的特点，有效解决了坝基抗滑稳定问题，减少了深齿槽的开挖，经过蓄水运行检验，坝体工作正常，说明确定的坝基可利用岩体利用原则是正确的，从而节约了大量工程投资和工期。

7　渗透稳定问题

枢纽区地层为似层状裂隙岩体，并分布有承压水，承压水的存在无疑对坝基或地下洞室带来危害，似层状裂隙岩体渗透性及渗透稳定性评价结果直接关系到防排水处理方案，我院深入调查了坝区及其邻近区域的水文地质条件。研究表明裂隙承压水位于河床右侧及右岸岸坡，据埋藏条件和水化学成分可分为上部承压水和下部承压水。上部承压水为裂隙含水网络，具有埋深相对较小、无H2S味、水头较低，流量较小的特点，主要是由EW/N∠30°～40°顺坡向裂隙构成的裂隙含水网络，未形成稳定的承压含水层。在河床部位埋深浅，故与大坝抗滑稳定关系密切，而地下厂房部位则关系到排水设施的设计。下部承压水埋深54.85～135.33 m，底板埋深61.27～139.3 m，高程1 071.81～1 142.38 m。下部承压水初见流量及孔口压力相对较大，水头较高，但埋深大，环境封闭，且在高程1 700 m左右接受大气降水补给，与河水及库水均不会发生水力联系，对大坝稳定影响不大。同时论证了蓄水前后水动力场的变化特征，通过对防排水工程的多方案的模拟对比，对防渗帷幕初步设计的效果加以评价，在此基础上优化了右岸主排水工程的设计，大坝建成后监测表明，坝基渗漏量和渗透稳定满足设计要求，说明前期研究结论可靠。

8　高地应力条件下大跨度洞室群围岩稳定问题

引水发电系统由4条压力管道(洞径11.8 m)、2条尾水洞(洞径16 m×18 m)、主厂房(243.4 m×31.1 m×76.8 m)、主变室(197.3 m×18.8 m×25.2 m)、尾调室(205 m×21.5 m×76 m)等组成。 形成了大跨度地下洞室群，这些洞室群规模大，特别是主厂房的跨度更是在国内已建和在建工程中名列前茅，岩体中地应力高，各类结构面发育。因此，洞室群的稳定问题成为了关键工程地质技术问题之一。通过赋存的地质环境及地质条件分区分析，首选确定厂区应放在右岸、岩体完整性较好的P2β15层内。为了查清厂区地质情况，前期进行了大量的平洞和钻孔勘探，详细收集了各类结构面的基本特征和水文地质条件，进行了岩体物理力学性质试验和现场地应力测试。根据厂房区XD02、XD42、XD60探硐揭露，P2β15层岩体完整性较好，围岩以次块～块状结构的Ⅱ类为主；厂区地段避开了F2断层，厂房区内无断层，据探洞统计资料：错动带发育35条，以NWW～NNW向中陡倾角为主，规模很小，宽度一般几厘米，但错动带发育具有明显区段性，山外侧较发育，其余部位散布有少量错动带,总体具有向山内密度少的特点。裂隙主要发育有2组：①N10°～20°E/SE∠70°～85°及②N10°～25°E/NW∠70°～85°，裂隙多新鲜闭合，充填方解石膜或石英膜，结合紧密，延伸短。在可研阶段选择厂房轴线为N67°E。在招标阶段，考虑到该工程地下厂房规模较大，利用探洞对三大洞室布置区进行了较全面的地应力测试，包括孔径法和孔壁法，实测结果表明，该区实测地应力量级较大，最大主应力25～35 MPa左右，为构造应力、自重应力、残余应力迭加的应力场，属高地应力区，地应力方向为NNW～NW向。高地应力对洞室稳定影响较大，主要结构面为陡倾角，方向不利时对洞室稳定影响较大，厂轴线选择必须综合考虑。同时对厂房不同高程剖切平切面图进行不同方向布置的稳定分析，厂房轴线选择时在尽可能的与地应力最大主应力的方向夹角要小，与主要结构面(错动带)的夹角要大的地质原则下，综合考虑最大主应力量级、主要结构面规模和性状、引水发电系统顺畅布置等因素，最终选定厂轴线方向为N5°E，并微调地下厂房的平面位置。在地下洞室开挖过程中，运用围岩工程地质分类方法进行围岩分类，进行了地下洞室围岩挠动应力测试、声波测试(含孔内电视、声波长观)和围岩变形监测，开展了块体稳定分析，监测反馈分析、二维反演分析与开挖支护模拟、三维数值仿真分析等。有效地指导了工程开挖与支护。开挖揭示的地质情况与前期预测一致，开挖结束后围岩的监测数据表明围岩稳定，这充分说明了地下洞室群的围岩稳定状态较好，招标及技施阶段将主厂房轴线由N67°E调整为N5°E，并微调平面位置取得了成功。

尾水调压顶拱分布有较长的缓倾角错动带，在下挖第二层时顶拱出现了较大范围的喷层裂缝，这些裂缝有的长达数十米，直接影响到洞室稳定和施工安全，通过地质分析、数值摸拟、现场声波测试、孔内电视、锚杆无损检测、监测成果以及施工支护过程等分析，查明了影响顶拱喷层开裂的因素以结构面、高地应力因素为主要原因，松弛、爆破挠动及支护质量为诱因所致，并采取了锚索为主的加固措施，保证了洞室的稳定。

9　结束语

(1)重视前期勘察工作，有合理的勘测周期，才能保证基础资料的准确性。官地电站前期勘测论证充分，累计完成钻孔2万余米，洞探13 000多米，试验1 000多组，专题研究10余项，全面查清工程区基本地质条件和重大工程地质问题，为工程设计和工程施工奠定了坚实的基础。

(2)强调宏观分析判断，有针对性勘探论证，既节约勘探工程量，又能查明重大工程地质问题。

(3)针对重大工程地质问题开展了多项专题性研究工作，积极引进新技术、新方法，开展技术攻关，召开多次专家咨询会、技术讨论会，做到了集思广益，解决了较多重大工程技术问题和工程处理问题，取得的经济效益较为明显。

(4)开挖揭示的地质条件与前期勘察基本一致，蓄水多年监测表明工程运行正常。该工程的成功建设得益于将各种地质问题与水工建筑紧密结合，在复杂的地质环境中选择了一个好的坝址位置，在招标设计阶段将厂房位置和轴线进行了优化调整，在施工中做到动态设计，及时防范了可能出现的重大地质问题。水电工程开挖处理是一个复杂的岩土工程系统，要高度重视地质、结构设计专业间的紧密结合，才能做到设计方案适应已有的地质条件，探讨出一种有效机制，才能使工程设计处理最优化，快速为工程提供技术服务。

[1]王兰生,李天斌,赵其华,等.雅砻江官地水电工程岩体结构模型及力学参数研究[ R] .成都:成都理工大学档案馆,1997.

[2]沈军辉，王兰生，赵其华,等.官地水电站坝区岩体的浅表生结构[J].工程地质学报，2002(l):26-32.

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[4]王兰生，赵其华，李天斌.雅砻江官地水电工程斜坡稳定问题研究[R].成都：成都理工大学工程地质研究所，1997.

[5]严福章.河间地块岩溶渗漏类型及主要工程地质特征[J].水利水电工程设计，1999(4).

2016-02-26

彭仕雄(1964-)，男，重庆永川人，教授级高级工程师，从事地质工程方面的研究工作。

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