尼泊尔水电站地质勘察经验综述

丁 斌，裴晓东，许凯凯

(1. 上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；2. 中国三峡新能源(集团)股份有限公司，北京 100053)

尼泊尔地处喜马拉雅山脉南麓，主要有柯西(Koshi)、甘达基(Gandaki)和卡纳利(Karnali)三大河流系统，每个河系均有多条河流。这些河流大多发源于喜马拉雅山脉的高海拔地区，由于河道比降大，自北向南奔流而下，水流湍急，蕴藏着极丰富的水力资源，可开发装机容量约4 200万kW。

尼泊尔为世界上最不发达国家之一，局限于经济、技术水平及投资等因素，尼泊尔水能资源整体开发程度低，仅为2%左右，电力紧缺现象较为普遍。为了推进尼泊尔社会经济的发展，开发水电是尼泊尔国家开发建设的重要战略措施。

在中国“一带一路”倡议的推进下，中国和尼泊尔不断深化在能源电力、交通运输等多领域的合作。改善尼泊尔电力供应和交通状况，不仅可以促进尼泊尔电力、交通行业的发展，还有利于中尼经贸合作的大局。随着越来越多的中国企业进入尼泊尔，为尼泊尔的发展带来了新机遇，水电站、中尼铁路、机场、公路、学校、工厂等大中型基建项目都有中国承建和中国援建的身影。

尼泊尔位于印度和欧亚板块交界处喜马拉雅弧形构造带内，构造发育，地质条件复杂。在尼泊尔开展工程建设将面临各种各样的地质问题。

水电站地质勘察技术方法有很多[1]，由于尼泊尔地形、交通条件、运输周期、当地技术水平、勘察成本等因素的限制，在尼泊尔水电站勘察中综合运用难以实现。主要采用地质测绘分析项目可能存在的主要工程地质问题，为后续勘察工作提供明确方向。

持续的构造运动导致尼泊尔的河流普遍发育有厚度大于40 m的深厚覆盖层。在河床深厚覆盖层上建坝存在诸多工程地质问题[2]，可见深厚覆盖层的勘察是尼泊尔水电站地质勘察的重点内容。

本文根据尼泊尔多座水电站丰富的工程经验，对地质勘察的重点问题、现场地质测绘和深厚覆盖层勘探工作的侧重点及相应的勘察技术方法进行总结归纳。

1 尼泊尔地形特征及区域概况

尼泊尔位于喜马拉雅山脉中段南麓，境内80%的土地为山地，属于山地国家，山脉总体呈东西走向，整体地势北高南低，地形起伏明显。根据地形特征可将尼泊尔从北到南分为3个自然地理单元：①北部高山区，北部横贯喜马拉雅山脉，整体海拔在4 800 m以上，为世界的屋脊，海拔超过8 000 m的高峰有8座，属构造侵蚀地貌；②中部山区，中部为沟壑纵横的中低山地，在崇山峻岭中分布着许多大小河谷，由于河流坡降大，河谷多呈V型峡谷，属构造侵蚀地貌；③南部平原区，南部平原称为特莱平原，海拔一般在200 m以下，属河流冲积堆积地貌。

喜马拉雅山脉是印度板块与欧亚板块碰撞形成的全球最年轻、规模最大的造山带，由于两大板块的激烈碰撞作用，形成了藏南拆离系(STD)、主中央逆断裂带(MCT)、主边界逆断裂带(MBT)和主前缘断裂带(MFT)等4条延伸上千公里的断裂带[3]。尼泊尔境内区域地质构造背景复杂，地震活动非常活跃，且多为浅源地震，地震灾害频发。沿着喜马拉雅弧形构造带，历史上发生过至少8次7.5级以上大地震，最近一次Gorkha大地震发生在2015年4月25日，震级为8.1级，震源深度20 km。

2 尼泊尔水电站地质勘察重点

受欧亚板块碰撞影响，尼泊尔境内地质构造发育，地形地质条件复杂。通过对尼泊尔多个水电站项目工程经验进行总结并结合相关规程规范[4]，归纳出尼泊尔水电站地质勘察的重点,主要包括以下几个方面。

a) 地震动参数。评估区域构造稳定性，查明工程区是否有长大断裂带分布，特别是有无活动性断裂通过；评价工程场地地震安全性，并确定各水工建筑物工程区合理的地震动参数及相应的地震基本烈度。

b) 工程区范围内的地质灾害。尼泊尔区域地质背景复杂，地质灾害现象屡见不鲜，尤其在2015年8.1级大地震后，山区地质灾害频发。需查明工程区范围内是否存在堰塞湖、泥石流、岸坡崩塌、大型滑坡体、高陡边坡滚石等地质灾害，并对其危险性进行评估[5]，尤其应查明是否存在制约工程成立的地质灾害风险。

c) 深厚覆盖层。尼泊尔河床深厚覆盖层成因大致可分为堰塞湖积、河流冲洪积、冰川堆积和冰水堆积。同一工程场地有时兼具多种成因，物质组成也复杂多变，大孤石、漂卵石、碎砾石、砂卵砾石、砂层、粉土层均有分布，且多具有分布不均、厚度变化大、粗粒土透水性大等特点。在河床深厚覆盖层上构筑建筑物必然存在覆盖层承载力不足、液化、不均匀沉降变形、坝基渗透稳定及软弱夹层导致的抗滑稳定等问题。查明拟建建筑物处的深厚覆盖层地质成因、物质组成及其物理力学性质是水电站地质勘察的重中之重。

d) 边坡稳定性。尼泊尔山区河谷两岸山高坡陡，且多为单斜地层，卸荷严重。边坡稳定问题尤为突出。需查明库区、近坝区、建筑物区各拟建建筑物、隧洞进出口边坡的稳定问题，对边坡失稳可能造成的工程地质问题进行评价，从而为设计方案选择及水工建筑物的布置提供地质依据，并对可能采取的工程处理方案提出建议。隧洞进出口边坡除查明边坡稳定性外还需评价其成洞条件。边坡具体分为覆盖层边坡和基岩边坡，覆盖层边坡需查明松散堆积物的成因、分布范围、地下水发育情况及其物理力学性质；基岩边坡需查明主控结构面发育特征、岩体风化、卸荷、倾倒变形等情况。

e) 地下洞室。水电站涉及大量的地下洞室开挖工作，地下洞室围岩等级情况对工程的整体造价、施工的难易程度及工期均有较大的影响。因此需查明隧洞沿线发育的地层岩性、岩层产状及其结构类型、完整程度、地质构造、富水带的分布、是否分布有大规模滑坡体和可能产生大规模涌水的汇水构造等情况，然后对地下洞室的围岩稳定性进行综合评判，为地下洞室的布置、轴线方向的选择和方案的优化提供地质依据。

f) 天然建筑材料。天然建筑材料的优劣直接关系到开发水电站的经济效益。经调查，尼泊尔水电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，河床砂砾石的分布范围、质量、储量及开采难易程度。在充分考虑工程开挖料的情况下，尽可能地选择运距小储量大的料场。

3 水电站地质测绘综述

水电站勘察技术方法主要包括地质测绘、工程物探、地质钻探及相关原位和室内试验[1]。其中地质测绘是水电站地质勘察的基础工作，通过地质测绘调查工程区范围内的地质现象。根据测绘成果，分析项目可能存在的主要工程地质问题。

本节就尼泊尔野外地质测绘中常见的地质现象、侧重点及工作方法做详细阐述。

3.1 地质测绘中常见的地质现象

在尼泊尔野外地质测绘中常见的地质现象主要有以下几个方面。

a) 单斜构造。尼泊尔岩层多呈单斜构造。

b) 滑坡体。滑坡体在尼泊尔屡见不鲜，滑体后缘地形不完整呈明显的负地形是滑坡体区别于崩坡积体的典型特征。图1中滑体呈明显的圈椅状，图2为滑坡体滑动后形成堰塞湖，在流水长期冲刷溃坝后残留在滑体对岸山体上。据此可判断滑坡体上游一段时间内为湖相沉积，河床中大概率发育有厚层的砂层、粉土层。

图1 典型的滑坡体

图2 右岸可见左岸滑坡后残留的堆积物

c) 断层破碎带。断层带及两侧影响带内岩体破碎，带内多为碎裂岩、构造岩块及岩屑充填。上下两盘影响带外侧完整性相对较好。长大断裂所经地段岩体有明显的强烈挤压、错动等应力特征，伴有崩塌、滑坡现象。

d) 挤压破碎带。尼泊尔山体多雄厚，部分山梁处基岩呈破碎状，却未见明显的断裂构造痕迹，推测为造山运动时山体挤压隆起而成(图3)。

图3 位于山梁处的挤压破碎带

e) 倾倒变形体。在反倾临坡岩层中多发育倾倒变形体，软质岩、硬质岩中均会存在。图4为典型的倾倒变形体。

图4 倾倒变形体表部松动卸荷严重

f) 岩体卸荷。岩体卸荷现象在尼泊尔普遍存在，卸荷裂隙多发育，普遍微张至张开十几厘米不等，卸荷深度一般在50 m以内。

g) 残留阶地。在距现有河水面几十米高的山坡上仍能发现残留阶地的痕迹，其中有磨圆很好的卵石，也有成层的砂层，这说明尼泊尔经过多次山体抬升和河流深下切。阶地缺失则可能伴随有大的构造运动。

h) 冰川、冰水堆积台地。由于第四纪冰川作用，尼泊尔北部山区河谷多残留冰川、冰水堆积台地。

i) 泥石流冲沟。泥石流冲沟在尼泊尔山区多有发育，按其特征多为发展至旺盛期高频黏性泥石流冲沟，几乎每年雨季均会产生泥石流。

3.2 地质测绘中需关注的重点

针对水电站不同区域地质勘察的侧重点有所不同，总结出尼泊尔水电站不同区域野外地质测绘的侧重点如下。

a) 库区和近坝区的重点是查明是否存在影响坝址成立的问题，即查明是否存在渗漏、塌岸、滑坡、泥石流等问题。野外地质测绘中需重点关注库区(尤其是近坝5 km段)和近坝区两岸是否存在单薄山体、单薄分水岭、低分水岭、宽大的断层等分布，是否存在大的库岸稳定问题，尤其是大规模滑坡体。对泥石流冲沟一定要进行详细的调查。

b) 建筑物区的重点是查明是否存在影响主要建筑物安全的地质问题，即查明建筑物区附近是否存在泥石流、大的边坡稳定问题，是否存在长大断裂等。建筑物区野外地质测绘要做细，坝址区缓倾角结构面一定要重视，这涉及到坝基抗滑稳定问题。务必准确量测缓倾角产状，结构面状态、充填物描述清楚，分辨其张剪性。

c) 建筑物区边坡问题是地质测绘的重点，对土质边坡需重点查明其状态、密实度、是否存在裂缝等，通过野外地质测绘，也可初步判别土体的渗透性，如边坡表面若无因流水形成的小冲沟，则表明具有较强的渗透性；岩质边坡需查明边坡的主控结构面特征、风化程度、卸荷、倾倒变形等情况，并运用赤平投影对边坡的稳定性进行初步分析[6]。野外地质测绘时大规模断层容易识别，小型断层不易被发现，而单一结构面与小断层相交也可能造成边坡失稳，由于疏忽从而缺失相应的支护措施，小断层往往比大断层更可怕。

地下洞室沿线的重点是查明隧洞进出口边坡的成洞条件，隧洞沿线地表富水带分布，地下洞室是否穿越滑坡体、大型深切冲沟，有无可能产生大规模涌水的汇水构造等。

尼泊尔的基岩岩性主要为变质岩，以片麻岩、片岩、千枚岩为主，几乎无储水能力。断层破碎带及影响带、裂隙密集带具有良好的储水和导水性能，有利于地表和地下水汇集，易于形成不同形式的富水带。查清地下洞室沿线富水带的分布，尤其是浅埋段富水带的分布对施工支洞的布置和隧洞开挖中突水突泥的预测和防治具有指导意义。

隧洞沿线地表若存在不明厚度的大规模滑坡体，需采用物探等手段查明滑坡体的厚度，以免将地下洞室布置在滑体内，造成重大经济损失和安全隐患。

地下洞室穿越的每条深切冲沟处是否存在大规模断裂，查明穿越冲沟段地下洞室上覆基岩的厚度，对该段在开挖时是否会出现突水突泥进行初步判定。

3.3 野外地质测绘方法

工程地质测绘的基本方法有遥感影像解译法和地质点法[7]。遥感影像解译法主要用于中小比例尺地质测绘，而水电站地质测绘的精度均大于1∶5 000，属于大比例尺地质测绘，所以地质点法为地质测绘的主要方法。

地质点法为最传统的地质测绘方法，在野外实际开展地质测绘过程中，需根据勘察精度和工程地质测绘的重点，布置一定量的地质点。并利用罗盘、地质锤、放大镜对每一个地质点进行测绘分析，掌握各点的地质条件。

有地形图时可根据地形地貌、地表建筑物特征，采用罗盘交汇法对地质点进行定位。亦可采用手持GPS、手机奥维地图进行定位，精度一般均可满足1∶5 000～1∶2 000的精度要求。精度要求1∶1 000～1∶500时可利用RTK进行精确定位。

尼泊尔山高坡陡，地势险峻，且水电站工程涉及的工程范围较大，单纯采用地质点法工作效率较低，在实际测绘各种地质界线时容易产生“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的错觉，对工程师的体能也提出了很高的挑战。而随着无人机技术的不断发展，无人机倾斜摄影测量技术在高精度地形图测绘、地质灾害调查中均已得到广泛应用[8]。许凯凯[9]运用倾斜摄影测量技术对矿山基岩边坡结构面进行编录，通过无人机量测的产状与地质工程师现场编录结果基本一致，能够满足工程要求。将无人机运用至尼泊尔水电站工程地质测绘中已无技术障碍。

对工程区踏勘后，可初步总结出本工程地质测绘重点。先采用无人机在重点区域范围内进行低空拍摄，根据影像数据处理后建立的高清三维实景模型，界线明显的地质界线可准确绘制，不明显的可根据地形地貌进行初步勾勒，再有针对性地布置地质点，进行现场复核并采集地质点相关的地质信息，这样不仅可以提高工作效率，还能够更好地保证地质测绘成果的准确性，尤其对泥石流冲沟、大规模滑坡体、崩塌体、高陡边坡结构面特征及危岩体进行调查时，无人机均具有明显优势。

4 覆盖层勘察综述

河床深厚覆盖层和滑坡体的勘察是尼泊尔水电站勘察的重点工作。

4.1 覆盖层勘察的重点

根据建筑物性质覆盖层勘察的重点略有不同，但主要为查清覆盖层厚度、成因类型、物质组成、软弱夹层的分布情况及各分层的物理力学性质。

尼泊尔河床覆盖层地质成因主要可分为冰川堆积、冰水堆积、河流相冲洪积。通过地表坡度的差异，断面揭露出的颜色、磨圆度、分选性、密实程度可判断出地质成因。如冰川堆积地表大多不平整，还残留大的孤石，地表坡度一般大于13°，磨圆差，无分选，物质混杂，还夹杂少量黏粒，颜色一般为浅绿色，内部可能存在空腔，内部密实度比表部密实度要差。正常的河流相阶地地表多平坦，地表坡度一般小于3°，磨圆好，具明显的分选性，颜色一般偏浅红色，地表可见二元结构，内部密实度好于表部密实度。

覆盖层的物质组成、级配直接影响其物理力学性质，粗颗粒土的物理力学性质要好于细颗粒土[10]。当大块石含量超过70%时，块石间的细粒土将不起作用，整体力学参数指标高。即边坡土体中若含有较多大的孤石、块石，稳定性相对较好。

4.2 覆盖层勘察中主要方法

物探、钻探、坑槽探及相关水文、原位试验是覆盖层勘察中的主要方法和手段。

地下洞室沿线分布的滑坡体厚度是勘察关注的重点。若地下洞室穿越滑体或穿越下伏破碎基岩，将严重影响地下洞室的稳定性，也将影响到地下洞室的整体布置。可布置相关物探工作以查清地下洞室沿线滑体厚度，常用的物探方法[11]主要有高密度电法、大地电磁测深法和微动面波物探法，也可根据需要布置勘探孔进行验证。

对工程区建筑物安全构成威胁的滑坡体布置物探主要查清其厚度、范围、滑床的起伏形态，而布置坑槽探和钻探，则用于准确掌握其厚度、物质组成[12]、密实度、渗透性、地下水位等，并可在滑带土中取样做相关力学试验，若取原状样困难，则需在滑动带处加密进行相关原位试验，为设计分析水库蓄水、边坡开挖等多种工况下滑体稳定性提供地质依据。同时还可以根据工程设计需要，把勘探孔升级为变形监测孔，对边(滑)坡体稳定进行长期变形监测。

对于河床深厚覆盖层的勘察，可先根据拟建建筑物的范围布置一些物探工作，根据物探曲线初步查明覆盖层的密实度、基岩的埋深及起伏情况、是否存在河床深槽等。再根据拟建建筑物的位置，结合物探成果和相关规程规范，有针对性地布置钻探工作，以查清覆盖层的厚度、地质分层、地质成因、物质组成、密实程度、渗透性、地下水位、下卧基岩的岩性、风化状态、完整程度、透水率等。若上述部分内容通过钻孔难以查清，还可在钻孔中应用综合测井技术[13]来进一步查明。

涉及到开挖深度和地基处理深度，覆盖层的利用深度、砂层的液化、软弱夹层是勘察需查明的重点内容之一[14]。要达到此目的，钻探取芯质量必须严格保证，同时还需进行相关原位试验用以查明覆盖层性状。覆盖层中一般每2 m进行1次重型动力触探试验(覆盖层表部可根据情况适当加密)，连续试验段长度一般为60 cm，若动探击数较小则应继续贯入，试验段原则上不超过1 m；遇砂层应做标准贯入试验，厚层砂层标贯间距为1 m，以进行液化判别。条件允许还可以进行现场载荷试验。

涉及渗漏量的计算、基坑开挖支护、防渗墙的形式及深度等，覆盖层的渗透性也是勘察需查明的重点内容之一。水文试验段应进行清水钻进，注水试验不能跨层实施，段长可控制在5 m以内。必要时还可对河床砂卵砾石层进行抽水试验。

钻孔中的地下水位是重要的水文地质参数。钻进过程中还需进行地下水的初见和终孔水位的观测，并注意每日水位的变化，并作好记录。终孔稳定水位的观测应在充分洗孔并剔除孔内残存水之后进行。

4.3 尼泊尔当地勘探力量现状

尼泊尔有多家勘探公司，设备多为万国造，型号多种多样，落锤的质量、动探探头也不标准，套管配备少，不能满足深厚覆盖层多级变径的需求，岩芯管多为单管，不配置取土器、膨润土及SM植物胶等冲洗液。钻探工艺水平落后，无论地层如何一律采用清水跟管钻进，河床覆盖层正常钻进速度约1～2 m/d，不仅工作效率低，岩芯采取率也很低。孔内残留岩芯岩粉较厚，极容易造成孔内事故，很难达到钻探的目的。若要进行深厚覆盖层勘探，尼泊尔当地公司无法满足工程质量和工期要求。

基于现状，水电站地质勘探工作需要委托给国内成熟的水电勘探队伍。由于中尼之间货物运输周期较长，在尼泊尔很难采购相关配件，需超前部署，保证充足的耗材和易损配件。

4.4 覆盖层中钻探的施工工艺

首先根据钻孔拟钻进孔深及地层大致情况，配备好合适钻具、多级套管，做好钻孔结构设计。

覆盖层采用大孔径(φ150 mm或φ130 mm)单管配备硬质合金钻头回转钻进开孔，表部一般较松散，成孔性差，需及时用厚壁套管(φ146 mm或φ127 mm)跟进护壁。在φ146 mm套管内采用φ130 mm钻具钻进。根据钻孔任务书要求水文试验段应进行清水钻进，其余段可采用泥浆和SM植物胶[15]回转钻进，不仅能够起到保护孔壁的作用，还可以有效避免土层扰动并提高采取率。根据经验，冲洗液配比可采用SM植物胶∶水∶膨润土=2～3∶100∶12，纯碱添加量一般约为植物胶和膨润土总重量的5%～8%。当单管钻具取芯不能满足要求时需改用SD单动双管半合管钻具钻进。

正常钻进后视地层情况，孔壁稳定地层可裸孔钻进，既提高钻探速度，又降低后续起拔套管难度，但不稳定地层需及时跟管钻进，每级套管跟管钻进控制在10～25 m。当套管回转钻进或锤击跟管困难时，可考虑下小一级套管跟进。除遇特殊情况，套管均应下入较完整基岩中。

钻探过程中遇细颗粒土、滑动带时需少水干钻，缩短回次进尺，保证取芯质量，以准确鉴定软弱夹层、滑动带的物质组成、深度及厚度，并进行相关原位试验。若地层较松散，钻探中易掉块或塌孔，一般应及时跟进套管，否则容易造成卡钻埋钻事故。若由于种种原因套管跟进困难，亦可考虑用水泥浆进行封孔固壁处理。若钻探过程中持续不返水，会造成孔内残留较厚沉淀物，从而导致烧钻或埋钻，需引起注意，应及时打捞岩粉，保证孔内无残留或少残留。

4.5 内业资料整理

随着现场工作的逐步推进，需要及时处理相关内业资料，对目前所掌握资料进行分析整理，发现可能存在的工程地质问题，实时调整工作侧重点，有针对性地调整后续钻探工作，也能更好地指导现场工作。

传统的二维绘图软件可视化不强，缺乏立体感，一旦工程区交叉剖面增多，剖面交点及钻孔投影处地层均容易出错，且整体作图效率较低。三维地质软件很好地解决以上问题[16]。水电站工程一般地形、地质条件较为复杂，设计专业要求提供较多的地质剖面，在工程区开展大量勘探工作后，可对工程区范围内地质情况进行三维地质建模，通过不断的修改完善。模型建立后，可根据需要随时抽取剖面图、平切图。

对于边坡的稳定性，地质专业更熟悉其边界条件、地质参数等，除定性分析外，还可利用有限元软件进行分析计算，供设计参考。

5 结语

尼泊尔区域构造发育，地形地质条件复杂多变。地震动参数、制约工程成立的地质灾害风险、深厚覆盖层、边坡稳定性、地下洞室的围岩稳定性、天然建筑材料料场的选择是尼泊尔水电站地质勘察的重点。

地质测绘是水电站地质勘察的重要手段之一，根据可靠的地质测绘成果，分析出可能存在的工程地质问题，可辅助后续勘察工作的重心方向。在尼泊尔水电站地质测绘中采用地质点法和无人机技术相结合的方法，可从整体到细节，从宏观到微观全面把控工程区地形地貌、地质构造、物理地质现象等地质信息，不仅可以有效提高工作效率，还能够更好地保证地质测绘成果的准确性。

深厚覆盖层是尼泊尔水电站地质勘察的重中之重。为查清覆盖层相关的地质信息，可采用物探、钻探、坑槽探及相关原位试验等多种方法和手段。在深厚覆盖层中用泥浆和SM植物胶作为冲洗液，采用SD单动双管半合管钻具回转钻进，基本能保证钻孔孔壁的稳定，可有效避免土层扰动，还能提高岩芯采取率和工作效率，能够满足工程需要。

三维地质软件不仅可视化强，还可根据设计专业需要随时抽取剖面图、平切图，在水电站地质勘察中应进行全面推广。