西部水电开发重大工程地质问题分析

王寿宇

（水电水利规划设计总院，北京 100120）

1 引言

中国水电建设已完全走出了舒适区，逐步向高海拔、高寒、高地震烈度等地质环境渐趋复杂的地区迈进，面临的工程地质问题难度逐步加大。针对当前水电站建设趋势中的主要工程地质问题，围绕勘察手段的新要求，结合工程案例研究了工程地质问题的应对措施等。

2 西部地区复杂地质背景环境

①西部地区是印度板块与欧亚板块碰撞部位，是构造作用强烈，地壳抬升最为强烈的地区。区内发育诸多晚更新世～全新世活动断裂，雅鲁藏布江断裂带、嘉黎—易贡断裂带、墨脱断裂、龙门山断裂、小江断裂、鲜水河断裂带等，围绕上述断裂带历史上发生多次震级较大的破坏性地震，区域构造背景环境十分复杂。②青藏高原及其边缘地带，地壳剧烈抬升，地貌发育处于青壮年期，雪山、深谷、河流均有发育。此地区河谷深切，岸坡高陡，山体高度大多1 000～2 000 m。区域地震频繁，烈度高，滑坡、崩塌、泥石流、卸荷等不良物理地质作用强烈，地震等次生灾害影响范围广、程度高，同时还有高原地区特有的冰崩、冰湖溃决等自然灾害。

3 面临的重大工程地质问题

3.1 地震频发、高地震烈度工程抗震问题

①西部的四川、云南、西藏、新疆等处于从中亚到青藏高原地震带，这里自古以来便是高地震地区，区域内深大边界断裂非常发育，活动性断层广布，如鲜水河断裂带北段在300 年间有9次7级以上地震，且强震的重现周期短，近期便有汶川、雅安、九寨沟、玉树等多次大地震发生，工程的抗震问题非常突出。②随着人类活动的频繁且加深，全球极端气候频发，因地震产生的次生地质灾害，如滑坡、崩塌、以及强降雨叠加影响产生的泥石流等地质灾害威胁，地震次生灾害防治也是一个需面对的重大问题。

3.2 河床深厚覆盖层问题

西部河流中普遍出现深厚覆盖层问题，比如大渡河、新疆开都河等，覆盖层厚度少则30 m，厚的可达100 m以上，甚至个别电站勘探钻孔100 m 以上仍未揭示基岩出露，目前可知YLZBJ下游河流覆盖层发育厚度可达数百米。

覆盖层的结构层次复杂，物质组成多样，有河湖沉积相的粉质粘土、粉砂，有河流冲积相的砂卵砾石，有崩坡积成因的块碎石土等。不同覆盖层其物理力学参数差异大，用什么样的勘探手段，采取何种评价标准，对覆盖层建坝的设计极为重要。同时深厚覆盖层往往伴随着沉降变形、渗漏及渗透破坏、砂土液化等问题，都是工程中的需面对的棘手问题。

3.3 特殊岩体条件坝基

西部坝基岩体物质组成、年代、构造背景等十分复杂，开挖揭示的坝基岩体往往存在特殊的地质问题。如某水电站开挖坝基至河床底部时，岩体出现开挖卸荷松弛等问题，主要表现为：“葱皮”现象（见图1）、沿已有裂隙错动、张开和扩展、“板裂”现象、差异回弹和蠕滑现象；某水电站拱坝坝基建基于柱状节理玄武岩上，柱状节理玄武岩具有易松弛、各向异性和低变形模型的力学特性；某水电站坝基开挖发现局部坝段存在深度超过30 m 的深槽，未在可行性研究阶段勘察控制范围内，自上而下穿过整个坝基，立面呈不规则“U”和“V”型。

3.4 超大型地下洞室

中国水电站建设地下洞室规模日趋宏大，由于西部独特的地形地质条件，埋深多达数千米，且由于所处高山峡谷、急剧抬升区、高地震区，使得岩体中地应力量级很高，如二滩水电站最高水平应力达到35～40 MPa，锦屏一级达到30～35 MPa，小湾也在30～40 MPa，锦屏二级达到60～70 MPa，高应力给地下洞室的岩体质量、围岩条件与稳定等带来明显的影响，洞室开挖后，随着初始应力平衡状态的打破，应力产生重新分布，岩石易向洞室空间变形，形成岩爆、片帮、掉块、塌落、滑移、冒顶、底鼓等，威胁施工期人员及设备的安全，并对设计衬砌支护提出挑战。同时青藏高原地区地下洞室还面临着高地温、有害气体等诸多的工程地质难题。

3.5 高陡边坡稳定问题

青藏高原及其边缘地区是中国新生代上升最强烈的地区，切割之后的河谷斜坡变形还处于青壮年期，物理地质作用现象强烈发育，无论是自然边坡还是工程边坡，其稳定问题十分突出。西部地区河谷快速下切，谷坡高陡俊俏，切割深度大，如锦屏一级河谷到一级夷平面高差达1 500 m左右，小湾电站工程边坡高达700 m，锦屏一级工程边坡达500 m，在工程边坡上方还有近1 000 m的自然边坡，两河口水电站泄水区工程边坡高达近700 m（见图2），给地质勘察及支护设计工作带来很大的困难。同时伴随着高陡边坡还存在自然边坡危岩体广布，泄洪雾化区大规模滑坡、堆积体的稳定问题，其对水电施工期及运行期的风险及处理方式都是要重点关注的问题。

4 工程地质问题的应对措施

4.1 工程抗震问题

中国除了全国范围尺度的五代区划图，针对水电工程等的单一工程地区的地震地质研究资料相对匮乏，空白点较多，对区域稳定和地震地质背景的研究一般需进行专题研究。目前多是委托国家、省级地震安评部门进行专门性研究，并经相关有资质的单位进行评审即可。但是反过来说，地震安全性并不是我们水电工作者一味的去满足国家的地震要求，而是从我们工程的安全需要，必要需要完成的一项工作，因此，我们必须对此高度重视。

设计在大坝防震抗震方面，往往采取设置梁向钢筋、跨缝阻尼器、布置拱座抗力体抗震预应力锚索，并在大坝上游面一定范围内喷涂防渗涂料等工程抗震措施；与此同时，还会设置柴油发电机组作为应急备用电源，设计和配置电站端的卫星终端设备，以满足电站在紧急情况时系统调度通信和对外通信联系的需求；相关建设单位也会编制相应的地震应急预案，确保地震到来时能够及时的采取应急处置措施，使得地震产生的损失降至最小；因此我们需综合采取一些列的措施，来应对强震发生可能对水电站施工期及运行期的不利影响。

4.2 河床深厚覆盖层问题

目前深厚覆盖层的勘探主要在钻孔原状样的采取和试验，水电系统在经历若干年的大发展后，积累了先进的勘探技术手段，并在持续的创新发展中。针对覆盖层的处理，对于防渗，国内已经具备比较成熟的防渗墙施工技术；对于覆盖层基础建坝面临的地基问题，目前主要采取强夯、振冲桩等手段来改善覆盖层的物理力学性质，但有效深度小，对于超深厚覆盖层，仍没有找到很好的处理技术，是我们这代人需攻克的技术难题；同时我们也可以采用合适的坝型来适应深厚覆盖层建坝，例如深厚覆盖层地区选择修建当地材料坝等。因此，保证充分的勘探工作、采取针对有效的处理措施，我们终会克服相应的难题，实现在深厚覆盖层上安全建坝。

4.3 特殊岩体条件坝基

针对坝基岩体开挖松弛，水电系统创新性的提出了预留保护层的开挖方式，并采取清除、高质量的固结灌浆、利用固结灌浆孔布设锚筋桩、铺设应力钢筋等措施，检测成果表明，坝基处理后满足要求；后期类似工程，施工过程中，可采取预留保护层,及时浇筑等办法，减少坝基开挖后坝基基岩的暴露时间。针对特高拱坝适应基础岩体的力学特性，某水电站创新性提出了拱坝扩大基础的结构形式，扩大基础设置于坝趾，以有效降低坝基岩体的应力，三维非线性有限元方法计算分析表明，扩大基础对控制坝体位移作用明显，扩大基础能使坝肩压应力集中区从建基面附近转移到扩大基础与下游面衔接拐角处，减小了基岩应力大小及应力梯度，明显改善建基面附近应力状态，同时改善了拱坝的对称性。因此特殊岩体建坝，应因地制宜的采取有效的坝基处理手段，确保大坝建基岩体满足设计要求。

4.4 超大型地下洞室设计

高地应力对地下洞室围岩稳定的影响非常明显，局部区域围岩劈裂破坏、压碎破坏、应力松弛现象明显，变形量值及深度较大，锚杆、锚索应力超限，大变形部位大多发生在应力较集中区和小断层、节理、裂隙相对密集的地方。水电工程建设这些年，始终强调减小分层开挖深度，进行深预裂、薄层开挖，做到精细施工，尽量减小对已开挖和支护围岩及不良地质岩体的扰动，强化浅锚支护和及时施工，提高喷锚的有效性，经采取多种措施后，对减少洞室的大变形在某水电站施工中得到了很好的验证。同时在施工阶段，坚持以柔性支护为主、刚性支护为辅，系统支护为主、局部支护为辅的原则，根据开挖揭示地质条件和围岩监测及时反馈分析，实施“动态支护”设计。以上这些手段都取得了良好的效果，目前已建成的水电站大型地下洞室运行状况良好，为下一步的工程开发中大规模的地下洞室开挖提供了很好的借鉴。

西部地区越来越多的水电工程在油气地层或相近的地层中建设，大型地下洞室将遇到有害气体的危害问题。对于火成岩地区，地下洞室开挖过程中还会出现对人体有害的辐射矿物成份，因此有毒有害气体和放射性检测与防护也是地下工程勘察及设计需重视问题之一。

4.5 高陡边坡工程处理

针对高陡人工边坡，水电工程主要采取按不同高程、分区域边坡治理方案，后续施工应根据开挖提示的地质条件、现场实际情况动态优化调整加固支护措施，某些工程中采取放坡开挖、边坡开挖前完成开口线上的锁口锚杆，各层随机支护及时跟进，浅层系统支护随开挖逐层施工，施加预应力锚索进行加强支护。以上措施在工程中普遍使用，且支护效果良好，同时，对于极个别存在深卸荷等特殊地质问题的边坡，还创新性地使用抗剪洞等加强支护。目前，处理后已建工程的特高陡的工程边坡均运行状况良好。

水电工程自然边坡高陡，危岩体分布广且往往人员难以到达，工程建设区内高边坡滚石、局部崩塌等地质灾害时有发生，威胁施工期人身安全及运行期建筑物的安全；危岩体勘察难度大，目前对危岩体的勘察方法除现场地质测绘等外，还可借助激光扫描成像法、摄像等方法，随着技术的发展，无人机等新手段也给危岩体的调查增添新的途径；同时建议，由于自然边坡上的危岩体、滚石如不在枢纽主体工程大规模开挖之前进行清理、处置，会对下部枢纽区施工人员、设备造成严重威胁，因此对规模大、危险性大的危岩体、不稳定体等应在所在部位工程开工之前尽早完成清理或支护。

5 结语

分析西部水电开发面临的重大工程地质问题，水电工程者积累了大量工程经验。结合不同的工程地质问题开展针对性的勘察，采取相应的处理措施，得到技术、经济合理的处理方案，为水电站施工期及运行期安全等提供强有力的保障。水电工程地质工作者面对即将到来的前所未有的挑战，要继承前人丰富、有效的勘察工作经验，积极吸收与发展最新的勘察技术；此外可与高校科研院所等开展一些探索性的前沿研究工作，与此同时应建立起一套完善的人才培养体系，以确保未来水电工程地质勘察工作的质量。