小水電工程地質(zhì)問題研究要點(diǎn)探討

孫國偉

[摘要]在山區(qū)及喀斯特區(qū)興建小水電工程，依其建筑和功能等特點(diǎn)，所面臨的工程地質(zhì)問題愈來愈多，突顯研究樞紐建筑區(qū)的工程地質(zhì)問題之重要。本文僅就當(dāng)前重點(diǎn)關(guān)注的地質(zhì)問題進(jìn)行探討，抓住各問題的切入點(diǎn)，展開研究和分析，闡述評(píng)價(jià)的要點(diǎn)和內(nèi)容。筆者認(rèn)為該文章對(duì)地區(qū)小水電工程建設(shè)和發(fā)展具有指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]山區(qū)及喀斯特區(qū) 小水電 工程地質(zhì) 研究要點(diǎn)

[中圖分類號(hào)] P5 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-3-378-2

1概況

山地及喀斯特地貌地區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造制約，河流切割深，地表起伏大，地貌型態(tài)多。水電工程涉及面廣，樞紐建筑物型式多，受影響的因素亦較多。隨著小水電建設(shè)的開發(fā)與發(fā)展，所面臨的地質(zhì)問題愈來愈多。在諸工程地質(zhì)問題中，對(duì)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定、庫岸再造及喀斯特滲漏、邊坡穩(wěn)定、地下洞室和大壩基礎(chǔ)等問題的研究更是十分重視；在諸影響因素中，地應(yīng)力和軟弱夾層對(duì)水電工程建筑物穩(wěn)定的影響日趨突出。無論是研究的方向和方法，還是分析的深度和廣度等，都從工程實(shí)踐中得到提升。為此，有必要結(jié)合地區(qū)和工程實(shí)際作深層次探討。

2區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定

區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性具體指活動(dòng)斷層和地震對(duì)工程的影響。由于這一問題是自然存在的，而且活斷層—般不是工程結(jié)構(gòu)所能抗拒的，為此，對(duì)活斷層的判定和研究，乃至對(duì)地震危害性的分析是十分必要的。

小水電工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的研究歸納如下三個(gè)層次：

①區(qū)域構(gòu)造背景分析：通常包括壩址周圍半徑50km ～100km范圍的大地構(gòu)造單元及相鄰構(gòu)造單元的部分地區(qū)。調(diào)查以搜集分析區(qū)域地質(zhì)地震資料為主，需要時(shí)進(jìn)行必要的復(fù)核。

②壩區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：研究壩區(qū)周圍半徑2.0km～4.0km范圍的大地構(gòu)造單元地區(qū)。詳細(xì)研究距壩址較近斷層的活動(dòng)性和地震情況，核定距壩較近的潛在震源區(qū)及其參數(shù)。

③壩址研究：主要是工程場地地質(zhì)條件的詳細(xì)研究。對(duì)水電站的大壩及其他主要建筑物，原則是避開跨越活斷層以及與其構(gòu)造活動(dòng)有聯(lián)系的分支斷層對(duì)其直接破壞。

3水庫區(qū)工程地質(zhì)

3.1庫岸穩(wěn)定

隨著地區(qū)小水電的開發(fā)與發(fā)展，在深切峽谷中岸坡的重力地質(zhì)作用增強(qiáng)，地理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，卸荷深度大，變形體大且數(shù)量多；庫岸不穩(wěn)定體失穩(wěn)引起的涌浪可能影響工程和居民點(diǎn)的安全。所以，水庫庫岸穩(wěn)定問題在小水電工程建設(shè)中愈來愈顯得突出。

庫岸穩(wěn)定問題的研究，首先是收集資料，然后現(xiàn)場勘察，最后進(jìn)行庫岸邊坡工程地質(zhì)分類，并對(duì)其作出定性的或定量的穩(wěn)定性分析。

而分類的基本因素有：

①地形地貌：包括岸坡坡度、溝谷切割密度等；

②地層巖性：堅(jiān)硬巖、可溶巖、軟巖，特別是易溶巖、易崩解巖石等；

③地質(zhì)構(gòu)造：斷層發(fā)育密度、破碎帶規(guī)模、斷層及巖層的產(chǎn)狀與河谷的關(guān)系等；

④物理地質(zhì)現(xiàn)象：變形體發(fā)育特征、規(guī)模、密度等。其中工程地質(zhì)性質(zhì)差的巖層的分布和巖層、斷層與河谷的關(guān)系常是較主要的因素。

3.2喀斯特滲漏

喀斯特滲漏的研究方法不少，僅介紹三種分析研究方法：

①地貌及水文網(wǎng)分析法：運(yùn)用廣泛。其研究目的，就是通過喀斯特形態(tài)、地貌及地表～地下水網(wǎng)發(fā)育展布現(xiàn)狀和演化過程的分析，研究喀斯特發(fā)育分布規(guī)律、水動(dòng)力類型及特點(diǎn)、喀斯特地下通道位置，判斷地下水系的補(bǔ)給、徑流、排泄范圍和地下水分水嶺位置，評(píng)價(jià)地區(qū)滲漏條件。

②地下水示蹤試驗(yàn)分析法：運(yùn)用廣泛。主要研究喀斯特地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，計(jì)算地下水滲流速度，根據(jù)示蹤過程分析判定喀斯特含水介質(zhì)類型、通道性質(zhì)、規(guī)模及地下水量等。

③洞穴堆積物分析法：通過洞穴充填程度及充填成分、顏色、顆粒級(jí)配、包含物、固結(jié)程度及物理力學(xué)性質(zhì)等研究喀斯特發(fā)育平面和垂向分布規(guī)律，分析喀斯特和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，古地理氣候環(huán)境及洞穴形成水動(dòng)力條件等的關(guān)系，為防滲方案的選擇，利用和改造溶洞堆積物提供依據(jù)。

喀斯特滲漏研究三原則：

①水庫壩址的選擇是決定工程成敗和防滲工程的數(shù)量及難易的關(guān)鍵。通常壩址應(yīng)盡可能選在深切河谷地段，避開容易出現(xiàn)滲漏的河谷裂點(diǎn)、低鄰谷、河彎和干支流交匯地帶、溶蝕殘丘等地段。査明補(bǔ)排型、排泄型和懸掛型河谷分水嶺滲漏、繞壩滲漏或壩基滲漏后避開或處理。

②適量的庫壩址喀斯特地質(zhì)勘察及綜合分析。庫壩址的位置要充分利用己查明的有利地質(zhì)條件，避開喀斯特發(fā)育的不利地質(zhì)條件。

③重視防滲處理方案和帷幕線路的比較選擇，查明帷幕線的喀斯特發(fā)育情況。如充分利用地下水分水嶺處喀斯特相對(duì)較弱的有利特點(diǎn)。

4建筑物區(qū)工程地質(zhì)

4.1地應(yīng)力

地應(yīng)力亦稱“巖體初始應(yīng)力”深切河谷谷坡附近地應(yīng)力具有如下特征：最大主應(yīng)力基本垂直河流，傾向河床，傾角小于谷坡坡角；水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，垂直應(yīng)力大于自重應(yīng)力；明顯是山體地形與構(gòu)造應(yīng)力復(fù)合的應(yīng)力場。從河谷橫斷面上看應(yīng)力分布可分三帶：應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)。

地應(yīng)力對(duì)壩基的影響：

①基坑變形、地基回彈的影響。研究河床地應(yīng)力分布情況，將壩基開挖線設(shè)定在應(yīng)力集中區(qū)外，以免地基產(chǎn)生變形和回彈。

②對(duì)巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)的影響。巖體在受壓狀態(tài)下與在解壓狀態(tài)下的物理力學(xué)指標(biāo)是有差別的等。

地應(yīng)力對(duì)地下洞室的影響：洞室開挖暴露后，地應(yīng)力解壓釋放或產(chǎn)生巖爆等、或頂拱兩側(cè)受擠，拱頂上抬等。

說明：

①在布置方面需重視地下洞室軸線方向與最大主應(yīng)力方向的關(guān)系，并結(jié)合其他因素綜合權(quán)衡利弊后決定。

②在施工程序方面須注意開挖與臨時(shí)襯砌以及永久襯砌的合理安排，避免因開挖造成襯砌的人為開裂。

地應(yīng)力對(duì)邊坡的影響：深切河谷或人為的高陡邊坡，由于地形與地應(yīng)力存在復(fù)合效應(yīng)關(guān)系，其分布特征不利于邊坡穩(wěn)定，而人為開挖則促使地應(yīng)力重新分布，破壞了邊坡的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。說明，在地應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生巖體變形和松馳，使得邊坡穩(wěn)定條件降低。

4.2軟弱夾層

軟弱夾層一般指遇水易軟化、物理力學(xué)指標(biāo)低的薄層。這類夾層由于強(qiáng)度低，往往是薄弱環(huán)節(jié)，無論在邊坡工程、壩基抗滑和變形等方面，常是研究的重點(diǎn)。

軟弱夾層的分類按成因可分為原生型、次生型和構(gòu)造型三類；按顆粒組成可分為巖塊巖屑型、巖屑夾泥型、夾泥巖屑型和全泥型。

軟弱夾層諸因子包括分布層位、連續(xù)性、厚度、產(chǎn)狀、起伏差，夾層的分帶、夾層上下側(cè)巖石的巖性、完整程度，夾層的物理、力學(xué)性質(zhì)等。均可成為抗滑穩(wěn)定分析和研究處理方案所必須要有的資料。如夾層的顆粒級(jí)配是判別其分類的指標(biāo)；夾層的親水性、活性指數(shù)和粘粒含量是判別其性質(zhì)好壞的指標(biāo)；夾層的抗?jié)B性能是判別其變化趨勢好壞的指標(biāo)；夾層的成分和結(jié)構(gòu)是判別其力學(xué)性質(zhì)好壞的指標(biāo)等。

軟弱夾層抗剪強(qiáng)度的選?。嚎紤]到水工建筑物運(yùn)用時(shí)間長，地基分布有軟弱夾層，存在時(shí)間效應(yīng)問題，宜選用流變強(qiáng)度作為計(jì)算值。

4.3巖質(zhì)邊坡

在山區(qū)和喀斯特區(qū)，小水電工程建設(shè)和運(yùn)行期間，經(jīng)常遇到邊坡穩(wěn)定問題，如水庫蓄放水可能引發(fā)庫岸崩塌或滑坡、樞紐建筑物場地的開挖擾動(dòng)可能引發(fā)邊坡變形和失穩(wěn)、蓄水或引水建筑物的滲流可能引發(fā)邊坡蠕滑破壞等，所以，邊坡穩(wěn)定亦是需要重點(diǎn)研究的問題之一。

巖體是一個(gè)多結(jié)構(gòu)面切割的地質(zhì)體，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性在很大程度上是受結(jié)構(gòu)面控制的，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可以定性判別邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分類，可初步判定邊坡變形破壞的類型。在處理實(shí)際的邊坡工程時(shí)，需要對(duì)影響邊坡失穩(wěn)的因素進(jìn)行分析。

邊坡穩(wěn)定分析方法，僅簡述如下常用的二種：

①CSMR分析法：CSMR分類體系是在RMR～SMR分類體系的基礎(chǔ)上增加坡高因素的修正和結(jié)構(gòu)面條件系數(shù)，以CSMR的總得分確定邊坡巖體類別，半定量地評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性，預(yù)測可能的破壞模式及處理方法；

②極限平衡分析方法：這是一種應(yīng)用最廣泛和最簡易的方法，根據(jù)坡體的結(jié)構(gòu)組合關(guān)系，即變形破壞條件，采用相應(yīng)的變形破壞機(jī)制的分析方法，其分析結(jié)果通常用作設(shè)計(jì)及處理的依據(jù)。

4.4地下建筑物

山地及喀斯特地貌地區(qū)，水電工程涉及面廣，樞紐建筑物型式多，地下建筑物便是其常見的型式之一。

地下洞室圍巖分類是評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性等的重要內(nèi)容，圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)通常包含如下兩個(gè)方面：

①圍巖整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。應(yīng)用最廣泛的有RMR分類、Q系統(tǒng)分類和我國的“圍巖工程地質(zhì)分類”；

②局部塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。對(duì)于有不利結(jié)構(gòu)組合的可能不穩(wěn)定體，通常使用塊體極限平衡理論的有限元方法等評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定。

喀斯特區(qū)地下洞室存在著比較特殊的隱蔽性問題：

①溶洞充填物的穩(wěn)定。洞室開挖遇到溶洞充填物時(shí)常造成坍塌。故在溶洞充填物不明的條件下，不宜盲目清除涌入洞室的坍落體，以免引發(fā)更大的坍塌災(zāi)害等。

②喀斯特涌水。在喀斯特區(qū)，做好前期工程地質(zhì)研究，以免開挖洞室時(shí)突發(fā)涌水威脅施工安全。

③外水壓力。在喀斯特區(qū)，確定洞室外水壓力，需根據(jù)喀斯特水的具體情況，如對(duì)管道水需要考慮全水頭。

4.5大壩壩基

大壩基礎(chǔ)的穩(wěn)定及滲漏問題是整個(gè)樞紐建設(shè)成敗和可否收效的關(guān)鍵，壩基穩(wěn)定問題包括沉降穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定，而滲漏問題則有壩基滲漏和繞壩滲漏。為此，對(duì)上述問題的研究必須給予足夠的重視。

在進(jìn)行大壩壩基工程地質(zhì)的研究時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：

①建基面。建基面的開挖下限應(yīng)視實(shí)際情況而定。如壩型對(duì)壩基的要求，具體而言包括壩基巖體的完整程度、風(fēng)化帶的分布、壩基的應(yīng)力、巖體的物理力學(xué)指標(biāo)、基礎(chǔ)的變形和穩(wěn)定性以及處理措施等；

②巖體的物理力學(xué)參數(shù)。按巖體質(zhì)量類別或工程地質(zhì)單元分別選取具有代表性的地質(zhì)建議值，為設(shè)計(jì)選定采用值提供依據(jù)；

③巖體穩(wěn)定性分析。通過對(duì)巖體質(zhì)量分類和結(jié)構(gòu)面組合等的分析，計(jì)算其可能的變形破壞類型，研究并確定處理方案。

④巖體滲透性評(píng)價(jià)。通過對(duì)含水介質(zhì)類型、滲透性分級(jí)及上下游水力聯(lián)系性質(zhì)的分析，評(píng)價(jià)壩基水文地質(zhì)條件，研究可能的滲漏型式和范圍，計(jì)算可能的漏水量，確定處理方案。

5結(jié)語

在山區(qū)及喀斯特區(qū)興建小水電工程，依其建筑和功能等特點(diǎn)，所面臨的工程地質(zhì)問題愈來愈多，突顯研究樞紐建筑區(qū)的工程地質(zhì)問題之重要。本文僅就當(dāng)前重點(diǎn)關(guān)注的地質(zhì)問題進(jìn)行探討，抓住各問題的切入點(diǎn)，展開研究和分析，闡述評(píng)價(jià)的要點(diǎn)和內(nèi)容。筆者認(rèn)為該文章對(duì)地區(qū)小水電工程建設(shè)和發(fā)展具有指導(dǎo)作用，希望能給從事水利建設(shè)的地質(zhì)工作者帶來事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]水利水電巖溶工程地質(zhì).鄒成杰.水利電力出版社.1994年.

[2]中國水力發(fā)電工程.工程地質(zhì)卷.中國電力出版社.2000年.