錦屏一級水電站工程地質(zhì)勘察綜述

劉忠緒， 楊靜熙

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

錦屏一級水電站工程地質(zhì)勘察綜述

劉忠緒， 楊靜熙

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

錦屏一級水電站工程勘察歷經(jīng)20余年，形成了大量勘察成果，本文對錦屏一級水電站的地質(zhì)勘察工作進(jìn)行了較為全面的總結(jié)。本文重點介紹了工程場址的選擇、壩區(qū)左岸深部裂縫成因及對建壩影響、特高壩壩基可利用巖體、壩基巖體質(zhì)量評價、高陡邊坡穩(wěn)定性、高應(yīng)力較低巖石強度條件下大跨度洞室群圍巖穩(wěn)定性、多巖性組合骨料選擇，以及三維數(shù)字技術(shù)在勘察中的應(yīng)用等諸多方面的勘察成果和勘察經(jīng)驗。

深部裂縫；場址；壩基巖體；高陡邊坡；高應(yīng)力；組合混凝土骨料；三維數(shù)字；錦屏一級水電站

0 前 言

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流中下游水電開發(fā) “控制性”水庫梯級，在雅礱江梯級滾動開發(fā)中具有“承上啟下”的重要作用。

錦屏一級水電站工程規(guī)模巨大，開發(fā)任務(wù)主要是發(fā)電，兼顧防洪、攔沙。電站裝機容量3 600 MW，正常水位1 880 m，總庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。樞紐主要由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘、右岸泄洪洞及右岸地下廠房等永久性建筑物組成。拱壩高達(dá)305 m，是目前建成的世界第一高壩。

錦屏一級水電站地處西南高山峽谷地區(qū)，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，是國內(nèi)外專家公認(rèn)的“地質(zhì)條件最復(fù)雜，施工環(huán)境最惡劣，技術(shù)難度最大”的巨型水電工程，面臨的工程復(fù)雜性前所未見。樞紐區(qū)具有“兩高兩深”的基本地質(zhì)特點，即高邊坡、高地應(yīng)力、深切峽谷、深卸荷，由此帶來了復(fù)雜的、獨特的工程地質(zhì)問題：

(1)壩區(qū)左岸發(fā)育的“深部裂縫”的成因及其對建壩條件不利影響問題；

(2)壩區(qū)各類構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育，尤其左岸山體發(fā)育深部裂縫，邊坡巖層傾倒變形、卸荷拉裂強烈，穩(wěn)定問題突出；

(3)特高拱壩壩基地層層位多，斷層、層間擠壓錯動帶、綠片巖、煌斑巖脈等地質(zhì)缺陷發(fā)育，復(fù)雜地基巖體質(zhì)量評價與利用研究難度高；

(4)左岸抗力體斷層、巖脈、深卸荷發(fā)育，巖體完整性差，不能滿足抗變形穩(wěn)定要求，對其勘察和評價難度大；

(5)大型地下洞室群區(qū)域地應(yīng)力高，圍巖強度應(yīng)力比較低，高地應(yīng)力條件下圍巖變形及長期穩(wěn)定問題十分突出；

(6)工程區(qū)為一套以大理巖、變質(zhì)砂板巖為主的淺變質(zhì)巖，巖性復(fù)雜，巖石強度較低，作為300 m量級拱壩混凝土骨料都存在不同程度的缺陷，使得拱壩混凝土骨料選擇問題也很突出。

為查明工程的地質(zhì)條件，成都院投入了大量的人力物力，經(jīng)過二十余年的勘察工作，完成了大量勘探、巖土體試驗和專題科研，為電站成功建成創(chuàng)造了良好的條件。

工程于2005年11月正式開工建設(shè)，2013年8月首批機組建成發(fā)電，2016年4月通過樞紐工程專項驗收。

錦屏一級水電站工程勘察獲2015年中國電力規(guī)劃設(shè)計協(xié)會工程勘測一等獎、2015年四川省優(yōu)秀工程勘察一等獎、2016年中國電力建設(shè)股份有限公司工程勘測一等獎。

1 復(fù)雜區(qū)域地質(zhì)背景下高壩場址選擇

錦屏一級水電站工程區(qū)位于楊子地臺與松潘甘孜地槽褶皺系交界部位，所處“川滇菱形斷塊”的邊界斷裂均為多期繼承性活動斷裂帶，喜山期以來，由于印度洋板塊向歐亞板塊的強烈推擠，使得在青藏高原急劇抬升的同時，川滇菱形斷塊亦向南東方向推移，導(dǎo)致上述各邊界斷裂均發(fā)生強烈的水平剪切錯動，成為現(xiàn)代地震活動的發(fā)震構(gòu)造。這些發(fā)震構(gòu)造的發(fā)育分布及其新活動性直接影響工程場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性。

錦屏一級水電站區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性研究在傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查、坑槽探和斷層活動性測齡等手段、方法的基礎(chǔ)上，基于20世紀(jì)80年代末期、90年代初期的技術(shù)水平，引進(jìn)新技術(shù)、新方法開展了航衛(wèi)片的遙感地質(zhì)調(diào)查、構(gòu)造穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究、地球物理場深部構(gòu)造研究等專題研究，并采用多層次、多手段、不同方法來查明工程區(qū)所在大地構(gòu)造單元、區(qū)域地質(zhì)背景、地貌與新構(gòu)造運動特征、主要斷裂及其活動性。

首先，開展了錦屏一級所在大河灣地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景遙感地質(zhì)調(diào)查和外圍地質(zhì)調(diào)查、測繪工作。從錦屏大河灣地區(qū)及其外圍地區(qū)1∶20萬航衛(wèi)片的遙感地質(zhì)調(diào)查開始，到大河灣地區(qū)1∶5萬航衛(wèi)片的遙感地質(zhì)調(diào)查，再到錦屏一級工程區(qū)1∶2.5萬航衛(wèi)片的遙感地質(zhì)調(diào)查，逐步逼近工程區(qū)，并結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查成果，反復(fù)深入研究了河灣地區(qū)的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造形跡；其次，在查清河灣及其外圍地區(qū)地層、地質(zhì)構(gòu)造形跡、外動力地質(zhì)作用等的基礎(chǔ)上，開展工程區(qū)主要斷層同位素年齡測定及活動性研究，對研究范圍內(nèi)具有一定規(guī)模的斷層，全面系統(tǒng)、逐條地取樣，應(yīng)用多種實驗室測試方法進(jìn)行同位素年齡測定，提出了一批數(shù)量較多的斷層活動測年數(shù)據(jù)，為研究論證錦屏地區(qū)的地殼穩(wěn)定性提供了較充分的定量依據(jù)；再次，在大河灣地區(qū)1∶10萬地面區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，又開展大河灣地區(qū)深部構(gòu)造解譯和構(gòu)造穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究。

1993年完成了《雅礱江錦屏大河灣地區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定專題研究》，在充分研究由斷裂活動性、地震活動性、巖漿活動性及水熱活動性等因素綜合作用所表現(xiàn)的穩(wěn)定程度的基礎(chǔ)上，還研究了與內(nèi)動力作用密切相關(guān)的地形地貌及介質(zhì)塊體的特征及完整性等的影響，選擇斷層活動年代新老、地震活動性、水熱活動性、構(gòu)造活動性、塊體的介質(zhì)條件、地形地貌特性等6個因素，分“穩(wěn)定、較穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定”4個等級，對錦屏一級所在整個錦屏大河灣地區(qū)進(jìn)行分級分區(qū)的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價、篩選，最后確定的錦屏一級工程建設(shè)的場址位于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

2 “深部裂縫”勘察及對工程影響研究

錦屏一級水電站普斯羅溝壩段河谷狹窄，地形陡峻，兩岸谷坡相對高差達(dá)千余米。壩區(qū)左岸為反向坡，邊坡中上部由三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂巖、板巖組成，下部為大理巖。勘探過程中，在岸坡淺表卸荷帶以里穿過一段相對緊密完整的巖體后，又陸續(xù)揭露出一系列規(guī)模不等的張開裂縫或裂隙松弛帶，由于其分布深度大，與已有的工程經(jīng)驗中對岸坡卸荷改造規(guī)律性認(rèn)識不一致，因此，統(tǒng)稱為“深部裂縫”。

“深部裂縫”是錦屏一級水電站特有的地質(zhì)現(xiàn)象，對建壩條件具有重要影響，它的存在制約了壩址、壩線選擇，是影響壩基變形穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定以及邊坡穩(wěn)定評價的最主要不利地質(zhì)因素之一。查明其發(fā)育特性、形成機制及演化趨勢，是評價壩基巖體和工程邊坡穩(wěn)定性十分重要的基礎(chǔ)工作，研究電站建設(shè)過程中及在泄洪霧化和工程蓄水后深部裂縫可能產(chǎn)生的變化，對確保工程安全意義重大。

成都院自1992年底勘探發(fā)現(xiàn)深部裂縫后，圍繞深部裂縫發(fā)育、分布規(guī)律開展了大量洞探、物探、連通試驗工作，聯(lián)合成都理工大學(xué)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、清華大學(xué)等多家知名科研院所，開展了有關(guān)左岸高邊坡深部裂縫形成機理、工程適宜性分析、邊坡穩(wěn)定性評價等方面的多項專題研究。在施工詳圖階段，成都院與成都理工大學(xué)再次聯(lián)合開展了“左岸深部裂縫發(fā)育特征” 研究工作，利用左岸的各種施工通道、廊道、排水洞及抗剪傳力洞等開挖，對深部裂縫的空間分布特征、工程地質(zhì)性狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，進(jìn)一步研究深部裂縫的空間展布規(guī)律及其成因機制，得出了與勘測設(shè)計階段一致的結(jié)論。壩區(qū)左岸深部裂縫是在左岸特定的高邊坡地形、地質(zhì)構(gòu)造、高地應(yīng)力環(huán)境和巖性組合條件下，伴隨河谷的快速下切過程，邊坡高應(yīng)力發(fā)生強烈釋放、分異、重分布，而在原有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面基礎(chǔ)上卸荷張裂所形成的一套邊坡深卸荷拉裂體系。

通過對深部裂縫的勘察、研究，準(zhǔn)確把握了其對大壩工程及左岸邊坡穩(wěn)定的不利影響，拱壩軸線選擇避開深部裂縫發(fā)育強烈區(qū)域，具備建高拱壩的地形地質(zhì)條件，為壩址和壩型比選提供了有力地質(zhì)依據(jù)。

3 河床及兩岸建基面選擇研究

河床壩基建基面高程的選擇直接關(guān)系到壩高，對拱壩體形、基礎(chǔ)處理的設(shè)計影響大。

電站地處高山峽谷地區(qū)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，通過大量的分析研究工作，首先確定了建基面選擇中應(yīng)遵循的原則。①河床壩基建基面：第一，應(yīng)盡量利用雜谷腦組第2段第3層大理巖中較完整的微新無卸荷的Ⅱ級和微風(fēng)化、弱卸荷的Ⅲ1級巖體；第二，鑒于河床應(yīng)力集中較高，建基面應(yīng)盡量遠(yuǎn)離河床谷底應(yīng)力集中帶(1 550 m高程以下)，減小高應(yīng)力對河床壩基開挖的影響。②兩岸壩基建基面：建基面可利用巖體的確定,應(yīng)充分考慮拱壩受力狀況，拱壩壩基中下部應(yīng)全部置于Ⅱ級或Ⅲ1級巖體之中，中上部應(yīng)盡可能置于Ⅲ1級巖體之中。

根據(jù)上述原則，確定的河床壩基建基面高程為1 580 m，避開了河谷地應(yīng)力集中區(qū)，合理的建基高程最大程度地減小了高地應(yīng)力對河床壩基開挖的不利影響，建基面物探檢測顯示，河床壩基開挖后地應(yīng)力集中造成的巖體松弛較弱。

考慮到左岸深部卸荷形成的深部裂縫巖帶分布深度大，在加強基礎(chǔ)處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)減少開挖深度，左岸平均挖深40～60 m，右岸平均挖深20～40 m。

經(jīng)過蓄水運行檢驗，壩體工作正常，說明最終確定的壩基建基面是合理的。

4 壩基巖體質(zhì)量評價

4.1 研究并建立了適合錦屏一級水電站工程地質(zhì)特點的壩基巖體質(zhì)量分類體系

錦屏一級水電站壩址區(qū)巖性層位多，既有堅硬的大理巖、變質(zhì)砂巖，又有相對軟弱的板巖和綠片巖，巖石組合較復(fù)雜；巖體內(nèi)層面、層間擠壓錯動帶、斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育；巖體賦存環(huán)境地應(yīng)力高；兩岸淺表部巖體受卸荷作用影響強烈，特別是左岸存在的深部裂縫等構(gòu)成了影響壩基巖體質(zhì)量的主要地質(zhì)要素。因此，在壩基巖體質(zhì)量分類時，首先以巖體所屬地層層位和巖石組合特征為基礎(chǔ)，同時考慮巖體結(jié)構(gòu)特征及卸荷作用影響程度，進(jìn)行基本工程地質(zhì)單元劃分和巖體質(zhì)量初步分級；其次對初分巖級與巖體力學(xué)試驗成果進(jìn)行相關(guān)分析，研究主要地質(zhì)因素與巖體力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性和規(guī)律性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行巖級的調(diào)整、歸納，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，建立了以“工程地質(zhì)巖組+巖體結(jié)構(gòu)特征+巖體緊密程度+深部裂縫”為要素的壩基巖體質(zhì)量綜合分級評價體系和標(biāo)準(zhǔn)。施工圖階段，通過拱壩建基面地質(zhì)編錄、多方法巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)查、巖體結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度的回彈試驗、補充原位承壓試驗、系統(tǒng)和針對性物探檢測等，對壩基巖體質(zhì)量綜合分級評價體系和標(biāo)準(zhǔn)做了進(jìn)一步完善，為客觀評價壩基巖體質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.2 開展系統(tǒng)檢測和隨機檢測相結(jié)合的多種定量測試

錦屏一級水電站拱壩壩基地質(zhì)缺陷發(fā)育，除貫穿壩基規(guī)模相對較大的順河向軟弱結(jié)構(gòu)面(右岸f13、f14、f18斷層及煌斑巖脈，左岸f2、f5、f8斷層)外，還有隨機分布的溶蝕裂隙帶、風(fēng)化綠片巖，特別是左岸拉裂松弛巖帶等軟弱巖體(巖帶)，對拱壩變形穩(wěn)定影響大。壩基左右岸、上下高程間的地質(zhì)條件差異較大，右岸壩基由較完整的大理巖構(gòu)成，而左岸壩基有較多的風(fēng)化卸荷拉裂的砂板巖巖體；右岸壩基中上部大理巖模量較高，而下部及其深部含較多綠片巖，模量較低；左岸中上高程壩基由砂板巖構(gòu)成，巖體普遍風(fēng)化卸荷拉裂，巖體完整性差，模量較低，而低高程壩基由新鮮大理巖構(gòu)成，模量較高。

為了查明建基面及建基面以里一定范圍的巖體質(zhì)量，科學(xué)評價巖體質(zhì)量和地質(zhì)缺陷，評價爆破開挖對巖體質(zhì)量的損傷，在壩基開挖前和開挖過程中開展了系統(tǒng)和隨機檢測相結(jié)合的多種定量測試，包括單孔、對穿孔聲波測試、鉆孔攝像、鉆孔彈模測試、壩面剛性承壓板測試以及壩基巖體長期聲波檢測。通過檢測和測試獲得了大量的實測資料，得到了各級巖體和各類地質(zhì)缺陷的定量化指標(biāo)，查明了開挖爆破對壩基巖體質(zhì)量的損傷，分析預(yù)測了壩基巖體卸荷松弛隨時間的變化趨勢，從而準(zhǔn)確地進(jìn)行了壩基巖體質(zhì)量分級分區(qū)評價，建立了壩基巖體質(zhì)量分布三維模型，實現(xiàn)了對壩基巖體質(zhì)量、地質(zhì)缺陷的科學(xué)評價。

4.3 多項新技術(shù)新方法應(yīng)用于壩基巖體質(zhì)量評價研究

在壩基地質(zhì)編錄中引進(jìn)三維激光掃描及內(nèi)置高清晰相機真彩取像技術(shù)，適時地獲得了壩基開挖后的建基面地形、地質(zhì)體真彩信息資料，建立起包括長度大于50 cm節(jié)理裂隙的壩基三維模型，從三維模型上完成建基巖體質(zhì)量分級分區(qū)評價、地質(zhì)缺陷圈定，為工程處理設(shè)計提供了詳實可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

在壩基巖體力學(xué)指標(biāo)檢測中引入了基于成都院科研所研制的建基面巖體變形快速檢測儀(YBKC-70)的壩面剛性承壓板試驗技術(shù)，克服了建基面不具備常規(guī)平洞的反力條件而無法進(jìn)行承壓板變模測試的困難，跟隨開挖進(jìn)度在壩基的每一開挖梯段均選擇代表部位(重點是低巖級巖體和地質(zhì)缺陷)進(jìn)行現(xiàn)場承壓板測試，并完成了配套聲波測試，共獲得了83組測試數(shù)據(jù)，復(fù)核驗證了可研階段建立的壩基巖體變模-波速關(guān)系(E0-Vp關(guān)系)。

4.4 壩基軟巖帶——綠片巖的性狀及其對壩基巖體質(zhì)量的影響研究

錦屏一級左岸壩基高程1 730 m以下、河床及右岸壩基全部由大理巖組成，隨機分布有不同規(guī)模、不同性狀的綠片巖。綠片巖性狀軟，對大壩變形穩(wěn)定有較大不利影響。

在前期勘察階段，調(diào)查研究表明左岸綠片巖以綠泥石片巖為主，順層發(fā)育、延伸較長；右岸綠片巖中微新的鈣質(zhì)綠片巖、大理片巖占62.5%，弱～強風(fēng)化的綠片巖占37.5%，多呈透鏡狀。施工詳圖設(shè)計階段，對建基面揭示的每一個綠片巖透鏡體(夾層)都進(jìn)行了仔細(xì)的地質(zhì)編錄，詳細(xì)劃分了綠片巖的風(fēng)化程度，分析了不同綠片巖的工程性狀、空間展布情況及其對壩基巖體質(zhì)量的影響；對其中規(guī)模較大的、性狀較差的綠片巖開展了聲波、鉆孔變模以及現(xiàn)場承壓板測試，獲得了極其寶貴的檢測資料。通過上述調(diào)查、分析、測試，對隨機分布的各類綠片巖對壩基巖體質(zhì)量的影響有了更為深入、系統(tǒng)的認(rèn)識：微新的鈣質(zhì)綠片巖、大理片巖對巖體質(zhì)量影響小，不單獨劃分巖級；微新的炭質(zhì)片巖和弱～強風(fēng)化的綠片巖性狀差，對巖體質(zhì)量影響大，單獨劃分了巖級，其中弱風(fēng)化的綠片巖劃為Ⅲ2級，強風(fēng)化的綠片巖及微新的炭質(zhì)片巖劃為Ⅳ級。研究成果為各類綠片巖的工程處理設(shè)計提供了有力的地質(zhì)依據(jù)。

4.5 低高程壩基開挖卸荷松弛研究

針對錦屏一級水電站壩區(qū)實測最大主應(yīng)力達(dá)40 MPa以上的情況，拱壩基坑開挖前和開挖過程中，高度重視高應(yīng)力可能引發(fā)的壩基巖體松弛破壞研究。

從低高程建基巖體分析，河床建基面選擇時就考慮了要遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)，河床建基巖體為微新、弱卸荷的Ⅲ1級巖體，河谷演化過程中已發(fā)生卸荷，應(yīng)力已釋放。綜合分析后預(yù)測基坑開挖后巖體發(fā)生大規(guī)模強烈卸荷松弛破壞的可能性較小。河床建基巖體采取了預(yù)留了保護(hù)層開挖等措施，開挖后即開始拱壩混凝土澆筑，建基面暴露的時間短，卸荷松弛深度僅2～5 m。

基坑開挖驗證了上述預(yù)測的準(zhǔn)確，保證了基坑開挖的順利完成。

5 高陡邊坡穩(wěn)定性研究

錦屏一級水電站樞紐區(qū)左右岸開挖邊坡均超過了300 m，特別是左岸邊坡，自然谷坡高陡，巖體卸荷強烈，發(fā)育有斷層、層間擠壓帶、深部裂縫，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。左岸開挖高達(dá)530 m，是當(dāng)時水電工程開挖高度最高、開挖規(guī)模最大、穩(wěn)定條件最差的工程邊坡之一，發(fā)育變形拉裂巖體及傾倒變形巖體，穩(wěn)定問題突出，在國內(nèi)外水電工程中十分罕見。從可研階段一直到施工圖階段，成都院開展了大量的勘探、試驗工作，并聯(lián)合多家科研院所共同對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了長期研究。

樞紐區(qū)左岸為反向坡，下部為較堅硬的大理巖，上部為砂板巖。邊坡穩(wěn)定條件復(fù)雜，中低高程大理巖巖體卸荷拉裂明顯，高高程砂板巖在卸荷松弛的基礎(chǔ)上又疊加了傾倒拉裂和蠕滑拉裂等變形，且受巖性、巖體結(jié)構(gòu)控制明顯，按變形破裂型式可分為卸荷拉裂、傾倒拉裂、蠕滑拉裂和變形拉裂巖體，穩(wěn)定性研究難度大。前期采用平洞結(jié)合鉆孔的勘探方法和專題研究，查清了自然岸坡已有變形破壞模式，通過數(shù)值模擬分析等研究了邊坡變形破壞機制，分析了邊坡在天然、暴雨、地震、雨霧等各種工況下的穩(wěn)定性。

施工開挖期繼續(xù)地質(zhì)資料的收集和檢測試驗工作，對關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深入研究，開展了砂板巖巖體及結(jié)構(gòu)面流變特性研究，巖體長期強度參數(shù)取值研究，高應(yīng)力強滲水條件下軟巖體、弱化效應(yīng)研究、動態(tài)反饋分析等。通過深化左岸復(fù)雜高邊坡地質(zhì)條件的認(rèn)識，優(yōu)化了設(shè)計方案，取得了顯著效益，邊坡降低開挖高度250 m，減少錨索3 500束，減少交通道路長約6 km，共計節(jié)約工程投資6.65億元，縮短工期2年，效益顯著。

6 高地應(yīng)力條件下地下廠房圍巖穩(wěn)定性研究

錦屏一級水電站主廠房水平埋深約110～300 m，垂直埋深約180～350 m。主廠房全長276.99 m，開挖跨度28.90 m，高度68.80 m。主變室位于主廠房下游，廠房和主變室之間的巖墻厚度為45 m，主變室尺寸為197.10 m×19.30 m×32.70 m(長×寬×高)。尾水調(diào)壓室采用“三機一室一洞”布置型式，設(shè)置兩個圓型調(diào)壓室，直徑(上室)分別為37.00 m、41.00 m。

地下廠區(qū)洞室群置于三疊系中上統(tǒng)雜谷腦組第2段大理巖內(nèi)，洞室密集，規(guī)模較大，斷層、煌斑巖脈等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，實測最高地應(yīng)力高達(dá)35.7 MPa，高地應(yīng)力是制約洞室圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵工程地質(zhì)技術(shù)問題。勘測設(shè)計階段開展了大量勘探、試驗、測試工作，查明了地下洞室區(qū)工程地質(zhì)條件和影響圍巖穩(wěn)定主要地質(zhì)問題，如高地應(yīng)力、地下涌水、局部穩(wěn)定問題等。開挖期又聯(lián)合中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、清華大學(xué)、四川大學(xué)等，針對廠房工程地質(zhì)條件、圍巖變形與穩(wěn)定問題開展了專題研究。

廠房三大洞室區(qū)進(jìn)行了較全面的地應(yīng)力測試，包括孔徑法和孔壁法。結(jié)果表明，地下廠區(qū)實測地應(yīng)力量級較大，最大主應(yīng)力20～37.5 MPa，屬高～極高地應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力方向為NW向，高地應(yīng)力對洞室穩(wěn)定影響大，而且錦屏一級地下洞室區(qū)除層面裂隙外主要結(jié)構(gòu)面多為陡傾角，方向不利時對洞室穩(wěn)定影響較大。

三大洞室軸向擬定時綜合考慮了以下幾個主要因素：①地下廠區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力σ1方向為N48.7°W，三大洞室軸向盡量與σ1平行；②主要結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢方向為N40°～60°E/NW∠15°～30°；N50°～70°E/SE∠50°～80°；③N50°～70°W/NE(SW)∠80°～90°；洞室軸向盡量與主要結(jié)構(gòu)面走向呈大角度相交。最終將三大洞室軸線方向確定為N65°W，與σ1夾角僅15°，與第①、②組結(jié)構(gòu)面夾角為70°～90°，最大程度地減輕了高地應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面的不利影響。

在地下洞室開挖過程中，除常規(guī)圍巖工程地質(zhì)分類進(jìn)行穩(wěn)定性評價外，還進(jìn)行了地下洞室圍巖二次應(yīng)力測試、系統(tǒng)聲波長觀測試、孔內(nèi)電視成像和圍巖變形監(jiān)測，開展了塊體穩(wěn)定分析，監(jiān)測反饋分析、二維反演分析與開挖支護(hù)模擬、三維數(shù)值仿真分析等，有效地指導(dǎo)了洞室開挖與支護(hù)動態(tài)設(shè)計和施工。

開挖期由于復(fù)雜的洞室結(jié)構(gòu)、超高地應(yīng)力、相對較低的巖石強度等因素的影響，廠房圍巖出現(xiàn)了較大的變形破壞現(xiàn)象。針對圍巖變形問題，及時開展了地下廠房洞室群圍巖變形破壞機理及加固措施專題研究，詳細(xì)調(diào)查了圍巖變形破壞情況，利用各種測試成果(長觀聲波測試、孔內(nèi)電視、CT成像、變形監(jiān)測等)，將圍巖卸荷松弛巖體分為坡壞區(qū)、強松弛區(qū)和弱松弛區(qū)，提出了每一分區(qū)的松弛巖體工程特性。進(jìn)行的圍巖變形機理分析認(rèn)為:高地應(yīng)力與相對較低巖體強度之間的矛盾是廠區(qū)圍巖變形破壞的根本原因，而洞室與地應(yīng)力主軸之間空間角度關(guān)系的不對稱性形成的“偏壓”是造成廠房洞室群破壞位置不對稱的主要原因。圍繞圍巖穩(wěn)定和支護(hù)設(shè)計問題，進(jìn)行深入的研究和分析，結(jié)合現(xiàn)場出現(xiàn)的圍巖破壞現(xiàn)象及破壞機理，針對性地進(jìn)行了局部加強支護(hù)，確保了圍巖穩(wěn)定。

錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期明顯呈現(xiàn)出高地應(yīng)力條件下圍巖變形與松弛的時效特征，這種圍巖時效力學(xué)行為超出已有工程的經(jīng)驗判斷，因此錦屏一級水電站地下廠房洞室群所總結(jié)出的地質(zhì)勘察經(jīng)驗，施工經(jīng)驗，設(shè)計理念，以及圍巖變形控制、加固等，對其他類似工程將具有重要的借鑒意義。

7 左岸抗力體地質(zhì)缺陷勘察

錦屏一級水電站工程高壩承受荷載大、壩體應(yīng)力量級高，拱壩、墊座建基面形態(tài)較為復(fù)雜，因而對壩基及抗力體的要求較高。左岸抗力體地質(zhì)條件復(fù)雜，軟弱巖帶較發(fā)育，針對左岸抗力體工程地質(zhì)條件，采用了混凝土墊座、軟弱巖帶混凝土網(wǎng)格(斜井、平洞)置換、抗剪傳力洞及固結(jié)灌漿等大量而復(fù)雜的工程處理。左岸抗力體的工程處理主要通過1 885 m、1 829 m、1 785 m、1 730 m、1 670 m高程5層洞室群進(jìn)行施工，各層洞室群主要由施工主通道、次通道、灌漿平洞、排水洞、抗剪傳力洞、斷層及煌斑巖脈置換網(wǎng)格等組成。

左岸抗力體范圍發(fā)育的主要地質(zhì)缺陷有f5、f8、f2斷層、煌斑巖脈(X)、層間擠壓錯動帶及一系列規(guī)模不等的卸荷張開裂縫或深部裂縫，屬Ⅳ2級、Ⅴ1級巖體，此外還有Ⅲ2級巖體，抗變形能力差，對壩體受力狀態(tài)和變形穩(wěn)定等均會產(chǎn)生較大不利影響。為了查明左岸抗力體范圍工程地質(zhì)條件，前期開展了大量地質(zhì)調(diào)查、勘探、巖體和結(jié)構(gòu)面測試、灌漿試驗等工作，對左岸抗力體地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)勘察和深入研究，獲得了大量工程地質(zhì)勘察資料和研究成果，并據(jù)此提出了合理的加固處理建議。施工詳圖階段利用左岸邊坡和抗力體內(nèi)基礎(chǔ)處理各類洞室開挖，以及大量的測試工作和監(jiān)測成果，對左岸抗力體變形及穩(wěn)定性又進(jìn)行了深入研究?；诘刭|(zhì)精細(xì)測量、Jv測量、RQD測量等現(xiàn)場調(diào)查成果，對5層基礎(chǔ)處理洞室?guī)r體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分段統(tǒng)計分析，給出了各段巖體特征指標(biāo)和各巖級巖體的空間分布特征，以及f5、f2斷層和煌斑巖脈的空間分布、分區(qū)性狀。為左岸基礎(chǔ)處理設(shè)計和施工提供了堅實的基礎(chǔ)資料。

8 組合混凝土骨料勘察

錦屏一級水電站混凝土工程共需成品骨料1 877萬t，約800萬m3，其中大壩混凝土骨料約510萬m3。由于電站壩址區(qū)附近天然砂礫石料匱乏，混凝土骨料采用人工骨料。

工程區(qū)附近出露地層主要為一套三疊系淺變質(zhì)巖，巖性以變質(zhì)砂巖和板巖為主，局部夾大理巖，近壩范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)堅硬的火成巖。從壩址附近出露的地層巖性分析，可作為人工骨料料源的僅有大理巖和變質(zhì)砂巖。此外，在壩址下游51 km的九龍河口一帶出露花崗巖，在大河灣東側(cè)錦屏二級工程區(qū)模薩溝一帶出露三疊系白山組大理巖，也作為大壩混凝土骨料進(jìn)行了補充調(diào)查。

經(jīng)調(diào)查，壩址附近三灘溝、蘭壩及松坪子大理巖料場均含有強度較低的粗晶大理巖及綠片巖，巖性均一性差，不能滿足大壩混凝土要求。模薩溝右岸分布的白山組大理巖儲量大，但原巖強度較低，且運距較遠(yuǎn)。三灘右岸大理巖料場巖石強度基本滿足人工骨料要求，儲量較大，開采運輸條件較優(yōu)越，但料場巖性均一性較差，占總量20%～30%的白色灰色中晶大理巖強度偏低，呈條帶狀或透鏡體狀分布于料場巖體中，開采時無法剔除，巖石強度總體偏低。九龍河花崗巖料場強度較高，滿足人工骨料質(zhì)量技術(shù)要求，儲量大，開采條件較好，但離壩址約51 km，運距較遠(yuǎn)。大奔流溝砂巖料場巖石強度較高，滿足人工骨料質(zhì)量技術(shù)要求，開采條件較差，有用層儲量約1 320萬m3，能滿足工程需要，距壩址約9 km，公路直達(dá)壩址，運輸方便，但存在潛在堿活性問題。

壩區(qū)附近沒有單獨一個料場質(zhì)量指標(biāo)能完全滿足特高拱壩混凝土骨料要求，經(jīng)過大量試驗、研究，最終選擇了大奔流砂巖粗骨料和三灘右岸大理巖細(xì)骨料的組合骨料做為大壩混凝土骨料，較好地適應(yīng)了錦屏一級特高拱壩對混凝土骨料的要求。

9 三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用

錦屏一級水電站工程利用成都院開發(fā)的“水電水利工程地質(zhì)三維數(shù)字化平臺”(GeoSmart)建立了完整的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)中心和地質(zhì)模型。項目首先由機載激光雷達(dá)形成高精度地形面，隨即將物探、鉆探、硐探、坑井、試驗、地質(zhì)編錄、激光掃描、數(shù)碼攝影等原始資料錄入到數(shù)據(jù)中心。然后基于數(shù)據(jù)開展地質(zhì)解析，進(jìn)行交互式工程地質(zhì)三維設(shè)計，形成含地質(zhì)屬性的三維模型和相關(guān)參數(shù)。除應(yīng)用于常規(guī)生產(chǎn)過程中與下游專業(yè)協(xié)同設(shè)計、數(shù)值分析、施工預(yù)報、輔助決策和二維出圖等方面外，還在研究和解決世界級重大工程問題分析中發(fā)揮了重要作用。

錦屏一級水電站地處西部深山峽谷區(qū)，壩基既有堅硬的大理巖、砂巖，又有軟弱的板巖、綠片巖，地層構(gòu)成多樣，兩岸斷層等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且左岸發(fā)育特有的寬張的“深部裂縫”。通過三維數(shù)字化分析與設(shè)計，客觀準(zhǔn)確地再現(xiàn)了工程區(qū)地質(zhì)條件，反映了錦屏的復(fù)雜工程地質(zhì)條件，為世界第一高拱壩設(shè)計和施工奠定了基礎(chǔ)。錦屏一級工程擁有高達(dá)500 m的陡峻邊坡，且發(fā)育大量斷層、層間擠壓帶、煌斑巖脈等軟弱結(jié)構(gòu)面，卸荷強烈，深部裂縫多達(dá)130條，最寬達(dá)150 cm，該邊坡的穩(wěn)定性分析及工程處理是世界級難題。利用三維數(shù)字平臺協(xié)助解決了錦屏一級500 m世界級高邊坡的一系列工程地質(zhì)問題，如利用三維平臺，準(zhǔn)確地再現(xiàn)了深部裂縫的空間位置和分布規(guī)律，以此為邊界條件，在三維條件下進(jìn)行了受力分析驗算和邊坡穩(wěn)定性分析，并據(jù)此進(jìn)行工程處理設(shè)計，水庫蓄水后的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，設(shè)計方案經(jīng)受住了時間的檢驗；錦屏一級地下廠房洞室群規(guī)模巨大，最大跨度達(dá)28.9 m，巖性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地應(yīng)力高，運用三維地質(zhì)模型，除完成洞室塊體穩(wěn)定分析，準(zhǔn)確預(yù)測斷層等不良地質(zhì)體在洞室分布位置外，更是對開挖后地應(yīng)力重分布、集中部位、量值等進(jìn)行了研究，找出了高地應(yīng)力條件下洞室圍巖變形破壞的分布規(guī)律、特征，為后期加強支護(hù)提供直接技術(shù)支撐；錦屏一級大壩現(xiàn)場施工涉及到高陡邊坡、深部裂縫等一系列復(fù)雜工程地質(zhì)問題，要求在施工期間及時開展地質(zhì)預(yù)測預(yù)報，并根據(jù)現(xiàn)場開挖情況隨時調(diào)整，出具設(shè)計方案，利用三維數(shù)字化平臺進(jìn)行現(xiàn)場編錄，及時、準(zhǔn)確地反映了現(xiàn)場地質(zhì)條件，為設(shè)計、施工、業(yè)主決策等提供了堅實的基礎(chǔ)資料。

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，對錦屏一級工程關(guān)鍵技術(shù)問題的解決、施工布置與進(jìn)度規(guī)劃、安全評價與現(xiàn)場管理發(fā)揮了指導(dǎo)性作用。數(shù)字化設(shè)計精準(zhǔn)、高效、豐富、直觀，應(yīng)用成效顯著，具有極高的推廣應(yīng)用價值。

10 結(jié) 語

錦屏一級水電站成功建成離不開大量工程地質(zhì)勘察和對重大工程地質(zhì)問題的深入研究。前期勘察階段完成了大量地質(zhì)調(diào)查、勘探、試驗和專題研究工作，施工詳圖階段又開展了地質(zhì)條件復(fù)核研究，補充開展了大壩建基巖體變形試驗、壩基巖體質(zhì)量和松弛檢測、地下廠區(qū)地應(yīng)力測試等，獲得了大量詳實的工程地質(zhì)資料。針對錦屏一級水電站工程地質(zhì)條件復(fù)雜特點，充分利用國內(nèi)科研院所的科研優(yōu)勢，聯(lián)合開展重大工程地質(zhì)問題專題研究，先后有19家國內(nèi)知名高等院校和科研單位，針對區(qū)域、水庫和樞紐區(qū)重大工程地質(zhì)問題開展了42項專題研究，取得了豐富的研究成果。通過上述大量地質(zhì)勘察和專題研究，查明了區(qū)域、水庫和水工建筑物布置區(qū)的工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題，為工程成功建成奠定了堅實基礎(chǔ)。

[1] 鞏滿福，廖榮貴，彭文楷，等. 四川省雅礱江干流水電規(guī)劃報告[R]. 成都：能源部、水利部成都勘測設(shè)計研究院，1992.

[2] 鞏滿福，楊靜熙，鄧衛(wèi)東，等. 四川省雅礱江錦屏一級水電站預(yù)可行性研究報告4 工程地質(zhì)[R]. 成都：國家電力公司成都勘測設(shè)計研究院，1998.

[3] 鞏滿福，鄭漢淮，楊靜熙，等. 四川省雅礱江錦屏一級水電站可行性研究報告3 工程地質(zhì)[R]. 成都：國家電力公司成都勘測設(shè)計研究院，2003.

[4] 楊靜熙，劉忠緒，舒建平，等. 雅礱江錦屏一級水電站樞紐工程竣工安全鑒定設(shè)計單位自檢報告第三分冊 工程地質(zhì)[R]. 成都：中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，2015.

2017-02-20

劉忠緒(1968-) ，男，河北元氏人，教授級高級工程師，從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。

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