國際水電工程地質(zhì)勘察實(shí)踐探討

彭森良，張東升，王富強(qiáng)

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引 言

目前，全球水資源開發(fā)利用程度尚不足50%，水電工程建設(shè)市場(chǎng)方興未艾，中國水電勘測(cè)設(shè)計(jì)占據(jù)市場(chǎng)份額已達(dá)50%以上。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10余年，中國電建集團(tuán)下屬各企業(yè)主要參與的國際水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)達(dá)120項(xiàng)左右[1]。中國企業(yè)參與國際水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作，在全球取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也為中國水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”戰(zhàn)略奠定了良好的基礎(chǔ)。在統(tǒng)計(jì)的近120個(gè)項(xiàng)目中，絕大多數(shù)需部分或全部適用國際標(biāo)準(zhǔn)。工程地質(zhì)勘察作為基礎(chǔ)性工作，在項(xiàng)目磨合階段就需要把工作成果提交給國際咨詢團(tuán)隊(duì)，但常常由于中外標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)知差異導(dǎo)致工程地質(zhì)勘察成果審批進(jìn)度較慢，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度和成本控制造成了一定影響[2]。

為減少中外標(biāo)準(zhǔn)差異造成的溝通障礙，本文在總結(jié)中外水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)研究、中國水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”之工程測(cè)量與地質(zhì)勘察研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者實(shí)際負(fù)責(zé)的數(shù)個(gè)國外水電工程實(shí)踐，嘗試研究國內(nèi)外水電行業(yè)在地震參數(shù)選擇、壩基巖體力學(xué)參數(shù)確定、邊坡穩(wěn)定分析、洞室圍巖分類及支護(hù)建議等方面的認(rèn)知差異，并分析差異形成的主要原因，以期探討中國地質(zhì)工程師加快與國際咨詢團(tuán)隊(duì)的溝通和認(rèn)知理解的應(yīng)對(duì)措施，拋磚引玉，可供業(yè)內(nèi)人士探討。

1 地震參數(shù)

1.1 抗震設(shè)計(jì)體系及設(shè)防目標(biāo)

中國對(duì)甲類設(shè)防的壅水建筑物采用設(shè)計(jì)和校核地震兩級(jí)設(shè)防，其他水工建筑物采用設(shè)計(jì)地震設(shè)防，大壩及主要建筑物在設(shè)計(jì)地震工況下滿足“可修復(fù)”的要求，在校核地震工況下滿足“不潰壩”的要求[3]。

國際大壩學(xué)會(huì)148號(hào)公告[4]推薦，采用運(yùn)行基本地震(OBE)和安全評(píng)估地震(SEE)兩級(jí)設(shè)防。在運(yùn)行基本地震工況下，控制標(biāo)準(zhǔn)為“只有輕微的大壩等建筑物損壞是可以接受的，大壩、附屬建筑物及設(shè)備在震后可保持設(shè)計(jì)功能且已發(fā)生的損壞容易修復(fù)”；在安全評(píng)估地震工況下，控制標(biāo)準(zhǔn)為“庫水下泄必須受控，對(duì)于涉及大壩安全的關(guān)鍵部位(如底孔或溢洪道閘門)，建議采用安全評(píng)估地震，同時(shí)也取決于實(shí)際情況(如大壩的重要性和潰壩的后果等)”。

美國、意大利、奧地利、俄羅斯、新西蘭、日本、老撾等國家與我國類似，采用兩級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；加拿大、英國、羅馬尼亞、瑞士等國則對(duì)大壩進(jìn)行分類后，采用“分類設(shè)防”的一級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1.2 地震安評(píng)工作程序及方法

按相關(guān)規(guī)定，國內(nèi)的地震安評(píng)工作由有資質(zhì)的安評(píng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)，工作成果由中國地震局或省級(jí)及以下地震主管部門審批。國外的地震安評(píng)工作一般由科研機(jī)構(gòu)完成，具體的審查工作程序不甚統(tǒng)一，一般無政府部門的專門審查程序。

國內(nèi)地震安全性評(píng)價(jià)工作主要包括區(qū)域與近場(chǎng)區(qū)地震活動(dòng)環(huán)境評(píng)價(jià)、區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境評(píng)價(jià)、近場(chǎng)區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境評(píng)價(jià)、場(chǎng)址區(qū)斷裂活動(dòng)性鑒定、場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性概率分析、場(chǎng)址地震動(dòng)參數(shù)確定(地震動(dòng)峰值加速度和標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜)和場(chǎng)地地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)等內(nèi)容。國際上地震安全性評(píng)價(jià)工作一般包括已有研究成果收集、區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境評(píng)價(jià)、歷史地震數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、地震構(gòu)造模型構(gòu)建、地震動(dòng)參數(shù)的確定(地震動(dòng)峰值加速度和特定場(chǎng)地反應(yīng)譜)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、最大可信地震評(píng)價(jià)、地震動(dòng)時(shí)程的確定等。國內(nèi)外開展地震安全性評(píng)價(jià)工作的流程、方法、總體思路和場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度值的計(jì)算方法基本類似，國內(nèi)一般強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作的重要性，在地震安評(píng)工作中一般根據(jù)規(guī)范給定標(biāo)準(zhǔn)譜，特定的場(chǎng)地譜需另行專門研究。國際上則以室內(nèi)工作為主，但除了給出場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度值外，一般還給出特定的場(chǎng)地譜、地震動(dòng)時(shí)程等。

1.3 地震參數(shù)選取

中國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑物級(jí)別設(shè)定甲、乙、丙、丁4個(gè)抗震設(shè)防類別，開展了專門的場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)的工程場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)，甲類設(shè)防的壅水和重要泄水建筑物應(yīng)取100 a超越概率2%，甲類設(shè)防的1級(jí)非壅水建筑物應(yīng)取100 a超越概率5%，其他非甲類水工建筑物應(yīng)取100 a超越概率10%，但不應(yīng)低于區(qū)劃圖相應(yīng)的地震動(dòng)水平加速度分區(qū)值。其中，甲類水工建筑物還應(yīng)專門論證在最大可信地震MCE條件下不發(fā)生庫水失控下泄災(zāi)變，最大可信地震MCE按照確定性方法取值或取概率性方法的100 a超越概率1%相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)。

國際大壩學(xué)會(huì)148號(hào)公告規(guī)定，運(yùn)行基本地震(OBE)由概率性計(jì)算方法得出，在多數(shù)情況下是采用最少145 a歷史重現(xiàn)期(100 a超越概率50%)，也有部分站點(diǎn)采用475 a歷史重現(xiàn)期(50 a超越概率10%)。安全評(píng)估地震(SEE)時(shí)，根據(jù)大壩壩高、庫容、下游影響人口及潰壩后的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響，對(duì)大壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)分后分為極高、高、中、低4個(gè)等級(jí)，詳見表1[6-7]。

表1 國際大壩學(xué)會(huì)72號(hào)公告推薦的潰壩風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

國際大壩學(xué)會(huì)148號(hào)公告中還規(guī)定，滿足下列條件之一時(shí)視為大壩：①壩高大于15 m；②壩長大于500 m；③庫容超過100萬m3；④泄水建筑物泄水能力超過2 000 m3/s。對(duì)于大壩，安全評(píng)估地震(SEE)的確定方法如下。

(1)潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“高”和“極高”時(shí)，安全評(píng)估地震(SEE)應(yīng)為最大可信地震(MCE)的84%分位值，并不低于10 000 a一遇地震概率水平，應(yīng)開展詳細(xì)的地震效應(yīng)分析，包括地震動(dòng)時(shí)程等。

(2)潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“中”時(shí)，安全評(píng)估地震(SEE)應(yīng)為最大可信地震(MCE)的50%～84%分位值，并不低于3 000 a一遇地震概率水平，可僅利用地震動(dòng)峰值加速度和地震反應(yīng)譜開展地震效應(yīng)分析。

(3)潰壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“低”時(shí)，安全評(píng)估地震(SEE)應(yīng)為最大可信地震(MCE)的50%分位值，并不低于1 000 a一遇地震概率水平，可僅利用地震動(dòng)峰值加速度和地震反應(yīng)譜周期開展地震效應(yīng)分析。

除英國標(biāo)準(zhǔn)明顯高于國際大壩學(xué)會(huì)公告規(guī)定的取值標(biāo)準(zhǔn)外，其他大多數(shù)國家的取值均等同或低于國際大壩學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，在沒有特殊規(guī)定的情況下，發(fā)展中國家一般選擇參照國際大壩學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 壩基巖體力學(xué)參數(shù)

2.1 認(rèn)知來源差異

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，我國大中型水電工程開展了大量現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)，經(jīng)總結(jié)后形成經(jīng)驗(yàn)值列入了規(guī)范[8-12]，此后按此設(shè)計(jì)的水電工程運(yùn)行期未見明顯的壩基抗滑穩(wěn)定問題。盡管規(guī)范規(guī)定這套參數(shù)僅適用于規(guī)劃和預(yù)可研等最初設(shè)計(jì)階段的壩高大于70 m的硬巖壩基，但受現(xiàn)場(chǎng)條件或工期進(jìn)度等要求限制，中、小型國際工程一般不具備開展壩基原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的條件，多根據(jù)工程類比采用這套參數(shù)。

20世紀(jì)60年代至70年代，西方發(fā)達(dá)國家相關(guān)總結(jié)多源于室內(nèi)巖體三軸試驗(yàn)[13-14]。隨著水電工程建設(shè)趨緩，考慮到任何原位試驗(yàn)都不能完全模擬壩基抗滑穩(wěn)定問題[15]，且原位試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力，西方學(xué)者傾向于通過現(xiàn)場(chǎng)觀察、量測(cè)和描述對(duì)巖體質(zhì)量開展半定量評(píng)價(jià)后，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。其中，對(duì)西方地質(zhì)工程師影響較大的是巴頓等提出的節(jié)理化巖體的抗剪強(qiáng)度取值方法，以及霍克等提出的霍克-布朗準(zhǔn)則，尤其是后者，近年來對(duì)國外工程地質(zhì)學(xué)者和地質(zhì)工程師影響較為深遠(yuǎn)[16-23]。2013年，霍克等[24]對(duì)巖體質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)打分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步量化說明，公式為

GSI=1.5Jcond89+RQD/2

(1)

式中，GSI為巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jcond89為基于比列夫斯基體系的結(jié)構(gòu)面評(píng)分；RQD為巖體完整性指標(biāo)。取得巖體質(zhì)量指標(biāo)GSI后，結(jié)合巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖性結(jié)構(gòu)指標(biāo)、開挖擾動(dòng)系數(shù)，可依據(jù)特定公式計(jì)算得出巖體的抗剪斷強(qiáng)度和變形模量。

2.2 試驗(yàn)體系差異

2.2.1 試驗(yàn)方法及步驟

中國規(guī)范中的數(shù)據(jù)樣本絕大多數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)，以多點(diǎn)平推法或多點(diǎn)斜推法為主，輔以極少量的室內(nèi)巖體中剪試驗(yàn)。對(duì)于壩基直剪試驗(yàn)，美國文獻(xiàn)一般采用的是單點(diǎn)法進(jìn)行?；艨?布朗(H-B)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)樣本則是以室內(nèi)三軸試驗(yàn)為主，少量現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)為輔，相應(yīng)的霍克-布朗準(zhǔn)則與摩爾-庫侖(M-C)準(zhǔn)則之間進(jìn)行擬合時(shí)也是在模擬三軸試驗(yàn)的最大主應(yīng)力σ1與最小主應(yīng)力σ3之間的關(guān)系后，反算巖體黏聚力c′值和內(nèi)摩擦角φ′值。中外標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和步驟對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。

2.2.2 試驗(yàn)成果整理

中國規(guī)范對(duì)抗剪斷強(qiáng)度的規(guī)定為[25]，采用概率分布的0.2分位值、峰值強(qiáng)度的小值平均值或優(yōu)定斜率法的下限作為標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)際執(zhí)行中多采用最小二乘法得到的強(qiáng)度參數(shù)概率分布的0.2分位值和峰值強(qiáng)度的小值平均值，很少選用優(yōu)定斜率法。國外學(xué)者普遍認(rèn)為，當(dāng)巖體質(zhì)量偏好時(shí)，巖體與混凝上之間的接觸面一般不是控制面，可以采用混凝土本身的指標(biāo)：摩擦系數(shù)取1.0，黏聚力值取0.1倍混凝上抗壓強(qiáng)度。歐洲學(xué)術(shù)界[26]也認(rèn)為，混凝土與基巖接觸面并非主要的破壞面，巖體強(qiáng)度偏好時(shí)混凝土的膠結(jié)強(qiáng)度是有效的，巖體強(qiáng)度偏差時(shí)，通常的破壞面是沿著軟弱基巖內(nèi)的天然結(jié)構(gòu)面而不是壩基面。國外一般要求開展9次以上巖體直剪試驗(yàn)，采用優(yōu)定斜率法取值，并按剪應(yīng)力-正應(yīng)力(τ-σ)關(guān)系散點(diǎn)圖的下界限確定。如果是室內(nèi)中剪試驗(yàn)，還要考慮尺寸效應(yīng)的影響。美國陸軍工程師團(tuán)規(guī)范[27]認(rèn)為，黏聚力值還需折減50%左右，巖體的內(nèi)摩擦角取為剪應(yīng)力-正應(yīng)力(τ-σ)關(guān)系散點(diǎn)圖的下界限傾角。霍克教授建議黏聚力取值折減至75%，并將這一觀點(diǎn)引入至巖體抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式中。對(duì)中外標(biāo)準(zhǔn)抗剪試驗(yàn)成果進(jìn)行整理，對(duì)比分析結(jié)果見圖1。

圖1 中外標(biāo)準(zhǔn)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果對(duì)比分析

中國規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)面凸起或膠結(jié)充填物被剪斷時(shí)，采用峰值強(qiáng)度的小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；結(jié)構(gòu)面呈摩擦破壞時(shí)，采用比例極限強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值，并根據(jù)結(jié)構(gòu)面充填狀態(tài)給出了相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。國外一般對(duì)硬性結(jié)構(gòu)面借助回彈儀開展現(xiàn)場(chǎng)簡易試驗(yàn)，結(jié)合巴頓-邦迪斯理論得出抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)；對(duì)軟質(zhì)結(jié)構(gòu)面參考填充物質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)成果確定。

2.3 原因分析

2.3.1 壩基應(yīng)力環(huán)境

除了少部分由于壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要深挖基坑的基礎(chǔ)外，直剪試驗(yàn)的應(yīng)力環(huán)境與壩基的應(yīng)力環(huán)境更為契合。霍克-布朗準(zhǔn)則所依據(jù)三軸試驗(yàn)是考慮了圍壓應(yīng)力環(huán)境的，并不適用于壩基巖體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)的求解。然而，部分國際工程無開展現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)的條件，而國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)和美國標(biāo)準(zhǔn)中均未將試驗(yàn)成果的參數(shù)體系總結(jié)列入規(guī)范。短期內(nèi)，國際地質(zhì)工程師較難認(rèn)可我國規(guī)范中的參數(shù)體系。

2.3.2 壩基表層抗滑穩(wěn)定破壞機(jī)理

中國標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，壩基表層滑動(dòng)發(fā)生在混凝土與基巖接觸面，并沒有明確具體破壞部位，有相應(yīng)的配套試驗(yàn)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)于Ⅲ類偏差及以下巖體來說，接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值與巖體參數(shù)基本一致；當(dāng)壩基巖體為Ⅲ類偏好及以上時(shí)，混凝土與基巖接觸面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)小于巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。國外也有部分學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)壩基巖體質(zhì)量偏好時(shí)，黏聚力值直接取0.1倍混凝土抗壓強(qiáng)度這點(diǎn)是值得商榷的，中國工程師基于大量試驗(yàn)成果總結(jié)認(rèn)為這一簡化方法偏于冒進(jìn)，工程實(shí)踐中應(yīng)特別注意這一問題。

2.3.3 試驗(yàn)成果參數(shù)整理

國外學(xué)者一般采用優(yōu)定斜率法的下限截距作為黏聚力值，基于室內(nèi)試驗(yàn)的成果需對(duì)黏聚力值折減50%左右，取下限斜率作為摩擦系數(shù)取值。中國規(guī)范一般基于現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)成果，采用最小二乘法擬合后的峰值強(qiáng)度小值平均值，黏聚力值和摩擦系數(shù)同時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)折減。2種取值方法的差異一定程度上造成了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)黏聚力和摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值理解出現(xiàn)較大偏差。

2.3.4 專業(yè)銜接

壩基表層抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)涉及試驗(yàn)、地質(zhì)、水工3個(gè)專業(yè)相關(guān)規(guī)范的協(xié)調(diào)。經(jīng)對(duì)比分析[28]，在各個(gè)專業(yè)充分協(xié)調(diào)規(guī)范的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壩基表層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的綜合評(píng)價(jià)誤差較小，基本可控制在5%內(nèi)。

3 邊坡穩(wěn)定性

總體上，國內(nèi)外對(duì)邊坡穩(wěn)定分析的思路和方法差異不大，主要的差異如下：

(1)國外邊坡穩(wěn)定分析常以霍克-布朗準(zhǔn)則下的參數(shù)體系為基礎(chǔ)，適用于三軸應(yīng)力環(huán)境求解，目前國內(nèi)很多邊坡穩(wěn)定分析時(shí)采用中國的壩基巖體直剪試驗(yàn)成果進(jìn)行求解是不合理的。對(duì)于邊坡穩(wěn)定問題，采用霍克-布朗準(zhǔn)則得到的巖體黏聚力和摩擦系數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行反演分析和穩(wěn)定計(jì)算是比較合理的方法。

(2)巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理研究是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算的基礎(chǔ)，很多變形破壞形式并不適用于邊坡的圓弧形滑動(dòng)或折線形滑動(dòng)，需要采用三維有限元等數(shù)值模擬方法進(jìn)行定性分析。相比于國際水電咨詢機(jī)構(gòu)執(zhí)著于定量分析的做法，這是我國水電行業(yè)比較務(wù)實(shí)的設(shè)計(jì)理念。

(3)邊坡穩(wěn)定分析與支護(hù)措施施工方法是相匹配的，如國外工程一般要求錨桿外露部分設(shè)置墊片，這也是在相應(yīng)的計(jì)算軟件設(shè)置時(shí)予以考慮的。盡管墊片的實(shí)際作用尚需探討，但類似問題應(yīng)是邊坡穩(wěn)定量化分析工作中不可忽略的。

4 洞室圍巖穩(wěn)定

4.1 圍巖分類及初期支護(hù)建議

GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄L中，從巖塊強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面性狀、主要結(jié)構(gòu)面與洞身交切關(guān)系及地下水狀態(tài)幾個(gè)方面進(jìn)行圍巖分類，與巖體地質(zhì)力學(xué)分類法(RMR)基本一致，增加了圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的概念。國際上普遍認(rèn)為，需采用至少2種圍巖分類方法，常用的分類方法包括巖體地質(zhì)力學(xué)分類法(RMR)、巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)法(Q)及巖體地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)法(RMi)等。

(1)巖體地質(zhì)力學(xué)分類法(RMR)由比列夫斯基[29]在1973年提出，先后經(jīng)歷了多次修訂，至1989年形成體系，共包括巖塊強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面性狀、地下水狀態(tài)及主要結(jié)構(gòu)面與洞身交切關(guān)系等5項(xiàng)打分，總分由各項(xiàng)相加得到，并針對(duì)洞徑10 m的隧洞按照圍巖分類推薦了相應(yīng)的開挖和支護(hù)方式。這是目前應(yīng)用最為廣泛的一種隧洞圍巖分類方法，但也存在一定的局限性，如未考慮地應(yīng)力大于25 MPa的情況，以及斷層或軟弱帶、地下洞室開挖體型結(jié)構(gòu)、膨脹類巖石等特殊巖性對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。

(2)巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)法(Q)由挪威工程地質(zhì)局巴頓[30-31]在1974年提出，公式如下

Q=(RQD×Ja×Jw)/(Jn×Jr×SRF)

(2)

式中，Q為巖體質(zhì)量評(píng)分；RQD為巖體完整性評(píng)分；Jn為主要節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理面粗糙度打分；Ja為節(jié)理面蝕變打分；Jw為地下水狀態(tài)打分；SRF為地應(yīng)力狀態(tài)打分。巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)法(Q)同時(shí)引進(jìn)了開挖支護(hù)比(ESR)的概念，與巖體質(zhì)量分值一起考慮，確定圍巖支護(hù)參數(shù)。帕爾姆斯特羅姆和布羅基提出[32-33]，巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)法(Q)只適用于Q=0.1～40且開挖洞徑D=2.5～30 m之間的隧洞，存在斷層、軟弱帶和膨脹類巖石以及可能巖爆、塑性變形的地下洞室中應(yīng)慎用。

(3)巖體地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)法(RMi)由帕爾姆斯特羅姆提出，該方法部分輸入?yún)?shù)與巖體質(zhì)量分類系統(tǒng)法(Q)類似，需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開挖圍巖進(jìn)行更多的觀察、量測(cè)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算工作，在www.rockmass.net上可下載巖體地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)和對(duì)應(yīng)支護(hù)措施的電子計(jì)算表格，考慮了巖塊強(qiáng)度、統(tǒng)計(jì)樣本體積和直徑、統(tǒng)計(jì)樣本內(nèi)的結(jié)構(gòu)面粗糙度、結(jié)構(gòu)面蝕變程度、結(jié)構(gòu)面延伸長度、主要結(jié)構(gòu)面組數(shù)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，以及地下水狀態(tài)、地應(yīng)力狀態(tài)、軟弱帶厚度等一系列因素作為計(jì)算的基礎(chǔ)。針對(duì)塊狀巖體、節(jié)理化巖體、軟弱帶、高地應(yīng)力等情況都設(shè)置了特定的計(jì)算公式。統(tǒng)計(jì)過程中，需要利用巖體質(zhì)量指標(biāo)(GSI)的打分方法，對(duì)支護(hù)方式，如錨桿或錨索的長度、間距等，可在特定公式計(jì)算后通過專門的表格查詢得出。雖然巖體地質(zhì)力學(xué)指標(biāo)法考慮的因素較為全面，但對(duì)于存在軟弱帶、高地應(yīng)力、塑性變形、膨脹巖類的洞室圍巖仍需慎用，也未考慮膨脹巖類的情況。

綜上，上述3種方法的支護(hù)方式均是基于鉆爆法施工，對(duì)出現(xiàn)膨脹巖類、塑性變形、超高地應(yīng)力等更復(fù)雜的圍巖地質(zhì)條件需單獨(dú)考慮。帕爾姆斯特羅姆提出了將3種方法統(tǒng)一應(yīng)用到一項(xiàng)工作中的表格，但需要系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，工作量較大。

4.2 圍巖水力劈裂

國內(nèi)習(xí)慣采用挪威準(zhǔn)則進(jìn)行有壓隧洞抗水力劈裂設(shè)計(jì)，即隧洞有效覆蓋厚度不應(yīng)小于隧洞內(nèi)水水頭的1.3～1.5倍[34]，對(duì)高壓隧洞需適用最小地應(yīng)力準(zhǔn)則，詳見圖2。圖2中，στ為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力；σn為優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面切向應(yīng)力；D為有壓隧洞最小覆蓋厚度；hw為水頭；α為有壓隧洞傍山側(cè)地表坡度；θ為單組控制性結(jié)構(gòu)面傾角。部分國際咨詢工程師對(duì)有壓隧洞的選線在初期一般選擇最小主應(yīng)力準(zhǔn)則，無論是否為高壓隧洞，要求圍巖最小地應(yīng)力應(yīng)大于內(nèi)水壓力，并有1.2～1.3倍的安全系數(shù)。按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如無地應(yīng)力測(cè)試成果支撐，最小地應(yīng)力值一般取巖體自重的0.3倍，要求線路布置的隧洞埋深需有足夠的安全余度。筆者認(rèn)為，控制水力劈裂的關(guān)鍵因素是巖體中的結(jié)構(gòu)面。

圖2 簡化水力劈裂準(zhǔn)則示意

在滿足滲透穩(wěn)定要求的前提下，對(duì)于傍山有壓隧洞單組結(jié)構(gòu)面控制下的巖體最小覆蓋厚度取值，可按下式計(jì)算

(3)

式中，γw為水的容重；λ為安全系數(shù)；γR為巖體容重；μ為巖體泊松比。在無試驗(yàn)資料的情況下，基于上述公式可將最小主應(yīng)力估算值提高到0.5倍自重應(yīng)力左右；與按照0.3倍自重應(yīng)力控制相比，有壓隧洞線路布置考慮垂直和側(cè)向埋深時(shí)可一定程度上節(jié)約工程投資。

5 對(duì)策措施探討

國際咨詢工程師關(guān)注工程地質(zhì)分析的理論基礎(chǔ)和原始資料，主要包括巖體的野外觀察、量測(cè)、統(tǒng)計(jì)、簡易試驗(yàn)和巖土體地質(zhì)參數(shù)的確定過程。在國際工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，筆者初步提出應(yīng)對(duì)措施如下，供業(yè)內(nèi)人士探討。

(1)利用國際組織間的協(xié)調(diào)機(jī)制，爭取建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)機(jī)制。

(2)加強(qiáng)專業(yè)英語運(yùn)用能力的學(xué)習(xí)，積極在國際重量級(jí)期刊上發(fā)表相關(guān)論文。

(3)加強(qiáng)巖體力學(xué)基礎(chǔ)理論及上下序?qū)I(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，掌握國際工程師習(xí)慣的巖體質(zhì)量半定量評(píng)估的工作方法，熟悉巖體抗剪(斷)強(qiáng)度、承載力、變形模量、圍巖單位彈性抗力系數(shù)之間的推導(dǎo)關(guān)系。

(4)普及國際大壩學(xué)會(huì)關(guān)于地震參數(shù)選擇的相關(guān)公告建議，熟悉工程所在國對(duì)地震參數(shù)選擇的規(guī)定和習(xí)慣做法，同時(shí)在國際工程中倡導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與理論分析相結(jié)合的地震安全性評(píng)價(jià)方法。

(5)將中國壩基原位直剪試驗(yàn)成果進(jìn)行總結(jié)，在重量級(jí)國際工程期刊上發(fā)表相關(guān)論文，逐步改變目前國際上壩基抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)硬套霍克-布朗準(zhǔn)則與摩爾-庫倫準(zhǔn)則強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的不合適做法。借鑒巖體質(zhì)量指標(biāo)(GSI)打分系統(tǒng)思路，總結(jié)中國上千組直剪試驗(yàn)成果，建立適合的巖體結(jié)構(gòu)面打分系統(tǒng)和經(jīng)驗(yàn)公式，并逐步在國際上推廣。

(6)總結(jié)國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的地質(zhì)模型構(gòu)建、變形機(jī)制分析、失穩(wěn)模式分析、穩(wěn)定性分析及計(jì)算流程成果，積極在國際重量級(jí)學(xué)術(shù)論文上發(fā)表，邊坡巖體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取值應(yīng)盡量避免直接套用直剪試驗(yàn)成果經(jīng)驗(yàn)值，可借鑒霍克-布朗準(zhǔn)則反算摩爾-庫倫準(zhǔn)則下的黏聚力值和內(nèi)摩擦角值，確定抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)值。

(7)嘗試在國內(nèi)推廣3種或2種圍巖分類并行的辦法，通過更精細(xì)化的圍巖分類方法提供詳細(xì)的支護(hù)措施建議。同時(shí)，借鑒國內(nèi)多個(gè)工程，對(duì)特殊地質(zhì)洞段采用單獨(dú)分段研究圍巖分類和支護(hù)措施的辦法，查缺補(bǔ)漏。針對(duì)目前3種常用方法，對(duì)膨脹巖類、塑性變形、超高地應(yīng)力等復(fù)雜圍巖分類問題提出實(shí)用性分類方法。

6 結(jié) 語

中外水電工程地質(zhì)勘察行業(yè)的技術(shù)交流在20世紀(jì)80年代左右相對(duì)較多，當(dāng)時(shí)正處于發(fā)達(dá)國家水電大開發(fā)的尾聲，西方國家工程經(jīng)驗(yàn)豐富且理論基礎(chǔ)扎實(shí)的工程師的技術(shù)理論在國內(nèi)得到了較好的推廣。隨著發(fā)達(dá)國家水電工程市場(chǎng)的萎縮，中國水電工程開發(fā)速度逐漸加快，中國工程師在實(shí)踐中形成了大量的工程經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，為水電大開發(fā)的快速實(shí)施提供了有利保障，而發(fā)達(dá)國家的工程師則在有限實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)條件下夯實(shí)了理論基礎(chǔ)。因此，中外地質(zhì)工程師在關(guān)鍵技術(shù)問題上的溝通障礙，歸根結(jié)底還是工程實(shí)踐和基礎(chǔ)理論認(rèn)知關(guān)注度上的差異。

勘測(cè)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是在工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立勘測(cè)設(shè)計(jì)理論，盡管在不同專業(yè)存在細(xì)節(jié)規(guī)定上的差異，但經(jīng)各專業(yè)之間充分協(xié)調(diào)后，設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)，僅少量安全控制標(biāo)準(zhǔn)在不同國家存在差異。因此，充分掌握國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)理論體系和工作思路的差異，積極參與重量級(jí)國際工程技術(shù)論壇，逐步提高中國標(biāo)準(zhǔn)的影響力，是解決目前國際工程地質(zhì)勘察面臨的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的有效手段。