徐 建 閩

新疆某工程擬采用拱壩方案，其最大壩高240 m。作為壩高在150 m 以上超高拱壩，要求前期地勘工作全面、詳實(shí)，主要的工程地質(zhì)問(wèn)題與評(píng)價(jià)，將直接影響壩型、壩址選定，對(duì)工程建設(shè)周期和投資均有決定性的影響。筆者組織并親歷了該項(xiàng)目從項(xiàng)建、可研、初設(shè)以及招（投）標(biāo)等不同階段的地勘工作，回顧以往，經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)并存，現(xiàn)采擷點(diǎn)滴，供諸位同行參考，不當(dāng)或偏頗之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

1 前期地勘工作布置

對(duì)于壩高在150 m 以上的超高拱壩，除嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范中的要求與規(guī)定以外，在前期地勘工作布置與策劃中，以下幾方面值得重視。

1.1 平洞開(kāi)挖與布置

平洞開(kāi)挖對(duì)于拱壩前期地勘工作的重要性不言而喻，一定數(shù)量的平洞開(kāi)挖是分析和論證拱壩壩基巖體質(zhì)量與建基面選擇、拱座抗力體抗滑穩(wěn)定性分析、壩址區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的必要保障。

高拱壩兩岸壩肩應(yīng)采用以洞探為主、鉆探為輔的方法，壩肩每隔30～50 m 高差應(yīng)布置一層平洞。壩高150 m 以上的高拱壩壩址平洞深度不宜小于200 m?？沽w部位應(yīng)布置專(zhuān)門(mén)勘探工程。此外，單就一個(gè)壩址或壩線(xiàn)而言，順河方向也應(yīng)在兩岸拱肩槽以及下游抗力體部位布設(shè)3～4 條縱向勘探剖面，其間距同樣為30～50 m。

1.2 巖石（體）試驗(yàn)

試驗(yàn)成果應(yīng)代表工程巖體分級(jí)中的某一級(jí)（類(lèi)）巖體，使其具有可推廣性；又必須指征工程建筑物的關(guān)鍵部位，其試驗(yàn)成果能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)計(jì)算的要求。鑒于此，在取樣或選取試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)做好相應(yīng)的地質(zhì)觀察與描述。對(duì)于多裂隙巖體，在試樣或試點(diǎn)的選定以及對(duì)試件尺寸的設(shè)計(jì)中，要充分考慮巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

試驗(yàn)條件方面，應(yīng)盡量與工程巖體的地質(zhì)環(huán)境相似。一般而言，地應(yīng)力和巖體自重條件，可通過(guò)對(duì)試件施加一定的圍壓和軸向壓力來(lái)模擬；應(yīng)根據(jù)工程巖體的實(shí)際情況，考慮試樣處在浸水、飽水或一定含水率狀態(tài)下，以表征地下水的作用。

試件的荷載條件，應(yīng)根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征以及工程建筑物的布置特點(diǎn)和不同工況加以模擬，使得試驗(yàn)指標(biāo)盡可能地反映工程巖體在建筑物特定的附加荷載作用下的力學(xué)特性。

試驗(yàn)成果整理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，要注意對(duì)異常數(shù)據(jù)的梳理和篩選。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)成果，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)的巖體工程特性進(jìn)行逐點(diǎn)分析和鑒別，這樣才能正確引用試驗(yàn)成果。

1.3 專(zhuān)題研究與項(xiàng)目考察

對(duì)于特大型、超規(guī)范項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合工程布置與壩型選擇，及早安排與國(guó)內(nèi)一流的科研單位或大學(xué)院校合作，開(kāi)展諸如壩址區(qū)及附近場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、壩基巖體工程特性與建基面選擇、壩基（肩）抗滑穩(wěn)定性、壩址邊坡穩(wěn)定性、壩基巖體水文地質(zhì)特性與滲流場(chǎng)分析等課題的專(zhuān)題研究工作，及時(shí)引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)理念和計(jì)算手段，指導(dǎo)勘察工作方向，同時(shí)提高項(xiàng)目人員的技術(shù)水平。

除了“請(qǐng)進(jìn)來(lái)”，還需要“走出去”。所謂百聞不如一見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)已建或在建的超大型項(xiàng)目成批涌現(xiàn)，應(yīng)結(jié)合工程勘察設(shè)計(jì)需要，選擇類(lèi)似或相近的工程項(xiàng)目，前往項(xiàng)目建設(shè)實(shí)地考察和學(xué)習(xí)，借鑒和參考先進(jìn)的技術(shù)理念和手段，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，減免工作失誤，提高工作效率。

2 壩基巖體質(zhì)量分級(jí)

影響壩基巖體質(zhì)量的因素主要是巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)和賦存條件。具體到某一工程，應(yīng)針對(duì)場(chǎng)區(qū)特定的巖石類(lèi)型、巖體結(jié)構(gòu)特征，以及風(fēng)化卸荷、地下水活動(dòng)、巖溶發(fā)育特征和地應(yīng)力場(chǎng)等巖體賦存條件，結(jié)合上述因素對(duì)壩基巖體質(zhì)量的影響程度，做有針對(duì)性的規(guī)定，這樣才能彰顯壩基巖體質(zhì)量分級(jí)的工程意義。

目前國(guó)內(nèi)外常用巖體質(zhì)量分級(jí)方法中，BQ、GSI 兩種方法側(cè)重反映巖體基本質(zhì)量，RMR、[BQ]、HC 等方法則綜合反映了工程巖體質(zhì)量。不同巖體質(zhì)量分級(jí)方法對(duì)同一巖體的分級(jí)結(jié)果通常具有較好的一致性。相對(duì)而言，GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄V“壩基巖體工程地質(zhì)分類(lèi)”（HC），以定性分析為主、定量指標(biāo)為輔，同時(shí)參考巖體聲波波速、完整性系數(shù)Kv以及鉆孔R(shí)QD 等定量指標(biāo)，綜合評(píng)判巖體質(zhì)量分級(jí)，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

3 大壩建基面選擇

拱壩拱端荷載和應(yīng)力分布狀態(tài)是拱壩建基面選擇的基礎(chǔ)。一般而言，拱壩可按壩高30%、40%、30%的比例分為低高程、中高程和高高程3 個(gè)高度分區(qū)。根據(jù)拱梁分載計(jì)算結(jié)果，在高高程部位兩岸拱端推力較小，在中高程拱端推力最大，在低高程拱端推力較大，也即，拱壩承受的水推荷載主要集中在中、低高程。

基于以上分析，為保證壩體結(jié)構(gòu)具有較好的壩基適應(yīng)能力，壩基巖體變形模量須大于大壩混凝土變形模量的1/3 以上；同時(shí)，為避免巖體軟硬突變?cè)斐勺冃螀f(xié)調(diào)引起應(yīng)力重分布、繼而使拱壩壩基產(chǎn)生局部應(yīng)力集中并發(fā)生屈服破壞，同岸相鄰高程的壩基變形模量之比不應(yīng)大于2.0。

縱觀國(guó)內(nèi)外已建或在建高拱壩的建基巖體利用情況可知，除溪洛渡拱壩外，其余拱壩均選擇了Ⅱ級(jí)巖體作為超高拱壩的建基巖體，表明Ⅱ級(jí)巖體作為建基巖體具有普遍的認(rèn)同度和豐富的成功工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。Ⅲ類(lèi)巖體的利用一般是在拱端推力不大的中高程和高高程，如構(gòu)皮灘、錦屏Ⅰ級(jí)、二灘、拉西瓦、大崗山等均在中高程、高高程利用或部分利用了Ⅲ1、Ⅲ2級(jí)巖體作為建基巖體；溪洛渡拱壩甚至直接將建基巖體選擇為Ⅲ1級(jí)巖體，并在上部利用Ⅲ2級(jí)巖體。

在確保工程安全的前提下，合理地選擇和利用Ⅲ1級(jí)巖體，甚至Ⅲ2級(jí)巖體，直接關(guān)系到超高拱壩安全和經(jīng)濟(jì)合理性。

4 拱肩抗滑穩(wěn)定分析

拱壩通過(guò)拱的作用將庫(kù)水荷載傳遞到兩岸壩肩巖體，拱壩抗力體即是拱座下游側(cè)抵抗拱壩向下游滑動(dòng)的巖體。在拱壩抗力體中，通常有兩類(lèi)結(jié)構(gòu)面對(duì)壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定性影響最大：一是平緩的軟弱夾層、緩傾角斷裂以及緩傾角節(jié)理密集帶等，易構(gòu)成潛在的平緩滑移控制面（底滑面）；二是大體平行或小角度斜交岸坡的各類(lèi)陡傾角結(jié)構(gòu)面和深部卸荷裂隙，往往成為側(cè)向滑移控制面（側(cè)滑面）或切割面。

前期勘察工作中，應(yīng)重點(diǎn)研究抗力體內(nèi)潛在的底滑面、側(cè)滑（裂）面及其連通率。對(duì)兩岸巖體發(fā)育的緩傾角和與河流大致平行或小角度斜交的中陡傾角斷層帶、軟弱夾層、長(zhǎng)大節(jié)理密集帶、蝕變巖脈、長(zhǎng)大卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面，需特別重視，應(yīng)采取有效的勘察方法，查明其空間展布、性狀特征及其組合構(gòu)成的滑移塊體；當(dāng)隨機(jī)分布的不連續(xù)面組合構(gòu)成滑移塊體邊界時(shí)，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查控制性節(jié)理裂隙組的發(fā)育規(guī)律、間距、延伸長(zhǎng)度、性狀和連通率。

對(duì)于拱肩巖體抗滑穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，若巖體沒(méi)有滑出空間，即便具備其它條件也難以發(fā)生滑移。壩址下游沖溝、河流急彎、岸坡突出段等均可構(gòu)成橫向臨空面，此外，巖體中的橫向斷裂破碎帶、軟弱夾層或潛伏溶洞等，也可起臨空面作用。在選址勘察工作中，應(yīng)加以重視。

5 邊坡穩(wěn)定分析

對(duì)應(yīng)于邊坡巖（土）體不同的物質(zhì)組成、地層結(jié)構(gòu)、工程特性以及結(jié)構(gòu)面空間展布規(guī)律，邊坡巖（土）體的破壞機(jī)理亦有不同，因此，庫(kù)壩區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析的首要工作，是結(jié)合邊坡巖性組合與微地貌發(fā)育特征，對(duì)庫(kù)壩區(qū)兩岸邊坡進(jìn)行分區(qū)分類(lèi)。

與拱肩抗滑穩(wěn)定邊界條件類(lèi)似，對(duì)于巖質(zhì)邊坡，通常也有兩類(lèi)結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡巖體抗滑穩(wěn)定性的影響最大：一是平緩的軟弱夾層、緩傾角斷裂以及緩傾角節(jié)理密集帶等，易構(gòu)成潛在的平緩滑移控制面（底滑面）；二是大體平行或小角度斜交岸坡的各類(lèi)陡傾角結(jié)構(gòu)面和深部卸荷裂隙，它們往往成為側(cè)向滑移控制面（側(cè)滑面）或切割面。同樣地，前期勘察工作中，應(yīng)重點(diǎn)研究巖質(zhì)邊坡內(nèi)潛在的底滑面、側(cè)滑（裂）面及其連通率。

超高拱壩項(xiàng)目一般地處高山峽谷區(qū)，拱肩槽以及纜機(jī)平臺(tái)開(kāi)挖、引水隧洞或發(fā)電洞進(jìn)出口、地面廠(chǎng)房后邊坡等，均可能出現(xiàn)較大規(guī)模的工程開(kāi)挖邊坡。在以上部位，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注較大規(guī)模的定位結(jié)構(gòu)面以及次一級(jí)隨機(jī)結(jié)構(gòu)面與開(kāi)挖坡面的空間組合方式、注重地應(yīng)力場(chǎng)和地下水滲流的不利影響。

6 壩基防滲控制

拱壩壩基滲流場(chǎng)特性研究和滲控方案設(shè)計(jì)，是高拱壩勘察設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的工程問(wèn)題之一。壩基宏觀滲流特性主要取決于巖體的風(fēng)化程度、裂隙的發(fā)育情況、巖體的滲透和滲透變形特性等。由于巖體的非均勻性和各向異性，造成其滲透性高度非線(xiàn)性，使得滲流場(chǎng)的特性大為復(fù)雜化。

對(duì)于超高壩壩基滲流場(chǎng)的研究，首先，應(yīng)通過(guò)對(duì)壩址區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的分析和研究，查明壩址區(qū)地下水的基本類(lèi)型以及地下水徑流、補(bǔ)給、排泄條件；其次，對(duì)壩基巖體進(jìn)行滲透性分級(jí)，劃分含水層（透水層）與相對(duì)隔水層，同時(shí)查明含水層（透水層）與相對(duì)隔水層的厚度、埋深和分布特征；再者，通過(guò)地下水長(zhǎng)期觀測(cè)，查明地下水的水位、水頭（水壓）及動(dòng)態(tài)變化等。在以上工作的基礎(chǔ)上，確定壩基巖體滲流場(chǎng)計(jì)算邊界，繼而模擬、分析和計(jì)算初始滲流場(chǎng)，計(jì)算滲透變形、壩基滲漏量和繞壩滲漏量，重點(diǎn)勘察可能導(dǎo)致壩基（肩）強(qiáng)烈漏水和滲透變形破壞的集中滲漏帶等，為防滲工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

7 節(jié)理連通率計(jì)算

大量工程實(shí)踐表明，當(dāng)巖體在外力作用下發(fā)生滑移破壞時(shí)，其滑裂面通常并非是一個(gè)理想的平面，而是由節(jié)理與巖橋共同組成的一個(gè)復(fù)雜的起伏面。因此，在進(jìn)行巖體滑移邊界條件的分析研究中，節(jié)理連通率對(duì)巖體綜合抗剪強(qiáng)度的確定十分重要和敏感。

對(duì)于中高壩而言，節(jié)理連通率計(jì)算通常采用帶寬投影法。采用帶寬投影法計(jì)算節(jié)理連通率時(shí)，需注意以下幾方面：

（1）結(jié)構(gòu)面在基準(zhǔn)面上的投影有重疊現(xiàn)象是常見(jiàn)的，重疊部分的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體破壞貢獻(xiàn)并不因重疊的越多而貢獻(xiàn)越大。因此，應(yīng)將重疊的部分剔除掉，這是需要特別注意的。

（2）從帶寬投影計(jì)算方法可以看出，隨投影寬度的增加，連通率相應(yīng)增大，最終將趨近于1。根據(jù)薛果夫等的研究成果，當(dāng)投影寬度小于節(jié)理平均間距時(shí)，隨投影寬度的增加，連通率快速增大，在平均間距附近曲線(xiàn)存在曲率變化；顯然，小于節(jié)理間距的投影寬度是不合適的。從節(jié)理裂隙發(fā)育的一般規(guī)律講，節(jié)理平均間距大于2 m 的情況已經(jīng)比較少見(jiàn)，因此，投影寬度多采取2 m 或節(jié)理平均間距。

（3）帶寬范圍內(nèi)哪些節(jié)理參加投影計(jì)算，最常見(jiàn)的做法是只考慮某一特定方向單一組別的節(jié)理（一般是某一優(yōu)勢(shì)方向）參加投影計(jì)算，相對(duì)而言，得到的連通率可能偏小。例如，某一地段選定方向的節(jié)理不發(fā)育，但存在與剪切面夾角不大的其它節(jié)理，這些節(jié)理可能會(huì)連通鄰近的結(jié)構(gòu)面，構(gòu)成破壞路徑。

近年來(lái)，在巖體結(jié)構(gòu)面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬的基礎(chǔ)上，把連通率的計(jì)算與巖橋的破壞機(jī)理、剪切破壞的方向以及剪切帶的寬度等主要因素緊密的聯(lián)系起來(lái)，將連通率的求解歸結(jié)為在結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖中尋找具有最小抗剪能力的巖橋、節(jié)理組合破壞路徑的問(wèn)題，在一定程度上克服了傳統(tǒng)連通率計(jì)算方法的局限性。經(jīng)比較，網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)Ⅱ類(lèi)巖體節(jié)理連通率的計(jì)算結(jié)果與帶寬投影法相近，Ⅳ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)巖體計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏大，在最終推定節(jié)理連通率時(shí)應(yīng)注意這種系統(tǒng)差異。

8 三維地質(zhì)建模

三維協(xié)同設(shè)計(jì)被譽(yù)為CAD 之后工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次革命，它代表了最新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的設(shè)計(jì)水平，已成為當(dāng)今工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的潮流和趨勢(shì)，在水利水電工程建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是三維地質(zhì)建模。眾所周知，水利水電工程場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)條件變化無(wú)常，傳統(tǒng)的二位解譯圖件（剖面或平切圖），往往難以全面詳實(shí)地表達(dá)出來(lái)。通過(guò)三維地質(zhì)建模，可以較為客觀詳實(shí)地反映或表達(dá)水利水電工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體的空間分布以及對(duì)工程建筑物的影響，極大地提高工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的質(zhì)量和效率。

9 加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)間協(xié)調(diào)與聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于超高拱壩項(xiàng)目，前期勘察設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，壩線(xiàn)比選、工程總體布置、大壩體型設(shè)計(jì)（包括大壩建基面選定以及兩岸拱端嵌深）、引水發(fā)電系統(tǒng)布設(shè)、纜機(jī)平臺(tái)布置等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，無(wú)一不與壩址區(qū)地形地質(zhì)條件密切相關(guān)。因此，加強(qiáng)地質(zhì)、水工、施工等專(zhuān)業(yè)間的協(xié)調(diào)與聯(lián)動(dòng)，是十分必要的。