水電工程勘測技術的創(chuàng)新與實踐

張世殊, 冉從彥

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

水電工程勘測技術的創(chuàng)新與實踐

張世殊, 冉從彥

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

隨著水電開發(fā)向川西、西藏等地區(qū)“西進”，越來越多、越來越復雜的工程地質問題擺在了水電勘測設計工作者面前。如:水電工程開口線外危巖體、傾倒變形體、超深厚細顆粒覆蓋層筑壩以及高地應力條件下地下洞室群大變形等。另外，在這些地區(qū)開展高精度地形圖測繪、基巖或覆蓋層深孔鉆探施工以及TBM施工條件下的地質超前預測預報等勘測和地質工作都面臨著新的挑戰(zhàn)。近年來，成都院結合工程實際，依托相關科研，聯合國內知名機構積極開展科研和技術攻關，成功地解決了諸多技術難題，并逐漸形成了一系列新的成套技術，為上述地區(qū)水電開發(fā)提供了堅實的技術支撐。

工程勘測；創(chuàng)新；信息一體化

0 前 言

我國西南地區(qū)水能蘊藏豐富。其中，四川和西藏地區(qū)水力資源尤為豐富。四川境內共有大小河流1 000多條，居全國之冠，境內河流主要有岷江、大渡河、雅礱江、金沙江等，水能蘊藏量達1.43億kW，約占全國的五分之一。西藏有河流356條，全區(qū)水力資源理論蘊藏量占全國的29%，居全國第一位。主要河流有雅魯藏布江、怒江、瀾滄江、金沙江等，是全國乃至世界少有的水力資源“富礦”[1]。

四川西部和西藏地區(qū)山高谷深，地形條件十分復雜，許多地區(qū)海拔較高、終年積雪，或是森林覆蓋、人跡罕至。在該地區(qū)開展地形圖測繪、勘探施工等工程勘測活動難度極大。該地區(qū)還是印度洋板塊和歐亞板塊的碰撞結合地帶，地質背景十分復雜。在這些地區(qū)建設水電工程，除面臨著高地震烈度帶來的區(qū)域構造穩(wěn)定、開挖高邊坡穩(wěn)定等常規(guī)工程地質問題外，由于環(huán)境地質條件復雜、生態(tài)脆弱，還面臨著工程邊坡外高懸的危巖體威脅、巖質邊坡傾倒變形、河床超深厚覆蓋層勘察評價、高地應力條件下洞室群大變形與穩(wěn)定控制等工程地質問題。

近年來，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司(以下簡稱“成都院”)以成功勘測設計的數十個巨型、大型水電工程為依托，圍繞上述問題，聯合國內外科研院校和企業(yè)，以相關科技攻關項目為途徑，系統(tǒng)開展研究和實踐，成功地解決了該地區(qū)眾多勘測技術難題，總結和形成了多項成套勘測技術，為我國水電工程地質勘察水平的鞏固和發(fā)展做出積極貢獻。

1 工程地質

1.1 危巖體勘察技術

該項技術主要以成都院勘測設計的溪洛渡、錦屏一級、雙江口(見圖1)、猴子巖、長河壩、大崗山、黃金坪等水電工程以及我國西部高寒山區(qū)、“汶川5.12”地震災區(qū)大量危巖體為研究對象(見圖2)，以危巖體勘察和典型危巖體調查為基礎，以危巖體發(fā)育形成條件及影響因素研究為線索，深入剖析既有研究成果，提出邊坡危巖發(fā)生的地質模型，建立系統(tǒng)的危巖體破壞發(fā)育的過程機理模式，進行物理模擬和數值模擬，構建危巖失穩(wěn)的地質力學模型。遵循調查方法—形成機制—結構特征—變形破壞機理—穩(wěn)定性評價—危險性評價—防治對策—危巖體監(jiān)測和預報的基本技術途徑，引入三維巖體激光掃描技術進行危巖體調查，研究危巖體形成的影響因素、分類、分布特征及變形失穩(wěn)機制；探討危巖體的穩(wěn)定性評價體系和危害性評價體系；探究滾石運動特征，進而建立危巖體危險性評價體系；研究危巖體監(jiān)測方法，探究危巖體預測預報體系；在危巖體特征研究基礎上，建立危巖體防治體系。為危巖體穩(wěn)定性評價及災害防治提供理論依據和技術支持。

本項技術研究成果提出了深切峽谷區(qū)環(huán)境邊坡危巖體調查評價理論體系與工程防治技術方法，具有重要的理論與應用價值，研究成果總體上達到了國際領先水平。根據該項研究成果，成都院目前已完成能源行業(yè)技術標準《水電工程環(huán)境邊坡危巖體工程地質勘察技術規(guī)程》的編制工作。

圖1 雙江口壩區(qū)左岸邊坡27號危巖體

圖2 汶川地震滾石堵塞隧道洞口

1.2 傾倒變形巖體勘察技術

該項技術研究主要依托錦屏一級電站水庫、獅子坪電站水庫、拉西瓦電站水庫以及小灣、毛爾蓋、黃登、苗尾及雅礱江上游梯級水電站等工程，以反傾、順向大型(巨型)傾倒變形體為研究對象，通過開展傾倒變形體的系統(tǒng)研究，預期取得以下成果：

(1)通過高精度無人機與長距離激光掃描技術，結合不同精度多層次的測繪獲得傾倒變形體時空分布特征，建立起傾倒體識別技術(見圖3);

(2)利用常規(guī)與新型勘察技術評價傾倒巖體物理力學特征;

(3)結合大型離心機物理模擬技術與多種數值模擬方法揭示庫水位、地震動與開挖條件下的傾倒變形體發(fā)展演化機制;

(4)評價傾倒變形巖體的工程可利用性;

(5)結合傾倒變形體變形監(jiān)測技術反饋分析研究成果，提供適宜的預警模型。

目前，該項技術研究進展順利，已完成傾倒變形體地質力學模型的建立，初步揭示了庫水位及地震動與開挖條件下傾倒變形體的發(fā)展演化機制，完成了大型離心機試驗等，發(fā)表了一批高水平論文、專利等研究成果。

對傾倒變形巖體進行系統(tǒng)的工程地質研究，不僅可以在大型傾倒體勘察、試驗技術上做出創(chuàng)新，而且也期望在大型傾倒體變形破壞時空特征、穩(wěn)定性評價方面取得進展，本項技術研究具有較大的工程意義、經濟意義和理論意義。

圖3 典型傾倒變形巖體

1.3 雙護盾TBM施工超前地質預測預報

近年來，成都院依托西藏派墨農村公路多雄拉隧道等相關工程TBM施工，通過TBM施工現場全方位跟蹤配合，結合相關科技工作，不斷摸索總結，逐步研究建立起一套水電工程隧洞TBM施工條件下超前地質預測預報的工作體系。主要包括以下兩部分工作內容:

(1)研究適用于雙護盾或開敞式兩大類TBM施工條件下的隧洞洞壁地質素描、聲波測試、現場力學試驗、TBM巖渣分析等方法;

(2)開展超前地質預測預報，在宏觀地質分析判斷的指導下，針對性地選用諸如：HSP、TSP、TRT、微震監(jiān)測、激發(fā)極化、超前鉆探等探測手段。

目前，成都院已初步摸索和形成了一套TBM施工條件下的地質資料收集方法體系，編制了相關作業(yè)指導書，并在多個工程實踐，反響良好。

通過加大科研投入，與科研院所緊密合作，逐步建立起了一套TBM施工地質超前預測預報工作方法體系。尤其是針對雙護盾TBM施工條件下，洞室全封閉施工、巖壁暴露極少，地質工程師難以準確判斷和預測隧洞地質條件的難題，總結和摸索出了一套雙護盾TBM施工條件下地質超前預測預報方法，經派墨公路多雄拉隧道工程實踐，預報準確性高，工程適宜性較好。

1.4 河床超深厚覆蓋層勘察評價技術

現代河床中普遍堆積厚達數十米甚至數百米的深厚覆蓋層。覆蓋層一般分布規(guī)律性差、組成和結構變化大(見圖4)，勘測過程中難以取得深部覆蓋層原狀樣，直接或間接影響對深厚覆蓋層物理力學性質的準確評價。近年來，成都院依托“深厚覆蓋層建高土石壩地基處理關鍵技術”科技項目，以大渡河瀑布溝、雙江口、長河壩、猴子巖、黃金坪水電站以及雅魯藏布江相關水電工程實踐，成功解決了該項技術難題。

(1)基于大量深基坑現場原位試驗，開展了深厚覆蓋層現場及室內物理力學參數試驗對比研究，總結了各主要物理力學參數的變化規(guī)律，提出了物理力學參數經驗公式，較好地解決了深部覆蓋層取樣及試驗失真的問題;

(2)提出了深部覆蓋層工程地質評價原則;

(3)總結了深厚覆蓋層下不同類型壩基土體利用規(guī)律及利用原則。

目前，上述方法已經在諸多水電工程得到實踐應用，如在深厚覆蓋層上已建成瀑布溝、長河壩、猴子巖、黃金坪等水電站并相繼投產發(fā)電，正在覆蓋層上建設的雙江口水電站為世界第一高壩，該項技術為優(yōu)化工程方案、節(jié)省工程投資做出了巨大貢獻。

圖4 某工程開挖基坑深部漂卵礫石

1.5 高地應力條件下地下洞室群大變形與穩(wěn)定性評價技術

近年來，成都院依托錦屏一級、官地、猴子巖、大崗山等水電站地下廠房洞室群的勘測、設計、施工開展技術攻關和工程應用研究，通過全面系統(tǒng)的工程調研總結，開展了大型地下洞室群圍巖力學特性、巖體結構和巖體質量評價、地應力場分布特征、圍巖失穩(wěn)破壞及大變形特征和機理、洞群合理布置研究、開挖支護設計方法、圍巖變形控制標準等一系列問題研究，取得了系列創(chuàng)新性研究成果。

(1)揭示了西部水電工程地應力場分布特征與二次應力場變化規(guī)律;

(2)揭示了硬脆性巖石宏觀力學特性與微細觀破裂機理;

(3)提出了高地應力條件下地下洞室群圍巖開挖損傷區(qū)EDZ的判別標準;

(4)對高地應力劃分標準及地下洞室圍巖分級方法進行了改進;

(5)提出了高地應力條件下圍巖變形特征與變形級別劃分標準;

(6)提出了不同強度應力比條件下洞群圍巖變形破壞模式與機制。

該項研究豐富和發(fā)展了地下空間圍巖穩(wěn)定機理和分析方法、安全控制理論和措施等方面的理論體系，并為水電工程大型地下洞群的設計、建設提供指導，有力地促進了我國巖石力學與工程理論與實踐的發(fā)展。

1.6 水庫塌岸

近年來，隨著一大批水電站蓄水發(fā)電，水庫塌岸問題已經成為西南水電開發(fā)中的重要地質問題之一。水庫塌岸研究評價是工程地質、環(huán)境地質研究的熱點領域，水庫塌岸勘察研究多是建立在調查、類比分析基礎上的，難點是塌岸范圍預測，其理論研究和技術手段既不完善，亦不成熟。

成都院依托已運行的西南山區(qū) 10 多個典型河道型水庫(雅礱江二灘、白龍江寶珠寺、岷江紫坪鋪、雜古腦河獅子坪、瀾滄江漫灣和大朝山、南盤江天生橋一級、寶興河磽磧、火溪河水牛家、大渡河瀑布溝、長江三峽等水庫)，通過現場地質調查測繪、勘探、試驗和分析總結，開展了水庫塌岸岸坡地質結構、庫水對岸坡作用、水庫塌岸影響因素、水庫塌岸機制與模式、水庫坍岸預測參數和水庫塌岸預測方法等方面研究。建立了一套比較完整、科學的山區(qū)河流水庫塌岸工程地質勘察評價和預測體系，以利于解決水電水利工程建設中水庫塌岸的工程地質和環(huán)境地質問題，可為山區(qū)河流水庫塌岸預測與防治提供決策依據。

該項技術研究首次提出的“水庫岸坡地質結構調查→塌岸影響因素分析→塌岸機制、模式研究→塌岸預測參數選取→塌岸評價和預測系統(tǒng)”的研究思路和方法，在磽磧、獅子坪、水牛家、瀑布溝、瀘定等水庫塌岸評價預測中得到了運用，取得了較好的效果，極大豐富了水庫工程地質、環(huán)境地質評價體系。

2 工程勘察

2.1 600 m級復雜覆蓋層鉆探技術

目前，國內外工程地質界孔深超過400 m松散細顆粒超深覆蓋層取芯鉆進成功案例及相關研究較為稀少。一般來說，深度400 m及以上超深復雜覆蓋層鉆探防斜措施和工藝存在較大難度，孔深超過200 m時，細顆粒的松散地層護壁堵漏效果難以滿足要求,需要分子量更大、結構強度更高、水化性能更好的沖洗液處理劑。

近年來，成都院以大渡河流域以及雅魯藏布江流域水電工程為依托，結合相關科技項目，開展了深厚覆蓋層鉆探技術的研究工作，成功解決了上述技術難題，并形成了多套成熟鉆探技術。

2.1.1 研究內容

超深復雜覆蓋層鉆探設備與機具暨成孔配套技術研究：

(1)超深復雜覆蓋層鉆探成孔配套技術;

(2)優(yōu)化設備、機具的配套改進與研發(fā);

(3)完善鉆探機具的配套工作;

(4)孔深200 m水下爆破跟管技術。

超深復雜覆蓋層鉆孔孔斜控制技術研究與應用：

(1)編制了防斜技術手冊;

(2)研制出糾斜器具、糾斜施工工藝。

超深復雜覆蓋層鉆孔護壁堵漏技術研究：

(1)研制出新型高分子結構聚合物處理劑、高效表面活性防卡潤滑劑，形成新型高效復合型沖洗液體系;

(2)沖洗液隨鉆堵漏技術研究：研制出一種能夠快速形成具有一定強度、能夠承受孔內壓力的高強度堵漏劑。形成適宜于超深復雜覆蓋層的高效復合型沖洗液體系。開展超深復雜覆蓋層護壁與堵漏工藝技術現場試驗與應用。

2.1.2 取得成果

(1)引進渦輪增壓柴油機，將鉆機動力設備的功率提高38%；研制了適宜于野外作業(yè)條件的多缸同步拔管機，最大起拔套管深度達320 m；研制了孔內深水爆破器，最大跟管深度達300余米；編制了“超深復雜覆蓋層鉆探操作細則”；研制出了“新型雙滑塊連續(xù)造斜器”、“造斜鉆頭”、“小頂角定向儀”等器具。

(2)研發(fā)了新型高分子結構聚合物GXS-1、新型表面活性防卡潤滑劑GRL-1、高強度復合堵漏GDJ等材料。形成了一套適宜于高海拔、高寒地區(qū)超深復雜覆蓋層鉆探技術。

(3)“孔內深水爆破器”、“多缸同步拔管機”、“小頂角定向儀”及“雙滑塊造斜器”等四項已申請并獲取國家專利。

2.1.3 應用情況

在西藏某水電工程，完成河床覆蓋層鉆孔8個，總進尺3 790 m。鉆孔中覆蓋層深度最淺的為371.6 m，最深的為567.6 m，各鉆孔巖心采取率達95%以上(見圖5)。

圖5 西藏某工程河床以下560 m覆蓋層取芯照片

2.2 基巖深孔勘探施工技術

西藏某工程要求實施鉆進深度為650 m，并在孔內開展水壓致裂法地應力測試、高壓壓水試驗、物探綜合測井、水位長觀等工作，對成孔要求質量較高。目前，我國水電工程界基巖勘探鉆孔深度多在300 m以內，深度超過600 m的鉆孔沒有成熟的經驗可循，為完成該孔的施工，公司成立技術攻關組，在深孔壓水試驗、鉆孔孔斜控制等方面采用了多項創(chuàng)新技術成果，成功地實施了該孔，滿足了相關試驗和測試的要求。

該孔采用XY-1000型地質回轉鉆機鉆進，采用Φ200 mm開孔，終孔口徑Φ110 mm。上部破碎基巖段和軟弱夾層采用植物膠作為沖洗液，完整基巖段采用清水鉆進。取芯鉆具采取單動雙管金剛石長鉆具，取芯鉆頭采用鋸齒狀唇面金剛石鉆頭。鉆進過程中每50 m校正孔深一次，校正方式采用鉆桿量測方式；采用KXP-3D遙控數字羅盤測斜儀測斜。校正孔深無誤差，孔斜符合規(guī)范要求?？變雀黝愒囼灳匆笸瓿?，試驗數據真實可靠。

該孔最大回次進尺達到5 m，最大完整巖心長度3 m(見圖6)，該孔巖心采取率達到97%以上。完成常規(guī)壓水試驗40余段，最深孔段500 m；完成水壓致裂法10余個點、最深孔段640 m；完成全景成像648.8 m。

在深孔段進行壓水試驗時，由于孔內水柱壓力太大，常規(guī)頂壓式栓塞無法滿足止水要求，起拔十分困難，達不到壓水試驗要求；在嘗試氣囊式栓塞時，發(fā)現氣囊易受深水壓力變形而摩擦孔壁損壞，最終采用水囊式栓塞有效解決了該問題。

通過該基巖深孔的實施，成都院成功地掌握了西藏高海拔地區(qū)基巖超深鉆孔的整套成孔技術，有力地配合了地質、物探、試驗等相關專業(yè)工作的開

圖6 西藏某工程600 m深度基巖取芯照片

展，為該地區(qū)后續(xù)更大深度的鉆孔實施奠定了堅實基礎。

3 機載激光對地觀測技術

成都院主要在西南高山峽谷區(qū)開展水電工程規(guī)劃及前期勘察工作，對該地區(qū)的地形圖測繪難度較大。該區(qū)域峽谷深、海拔高，山頂與河谷間落差大、植被茂密，采用人工實測或常規(guī)的航空攝影測量均會出現無法直接獲得地表測繪數據而達不到用戶精度要求。而機載激光數據采集技術是采用具有穿透力極強的激光束測量，這樣就避免了大面積區(qū)域無法獲取地表測繪數據的現象。

機載激光數據采集技術是以飛機為搭載平臺，通過激光掃描儀發(fā)射激光束來獲取地面三維坐標的技術，獲取高精度的數字高程模型(DEM)、數字正射影像圖(DOM)，成功解決了如何高效獲取高山峽谷、植被茂密、通行困難、氣象復雜等地區(qū)的高精度測繪資料的技術難題。

4 工程地質信息一體化系統(tǒng)研究

近年來，成都院與天津大學等高校緊密合作，致力于工程地質信息一體化的研究工作。建立了以項目全過程地質要素為對象，以基于IFC架構構建的工程地質數據庫為中心，在將地質體各地質因素與時間、環(huán)境、工程部位等諸多因素進行關聯的同時，也使項目全生命周期內的地質成果成為了可滿足多方利用的信息，實現了專業(yè)間生產、過程可追蹤、產品可溯源，以數據信息進行交流、設計，同時形成了以工程地質數據中心為基礎的信息一體化地質應用體系，覆蓋了水電水利工程地質全生命周期，實現了水電水利工程地質生產全過程的信息化和三維化。

(1)實現了三維實景野外測繪編錄。建立了涵蓋高空、低空、地面、地下立體化信息源的三維實景野外數據采集系統(tǒng)，利用3D GIS技術實現了現場編錄的三維實景化、現場分析、促進野外地質調查三維化；通過數據中心的信息互聯互通，可實現現場采集信息跨實時跨平臺應用，可廣泛應用于地質災害搶險、遠程質量控制、遠程地質會診等場景，對于交通不便、地質條件復雜以及勘察周期短的項目可顯著提升工作效率，提高產品質量。目前該系統(tǒng)已成功運用于雅礱江兩河口、金沙江葉巴灘水電站等項目。

(2)工程地質三維設計技術。以工程地質數據中心為基礎、三維地質模型為載體、工程地質綜合分析和應用為目標，創(chuàng)新性地突破了二、三維互動修改，三維分析融入數據中心等難題，通過數據中心的信息互聯互通，實現了為水電水利工程地質生產全過程提供三維驅動能力。

5 結 語

“世界水電在中國，中國水電在西南”。隨著水電開發(fā)逐漸向河流中上游、向地質基礎研究和認識薄弱區(qū)邁進，可以預見的是，越來越多、越來越復雜的工程地質問題會呈現在我們面前，如:區(qū)域地質構造穩(wěn)定性評價、高地震烈度下抗震設計、高寒山區(qū)特殊地質災害勘察評價、高新勘測技術手段應用等。因此，需要廣大水電勘測技術人員直面困難，迎難而上，在總結好、利用好已有勘測經驗和技術的基礎上，以科技創(chuàng)新為引領，勇于探索和實踐，不斷攀登工程地質界新高峰。

[1] 彭仕雄,張世殊.四川和西藏地區(qū)水電工程地質面臨的形勢與挑戰(zhàn)[J].水電站設計.2015,31(4):1-3.

2017-02-21

張世殊(1970-)，男，重慶涪陵人，教授級高級工程師，從事水電水利工程地質方面的研究和管理工作。

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1003-9805(2017)02-0001-04