小水电工程地质问题研究要点探讨

孙国伟

[摘要]在山区及喀斯特区兴建小水电工程，依其建筑和功能等特点，所面临的工程地质问题愈来愈多，突显研究枢纽建筑区的工程地质问题之重要。本文仅就当前重点关注的地质问题进行探讨，抓住各问题的切入点，展开研究和分析，阐述评价的要点和內容。笔者认为该文章对地区小水电工程建设和发展具有指导作用。

[关键词]山区及喀斯特区 小水电 工程地质 研究要点

[中图分类号] P5 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-378-2

1概况

山地及喀斯特地貌地区，受地质构造制约，河流切割深，地表起伏大，地貌型态多。水电工程涉及面广，枢纽建筑物型式多，受影响的因素亦较多。随着小水电建设的开发与发展，所面临的地质问题愈来愈多。在诸工程地质问题中，对区域构造稳定、库岸再造及喀斯特渗漏、边坡稳定、地下洞室和大坝基础等问题的研究更是十分重视；在诸影响因素中，地应力和软弱夹层对水电工程建筑物稳定的影响日趋突出。无论是研究的方向和方法，还是分析的深度和广度等，都从工程实践中得到提升。为此，有必要结合地区和工程实际作深层次探讨。

2区域构造稳定

区域构造稳定性具体指活动断层和地震对工程的影响。由于这一问题是自然存在的，而且活断层—般不是工程结构所能抗拒的，为此，对活断层的判定和研究，乃至对地震危害性的分析是十分必要的。

小水电工程区域构造稳定性的研究归纳如下三个层次：

①区域构造背景分析：通常包括坝址周围半径50km ～100km范围的大地构造单元及相邻构造单元的部分地区。调查以搜集分析区域地质地震资料为主，需要时进行必要的复核。

②坝区构造稳定性评价：研究坝区周围半径2.0km～4.0km范围的大地构造单元地区。详细研究距坝址较近断层的活动性和地震情况，核定距坝较近的潜在震源区及其参数。

③坝址研究：主要是工程场地地质条件的详细研究。对水电站的大坝及其他主要建筑物，原则是避开跨越活断层以及与其构造活动有联系的分支断层对其直接破坏。

3水库区工程地质

3.1库岸稳定

随着地区小水电的开发与发展，在深切峡谷中岸坡的重力地质作用增强，地理地质现象发育，卸荷深度大，变形体大且数量多；库岸不稳定体失稳引起的涌浪可能影响工程和居民点的安全。所以，水库库岸稳定问题在小水电工程建设中愈来愈显得突出。

库岸稳定问题的研究，首先是收集资料，然后现场勘察，最后进行库岸边坡工程地质分类，并对其作出定性的或定量的稳定性分析。

而分类的基本因素有：

①地形地貌：包括岸坡坡度、沟谷切割密度等；

②地层岩性：坚硬岩、可溶岩、软岩，特别是易溶岩、易崩解岩石等；

③地质构造：断层发育密度、破碎带规模、断层及岩层的产状与河谷的关系等；

④物理地质现象：变形体发育特征、规模、密度等。其中工程地质性质差的岩层的分布和岩层、断层与河谷的关系常是较主要的因素。

3.2喀斯特渗漏

喀斯特渗漏的研究方法不少，仅介绍三种分析研究方法：

①地貌及水文网分析法：运用广泛。其研究目的，就是通过喀斯特形态、地貌及地表～地下水网发育展布现状和演化过程的分析，研究喀斯特发育分布规律、水动力类型及特点、喀斯特地下通道位置，判断地下水系的补给、径流、排泄范围和地下水分水岭位置，评价地区渗漏条件。

②地下水示踪试验分析法：运用广泛。主要研究喀斯特地下水的补给、径流、排泄条件，计算地下水渗流速度，根据示踪过程分析判定喀斯特含水介质类型、通道性质、规模及地下水量等。

③洞穴堆积物分析法：通过洞穴充填程度及充填成分、颜色、颗粒级配、包含物、固结程度及物理力学性质等研究喀斯特发育平面和垂向分布规律，分析喀斯特和新构造运动，古地理气候环境及洞穴形成水动力条件等的关系，为防渗方案的选择，利用和改造溶洞堆积物提供依据。

喀斯特渗漏研究三原则：

①水库坝址的选择是决定工程成败和防渗工程的数量及难易的关键。通常坝址应尽可能选在深切河谷地段，避开容易出现渗漏的河谷裂点、低邻谷、河弯和干支流交汇地带、溶蚀残丘等地段。査明补排型、排泄型和悬挂型河谷分水岭渗漏、绕坝渗漏或坝基渗漏后避开或处理。

②适量的库坝址喀斯特地质勘察及综合分析。库坝址的位置要充分利用己查明的有利地质条件，避开喀斯特发育的不利地质条件。

③重视防渗处理方案和帷幕线路的比较选择，查明帷幕线的喀斯特发育情况。如充分利用地下水分水岭处喀斯特相对较弱的有利特点。

4建筑物区工程地质

4.1地应力

地应力亦称“岩体初始应力”深切河谷谷坡附近地应力具有如下特征：最大主应力基本垂直河流，倾向河床，倾角小于谷坡坡角；水平应力大于垂直应力，垂直应力大于自重应力；明显是山体地形与构造应力复合的应力场。从河谷横断面上看应力分布可分三带：应力释放区、应力集中区和应力平稳区。

地应力对坝基的影响：

①基坑变形、地基回弹的影响。研究河床地应力分布情况，将坝基开挖线设定在应力集中区外，以免地基产生变形和回弹。

②对岩体及结构面参数的影响。岩体在受压状态下与在解压状态下的物理力学指标是有差别的等。

地应力对地下洞室的影响：洞室开挖暴露后，地应力解压释放或产生岩爆等、或顶拱两侧受挤，拱顶上抬等。

说明：

①在布置方面需重视地下洞室轴线方向与最大主应力方向的关系，并结合其他因素综合权衡利弊后决定。

②在施工程序方面须注意开挖与临时衬砌以及永久衬砌的合理安排，避免因开挖造成衬砌的人为开裂。

地应力对边坡的影响：深切河谷或人为的高陡边坡，由于地形与地应力存在复合效应关系，其分布特征不利于边坡稳定，而人为开挖则促使地应力重新分布，破坏了边坡的稳定平衡状态。说明，在地应力的作用下易产生岩体变形和松驰，使得边坡稳定条件降低。

4.2软弱夹层

软弱夹层一般指遇水易软化、物理力学指标低的薄层。这类夹层由于强度低，往往是薄弱环节，无论在边坡工程、坝基抗滑和变形等方面，常是研究的重点。

软弱夹层的分类按成因可分为原生型、次生型和构造型三类；按颗粒组成可分为岩块岩屑型、岩屑夹泥型、夹泥岩屑型和全泥型。

软弱夹层诸因子包括分布层位、连续性、厚度、产状、起伏差，夹层的分带、夹层上下侧岩石的岩性、完整程度，夹层的物理、力学性质等。均可成为抗滑稳定分析和研究处理方案所必须要有的资料。如夹层的颗粒级配是判别其分类的指标；夹层的亲水性、活性指数和粘粒含量是判别其性质好坏的指标；夹层的抗渗性能是判别其变化趋势好坏的指标；夹层的成分和结构是判别其力学性质好坏的指标等。

软弱夹层抗剪强度的选取：考虑到水工建筑物运用时间长，地基分布有软弱夹层，存在时间效应问题，宜选用流变强度作为计算值。

4.3岩质边坡

在山区和喀斯特区，小水电工程建设和运行期间，经常遇到边坡稳定问题，如水库蓄放水可能引发库岸崩塌或滑坡、枢纽建筑物场地的开挖扰动可能引发边坡变形和失稳、蓄水或引水建筑物的渗流可能引发边坡蠕滑破坏等，所以，边坡稳定亦是需要重点研究的问题之一。

岩体是一个多结构面切割的地质体，岩质边坡的稳定性在很大程度上是受结构面控制的，对岩体结构进行分类，可以定性判别边坡的稳定性。对岩质边坡进行分类，可初步判定边坡变形破坏的类型。在处理实际的边坡工程时，需要对影响边坡失稳的因素进行分析。

边坡稳定分析方法，仅简述如下常用的二种：

①CSMR分析法：CSMR分类体系是在RMR～SMR分类体系的基础上增加坡高因素的修正和结构面条件系数，以CSMR的总得分确定边坡岩体类别，半定量地评价岩体质量和稳定性，预测可能的破坏模式及处理方法；

②极限平衡分析方法：这是一种应用最广泛和最简易的方法，根据坡体的结构组合关系，即变形破坏条件，采用相应的变形破坏机制的分析方法，其分析结果通常用作设计及处理的依据。

4.4地下建筑物

山地及喀斯特地貌地区，水电工程涉及面广，枢纽建筑物型式多，地下建筑物便是其常见的型式之一。

地下洞室围岩分类是评价其稳定性等的重要内容，围岩稳定性评价通常包含如下两个方面：

①围岩整体稳定性评价。应用最广泛的有RMR分类、Q系统分类和我国的“围岩工程地质分类”；

②局部块体稳定性评价。对于有不利结构组合的可能不稳定体，通常使用块体极限平衡理论的有限元方法等评价围岩稳定。

喀斯特区地下洞室存在着比较特殊的隐蔽性问题：

①溶洞充填物的稳定。洞室开挖遇到溶洞充填物时常造成坍塌。故在溶洞充填物不明的条件下，不宜盲目清除涌入洞室的坍落体，以免引发更大的坍塌灾害等。

②喀斯特涌水。在喀斯特区，做好前期工程地质研究，以免开挖洞室时突发涌水威胁施工安全。

③外水压力。在喀斯特区，确定洞室外水压力，需根据喀斯特水的具体情况，如对管道水需要考虑全水头。

4.5大坝坝基

大坝基础的稳定及渗漏问题是整个枢纽建设成败和可否收效的关键，坝基稳定问题包括沉降稳定、抗滑稳定和渗透稳定，而渗漏问题则有坝基渗漏和绕坝渗漏。为此，对上述问题的研究必须给予足够的重视。

在进行大坝坝基工程地质的研究时，需要注意以下几个方面：

①建基面。建基面的开挖下限应视实际情况而定。如坝型对坝基的要求，具体而言包括坝基岩体的完整程度、风化带的分布、坝基的应力、岩体的物理力学指标、基础的变形和稳定性以及处理措施等；

②岩体的物理力学参数。按岩体质量类别或工程地质单元分别选取具有代表性的地质建议值，为设计选定采用值提供依据；

③岩体稳定性分析。通过对岩体质量分类和结构面组合等的分析，计算其可能的变形破坏类型，研究并确定处理方案。

④岩体渗透性评价。通过对含水介质类型、渗透性分级及上下游水力联系性质的分析，评价坝基水文地质条件，研究可能的渗漏型式和范围，计算可能的漏水量，确定处理方案。

5结语

在山区及喀斯特区兴建小水电工程，依其建筑和功能等特点，所面临的工程地质问题愈来愈多，突显研究枢纽建筑区的工程地质问题之重要。本文仅就当前重点关注的地质问题进行探讨，抓住各问题的切入点，展开研究和分析，阐述评价的要点和內容。笔者认为该文章对地区小水电工程建设和发展具有指导作用，希望能给从事水利建设的地质工作者带来事半功倍的效果。

参考文献

[1]水利水电岩溶工程地质.邹成杰.水利电力出版社.1994年.

[2]中国水力发电工程.工程地质卷.中国电力出版社.2000年.