超高拱坝前期勘察工作中的几点体会

徐 建 闽

新疆某工程拟采用拱坝方案，其最大坝高240 m。作为坝高在150 m 以上超高拱坝，要求前期地勘工作全面、详实，主要的工程地质问题与评价，将直接影响坝型、坝址选定，对工程建设周期和投资均有决定性的影响。笔者组织并亲历了该项目从项建、可研、初设以及招（投）标等不同阶段的地勘工作，回顾以往，经验与教训并存，现采撷点滴，供诸位同行参考，不当或偏颇之处，敬请批评指正。

1 前期地勘工作布置

对于坝高在150 m 以上的超高拱坝，除严格执行相关规范中的要求与规定以外，在前期地勘工作布置与策划中，以下几方面值得重视。

1.1 平洞开挖与布置

平洞开挖对于拱坝前期地勘工作的重要性不言而喻，一定数量的平洞开挖是分析和论证拱坝坝基岩体质量与建基面选择、拱座抗力体抗滑稳定性分析、坝址区边坡稳定性分析等关键技术问题的必要保障。

高拱坝两岸坝肩应采用以洞探为主、钻探为辅的方法，坝肩每隔30～50 m 高差应布置一层平洞。坝高150 m 以上的高拱坝坝址平洞深度不宜小于200 m。抗力体部位应布置专门勘探工程。此外，单就一个坝址或坝线而言，顺河方向也应在两岸拱肩槽以及下游抗力体部位布设3～4 条纵向勘探剖面，其间距同样为30～50 m。

1.2 岩石（体）试验

试验成果应代表工程岩体分级中的某一级（类）岩体，使其具有可推广性；又必须指征工程建筑物的关键部位，其试验成果能够满足设计计算的要求。鉴于此，在取样或选取试验点时，应做好相应的地质观察与描述。对于多裂隙岩体，在试样或试点的选定以及对试件尺寸的设计中，要充分考虑岩体的结构效应。

试验条件方面，应尽量与工程岩体的地质环境相似。一般而言，地应力和岩体自重条件，可通过对试件施加一定的围压和轴向压力来模拟；应根据工程岩体的实际情况，考虑试样处在浸水、饱水或一定含水率状态下，以表征地下水的作用。

试件的荷载条件，应根据岩体结构特征以及工程建筑物的布置特点和不同工况加以模拟，使得试验指标尽可能地反映工程岩体在建筑物特定的附加荷载作用下的力学特性。

试验成果整理与数据统计中，要注意对异常数据的梳理和筛选。对于现场原位试验成果，应结合现场试验点的岩体工程特性进行逐点分析和鉴别，这样才能正确引用试验成果。

1.3 专题研究与项目考察

对于特大型、超规范项目，应结合工程布置与坝型选择，及早安排与国内一流的科研单位或大学院校合作，开展诸如坝址区及附近场区基础地质、坝基岩体工程特性与建基面选择、坝基（肩）抗滑稳定性、坝址边坡稳定性、坝基岩体水文地质特性与渗流场分析等课题的专题研究工作，及时引进先进的技术理念和计算手段，指导勘察工作方向，同时提高项目人员的技术水平。

除了“请进来”，还需要“走出去”。所谓百闻不如一见，目前国内已建或在建的超大型项目成批涌现，应结合工程勘察设计需要，选择类似或相近的工程项目，前往项目建设实地考察和学习，借鉴和参考先进的技术理念和手段，吸取经验教训，减免工作失误，提高工作效率。

2 坝基岩体质量分级

影响坝基岩体质量的因素主要是岩石强度、岩体结构和赋存条件。具体到某一工程，应针对场区特定的岩石类型、岩体结构特征，以及风化卸荷、地下水活动、岩溶发育特征和地应力场等岩体赋存条件，结合上述因素对坝基岩体质量的影响程度，做有针对性的规定，这样才能彰显坝基岩体质量分级的工程意义。

目前国内外常用岩体质量分级方法中，BQ、GSI 两种方法侧重反映岩体基本质量，RMR、[BQ]、HC 等方法则综合反映了工程岩体质量。不同岩体质量分级方法对同一岩体的分级结果通常具有较好的一致性。相对而言，GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》附录V“坝基岩体工程地质分类”（HC），以定性分析为主、定量指标为辅，同时参考岩体声波波速、完整性系数Kv以及钻孔RQD 等定量指标，综合评判岩体质量分级，具有更强的适应性。

3 大坝建基面选择

拱坝拱端荷载和应力分布状态是拱坝建基面选择的基础。一般而言，拱坝可按坝高30%、40%、30%的比例分为低高程、中高程和高高程3 个高度分区。根据拱梁分载计算结果，在高高程部位两岸拱端推力较小，在中高程拱端推力最大，在低高程拱端推力较大，也即，拱坝承受的水推荷载主要集中在中、低高程。

基于以上分析，为保证坝体结构具有较好的坝基适应能力，坝基岩体变形模量须大于大坝混凝土变形模量的1/3 以上；同时，为避免岩体软硬突变造成变形协调引起应力重分布、继而使拱坝坝基产生局部应力集中并发生屈服破坏，同岸相邻高程的坝基变形模量之比不应大于2.0。

纵观国内外已建或在建高拱坝的建基岩体利用情况可知，除溪洛渡拱坝外，其余拱坝均选择了Ⅱ级岩体作为超高拱坝的建基岩体，表明Ⅱ级岩体作为建基岩体具有普遍的认同度和丰富的成功工程实践经验。Ⅲ类岩体的利用一般是在拱端推力不大的中高程和高高程，如构皮滩、锦屏Ⅰ级、二滩、拉西瓦、大岗山等均在中高程、高高程利用或部分利用了Ⅲ1、Ⅲ2级岩体作为建基岩体；溪洛渡拱坝甚至直接将建基岩体选择为Ⅲ1级岩体，并在上部利用Ⅲ2级岩体。

在确保工程安全的前提下，合理地选择和利用Ⅲ1级岩体，甚至Ⅲ2级岩体，直接关系到超高拱坝安全和经济合理性。

4 拱肩抗滑稳定分析

拱坝通过拱的作用将库水荷载传递到两岸坝肩岩体，拱坝抗力体即是拱座下游侧抵抗拱坝向下游滑动的岩体。在拱坝抗力体中，通常有两类结构面对坝肩岩体的抗滑稳定性影响最大：一是平缓的软弱夹层、缓倾角断裂以及缓倾角节理密集带等，易构成潜在的平缓滑移控制面（底滑面）；二是大体平行或小角度斜交岸坡的各类陡倾角结构面和深部卸荷裂隙，往往成为侧向滑移控制面（侧滑面）或切割面。

前期勘察工作中，应重点研究抗力体内潜在的底滑面、侧滑（裂）面及其连通率。对两岸岩体发育的缓倾角和与河流大致平行或小角度斜交的中陡倾角断层带、软弱夹层、长大节理密集带、蚀变岩脉、长大卸荷裂隙等结构面，需特别重视，应采取有效的勘察方法，查明其空间展布、性状特征及其组合构成的滑移块体；当随机分布的不连续面组合构成滑移块体边界时，应详细调查控制性节理裂隙组的发育规律、间距、延伸长度、性状和连通率。

对于拱肩岩体抗滑稳定性来说，若岩体没有滑出空间，即便具备其它条件也难以发生滑移。坝址下游冲沟、河流急弯、岸坡突出段等均可构成横向临空面，此外，岩体中的横向断裂破碎带、软弱夹层或潜伏溶洞等，也可起临空面作用。在选址勘察工作中，应加以重视。

5 边坡稳定分析

对应于边坡岩（土）体不同的物质组成、地层结构、工程特性以及结构面空间展布规律，边坡岩（土）体的破坏机理亦有不同，因此，库坝区边坡稳定性分析的首要工作，是结合边坡岩性组合与微地貌发育特征，对库坝区两岸边坡进行分区分类。

与拱肩抗滑稳定边界条件类似，对于岩质边坡，通常也有两类结构面对边坡岩体抗滑稳定性的影响最大：一是平缓的软弱夹层、缓倾角断裂以及缓倾角节理密集带等，易构成潜在的平缓滑移控制面（底滑面）；二是大体平行或小角度斜交岸坡的各类陡倾角结构面和深部卸荷裂隙，它们往往成为侧向滑移控制面（侧滑面）或切割面。同样地，前期勘察工作中，应重点研究岩质边坡内潜在的底滑面、侧滑（裂）面及其连通率。

超高拱坝项目一般地处高山峡谷区，拱肩槽以及缆机平台开挖、引水隧洞或发电洞进出口、地面厂房后边坡等，均可能出现较大规模的工程开挖边坡。在以上部位，应重点关注较大规模的定位结构面以及次一级随机结构面与开挖坡面的空间组合方式、注重地应力场和地下水渗流的不利影响。

6 坝基防渗控制

拱坝坝基渗流场特性研究和渗控方案设计，是高拱坝勘察设计需重点考虑的工程问题之一。坝基宏观渗流特性主要取决于岩体的风化程度、裂隙的发育情况、岩体的渗透和渗透变形特性等。由于岩体的非均匀性和各向异性，造成其渗透性高度非线性，使得渗流场的特性大为复杂化。

对于超高坝坝基渗流场的研究，首先，应通过对坝址区水文地质、工程地质条件的分析和研究，查明坝址区地下水的基本类型以及地下水径流、补给、排泄条件；其次，对坝基岩体进行渗透性分级，划分含水层（透水层）与相对隔水层，同时查明含水层（透水层）与相对隔水层的厚度、埋深和分布特征；再者，通过地下水长期观测，查明地下水的水位、水头（水压）及动态变化等。在以上工作的基础上，确定坝基岩体渗流场计算边界，继而模拟、分析和计算初始渗流场，计算渗透变形、坝基渗漏量和绕坝渗漏量，重点勘察可能导致坝基（肩）强烈漏水和渗透变形破坏的集中渗漏带等，为防渗工程设计及优化提供依据。

7 节理连通率计算

大量工程实践表明，当岩体在外力作用下发生滑移破坏时，其滑裂面通常并非是一个理想的平面，而是由节理与岩桥共同组成的一个复杂的起伏面。因此，在进行岩体滑移边界条件的分析研究中，节理连通率对岩体综合抗剪强度的确定十分重要和敏感。

对于中高坝而言，节理连通率计算通常采用带宽投影法。采用带宽投影法计算节理连通率时，需注意以下几方面：

（1）结构面在基准面上的投影有重叠现象是常见的，重叠部分的结构面对岩体破坏贡献并不因重叠的越多而贡献越大。因此，应将重叠的部分剔除掉，这是需要特别注意的。

（2）从带宽投影计算方法可以看出，随投影宽度的增加，连通率相应增大，最终将趋近于1。根据薛果夫等的研究成果，当投影宽度小于节理平均间距时，随投影宽度的增加，连通率快速增大，在平均间距附近曲线存在曲率变化；显然，小于节理间距的投影宽度是不合适的。从节理裂隙发育的一般规律讲，节理平均间距大于2 m 的情况已经比较少见，因此，投影宽度多采取2 m 或节理平均间距。

（3）带宽范围内哪些节理参加投影计算，最常见的做法是只考虑某一特定方向单一组别的节理（一般是某一优势方向）参加投影计算，相对而言，得到的连通率可能偏小。例如，某一地段选定方向的节理不发育，但存在与剪切面夹角不大的其它节理，这些节理可能会连通邻近的结构面，构成破坏路径。

近年来，在岩体结构面计算机网络模拟的基础上，把连通率的计算与岩桥的破坏机理、剪切破坏的方向以及剪切带的宽度等主要因素紧密的联系起来，将连通率的求解归结为在结构面网络图中寻找具有最小抗剪能力的岩桥、节理组合破坏路径的问题，在一定程度上克服了传统连通率计算方法的局限性。经比较，网络分析法对Ⅱ类岩体节理连通率的计算结果与带宽投影法相近，Ⅳ类和Ⅲ类岩体计算结果相对偏大，在最终推定节理连通率时应注意这种系统差异。

8 三维地质建模

三维协同设计被誉为CAD 之后工程建设领域的第二次革命，它代表了最新的设计理念和先进的设计水平，已成为当今工程设计领域的潮流和趋势，在水利水电工程建设中得到越来越广泛的运用。

三维协同设计的基础是三维地质建模。众所周知，水利水电工程场区的工程地质条件变化无常，传统的二位解译图件（剖面或平切图），往往难以全面详实地表达出来。通过三维地质建模，可以较为客观详实地反映或表达水利水电工程场区内不良地质体的空间分布以及对工程建筑物的影响，极大地提高工程地质评价的质量和效率。

9 加强专业间协调与联动设计

对于超高拱坝项目，前期勘察设计工作过程中，坝线比选、工程总体布置、大坝体型设计（包括大坝建基面选定以及两岸拱端嵌深）、引水发电系统布设、缆机平台布置等关键性技术问题，无一不与坝址区地形地质条件密切相关。因此，加强地质、水工、施工等专业间的协调与联动，是十分必要的。