国际水电工程地质勘察实践探讨

彭森良，张东升，王富强

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引 言

目前，全球水资源开发利用程度尚不足50%，水电工程建设市场方兴未艾，中国水电勘测设计占据市场份额已达50%以上。据不完全统计，近10余年，中国电建集团下属各企业主要参与的国际水电工程勘测设计业务达120项左右[1]。中国企业参与国际水电工程勘测设计工作，在全球取得了较大的经济效益和社会效益，也为中国水电技术标准“走出去”战略奠定了良好的基础。在统计的近120个项目中，绝大多数需部分或全部适用国际标准。工程地质勘察作为基础性工作，在项目磨合阶段就需要把工作成果提交给国际咨询团队，但常常由于中外标准和认知差异导致工程地质勘察成果审批进度较慢，对整个项目的进度和成本控制造成了一定影响[2]。

为减少中外标准差异造成的沟通障碍，本文在总结中外水电技术标准对标研究、中国水电技术标准“走出去”之工程测量与地质勘察研究成果的基础上，结合作者实际负责的数个国外水电工程实践，尝试研究国内外水电行业在地震参数选择、坝基岩体力学参数确定、边坡稳定分析、洞室围岩分类及支护建议等方面的认知差异，并分析差异形成的主要原因，以期探讨中国地质工程师加快与国际咨询团队的沟通和认知理解的应对措施，抛砖引玉，可供业内人士探讨。

1 地震参数

1.1 抗震设计体系及设防目标

中国对甲类设防的壅水建筑物采用设计和校核地震两级设防，其他水工建筑物采用设计地震设防，大坝及主要建筑物在设计地震工况下满足“可修复”的要求，在校核地震工况下满足“不溃坝”的要求[3]。

国际大坝学会148号公告[4]推荐，采用运行基本地震(OBE)和安全评估地震(SEE)两级设防。在运行基本地震工况下，控制标准为“只有轻微的大坝等建筑物损坏是可以接受的，大坝、附属建筑物及设备在震后可保持设计功能且已发生的损坏容易修复”；在安全评估地震工况下，控制标准为“库水下泄必须受控，对于涉及大坝安全的关键部位(如底孔或溢洪道闸门)，建议采用安全评估地震，同时也取决于实际情况(如大坝的重要性和溃坝的后果等)”。

美国、意大利、奥地利、俄罗斯、新西兰、日本、老挝等国家与我国类似，采用两级设防标准；加拿大、英国、罗马尼亚、瑞士等国则对大坝进行分类后，采用“分类设防”的一级设防标准[5]。

1.2 地震安评工作程序及方法

按相关规定，国内的地震安评工作由有资质的安评机构承担，工作成果由中国地震局或省级及以下地震主管部门审批。国外的地震安评工作一般由科研机构完成，具体的审查工作程序不甚统一，一般无政府部门的专门审查程序。

国内地震安全性评价工作主要包括区域与近场区地震活动环境评价、区域地震构造环境评价、近场区地震构造环境评价、场址区断裂活动性鉴定、场地地震危险性概率分析、场址地震动参数确定(地震动峰值加速度和标准反应谱)和场地地震地质灾害评价等内容。国际上地震安全性评价工作一般包括已有研究成果收集、区域地震构造环境评价、历史地震数据库构建、地震构造模型构建、地震动参数的确定(地震动峰值加速度和特定场地反应谱)与风险评价、最大可信地震评价、地震动时程的确定等。国内外开展地震安全性评价工作的流程、方法、总体思路和场地地震动峰值加速度值的计算方法基本类似，国内一般强调现场调查工作的重要性，在地震安评工作中一般根据规范给定标准谱，特定的场地谱需另行专门研究。国际上则以室内工作为主，但除了给出场地地震动峰值加速度值外，一般还给出特定的场地谱、地震动时程等。

1.3 地震参数选取

中国标准根据建筑物级别设定甲、乙、丙、丁4个抗震设防类别，开展了专门的场地地震安全性评价的工程场地地震动参数，甲类设防的壅水和重要泄水建筑物应取100 a超越概率2%，甲类设防的1级非壅水建筑物应取100 a超越概率5%，其他非甲类水工建筑物应取100 a超越概率10%，但不应低于区划图相应的地震动水平加速度分区值。其中，甲类水工建筑物还应专门论证在最大可信地震MCE条件下不发生库水失控下泄灾变，最大可信地震MCE按照确定性方法取值或取概率性方法的100 a超越概率1%相应的地震动参数。

国际大坝学会148号公告规定，运行基本地震(OBE)由概率性计算方法得出，在多数情况下是采用最少145 a历史重现期(100 a超越概率50%)，也有部分站点采用475 a历史重现期(50 a超越概率10%)。安全评估地震(SEE)时，根据大坝坝高、库容、下游影响人口及溃坝后的社会经济环境影响，对大坝溃坝风险进行评分后分为极高、高、中、低4个等级，详见表1[6-7]。

表1 国际大坝学会72号公告推荐的溃坝风险分级

国际大坝学会148号公告中还规定，满足下列条件之一时视为大坝：①坝高大于15 m；②坝长大于500 m；③库容超过100万m3；④泄水建筑物泄水能力超过2 000 m3/s。对于大坝，安全评估地震(SEE)的确定方法如下。

(1)溃坝风险等级为“高”和“极高”时，安全评估地震(SEE)应为最大可信地震(MCE)的84%分位值，并不低于10 000 a一遇地震概率水平，应开展详细的地震效应分析，包括地震动时程等。

(2)溃坝风险等级为“中”时，安全评估地震(SEE)应为最大可信地震(MCE)的50%～84%分位值，并不低于3 000 a一遇地震概率水平，可仅利用地震动峰值加速度和地震反应谱开展地震效应分析。

(3)溃坝风险等级为“低”时，安全评估地震(SEE)应为最大可信地震(MCE)的50%分位值，并不低于1 000 a一遇地震概率水平，可仅利用地震动峰值加速度和地震反应谱周期开展地震效应分析。

除英国标准明显高于国际大坝学会公告规定的取值标准外，其他大多数国家的取值均等同或低于国际大坝学会标准，在没有特殊规定的情况下，发展中国家一般选择参照国际大坝学会标准执行。

2 坝基岩体力学参数

2.1 认知来源差异

20世纪末至21世纪初，我国大中型水电工程开展了大量现场原位直剪试验，经总结后形成经验值列入了规范[8-12]，此后按此设计的水电工程运行期未见明显的坝基抗滑稳定问题。尽管规范规定这套参数仅适用于规划和预可研等最初设计阶段的坝高大于70 m的硬岩坝基，但受现场条件或工期进度等要求限制，中、小型国际工程一般不具备开展坝基原位抗剪强度试验的条件，多根据工程类比采用这套参数。

20世纪60年代至70年代，西方发达国家相关总结多源于室内岩体三轴试验[13-14]。随着水电工程建设趋缓，考虑到任何原位试验都不能完全模拟坝基抗滑稳定问题[15]，且原位试验耗时费力，西方学者倾向于通过现场观察、量测和描述对岩体质量开展半定量评价后，依据经验公式确定岩体抗剪强度参数。其中，对西方地质工程师影响较大的是巴顿等提出的节理化岩体的抗剪强度取值方法，以及霍克等提出的霍克-布朗准则，尤其是后者，近年来对国外工程地质学者和地质工程师影响较为深远[16-23]。2013年，霍克等[24]对岩体质量现场打分标准进行了进一步量化说明，公式为

GSI=1.5Jcond89+RQD/2

(1)

式中，GSI为岩体质量指标；Jcond89为基于比列夫斯基体系的结构面评分；RQD为岩体完整性指标。取得岩体质量指标GSI后，结合岩石单轴抗压强度、岩性结构指标、开挖扰动系数，可依据特定公式计算得出岩体的抗剪断强度和变形模量。

2.2 试验体系差异

2.2.1 试验方法及步骤

中国规范中的数据样本绝大多数为现场原位直剪试验，以多点平推法或多点斜推法为主，辅以极少量的室内岩体中剪试验。对于坝基直剪试验，美国文献一般采用的是单点法进行。霍克-布朗(H-B)准则的数据样本则是以室内三轴试验为主，少量现场直剪试验为辅，相应的霍克-布朗准则与摩尔-库仑(M-C)准则之间进行拟合时也是在模拟三轴试验的最大主应力σ1与最小主应力σ3之间的关系后，反算岩体黏聚力c′值和内摩擦角φ′值。中外标准试验方法和步骤对试验结果影响不大。

2.2.2 试验成果整理

中国规范对抗剪断强度的规定为[25]，采用概率分布的0.2分位值、峰值强度的小值平均值或优定斜率法的下限作为标准值，实际执行中多采用最小二乘法得到的强度参数概率分布的0.2分位值和峰值强度的小值平均值，很少选用优定斜率法。国外学者普遍认为，当岩体质量偏好时，岩体与混凝上之间的接触面一般不是控制面，可以采用混凝土本身的指标：摩擦系数取1.0，黏聚力值取0.1倍混凝上抗压强度。欧洲学术界[26]也认为，混凝土与基岩接触面并非主要的破坏面，岩体强度偏好时混凝土的胶结强度是有效的，岩体强度偏差时，通常的破坏面是沿着软弱基岩内的天然结构面而不是坝基面。国外一般要求开展9次以上岩体直剪试验，采用优定斜率法取值，并按剪应力-正应力(τ-σ)关系散点图的下界限确定。如果是室内中剪试验，还要考虑尺寸效应的影响。美国陆军工程师团规范[27]认为，黏聚力值还需折减50%左右，岩体的内摩擦角取为剪应力-正应力(τ-σ)关系散点图的下界限倾角。霍克教授建议黏聚力取值折减至75%，并将这一观点引入至岩体抗剪断强度计算经验公式中。对中外标准抗剪试验成果进行整理，对比分析结果见图1。

图1 中外标准抗剪强度试验成果对比分析

中国规范规定，结构面凸起或胶结充填物被剪断时，采用峰值强度的小值平均值作为标准值；结构面呈摩擦破坏时，采用比例极限强度作为标准值，并根据结构面充填状态给出了相关参数的经验值。国外一般对硬性结构面借助回弹仪开展现场简易试验，结合巴顿-邦迪斯理论得出抗剪断强度参数；对软质结构面参考填充物质的室内试验成果确定。

2.3 原因分析

2.3.1 坝基应力环境

除了少部分由于坝体结构设计需要深挖基坑的基础外，直剪试验的应力环境与坝基的应力环境更为契合。霍克-布朗准则所依据三轴试验是考虑了围压应力环境的，并不适用于坝基岩体抗剪断强度参数的求解。然而，部分国际工程无开展现场原位直剪试验的条件，而国际岩石力学协会和美国标准中均未将试验成果的参数体系总结列入规范。短期内，国际地质工程师较难认可我国规范中的参数体系。

2.3.2 坝基表层抗滑稳定破坏机理

中国标准认为，坝基表层滑动发生在混凝土与基岩接触面，并没有明确具体破坏部位，有相应的配套试验参数经验值。对于Ⅲ类偏差及以下岩体来说，接触面抗剪强度参数取值与岩体参数基本一致；当坝基岩体为Ⅲ类偏好及以上时，混凝土与基岩接触面的抗剪强度参数小于岩体抗剪强度参数。国外也有部分学者认为，当坝基岩体质量偏好时，黏聚力值直接取0.1倍混凝土抗压强度这点是值得商榷的，中国工程师基于大量试验成果总结认为这一简化方法偏于冒进，工程实践中应特别注意这一问题。

2.3.3 试验成果参数整理

国外学者一般采用优定斜率法的下限截距作为黏聚力值，基于室内试验的成果需对黏聚力值折减50%左右，取下限斜率作为摩擦系数取值。中国规范一般基于现场直剪试验成果，采用最小二乘法拟合后的峰值强度小值平均值，黏聚力值和摩擦系数同时进行了适当折减。2种取值方法的差异一定程度上造成了国内外学者对黏聚力和摩擦系数的经验值理解出现较大偏差。

2.3.4 专业衔接

坝基表层抗滑稳定评价涉及试验、地质、水工3个专业相关规范的协调。经对比分析[28]，在各个专业充分协调规范的基础上，国内外标准对坝基表层抗滑稳定安全系数的综合评价误差较小，基本可控制在5%内。

3 边坡稳定性

总体上，国内外对边坡稳定分析的思路和方法差异不大，主要的差异如下：

(1)国外边坡稳定分析常以霍克-布朗准则下的参数体系为基础，适用于三轴应力环境求解，目前国内很多边坡稳定分析时采用中国的坝基岩体直剪试验成果进行求解是不合理的。对于边坡稳定问题，采用霍克-布朗准则得到的岩体黏聚力和摩擦系数值对应关系进行反演分析和稳定计算是比较合理的方法。

(2)岩质边坡变形破坏机理研究是进行边坡稳定分析计算的基础，很多变形破坏形式并不适用于边坡的圆弧形滑动或折线形滑动，需要采用三维有限元等数值模拟方法进行定性分析。相比于国际水电咨询机构执着于定量分析的做法，这是我国水电行业比较务实的设计理念。

(3)边坡稳定分析与支护措施施工方法是相匹配的，如国外工程一般要求锚杆外露部分设置垫片，这也是在相应的计算软件设置时予以考虑的。尽管垫片的实际作用尚需探讨，但类似问题应是边坡稳定量化分析工作中不可忽略的。

4 洞室围岩稳定

4.1 围岩分类及初期支护建议

GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》附录L中，从岩块强度、岩体完整性、结构面性状、主要结构面与洞身交切关系及地下水状态几个方面进行围岩分类，与岩体地质力学分类法(RMR)基本一致，增加了围岩强度应力比的概念。国际上普遍认为，需采用至少2种围岩分类方法，常用的分类方法包括岩体地质力学分类法(RMR)、岩体质量分类系统法(Q)及岩体地质力学指标法(RMi)等。

(1)岩体地质力学分类法(RMR)由比列夫斯基[29]在1973年提出，先后经历了多次修订，至1989年形成体系，共包括岩块强度、岩体完整性、结构面间距、结构面性状、地下水状态及主要结构面与洞身交切关系等5项打分，总分由各项相加得到，并针对洞径10 m的隧洞按照围岩分类推荐了相应的开挖和支护方式。这是目前应用最为广泛的一种隧洞围岩分类方法，但也存在一定的局限性，如未考虑地应力大于25 MPa的情况，以及断层或软弱带、地下洞室开挖体型结构、膨胀类岩石等特殊岩性对围岩稳定的影响。

(2)岩体质量分类系统法(Q)由挪威工程地质局巴顿[30-31]在1974年提出，公式如下

Q=(RQD×Ja×Jw)/(Jn×Jr×SRF)

(2)

式中，Q为岩体质量评分；RQD为岩体完整性评分；Jn为主要节理组数；Jr为节理面粗糙度打分；Ja为节理面蚀变打分；Jw为地下水状态打分；SRF为地应力状态打分。岩体质量分类系统法(Q)同时引进了开挖支护比(ESR)的概念，与岩体质量分值一起考虑，确定围岩支护参数。帕尔姆斯特罗姆和布罗基提出[32-33]，岩体质量分类系统法(Q)只适用于Q=0.1～40且开挖洞径D=2.5～30 m之间的隧洞，存在断层、软弱带和膨胀类岩石以及可能岩爆、塑性变形的地下洞室中应慎用。

(3)岩体地质力学指标法(RMi)由帕尔姆斯特罗姆提出，该方法部分输入参数与岩体质量分类系统法(Q)类似，需要现场对开挖围岩进行更多的观察、量测、统计和计算工作，在www.rockmass.net上可下载岩体地质力学指标和对应支护措施的电子计算表格，考虑了岩块强度、统计样本体积和直径、统计样本内的结构面粗糙度、结构面蚀变程度、结构面延伸长度、主要结构面组数、主要结构面产状，以及地下水状态、地应力状态、软弱带厚度等一系列因素作为计算的基础。针对块状岩体、节理化岩体、软弱带、高地应力等情况都设置了特定的计算公式。统计过程中，需要利用岩体质量指标(GSI)的打分方法，对支护方式，如锚杆或锚索的长度、间距等，可在特定公式计算后通过专门的表格查询得出。虽然岩体地质力学指标法考虑的因素较为全面，但对于存在软弱带、高地应力、塑性变形、膨胀岩类的洞室围岩仍需慎用，也未考虑膨胀岩类的情况。

综上，上述3种方法的支护方式均是基于钻爆法施工，对出现膨胀岩类、塑性变形、超高地应力等更复杂的围岩地质条件需单独考虑。帕尔姆斯特罗姆提出了将3种方法统一应用到一项工作中的表格，但需要系统的输入参数，工作量较大。

4.2 围岩水力劈裂

国内习惯采用挪威准则进行有压隧洞抗水力劈裂设计，即隧洞有效覆盖厚度不应小于隧洞内水水头的1.3～1.5倍[34]，对高压隧洞需适用最小地应力准则，详见图2。图2中，στ为优势结构面法向应力；σn为优势结构面切向应力；D为有压隧洞最小覆盖厚度；hw为水头；α为有压隧洞傍山侧地表坡度；θ为单组控制性结构面倾角。部分国际咨询工程师对有压隧洞的选线在初期一般选择最小主应力准则，无论是否为高压隧洞，要求围岩最小地应力应大于内水压力，并有1.2～1.3倍的安全系数。按此标准设计，如无地应力测试成果支撑，最小地应力值一般取岩体自重的0.3倍，要求线路布置的隧洞埋深需有足够的安全余度。笔者认为，控制水力劈裂的关键因素是岩体中的结构面。

图2 简化水力劈裂准则示意

在满足渗透稳定要求的前提下，对于傍山有压隧洞单组结构面控制下的岩体最小覆盖厚度取值，可按下式计算

(3)

式中，γw为水的容重；λ为安全系数；γR为岩体容重；μ为岩体泊松比。在无试验资料的情况下，基于上述公式可将最小主应力估算值提高到0.5倍自重应力左右；与按照0.3倍自重应力控制相比，有压隧洞线路布置考虑垂直和侧向埋深时可一定程度上节约工程投资。

5 对策措施探讨

国际咨询工程师关注工程地质分析的理论基础和原始资料，主要包括岩体的野外观察、量测、统计、简易试验和岩土体地质参数的确定过程。在国际工程实践的基础上，笔者初步提出应对措施如下，供业内人士探讨。

(1)利用国际组织间的协调机制，争取建立技术标准互认机制。

(2)加强专业英语运用能力的学习，积极在国际重量级期刊上发表相关论文。

(3)加强岩体力学基础理论及上下序专业知识学习，掌握国际工程师习惯的岩体质量半定量评估的工作方法，熟悉岩体抗剪(断)强度、承载力、变形模量、围岩单位弹性抗力系数之间的推导关系。

(4)普及国际大坝学会关于地震参数选择的相关公告建议，熟悉工程所在国对地震参数选择的规定和习惯做法，同时在国际工程中倡导现场调查与理论分析相结合的地震安全性评价方法。

(5)将中国坝基原位直剪试验成果进行总结，在重量级国际工程期刊上发表相关论文，逐步改变目前国际上坝基抗剪断强度参数硬套霍克-布朗准则与摩尔-库伦准则强制转换的不合适做法。借鉴岩体质量指标(GSI)打分系统思路，总结中国上千组直剪试验成果，建立适合的岩体结构面打分系统和经验公式，并逐步在国际上推广。

(6)总结国内应用较为成熟的地质模型构建、变形机制分析、失稳模式分析、稳定性分析及计算流程成果，积极在国际重量级学术论文上发表，边坡岩体抗剪断强度参数取值应尽量避免直接套用直剪试验成果经验值，可借鉴霍克-布朗准则反算摩尔-库伦准则下的黏聚力值和内摩擦角值，确定抗剪断强度参数值。

(7)尝试在国内推广3种或2种围岩分类并行的办法，通过更精细化的围岩分类方法提供详细的支护措施建议。同时，借鉴国内多个工程，对特殊地质洞段采用单独分段研究围岩分类和支护措施的办法，查缺补漏。针对目前3种常用方法，对膨胀岩类、塑性变形、超高地应力等复杂围岩分类问题提出实用性分类方法。

6 结 语

中外水电工程地质勘察行业的技术交流在20世纪80年代左右相对较多，当时正处于发达国家水电大开发的尾声，西方国家工程经验丰富且理论基础扎实的工程师的技术理论在国内得到了较好的推广。随着发达国家水电工程市场的萎缩，中国水电工程开发速度逐渐加快，中国工程师在实践中形成了大量的工程经验和总结，为水电大开发的快速实施提供了有利保障，而发达国家的工程师则在有限实践经验条件下夯实了理论基础。因此，中外地质工程师在关键技术问题上的沟通障碍，归根结底还是工程实践和基础理论认知关注度上的差异。

勘测设计本质上是在工程经验的基础上建立勘测设计理论，尽管在不同专业存在细节规定上的差异，但经各专业之间充分协调后，设计控制标准基本相当，仅少量安全控制标准在不同国家存在差异。因此，充分掌握国内外相关技术理论体系和工作思路的差异，积极参与重量级国际工程技术论坛，逐步提高中国标准的影响力，是解决目前国际工程地质勘察面临的几个关键技术问题的有效手段。