第四节 工程地质研究
一、基本概念
水利水电工程地质是工程地质中专门研究与水利水电工程建设有关的地质问题的学科，研究工程区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、物理地质现象、岩土物理力学参数，研究工程地质条件与建设工程及各建筑物的相互作用和影响。在水利水电工程建设中，工程地质是非常重要的基础性工作，只有重视工程地质问题，进行充分的地质勘察，深入开展地质分析和评价，才能为工程设计提供可靠的基础资料。
在水利水电工程建设中，不可避免地会遭遇各种复杂的地质条件，如深厚覆盖层、活断层、强震区、复杂地质构造背景、软弱岩体、高边坡及大型滑坡体、高地应力、高地下水位、岩溶渗漏等问题。这些常见的工程地质问题对工程选址、设计方案选择以及工程投资、施工难易、运行风险等影响较大。因此，各设计阶段和施工过程中，必须重视和做好相应的工程地质勘察工作。
工程地质勘察是工程地质工作的主要手段，它通过运用工程地质学的研究方法，达到预测工程区地质条件、分析工程地质问题的目的。研究方法包括测绘、物探、勘探、试验、观测以及勘察资料整理、计算分析等。不同设计阶段，水利水电工程地质勘察的任务、范围、内容和深度各有所不同和侧重，以满足相应的设计要求。
二、主要工程地质问题
（一）区域构造稳定
区域构造稳定主要是指活断层和可能发生的地震对工程的影响。基本研究内容一般分为区域构造背景分析、工程区构造稳定性评价以及建筑物工程地质勘察。
区域构造背景分析，以收集和分析工程所在地半径150km或300km范围内的地震资料为主，一般可依据《中国地震烈度区划图（1990）》或GB 18306《中国地震动参数区划图》确定库坝区基本地震烈度及地震动基岩水平峰值加速度等。DL 5073—1997《水工建筑物抗震设计规范》规定，基本烈度为6度或6度以上地区且坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型水电工程，以及基本烈度为7度或7度以上地区且坝高超过150m的大型水电工程，应进行专门的地震危险性分析和抗震设计研究。
工程区构造稳定性评价是以坝区所在的大地构造单元和坝区周围半径20～40km范围内的断层活动性、特别是活断层的分布特征为主要研究对象。水利水电工程地质把晚更新世以来活动过的断层定义为活断层。
水工建筑物工程地质勘察主要是指场地工程地质条件的详细勘察。水利水电工程要避免选址在震级为6.5级及以上的震中区或地震基本烈度为10度以上的强震区；大坝、泄水建筑物、发电厂房等主要建筑物要避免布置于活断层及与之有关的分支断层上。美国的奥本拱坝（Auburn Arch Dam），坝高210m，已经完成初步设计，但由于坝基下发现活断层，至今未敢兴建。在活断层附近，也有成功修建水利水电工程的实例，通常需要进行专门论证，并采取相应的防震抗震措施。
（二）水库工程地质
水库蓄水后，库区周围的工程水文地质条件将发生较大的变化，同时将产生一系列的水文工程问题，如渗漏、浸没、坍岸、淤积和诱发地震等。
1.水库渗漏
水库渗漏分暂时性渗漏和永久性渗漏两种形式。暂时性渗漏是指水库蓄水初期，库水渗入未饱和的岩土体中的孔隙、裂隙和洞穴等，使之饱和而出现的库水渗漏量，这种渗漏对水库蓄水无影响。永久性渗漏是指库水沿地下渗漏通道流向库外邻谷或洼地的现象，这种渗漏对水库蓄水效益有不利影响，有的甚至可能造成水库无法蓄水。水库渗漏是普遍存在的问题，一般来说，渗漏量小于该河段平水期流量的1%～3%是允许的，渗漏量较大或有集中渗流时，应进行专门的工程处理。
产生水库渗漏的工程地质条件有岩性、地形地貌、地质构造和水文地质等条件。灰岩是渗漏的主要岩性条件之一，其次为砂卵砾石层、断层破碎带、各种不整合面、层面以及裂隙极发育的砂岩、玄武岩等。有无隔水层及隔水层的完整性是水库是否发生渗漏的关键条件。
地形地貌条件主要体现在分水岭的宽窄和邻谷的深切程度，分水岭窄而邻谷切割深的山区，渗漏量大，反之则渗漏的可能性小。
透水的基岩，配合一定的构造条件，可能会成为水库的渗漏通道。当库区岩层属单斜构造时，库水可能顺层面向低邻谷渗漏；当库区位于岩层背斜部位时，沿平缓岩层有可能产生渗漏；库区隔水层被横向断层切断，则水库渗漏的可能性较大。
水文地质条件主要表现在分水岭地区地下水的分布特征。一般而言，蓄水后分水岭的地下水位高于库水位，不会产生水库渗漏。
2.水库浸没
水库蓄水后，库区周围地下水相应壅高而接近或达到地面，导致地面农田盐碱化、沼泽化及建筑物地基条件恶化、矿坑涌水等现象称为浸没。丘陵地区、山前洪积冲积扇及平原、山间盆地型水库，最易产生浸没问题。
产生浸没的地下水埋藏深度称为地下水临界深度，该值相当于水工建筑物基础埋深或农作物根系深度加土的毛细管水上升高度。当潜水回水位的埋深值小于地下水临界深度时，可判定为浸没。
3.库岸稳定性
水库蓄水后或在蓄水过程中，由于水位升高及波浪冲刷作用，会造成库岸剥落、崩塌、坐落、滑坡等破坏。水库库岸塌滑有两种类型，即基岩滑坡和松散堆积物滑塌。
基岩滑坡一般规模较大，可危及水工建筑物的稳定。如刘家峡的顺层滑坡，碧口的古滑坡复活，龙滩、安康的岩体蠕变等。
松散堆积物滑塌是指发生在第四系松散堆积物库岸的坍落和岸线后退现象，主要出现于蓄水初期，中国以华北、西北地区多见，尤以黄土及黄土类土的塌岸最为严重。如河南三门峡水库蓄水一年内，黄土类岸坡塌岸宽达50～290m；河北永定河官厅水库蓄水初期两年内，库岸因滑塌平均后退34m。
4.水库淤积
建库后，由于水面扩大、水流坡降和流速降低，水流所携带的泥沙将沉积于库底，造成水库淤积。在多泥沙河流上修建水库时，水库淤积问题非常突出。如宁夏黄河青铜峡水库，5年内泥沙淤积量达4.93亿m3；黄河三门峡水库，由于原设计未重视排沙问题，第1年泥沙淤积量就高达10亿m3。
固体径流也将形成水库淤积。研究库区滑坡、泥石流的分布及活动情况，调查库内松散堆积物分布范围，是了解水库固体径流、预测水库淤积状况的基础。加强上游水土保持、整治冲沟、加固库岸、重视枢纽排沙设计等是减缓水库淤积的有效措施。
三、坝基岩体稳定性问题
（一）软弱夹层
软弱夹层是指遇水易软化、力学强度低的薄层，它是影响水工建筑物整体稳定、变形稳定以及渗透稳定的关键因素，常常成为设计研究中的重点问题。工程地质研究要查明其分布、连续性、厚度、性状、起伏差、夹层的分带、上下侧岩石的完整性等，测量其强度、变形和渗透性参数等。影响水工建筑物地基稳定的软弱夹层，一般连续性强、倾角小，特别是小于10°、倾向下游或微倾上游。陡倾角的软弱夹层，则有可能影响拱坝坝肩和岸边坝段的稳定。地层岩性是产生软弱夹层的基础，而构造作用和水的作用则是产生软弱夹层的条件。软弱夹层按成因可分为3类，即原生型、次生型和构造型（亦称综合型或复合型）；按颗粒组成可分为4类，即岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型和泥型。不同类型的软弱夹层，工程性状有明显的差别。
（二）坝基岩体工程地质分类
影响坝基岩体工程地质条件的主要因素有：岩体湿饱和抗压强度（Rb）、岩体结构类型、岩体完整性、结构面发育程度及其组合情况。GB 50287—1999《水利水电工程地质勘察规范》中，坝基岩体工程地质分类主要考虑了岩体强度、岩体结构、结构面性状等因素，坝基岩体划分为Ⅰ类～Ⅴ类。Ⅰ类岩体的结构完整，强度高，抗滑、抗变形性能好，不需作专门的地基处理，属优良的混凝土坝地基；Ⅴ类岩体破碎，不能作为混凝土高坝地基，而当坝基局部区域分布该类岩体时，需作专门处理。
坝基岩体工程地质分类主要适用于混凝土高坝，用于评价坝基岩体的抗变形和抗滑稳定性能。岩体的变形和滑动，既与工程地质条件有关，也与大坝的布置、结构受力特点有关，因此，坝基岩体工程地质分类仍存在许多问题有待深入研究。具体到某个工程，可参照国家标准的分类原则制订适用的坝基岩体工程地质分类。
（三）坝基岩体稳定性分析
坝基抗滑稳定性是指坝基岩体在建坝后的各种作用下，抵抗发生剪切滑动破坏的可能性。它是重力坝的主要问题之一，破坏型式主要有3类，表层滑动、浅层滑动和深层滑动。表层滑动主要是沿接触面的剪切破坏，不存在控制滑动的软弱结构面；浅层滑动主要是沿软弱岩体、近水平产状的软弱结构面或碎裂岩体结构面产生滑动破坏的形式；深层滑动主要是沿软弱结构面、断裂带、拉应力张裂变形带等组合形成的底滑面发生滑动破坏的形式。浅层滑动和深层滑动是坝基抗滑稳定性研究的主要对象。
（四）建基面选择
从岩体工程地质条件考虑，建基面的选择主要受控于岩体的风化、卸荷程度及软弱夹层的发育状况。当坝基岩体为块状结构时，建基面的选择取决于岩体的风化程度及其完整性、均一性、力学强度。以混凝土重力坝为例，坝高超过100m时，建基面高程可在微风化或弱风化下部基岩上；坝高50～100m时，可在弱风化下部或其中部基岩上；坝高小于50m时，可在弱风化中部或其上部基岩上；两岸地形较高部位的坝段，建基标准可适当放宽。当坝基岩体为平缓的层状结构时，建基面的选择取决于软弱夹层或层间错动的发育情况，这种情况下，坝基一般存在抗滑稳定、渗透稳定、压缩变形等工程地质问题，建基岩体常常需要进行专门性处理。
建基面位置的选择，应该考虑在经济可行的前提下，经过地基处理之后，能够满足大坝对地基的基本要求，即具有足够的力学强度、足够的抗滑稳定安全性、足够的抗变形性能和良好的抗渗性能。
（五）坝基处理
坝基处理的目的在于提高坝基的强度和稳定性，以满足大坝对地基承载能力、变形、渗透和渗透稳定、抗滑稳定、边坡稳定等方面的要求。坝基岩体的处理通常包括清基、岩体加固（固结灌浆、化学灌浆、高压旋喷、锚固、混凝土塞、齿墙和钢筋混凝土桩）、防渗（帷幕灌浆、防渗墙、铺盖）、排水以及改变建筑物结构等，以适应坝基地质条件。
（六）岩质高边坡稳定问题
岩质高边坡稳定问题是水利水电工程常遇到的主要工程地质问题之一，特别是在中国西部地区，地形地貌反差大，地质条件复杂，这一问题显得尤为突出。有些边坡问题已成为工程建设的制约因素。
1.边坡变形破坏类型
依据边坡变形破坏特征、变形破坏机制和破坏面形态，可将变形破坏边坡划分为6大类，即崩塌、滑移、倾倒、溃屈、拉裂和流动，其中以滑动破坏为主。据水利水电工程土建事故统计，滑动破坏占到70%以上。
2.影响边坡稳定性的因素
边坡稳定性受多种因素影响，主要有岩性、岩体结构、地质构造及降雨、地下水状态、人类活动、地震等。
不同的岩性组合有不同的变形破坏形式。如黏土岩、页岩及煤系等地层，通常滑坡较多；块状岩石地区（如花岗岩、厚层灰岩等）以崩塌为主；片岩、板岩、千枚岩地区则以表面溃屈和弯曲倾倒为主。岩体结构和地质构造常常对边坡的变形破坏起控制作用。水平岩层在发育陡倾角节理裂隙时，易产生崩塌；顺层边坡（倾角大于25°，且小于坡角）和顺坡向结构面发育的岩层往往发生滑动破坏；反倾向层状结构边坡（岩层倾角40°～70°，坡角40°～60°时）层间错动发育时，极易产生弯曲倾倒破坏。
统计表明，水的作用（如暴雨、水库蓄水、地下水变化、降雨或地下水、冲刷等）和人类活动（如开挖、采矿等）引起的边坡变形破坏各占45%，其他作用（如地震等）只占10%。其中，大中型或巨型滑坡通常存在水的作用，人类活动常引起中小型楔形体滑动、拉裂及大型崩塌。
3.变形边坡防治工程措施
边坡变形破坏一般多为综合因素作用所导致，治理方案需建立在调查研究和稳定分析的基础上。对大型复杂、稳定性差的边坡，避开其影响是理智的。无法回避的潜在的不稳定边坡应采取预防和整治相结合的综合措施进行处理。这些措施包括：①通过监测，预警预报；②合理施工，避免恶化；③削坡减载，消除隐患；④排水疏干，改善环境；⑤结构加固，增强稳定。
常用的改善边坡稳定状态的工程措施有：减载、压脚、排水、灌浆、喷锚、设置抗滑桩等。
（七）地下洞室围岩稳定
中国水电站地下工程愈来愈多，规模愈来愈大，水电地下工程的勘察、设计和施工技术总体具有世界先进水平。近期具有代表性的地下电站工程有已建的三峡、水布垭、龙滩、小湾等，以及在建的溪洛渡、向家坝、锦屏一级、锦屏二级等。复杂地质条件下大跨度、高边墙地下洞室群及深埋超长引水隧洞的设计研究及施工技术，仍然是地下工程中的前沿性课题。地下洞室的稳定性主要取决于岩性、岩体结构及围岩应力状况，根据围岩的强度和变形特点可判断围岩稳定性。因此合理选择地下洞室的位置，了解围岩变形破坏特点，采取合理的处理措施，成为研究地下洞室稳定性及确定开挖支护参数的关键。
1.洞室位置的选择原则
洞室位置的选择应适应工程地质条件并满足枢纽工程布置的要求：①地下洞室一般选择在岩性均一、新鲜完整、地质构造简单、地下水少的地段；②洞室上覆岩体厚度既不宜过深，也不宜过浅，一般为洞室跨度的2～3倍为宜，以免地应力过高，施工支洞过长；③洞轴线尽量与结构面走向垂直或大角度相交，一般不宜小于30°；④洞轴线与初始地应力场最大主应力方向的夹角不宜过大，一般要求小于30°。
2.地下洞室围岩变形与破坏
由于岩体在强度和结构方面的差异，在内外力作用下，往往会产生局部变形和破坏，从而导致围岩失稳。根据大量围岩变形破坏的统计分析，导致围岩失稳破坏的主要因素有：围岩强度、应力条件和岩体软弱面。压应力集中，硬质岩可能造成岩爆、劈裂剥落、弯曲折断、碎裂松动、剪切滑移和剪切碎裂等破坏；拉应力集中，在重力作用下会产生塌落破坏；围岩应力超过其屈服强度时，则软弱夹层会向洞内发生塑性挤出。
3.影响地下洞室围岩稳定的主要因素
影响围岩稳定性的主要因素包括地质因素、结构因素以及施工因素。其中，地质因素主要有岩性、地质构造、地下水和地应力4个方面。
（1）硬质岩围岩往往较为稳定，但地应力比较高；软质岩遇水易软化、泥化、膨胀、溶蚀或崩解，围岩易产生破坏。
（2）洞轴线平行于结构面不利于围岩稳定；断层破碎带洞段围岩稳定性差；结构面组合形成的楔形体对围岩稳定不利。
（3）地下水对围岩稳定性的不利影响，一方面表现为对岩体的软化，尤其是对泥化岩体及其结构面、潜蚀结构面充填物的软化；另一方面则表现为以动、静水压力直接作用于围岩体上。
（4）高地应力可使围岩在施工中产生岩爆，即发生岩块横飞和围岩塌落现象，对工程施工安全构成威胁。
4.围岩工程地质分类
开展洞室围岩工程地质分类是为了从整体上宏观评价围岩质量、稳定性，并确定开挖支护原则。围岩分类的方法很多，国内外应用中的分类方法也不下百余种。目前普遍采用的有挪威的Q系统分类法、比尼奥斯基（Bieniawski）的RMR分类法、RQD分类法、声波分类法和新奥法等。
GB 50287—1999《水利水电工程地质勘察规范》，洞室围岩分类是以岩石强度、岩体完整性、结构面状态为基本因素，以地下水及主要结构面产状为修正因素。按基本因素和修正因素的累计分为基本判据、围岩应力比为限定判据进行划分。地下洞室围岩划分为Ⅰ类～Ⅴ类，Ⅰ、Ⅱ类围岩属稳定—基本稳定，不支护或局部喷锚；Ⅲ类围岩属局部稳定性差，需系统喷锚或混凝土衬砌；Ⅳ、Ⅴ类围岩属不稳定和稳定性差，需要预加固、加强喷锚和混凝土衬砌。对于大型地下工程，洞室围岩分类一般要采用多种分类方法进行对比，进行综合分析评判。