中国水利水电工程地质

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第1 8卷第 3期20 0 4年 9月

资源环境与工程Re o r e v r n n s u c s En io me t& En i e r g gn ei n

Vo. 8, . 1 1 No 3

T tlNo 5 o a . 0

中国水利水电工程地质陈德基，蔡耀军(利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，湖北： 4 0 1、水 300

1水利水电工程地质发展回顾 5 0年前，中国没有专业的工程地质人员，量少

结构等理论为指导， 10多个水坝的工程地质勘对 2

察成果进行了整理分析，对其中 3 0多个大、中型工程进行了现场调查，在此基础上系统地总结了建国 以来水坝建设工程地质的实践经验，分专题从理并论上做了概括和提高，写出版了《利水电工程编水

简单的道路、涵、桥房屋等建筑设计中的地质问题，主要由土木工程师凭经验确定解决方案，有时也聘

请少数地质师进行咨询。至于水利水电建设的工程地质，由于没有建设什么现代意义上的水利水电工

地质》一书。该书以工程实例为基础，以经验总结为主要内容，具有一定的学术水平和很高的参考价

程，也就谈不上相应的地质勘察与研究，尤其是大坝建设中的工程地质勘察几乎是一片空白。新中国成立后，随着水利水电建设事业的发展， 水利水电工程地质学也应运而生，日益发展壮大，并大致经历了三个时期：

值，是多年来水利水电工程地质工作者重要的参考书，也是对我国水坝工程地质第一阶段发展水平的总结。 ( ) 0世纪 6 2 2 0年代后期到 8 0年代中期。这一时期，中国在一些地质条件复杂的地区，建了一批兴

( )2 1 0世纪 5 6 0~ 0年代中期。这一时期中国建设了许多水坝，主要集中在中国东部和中部地区， 如淮河流域的梯级水坝，板桥、石漫滩、响洪甸、梅山、子岭等，上的三门峡、佛黄河浙江的新安江、资水的柘溪、广东新丰江、江西上犹江等。这一时期所建大坝的主要特点：一是坝高不大，绝大多数都在 10 0 m以下；二是坝型以砼重力坝和当地材料坝为主，对

有代表性且规模较大的大坝，如在岩溶十分发育且构造复杂的乌江渡，兴建了我国第一座高达 15m 6

的岩溶坝基高坝；在各种地质条件均很复杂的青海龙羊峡建设了我国当时最高的重力拱坝——龙羊峡大坝；在白山水电站兴建了我国第一座大跨度地下厂房；在长江干流白垩纪红层上兴建了长江第一坝——葛洲坝水电站。上述工程建设及相应的工程

基础要求相对较低；三是地质条件相对较简单，火成岩、质岩坝基占多数，变很少遇到诸如岩溶坝基、缓

地质勘察，位地为提高中国大坝建设的工程地全方质勘察与研究水平提供了条件。如乌江渡水电站的 成功建设，根本上克服了在岩溶地区兴建高坝的从恐惧心理；葛洲坝大坝的建设，积累了软弱夹层坝基

倾角含软弱夹层坝基、断裂构造复杂的坝基、高地震烈度区，以及人工高边坡和大跨度地下洞室等可能遇到的复杂地质问题。这一时期也有少数大坝因地质勘察工作深度不够或缺乏经验，开工后因地质条

建坝的经验；龙羊峡大坝在拱坝坝基稳定性分析及地质缺陷处理、近坝库岸滑坡危害性评价及监测技术、泄洪雨雾对下游岸坡稳定的影响等多方面，为大坝工程地质勘察提出了新问题，供了新经验。为提适应这些复杂地基地质勘察工作的需要，勘察新技术、新方法的研究在这一时期也取得了明显的进步。 如：为适应软弱夹层研究而研制的=10 m的 00 m

件复杂而被迫停工；出现了诸如梅山水库右坝肩也

岩体过量位移、丰江水库诱发地震、溪水库塘岩新柘光滑坡等事故。这一时期是中国水利水电工程地质锻炼队伍、积累经验、培养人才，为今后发展奠定基

础的重要阶段。2 0世纪 6 0年代初，由中国科学院和水电部水电建设总局联合组织从事水坝工程地质勘察，有一定经验的专业人员，并以地质力学、体岩收稿日期：2 0 0 0 0 4— 9— 7

大口径取芯钻机、= 1m l 9 n的钻孔彩色电视、弱软夹层钻进和取样工艺、类剪切带成因类型划分及各

作者简介：陈德基 (9 5,男，中国工程勘察大师，教授级高工，从事水利水电工程地质勘察。 1 3一)

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相应力学参数的研究。这一时期列入国家“ 六五”点科技攻关项目的“杂地基勘察技术研重复

究”是大坝建设工程地质勘察所取得的最重要的，研究成果，对推动我国工程地质勘察技术和方法的进步起到了重要作用。

钻孔彩色电视，高边坡快速编录技术，岩体质量分级及检测， P G S和 GS的广泛应用等。上述大量的专 I题研究和新技术新方法的推广应用，不仅满足了二

滩、小浪底、峡三大工程复杂地质问题研究的需三要，而且迅速将我国大坝工程地质勘察技术推进到了世界领先的前沿水平。

( ) 0世纪 8 3 2 0年代后期至 9 0年代，中国政府为进一步综合利用水资源和防治水害，相继决定兴建当今最引人瞩目的三个巨型水利水电工程，即雅砻江二滩工程、河小浪底工程和长江三峡工程。黄

2水利水电工程地质勘察的主要内容及其研究进展水利水电工程地质研究，论上应涵盖所有与理工程建设及运行相关的工程地质和环境地质问题。

这三大工程具有以下共同点：一是无论从工程规模、综合效益和建筑物的复杂性都处于当今世界的前列；二是三个工程都有各自独特的复杂工程地质问题，如二滩工程的区域构造稳定性，坝址区高地应力及大跨度地下厂房；浪底工程近水平含软弱夹层小地层中，大跨度、高密度地下洞室群开挖；三峡工程

在中国，习惯将地质勘察研究工作的内容分为四大部分，即区域构造稳定性评价及地震危险性分析；水库区工程地质及环境地质；坝址及枢纽建筑物工程地质与水文地质；然建筑材料。从世界范围考察，天 不同的。但是在中国，由于特殊的社会经济和自然

永久船闸深开挖高边坡及水库移民环境地质问题各国对这四个问题所给予的重视程度和研究深度是等。三是三个工程都经历了数十年的工程地质勘察与研究，有庞大的勘察工作量和丰富的勘察研究成果。二滩工程和小浪底工程已分别于 19 9 8年和 19 9 9年建成发电，三峡工程的施工，已跨过了受地

条件 (口众多、人土地资源和水资源相对匮乏、地多震等 )的制约，四大问题中的任何一项都必须给这

予足够的重视，能满足建坝的可行性论证和工程才规划设计的需要，并确保工程施工和运行的安全。2 1区域构造稳定性及地震性危险评价 . 中国是一个多地震

的国家，尤其是中国东部的

质条件控制的关键阶段，期勘测所做的主要结论前都已得到检验。这三大工程的成功建设，志着中标 国水利水电工程地质的实践经验和学术水平，已登

上世界水坝建设工程地质研究的前沿。自 18 9 5年至 19 9 5年，国家在“ 七五”“ 、八五”“ 、九五”重点科技攻关中，对这三大工程的重大地质问题针

太行山、山山前地震带、湾、部的青海、燕台西宁夏、新疆以及西南的广大地区，地震活动性强，区域构造稳定性及地震活动性评价在这些地区兴建水坝时是

都列有专题进行研究。包括：区域构造稳定性评价和地震危险性分析；地震遥测台网建设及水库诱发地震研究；库岸滑坡的调查、定性分析计算、稳失稳判据研究、测和预警系统；杂地质条件下高重力监复坝及高拱坝坝基坝肩稳定性分析、地质概化模型及

第一位的工作。有些大坝，三峡工程、浪底工如小程、丹江口大坝等，虽然位于构造相对稳定、地震活动不强烈的地区，由于工程的特殊重要性，区域但对

构造稳定性和地震活动性问题也给予了特殊的注意。区域构造稳定性和地震活动性的研究包括区域地质背景 (区域地层、造、貌、质发展史等 )构地地，裂展布特征及活动性，史地震及现代测震资料的历收集、核查和分析，地震本底情况研究，地震危险性分析及地震动参数确定等。 随着中国水坝建设的重点向西部转移，以及二滩工程、三峡工程和小浪底工程的建设，关水利水有

岩体力学参数取值原则与方法；工开挖高边坡的人算、时效变形效应；隙岩体渗流场及岩体水动岩体裂力学；复杂地质条件下，高地应力区、如水平地层含软弱夹层地区大跨度地下洞室围岩稳定；型不稳大定块体的支护措施等。由于筑坝地区迅速扩大、坝型越来越丰富、施工水平快速提高，天然建筑材料愈来愈受到客观条件的限制，推动了天然建筑材料的研究。这一时期，为适应上述三大工程地质勘察与研究工作的需要，勘测新技术、方法的引进、新开发

稳定性评价、种本构模型条件下的二维、维计深部地球物理场特征，各三新构造运动的性质及强度，断

电工程区域构造稳定性和地震活动

性的研究在中国取得了举世瞩目的成就。如二滩工程兴建在新构造和地震活动均很强烈的川滇南北向构造带上，中国的工程师和科学家通过深入研究工程区周缘几条主

和推广工作也得到飞速的发展。如遥感技术、弹性波C T技术的广泛应用，大型地质力学模型试验，计算机技术和各种工程勘测软件的迅速开发，一代新

要断裂的性状及其活动性，出了相对稳定地块的提概念。三峡工程在地震方面的安全性曾引起世界范

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围的关注，中国的专家学者通过 3 0多年的潜心研

位抬高对矿产开采的影响，在兴建水坝决策论证时必须全面做出评价；在岩溶地区，库的封闭条件，水 库水有无向邻谷或向下游渗漏的可能及其规模，是

究，了许多卓有成效的工作，作在许多方面堪称世界之首。如三峡工程专用地震监测台网，已有 4年 0余的测震资料，在世界上是少有的。为深入认识三峡

在这一类地区兴建水坝必须首先做出明确结论的问题；有些地区由于水库蓄水，库周边一定范围内地水下水渗流场 (水位、水温、水质 )生的变化及对当发

地区的大地构造环境和几条主要断裂的性质，采用人工地震测深的方法研究这一地区的地壳结构，各

壳层界面特征，莫霍面的埋深及变化，条主要断裂地工农业生产和人民生活带来的影响 (面的或负几正

的切割深度及断距等，到了极其宝贵的资料，得从最面的)也应做出评价；由于安置水库移民而大量兴基本的地壳结构及深部地球物理场条件澄清了许多建新的城镇及相应的工业、交通、通讯和其它设施而有争论的重大问题。中国工程师根据三峡工程的实引发的次生工程地质和环境地质问题，日益引起了践，出“总结深部构造 (深部地球物理场 )是背景，区域地质条件是基础，区域断裂构造是骨架，新构造运中国政府的重视。近期兴建的小浪底、三峡工程，移

民数量巨大，对这一问题的研究，从广度和深度上都动是表征，场断裂活动是核心，近地震活动性是脉是史无前例的。 由于兴建水坝对下游地区可能带来的工程地质搏，地震危险性分析是归宿”的研究思路和方法。 中国的新丰江水

库 16年发生 N 6 1 91 s .级水库和环境地质问题，引起了广泛的注意。三峡工程也地震，是世界上 4个震级大于 6 0级的水库地震之兴建后清水下泄对下游河床的冲刷， .坍岸加剧且会一

,

其后在中国大陆先后共有约 2 0座水库发生过水

危及部分堤防的安全；位变化对江汉平原土壤潜水育化的影响；长江与洞庭湖、阳湖等大湖关系的变鄱化，至对上海市和长江河口的可能影响，乃都进行了广泛深入的研究。

库地震。中国政府及有关的生产、科研部门对此给予了高度重视，并投入了巨大的力量进行研究。中国对这一问题的研究是由地震学家和从事水坝建设发地震震例分析；库诱发地震成因分类；水库区岩性条件，造、构新构造条件，文地质条件及岩体渗透水

的工程地质学家配合进行的。研究内容包括水库诱 2 3坝址及建筑物工程地质与水文地质 .坝址及建筑物工程地质是水坝建设工程地质勘察的主体，主要涉及坝基、地下洞室和人工开挖边坡三大类型的工程地质问题的勘察与研究。

性(碳酸盐岩构成的水库还包括岩溶发育情况 )地；应力状态；区域地震活动水平、地震本底情况 (包括河水位变化情况下 )的监测以及建立水库诱发地震

水坝坝基工程地质勘察的基本任务是确定坝基岩体可利用程度及范围，确定各种类型地质缺陷的位置、性状、范围和计算所需的其它各种地质边界，确定地质缺陷处理的原则和方法。最近 2 0多年来， 随着计算技术、试验和测试技术的不断进步，早期主定坝基( )肩开挖深度的做法，已逐渐让位于通过建

预测模型等。上述研究内容及方法，近十余年中在得到发展和系统的应用。 2 2水库工程地质与环境地质 .

国数座发生过典型水库诱发地震的工程中，一步提供进行各种数值分析所需的岩体物理力学参数，进

水库工程地质与环境地质问题的勘察研究是水要依靠工程地质学家凭经验评定建基岩体质量，确坝建设中工程地质勘察不可或缺的重要内容。与国 外的水坝建设相比，中国由于人口众多，水库区一般立岩体质量评价体系进行定量分类，根据建筑物的均有较多的移民搬迁和城镇迁建，加之土地资源相工作条件确定可利用岩体的部位和利用岩面的

位对匮乏，更增大了水库区工程地质与环境地质问题研究的重要性。水库区工程地质勘察研究的内容， 因自然社会条件的不同而有所不同或侧重，主要有以下方面：库岸稳定性，主要是可能危及工程施工及安全运行的近坝库段的大型崩塌、滑坡、危岩体， 以置。深层抗滑稳定问题的研究主要是确定滑动边界

条件及选取合理的力学参数。三峡工程左岸厂坝1 5机组坝段由缓倾角结构面构成深层抗滑稳定 一 问题，通过对块状岩体中闭合、不连续缓倾角结构面

的位置、产状、模、规连通率及其构成的确定性滑移模式研究，使这一问题的研究有了突破性进展。龙羊峡重力拱坝坝肩地质条件复杂，坝肩深层抗滑稳定问题十分突出，为此采用了混凝土阻滑键、力传

及可能影响水库正常运行和居民安全的大型滑坡； 中西部山区泥石流对库区环境的影响也是一种常见的自然灾害；在特定地区，主要是华中及北方平原地

区，水库蓄水引起的坍岸及浸没，常是水库工程地质研究的重点；产资源受水库直接淹没或因地下水矿

槽、断层带物质部分置换及化学灌浆等复杂的基础处理措施。葛洲坝工程位于产状平缓多夹层的半坚

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硬岩石上，针对坝基抗滑稳定所做的地质勘察、岩石物理力学试验、稳定分析和基础处理措施，为中国在

求。水利水电建设中天然建筑材料勘察所表现出的巨大的社会和经济效益，以及部分工程由于天然建

类似条件地区兴建水坝提供了完整的经验。 深开挖高边坡的稳定性及其支护措施的研究， 也是坝址及建筑物工程地质勘察的重点，包括坝肩边坡、厂房边坡、地下开挖进出口边坡、下游消力池两侧边坡及船闸开挖边坡等，边坡的形态、作条件工及构成边坡的岩体条件也千差万别。统计数字表明，开挖高边坡带来的麻烦问题远高于水利水人工电建设中其它工程建筑物所遇到的问题，因此高边坡稳定性的勘察研究在中国愈来愈受到重视，并成功地解决了工程建设中许多高边坡工程的工程地质和岩体力学问题。 水利水电建设中的地下工程，包括导流、泄洪、 引水、排沙、溉、灌交通洞及地下厂房等，由于受到地形条件的限

制，中西部地区大坝建设中地下工程的

筑材料选择失误所带来的损失，日益引起勘察设计部门对天然建筑材料勘察工作的重视。早期曾在中

国甚为流行的一种做法，即地质工作将天然建筑材料放在次要地位的现象已逐步得到克服。2 5当前水利水电工程中出现的几个突出工程地 .质问题

当前我国的水利水电工程呈现三个明显特点，一

是大型水坝建设向西部地区转移，之相应的区与

域稳定问题、边坡问题、型洞室 ( )大群和深埋洞室

问题、高地应力和地热问题、深厚覆盖层问题日益突出；二是长大线性调水工程方兴未艾，如南水北调、 引滦人津、引黄人晋、引大济湟、中引水等，滇与之相应的特殊土问题、长大深埋洞室问题、线路穿越煤矿采空区问题、水文地质环境问题十分突出；三是受市

类型和数量愈来愈多，也愈来愈大，规模条件也愈来愈复杂。中国自2 0世纪 8 O年代中后期开始，兴建了众多的抽水蓄能电站和大型地下厂房。与边坡工程相似，水坝建设中的地下工程类型多，规模和运行条件各异，地质条件千差万别，从坚硬完整的花岗岩到岩溶发育的碳酸盐岩，至一经开挖遇水就膨胀塑流的泥岩、断层夹泥或蚀变岩；水平地层到强烈挤从

场经济的驱动，工程勘察周期大大缩短，对工程勘察人员综合素质的要求越来越高，工地质的地位越施来越重要。

过去，我国水利水电工程多在地震烈度 V度或 IV度以下地区， I目前 V I V I度区的工程逐渐增 I~ I I

多，加上近场区复杂的断裂构造，区域稳定评价工作

的比重明显增大；西部高山峡谷区边坡深部 (平水技术人员提出了一个新课题：缝的成因及其对工裂

压带，以至高地应力、高地热地区，因此也是水坝建深度可达 10~ 5 拉张裂缝的发现为工程地质 5 2 0m)设中工程地质勘察的重点对象。 层，地区坝基防渗排水，岩溶高水头大流量泄洪下游

坝址地质勘察的其它内容，:床深厚覆盖程的影响。目前已经至少在三个工程中揭示这一现如河象，围绕其成因的争论也大相径庭，可以发现似乎但与具有软层分布的逆向坡有关，软层的塑性变形与诱发的次生拉应力可能在扮演重要角色；一些引水工程的地

下洞室长达数十公里、埋深达千余米，高地应力、高地温、高压水流将是洞室掘进时面临的三大问题，现有的勘探手段难以直接对洞身部位的地质条件进行了解；河南、在山西等地，引水工程能否从煤矿采空区通过、如何评价工程的安全性、基础如何处理，是近几年遇到的工程地质新问题；由于地下工

冲刷坑等的勘察研究，随着水电建设重点地区的都西移和工程规模的增大而日益复杂。24天然建筑材料 .

天然建筑材料勘察是水利水电工程地质勘察的一

项重要工作。在中国早期的水利水电建设中， 由

于工程的规模较小，建设地点和条件优越，然砂砾天石料、天然土料及各类天然石料资源丰富，然建筑天材料相对比较容易解决。近 2 0年来，随着环境和生态保护的要求日益严格、工程地点不断向西部迁移、 自然资源的限制等诸多因素的影响，天然砂砾石料和天然土料已愈来愈无法就地取材，不得不转而研究新的料源和料种。混凝土骨料发展最快的是人工骨料。在中国，多种类型的坚硬岩石，花岗岩、很如

程开挖和大量排泄地下水，造成周边地下水下降和水文地质环境恶化，已经引发数个工程部位的生态

环境问题，如引滦入津工程。

3几个典型工程的地质研究简介 中国是一个水利水电资源蕴藏极为丰富的国家，水利水电工程从无到有，量不断增多，得了数取丰富而宝贵的成功经验，下面就我国各个时期、各种不同类型地区成功建成的几座大坝作一简要介绍。

玄武岩、酸盐岩、碳变质岩、砂岩等，曾用作人工骨都料，以碳酸盐岩人工骨料最多。防渗土料已广泛使

用砾石土、碎石土、风化残积土或其它混合料；面高板堆石坝的石料勘察也有别于过去常规堆石坝的要

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3 1江渡水电站——开创我国灰岩地区兴建高坝 . 的先例乌江渡水电站于乌江中游，是乌江流域规划中

( )施工期地基岩体变形的监测。不仅大大加 3深了对地基岩体工程地质特性的认识，且对适时而修改设计，调整施工方案，出工程措施起到了极其提重要的作用。

确定开发的第一期骨干电站，是我国在岩溶地区也兴建的第一座高坝。因

此乌江渡大坝的建设曾引起国内大坝建筑界的广泛关注，大坝的成功建设也为

( )基础处理。由于地基岩体为软硬相间， 4多层面、多软弱夹层的复杂岩组，且是长江干流上的第一

中国在石灰岩地区兴建众多的大坝开创了先例，并积累了丰富的经验，中包括：其

坝，因此，采取了极为慎重的综合基础处理措施。 工程建成后，过 2经 0年的运行及各项监测资料

( )灰岩地区建坝， 1尽量选择坝址附近有可靠隔水层做防渗依托，为在岩溶地区选择坝址的重成要原则之一。

反馈分析表明，葛洲坝工程运行期的各项指标均在设计控制范围以内，程的安全是有保证的。工程工的勘测、设计和施工，先后获国家科技进步特等奖等多项奖项。

( )重视岩溶发育规律和演变历史的研究， 2特岩溶发育的影响。 ( )在灰岩地区利用地下水等水位线图指导研 3究岩溶发育状况是一种有效的方法。 ( )注意断层对隔水层隔水作用的破坏，灰 4是岩地区大坝建设工程地质勘察时需认真注意的问题之一。

别是河流发育过程、断裂构造和岩体水动力条件对 3 3龙羊峡水电站——复杂地质条件的典型工程 .龙羊峡水电站位于黄河上游青海省境内的龙羊峡峡谷进口段，坝为混凝土重力拱坝，大坝高大最 18m。在龙羊峡水电站众多的工程地质问题中， 7最突出的是两大问题：一是坝肩岩体的抗滑稳定和基

础处理；另一个是近坝库岸岸坡的稳定性及滑坡涌浪危害性评价。

乌江渡大坝 17 9 9年建成，0年的运行证明大 2坝建设十分成功。该项工程于 1 8 9 5年获国家科技

( )坝肩岩体抗滑稳定及基础处理。主要包 1括：岸坝肩几条陡、两缓倾角的断层带设置混凝土抗滑键、传力洞 ( ),弱破碎物质开挖置换，槽塞软水

进步一等奖。由于有乌江渡大坝成功建设的经验， 消除了人们早期在岩溶地区建坝的恐惧心理。之后中国在灰岩地区成功建设了一大批大型水电工程，

泥、化学灌浆及复杂的防渗排水措施等。( )库岸的岸坡稳定及涌浪危害性研究。自坝 2前向上游长 l . m的河段内滑坡密布，占库岸 5 8k约长度的 8%以上。这些滑坡规模普遍较大，积在 0体数百万至上亿立方米

之间。因此近坝库岸的岸坡稳定性及其在施工期、行期的滑坡涌浪的危害性研运究，成为龙羊峡工程的重大技术问题。 这一问题的研究主要包括三个方面的内容：滑坡的地质背景及形成过程研究；滑坡涌浪危害性研究；坡监测及预报。滑

如鲁布革、观音阁、隔河岩、东风、天生桥、万家寨等。 3 2长江葛洲坝水利枢纽——软弱夹层研究的范 .例

长江葛洲坝水利枢纽位于长江三峡出口南津关下游 2 3k下距宜昌市 2 0 k是兴建在长江干 . m, . m,流上的第一座水坝。

坝基岩体中含大量的软弱夹层，别是泥化夹特层及由此而引起的坝基抗滑稳定问题是工程建设的

关键性技术问题之一。为此做了大量的技术探索和研究工作，主要有： ( )软弱夹层的勘察。为准确查清软弱 ( 1泥化)夹层的层位、布范围、状及厚度在空间的变分性

主要监测手段有三类：质巡视；地测量；地大仪埋定点观测。 通过多年的监测，取得了岸坡稳定性的重要资料，测成果表明，监滑坡不大可能产生高速滑动，引

化等技术难题，进行了大量的科学研究。软弱 (泥起巨大涌浪，以将原限制运行水位低于设计蓄水所化 )层的成因和后期演变，夹夹层的类型划分，矿位 4 0m提高为 5~ 8m。物、学成分和结构、化构造的分析研究，为后来众多工程的软弱 (泥化 )夹层的研究打下了基础。 34二滩水电站——我国已建最高的双曲拱坝 .

二滩水电站位于长江上游金沙江的支流雅砻江下游，为雅砻江梯级开发的第一期工程。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高 2 0 m。针对区域构造稳 4

( )夹层的物理力学性质研究。不仅为葛洲坝 2工程提供了重要的设计依据，也在不同程度上推动了我国岩石力学特别是软弱层带岩石力学特性研究

定性、地震活动性、高地应力和坝基 ( )肩岩体力学特性所做的专门性勘察、试验与科学研究工作，在许

工作的进展。

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多方面都积累了重要的经验，动了我国工程地质推相关学科的发展。

施工期局部地段已发生不同程度的变形，明边坡表稳定问题的严重性。

( )构造稳定性

和地震活动性的研究。经过大 1量的调查、长期监测等深入细致的研究及对南北向构造带的分段剖析，二滩水电站区域构造稳定性和地震活动性得出了明确的结论。二滩水电站的区域构造稳定性研究为我国在西部地震活动比较强烈的地区兴建高坝，累了重要的经验。积

在大量的勘察研究和多种方法的稳定分析计算的基础上，通过复杂的工程处理措施，泄水建筑物出 口段边坡的稳定性得到了保证，监测成果表明，边坡未出现明显变形。3 6三峡工程——世界上最大的水电站 .

三峡工程是当今世界上规模最大的综合性水利

( )关于高地应力及其对工程的影响评价。二 2滩水电站是我国最早系统研究地应力的工程。围绕

枢纽。最大坝高 1 1m,长 239 5i, 8坝 0 .装机容量 n 1 0 82 0MW,水库总库容 3 . 9 3×19 m。工程地质 0

0年代中期，先后历时 4 0年。 坝区应力场及其对工程的影响进行了大量的专题研勘察始于 5三峡工程的地质研究，采用了地面地质、遥感地究。在钻孔和平硐中测量大量的平面和三维地应

力，得坝区不同高程、同地貌单元、同建筑物求不不部位的地应力值，再通过三维有限元分析，出全坝得区的地应力场，从而为评价地应力对建筑物设计、施

质、深部地球物理勘探、钻探、井探、程物探、硐工专

门性工程地质水文地质观测、测试与试验、 ( )岩土 体物理力学性质试验研究、高精度形变测量、物理模拟、值解析、进的分析鉴定技术、用地震监测数先专台网等技术方法，围绕区域构造稳定和地震活动性、 水库诱发地震、库区工程地质与环境地质、水坝址及建筑物工程地质与水文地质、天然建筑材料等与工程建设关系密切的重大地质问题进行研究。其中： 区域构造稳定性和地震活动性方面，于深部地球关物理场和地壳结构的研究、主要断裂活动性的研究、 现代地壳运动性质的研究、震活动特征与地震危地

工的影响提供了重要的基础资料。同时，地应力对岩体工程性质的影响及合理利用地应力提供了宝贵经验。

3 5小浪底工程——平缓含软弱夹层地区建坝的 .新经验

小浪底工程位于黄河中游最后一个峡谷出口 处，大坝为粘土斜心

墙堆石坝，大坝高 14 m由最 5。 于受到地形、地质条件的限制，工程总体布置，筑建物型式的选择及施工都必须面对许多无法回避的矛盾，也会遇到不利的工程地质条件和复杂的工程地

险性分析的研究等；水库诱发地震方面，关于库区深孔地应力的实测、小孔径台网强化的观测，近场地极

震动参数的研究，库盆应力场和应变场的数值和物质问题。其中最具特色和借鉴价值的是左岸单薄分理模拟的研究等；水库区工程地质与环境地质方面， 水岭地下洞室群的围岩稳定及支护，以及泄水建筑关于库岸稳定性的综合研究、库区移民选址的工水物出口段边坡的稳定性问题。 程地质勘察、水库下游河道演变及环境影响；坝址区 ( )地下洞室群围岩稳定及支护设计。由于受及建筑物主要工程地质条件的研究方面，于风化 1关到地形、条件和水工建筑物结构型式的限制，地质小壳工程地质特性的研究、断裂构造工程特性的研究、 浪底工程导流、泄洪、沙、排灌溉、发电等水工建筑物缓倾角结构面的工程地质研究、岩体卸荷带特征研全部采用地下洞室型式，并集中布置在左岸单薄分究、大坝建基岩体结构及质量研究、深挖岩质高边坡水岭地段。由于洞室集中布置带来的复杂应力状稳定性研究、 ( )物理力学性质试验研究等；岩土体

态、中众多的泥化夹层、岩体软硬岩体本身强度的较以及天然建筑材料的勘察研究，都极具特色，取得了大差异以及高倾角裂隙切割使得围岩稳定分析及支许多有价值的成果。 护设计极为复杂。小浪底地下工程的勘测、设计及三峡工程的地质勘察研究时间跨度长达 4, 0年施工，在软硬相间，为岩性极不均一，大量软弱含

经历了不同勘察阶段的多次反复和交叉，与三峡参工程重大地质地震问题研究的单位、门和学者，部都是国内相关科学研究的权威部门和专家，一定程在度上代表了我国当前工程地质，其是水坝工程地尤质勘察与研究的水平。

(泥化 )夹层，且产状平缓的岩体中开挖大跨度地下洞室群提供了完整的经验。( )左岸泄水建筑物出口边坡稳定性及工程处 2

理。岩性以细砂岩为主，次为粉砂岩和泥岩，夹有并众多软弱(泥化 )层。岩层倾向下游 (

向泄水建夹倾筑物出口)因此存在出口边坡岩体沿泥化夹层或，软弱层面产生较大面积平面滑动问题。上述边坡在

4勘察技术的发展与进步5 0年来，十座高 10m以上的大坝在中国的数 0

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第 3期

陈德基等：中国水利水电工程地质

成功建设和数个长大引水工程的实施，为广大的工

主要集中在以下一些工程地质问题上，:如泥化夹层的成因演变及破坏机制的研究，高边坡失稳机制和破坏模式的研究，岩体结构及岩体质量分类研究，地下洞室围岩分类研究，裂隙三维网络模拟研究，岩溶河谷水动力类型分带及深部岩溶研究，隙水动力裂学的理论研究等。上述诸多的理论研究中，谷德振教授创立的“岩体结构控制论”具有比较完整的学，术观点和理论体系，得到了广泛的应用。中国的工程地质学者在谷德振教授所创立的理

程地质和相关学科的科技工作者从理论到技术方法上追求勘察技术的创新和发展提供了广阔的舞台， 使水利水电工程地质勘察工作的水平得到了迅速提高。4 1工程地质理论研究 .

几十年来，许多中国工程地质学者，努力从理论上建立一种可以指导工程地质实践、有助于认识和

把握工程地质条件的学说。这种理论研究有两种类型，一种是有一套比较完整的思想观点和理论体系， 用以全面指导勘察工作的实践和在较广泛的范围内解释复杂的工程地质现象；另一种是仅从一个方面提出一些新的观点和研究方法，服务于特定的专题，

论基础上，通过大量的工程实践，发展和完善了岩体结构控制的理论。并在工作中形成了一套较完整的流程 ( 1。图 )

图 1水利水电工程地质勘察流程 F g T nv siainprc d r o y rui n y o lcrc e gn e n elg i.1 hei e t to e e u efrh da lca d h dree ti n ie r g g oo y g i

4 2遥感技术 .

随着工程建设的地基条件日趋复杂，多特殊的地许质问题，如软弱 (化 )泥夹层的层位确定及取样，砂卵石地层特别是巨砾、漂砾地层的钻进，砂砾石层取样，砂层取原状样，特硬地层如燧石层、英砂岩地石层的钻进，钻孔岩心定向等问题，依靠常

规的钻探方

遥感技术应用于中国的水利水电建设始于 2 O

世纪 7 O年代后期。由于这一技术具有视域广阔、信息丰富、用途广泛等优点，在很短的时间内就在水利

水电工程地质勘察工作中得到了广泛的应用。目 前，中国的水利水电工程地质勘察中，感技术已在遥得到广泛的应用，主要用于：

法无法获得满意的结果。国外解决类似的特殊地层钻进问题，的有成熟的设备机具，价格很昂贵；有但 有的则还没有可靠的方法加以解决。在国家“ 六 五”“ 科技攻关中，、七五”中国的工程师本着为生产服务、自力更生的原则，为解决上述难题做了大量

( )中小比例尺地质填图； 1( )区域地质构造研究； 2

( )库岸稳定性及崩塌、 3滑坡、泥石流调查；( )岩溶调查； 4 ( )地质环境调查与监测。 5

的研究工作，得一批在实践中获得良好效果的成取果，包括：口径钻进技术、大金刚石套钻取芯技术、金

中国工程师们在充分应用航天航空遥感技术的同时，合工程建设的实际需要，意开发低空大比结注例尺航空遥感和地面遥感技术，提供的影像真实、清晰、息丰富。信4 3钻探技术 .

刚石钻具砂卵石层中钻进技术、动阀式双作用冲液

击回转钻进设备、种类型的砂层和软土层钻进及各取样技术等。此外，索取心、碎地层取芯技术在绳破等许多方面，已达到了国际先进水平，小了和国都缩外技术的差距。

钻探仍是水利水电工程地质勘察的主要手段。

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资源环境与工程

20 04盘

4 4工程地球物理勘探技术 .

的局面，开拓了工程地质数值分析的新领域。尤其是大坝建设面临的如高双曲拱坝坝肩稳定性、高地应力区建筑物设计、高地震烈度区抗震设计、含众多软弱夹层及断层的坝基稳定性、大跨度地下洞室、高

在我国，水文地质工程地质物探与石油和金属物探相比，步较晚，起约在 2世纪 5 0 0年代后期才有一

些流域机构和部直属勘测设计院建立专业物探队

伍开展工程物探工作。在改革开放和科教兴国政策的强力推动下，各水利水电工程勘测单位基本上都建立了专业物探机构，相继从国外引进了一批较并先进的工程物探仪器

,开展了新技术方法的应用研

陡人工开挖边坡的稳定问题等，计算机应用技术为的发展提供了强大推动力。在这些条件下，础岩基

体的应力状态十分复杂，采用传统的解析方法，无法考虑诸如岩体的各向异性、非均质性、连续性、不时效变形及复杂边界条件等情况。同时这些问题也促

究。同时，中国的科技人员结合工作中遇到的大量孔彩色电视录像及图像处理系统的研究；层反射浅波法地震勘探及数据处理技术的研究；数字测井技

实际问题，开展了多方面的专题研究。如小口径钻进了各种工程地质数值分析技术与方法的发展。

中国水利水电工程地质勘察计算机技术和数值分析方法的应用，可分为三个层次：大体这是目前计算机技术在广大勘察部门应用得最广泛的一个层次，它包括：原始资料和数据的统计、 分类，各种分析试验成果的计算处理，各种工程地质条件的分类、分区、势分析和预测等。趋 4 6 2工程地质问题数值分析 ..

术及全波列数字声波测井技术的研究；弹性波、电磁 4 6 1工程地质勘察原始数据的统计分析 . .

波层析成像技术 ( T研究；伽重力仪在岩溶探测 C)微中的应用研究；瑞利面波勘探技术研究；最近又研制出一种新型的超磁致伸缩声波震源发射装置。这些研究成果为推动我国工程物探的发展起到了重要作用。此外，十余年来，国外先进物探设备的引近对进、消化吸收、进和扩展的研究也取得了很大的进改展。

工程地质问题数值分析是数值分析方法在工程地质领域应用的核心，主要包括两种类型的问题：一

4 5地质力学模型试验 .

是工程地质现象形成机制和演化过程的数值模拟； 二是工程岩体的稳定性评价和预测。 复杂地质现象的数值模拟是用数值分析方法通过再现地质现象的形成和演变过程来揭示现象的内

地质力学模型是一种物理模拟研究方法，于用研究工程建筑结构和岩体结构的共同作用，量或定半定量地解决在工程荷载作用下建筑物、基岩的变

形和稳定状态，及在超载作用下的破坏过程和破坏在规律。由于客观地质体不论其空间、时间尺度，还机制，以对建筑物的安全作出评价。中国将大型地是物质条件和影响因素的复杂程度，不是数值模都质

力学模型试验用于大坝工程建设始于 2 0世纪 7 0年代后期，首先应用于葛洲坝工程二江泄水闸的抗永久船闸高边坡的开挖程序和变形状态、峡工程三左岸厂房坝段深层抗滑稳定性、浪底工程地下厂小房多裂隙层状介质岩体的稳定性评价、二滩水电站拱坝整体稳定和坝肩稳定，以及铜街子、构皮滩、小湾、隔河岩等工程，均进行了二维 (面 )三维的平和地质力学模型试验，为建筑物设计提供了极有价值的资料。

拟所能准确再现的。因此，这种数值模拟方法的意义不在于具体成果的准确性，而在于规律探索，预并分析方法不仅得到岩体变形 (移 )位和破坏的最终

滑稳定，用在龙羊峡大坝的坝肩稳定、其后三峡工程测其未来的发展趋势或失稳破坏的方式。由于数值

结果，而且可以获得工程岩体在外荷载作用下位移场、场的细部情况，以在一定程度上模拟岩体应力可的非均质性和各向异性，同时还可以通过对岩 ( )土 体变形破坏规律和过程的模拟研究，价岩体的稳评定性现状并预测其未来的变化，因而不断发展和完

善工程岩体稳定性的数值分析方法，工程地质学是今后发展的一个趋势。

中国的工程地质工作者也采用地质力学模型研究许多自然地质现象的发生、发展过程和破坏机理。 如葛洲坝坝基层间剪切带，铜街子大坝坝基地质结构的形成机理，龙滩、五强溪水电站的高边坡变形和破坏机制等，均取得了许多重要的成果。

然而，实践表明，由于工程岩体的特殊性和复杂性，完全依赖甚至主要依赖数值分析方法来解决大量的工程实践问题是不可取的。首先地质体是在漫长的地质历史时期形成的复杂体系，同时地质体高度的各向异性和非均质性也是任何其它材料所不能比拟的。因此，理论上的本构关系假定和必须简化

4 6计算机技术应用与工程地质数值分析 .近十余年来，随着计算机技术的迅速发展，中国的工程地质学科也迅速摆脱了长期以定性评价为主

的计算模型在解决这种问题时必然存在偏差，时有

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陈德基等：中国水利水电工程地质

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甚至表现得无能为力；同时人们对地质体的认识由于受到多种因素的限制，仍然有很大的局限性，因

高；者计算参数的选择在很大程度上决定了计算再

直接回答各类工程地质问题的分析结论，却是加但快勘察工作进度、大勘察成果的应用领域、高勘扩提科广泛接纳现代科学技术的重要方面。 计算机制图技术在工程地质领域的应用在近十多年来得到快速发展，目前基本地质图件均已实现计算机制图，括柱状图、包剖面图、类地质结构面各的统计图、各种展视图及地质平面图等。但复杂的三维地质模型成图的水平仍较低，目前国内有几个

此，与之相对应的数值分析方法自然不能期望过察成果服务水平的重要途径，对也是推动工程地质学

结果的可靠性，由于计算参数的不确定性，极大地限制了计算结果的准确性。工程地质技术人员在进行数值分析时，应把握以下几个原则：

( )高度重视第一性资料的收集工作。任何工 1决于对地质原型认识的正确性。

程地质数值分析的可靠性和准确性，大程度上取工程地质结构分析软件系统还在完善之中。很 ( )立合理的地质概化模型和力学模型。任 2建何数值分析都必需对地质体原型条件做合理的抽取、归并和概化，使之能较好地概括地质体的基本特征和环境条件，既突出工程地质问题的主导因素，同

参考文献[]水利电力部科学研究所， 1中国科学院地质研究所.利水电工水程地质[ . M]北京：科学出版社，94 17 . []谷德振.体工程地质力学基础[ .京：学出版社， 2岩 M]北科l7 9 9.

时又具有数值分析的可能性。

[]曹乐安等 . 3葛洲坝工程丛书，础处理与设计[ .京：国基 M]北中水利水电出版社，9 8 19 .

( )适时优化完善计算条件和参数。任何一项 3工程，特别是地质条件复杂的水坝工程的实施过程，都是一个不断加深认识和优化设计的动态过程。因 此，根据不断变化的地质情况，要及时调整各种计算条件和参数，充分利用数值分析方法快捷、简便的优

[]严沛漩. 4水利水电工程勘测设计专业综述，工程地质[ . M]北京：电子科技大学出版社， 9 . 1 3 9

[]庆祖荫 . 5龙羊峡水电站近坝库岸滑坡涌浪问题研究[]水力 J.发电，9 5 ( ) 1 8,7 .

[]赵炳祯等

.羊峡水电站重力拱坝基础处理设计[]水力发 6龙 J.电，9 7 ( ) 18,4 .

势，时补充数据，改和完善地质概化模型、学及修力模型和计算方法，数值分析方法的优越性得到充使分的发挥。

[]余仁福等. 7龙羊峡水电站的工程地质条件及主要问题[]水 J.力发电， 8,9 . 1 7() 9

( )重视并充分运用岩体原位测试和变形监测 4技术。近几年来岩体原位测试和变形监测技术大量应用在大坝建设的各种建筑物的设计、工和运行施

[]谭华礼 . 8龙羊峡水电站深层基础处理施工简介[]水力发电， J.1 8 ( ) 9 7, 9 .

[]杨法玉，国彦.黄河小浪底水利枢纽地下厂房围岩稳定性 9马对分析方法的研究[]水力发电， 9,1 . J. 1 5 () 9 [0马国彦等. 1]黄河小浪底水利枢纽工程地质问题及其处理措施[]水文地质工程地质， 9,2 . J. 1 7 () 9

中，这是当前勘测、计施工信息化的重要组成部设分。用反分析方法所确定的参数尽管其物理意义是模糊的，但用于优化设计则是可行的。因此反分析计算已成为工程地质数值分析的一个重要手段。 ( )正确估量数值分析成果的可靠性和应用条 5件。数值分析方法在解决复杂的工程岩体问题时， 有很大的局限性。因此不能简单地将数值分析的成果应用于岩体工程的设计中。缪勒博士 1 8最 9 8年后一次考察三峡工程时，曾对数值分析方法作了评述，大意是：没有计算是不行的，计算成果可以给出

[ 1陈德基等. 1]三峡工程地质研究[ . M]武汉：湖北科技出版社，1 97. 9

[2潘别桐， 1]黄润秋.程地质数值法[ .京：工 M]北地质出版社，l9 9 4.

[3水利电力部第八工程局. 1]乌江渡工程施工技术[ . M]北京：水利电力出版社，97 18 .

[4 C e e, ei r rs iE g er g el y f t 1] hnDj ARue oP g sn ni e n o g e i w f o e n i G o oWa rRe me n y reet cPoetnC ia rc e ig f i su sa dH dolcr rj hn,Poedn s h i i o6I tr ain lI ne n

to a AEG n rs Co g es,Neh ra d 9 0. t eln s 1 9

[5蔡耀军等. 1]水库诱发岸坡失稳的机理及其预测，湖北省三峡库区地质灾害防治论文专辑[]湖北地矿，02 J. 20 .

量级和程度的概念。但依靠计算做设计是困难的， 更不能代替地质学家的判断。这一段话说得十分精辟，得在实践中不断探索和把握。值4 63计算机辅助制图和工程勘察管理系统及仿 ..真技术的应用

这是第三个层次的计算机技术应用。它虽然不

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