三峽工程壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題研究

薛果夫，陳又華

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

1 前言

三峽工程壩址的工程地質(zhì)勘察，自20世紀50年代后期開始，持續(xù)進行了大量的地面地質(zhì)測繪、鉆探、硐井探、工程物探、巖土力學試驗及水文地質(zhì)試驗研究工作，并針對壩區(qū)及建筑物的主要工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和巖石力學問題，有重點地進行了專題研究。

壩址位于揚子準地臺基底——前震旦紀結(jié)晶巖體上，主要巖石為閃云斜長花崗巖。壩址處河谷開闊，兩岸谷坡平緩，地形地質(zhì)條件均甚優(yōu)越，是一個興建混凝土高壩的優(yōu)良壩址，完全能夠適應(yīng)興建l75 m高混凝土重力壩的要求。但對三峽工程而言：a.有些建筑物，如永久船閘深開挖邊坡，升船機的特殊結(jié)構(gòu)及其對地基的要求，二期圍堰河床基巖深槽深厚覆蓋層基礎(chǔ)防滲，壩后式廠房深開挖基礎(chǔ)，都具有世界一流水平的特點和難度；b.盡管壩區(qū)總體地質(zhì)條件較好，但這一古老的結(jié)晶巖體，仍存在許多局部地質(zhì)缺陷，如局部地段緩傾角結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育帶來的深層抗滑穩(wěn)定問題，小斷層和裂隙發(fā)育的不均一造成的局部巖體破碎，風化帶頂?shù)装宓钠鸱兓途植考由铒L化給勘探工作帶來的困難和資料的不確定性，風化蝕余塊球體對圍堰基礎(chǔ)防滲的影響等；c.三峽工程規(guī)模巨大，土石方開挖量達1.03億m3，大壩及廠房建基巖面面積達40萬 m2。永久船閘、臨時船閘和升船機開挖形成8個人工高邊坡，總長近8 000 m（不含上下游引航道）。因此，巖體力學參數(shù)、邊坡開挖坡角和建基巖面高程的微小變化都會給工程量和造價帶來很大的影響；d.三峽工程建筑物類型多，如加上臨時建筑物，大的建筑物類型多達10余種。不同建筑物對地質(zhì)勘察研究的要求各有特點。水工及施工總體布置影響區(qū)面積達10余平方千米，勘察工作都要有所兼顧。鑒于以上特點，壩址區(qū)及建筑物的地質(zhì)與巖石力學問題的勘察研究，在全面掌握基本地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，重點問題、重點地段和建筑物的重點部位，必須集中力量進行多學科的深入研究和超常規(guī)的地質(zhì)勘察。

三峽工程壩址區(qū)主要的研究專題有：風化殼工程地質(zhì)特性的研究、斷裂構(gòu)造研究、緩傾角結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)研究、巖體卸荷帶特征研究、壩基巖（土）體水文地質(zhì)特性研究、大壩建基巖體結(jié)構(gòu)及質(zhì)量研究、深挖巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性研究、巖（土）體力學特性試驗研究等。

1992年工程開工后，針對壩基深層抗滑穩(wěn)定、船閘高邊坡穩(wěn)定、地下廠房穩(wěn)定性等若干重大問題，又分階段進行了多期深化研究和施工地質(zhì)驗證工作。

2 斷裂構(gòu)造研究

壩區(qū)前震旦紀巖體在漫長的地質(zhì)歷史過程中，經(jīng)受了多期構(gòu)造運動，留下了以斷裂構(gòu)造為主體的多種構(gòu)造形跡。斷裂構(gòu)造是控制巖體工程地質(zhì)條件最主要的因素，壩區(qū)的主要工程地質(zhì)問題均與斷裂構(gòu)造有關(guān)。對斷裂構(gòu)造的分布、出露位置、規(guī)模、性狀、工程特性及其對不同建筑物地基的影響的勘察研究始終是壩區(qū)工程地質(zhì)工作的重點。

三峽工程斷裂構(gòu)造研究除了常規(guī)的勘察手段外，應(yīng)重視采用多手段的專項研究。

1）應(yīng)用地質(zhì)力學、斷裂力學、巖石力學及年代學等的理論與方法，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造的研究成果，對本區(qū)斷裂構(gòu)造的形成時代、形成環(huán)境、活動期次、構(gòu)造應(yīng)力場與構(gòu)造形跡的對應(yīng)關(guān)系等進行研究，從本質(zhì)上把握壩區(qū)斷裂構(gòu)造形成機制、分布規(guī)律和工程性質(zhì)。

2）系統(tǒng)地采取樣品，應(yīng)用多種分析手段研究構(gòu)造巖的微觀組織結(jié)構(gòu)、礦物、化學及光學特性；對壩區(qū)結(jié)構(gòu)巖進行系統(tǒng)分類和定名，并為判定斷裂形成的物理場（溫度、壓力等）提供證據(jù)。

3）在現(xiàn)場和室內(nèi)對構(gòu)造巖和結(jié)構(gòu)面進行分類試驗和測試，以確定其物理力學指標及其工程地質(zhì)特性。

4）對 F23、F7、F215等壩區(qū)規(guī)模最大或性狀最差的斷層進行專門研究。除進行具體的空間定位、成因、性狀的詳盡勘察研究外，還正對其工程特性的現(xiàn)場快速測定及應(yīng)采取的工程措施進行專題研究。

5）根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面實測資料，建立結(jié)構(gòu)面的概率模型和網(wǎng)絡(luò)模型（二維或三維），求得在不同方向條件下巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面密度、長度、連通率等指標，為結(jié)構(gòu)面的定量評價、巖體質(zhì)量研究、巖體穩(wěn)定性分析等提供依據(jù)。

這些研究使我們對壩區(qū)斷裂構(gòu)造的形成條件，發(fā)育和分布規(guī)律，相互的切割關(guān)系，不同方向斷裂的地質(zhì)力學特點，及由此而帶來的工程－水文地質(zhì)性質(zhì)的差異有了充分的認識，并以此指導工程地質(zhì)勘察和建筑物工程地質(zhì)條件的評價。由于對巖體中斷裂構(gòu)造的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀和性質(zhì)都把握得比較清楚、準確，因此對斷裂構(gòu)造工程地質(zhì)條件預(yù)測和評價也就做得比較到位，沒有給設(shè)計和施工帶來不利影響。

2.1 斷層空間展布

壩區(qū)1∶2000地質(zhì)測繪共發(fā)現(xiàn)斷層886條，其中長度大于400 m，寬度大于2 m的斷層有16條，其他均為長度小于300 m、寬度不足1 m的中小型斷層。斷層在平面上具有疏密相間分布的特點，F(xiàn)23以東地段，以與F23平行的NNW向斷層為主，F(xiàn)23至中堡島外側(cè)漫灘，為與F7平行的NNE向斷層集中分布區(qū)，中堡島以西地段，以NNW向斷層為主，規(guī)模較大。

壩區(qū)稍大斷層均為陡、中傾角斷層。按走向可分為NNW、NNE、NE－NEE、NWW －近 EW 組4組，其中前兩組斷層最發(fā)育，數(shù)量較多，規(guī)模較大，構(gòu)成壩區(qū)斷裂構(gòu)造的基本格架，主要為壓性或壓扭性；后兩組斷層規(guī)模較小，延伸長度較短，多顯張性或張扭性特征。

NNE及NNW向較大斷層宏觀上延伸較平直，NE～NEE，NWW向斷層一般呈彎曲和鋸齒狀。

2.2 斷裂構(gòu)造系統(tǒng)及活動期次

壩址區(qū)巖體經(jīng)歷了多次構(gòu)造作用，不同時期形成的斷裂構(gòu)造顯示出不同的特征，并彼此間構(gòu)成相互切割或復(fù)合關(guān)系，為構(gòu)造系統(tǒng)的研究和期次的劃分提供了證據(jù)。

根據(jù)巖石同位素年齡測定結(jié)果，壩址區(qū)主要斷裂的形成年齡為7.81億～8.01億年，表明主要為晉寧運動晚期的產(chǎn)物，晉寧運動形成了本區(qū)斷裂構(gòu)造的基本格架。中生代末的燕山運動，周圍的蓋層發(fā)生強烈的褶皺與變形，而核部的結(jié)晶巖地塊，由于受到周圍幾條較大斷裂對區(qū)域應(yīng)力的吸收和緩沖，其變形破壞程度遠較周圍蓋層為輕，主要表現(xiàn)為對早期斷裂的復(fù)合與改選。根據(jù)主要斷裂的動力學、運動學特點，斷裂的組合切割關(guān)系，以及與巖脈的交切關(guān)系分析，大體可以確定斷裂活動主要有5次，前3次屬晉寧運動，為斷裂構(gòu)造形成階段，后2次屬燕山運動，為斷裂的復(fù)合與改造階段。進入喜馬拉雅期以來，壩區(qū)斷裂活動比較微弱，未見明顯宏觀標志。多種手段的綜合研究表明，壩區(qū)斷裂均為不活動斷裂。

2.3 斷裂構(gòu)造的工程地質(zhì)特性

構(gòu)造巖宏觀特征及大量樣品的光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡分析顯示，壩區(qū)構(gòu)造巖主要為角礫巖、碎裂巖、碎斑巖、碎粒巖、碎粉巖及少量初糜棱巖等，反映了斷層從破裂、裂解至磨碎的脆性變形過程。不同方向構(gòu)造巖由于形成的地質(zhì)力學環(huán)境不同，工程特性有明顯差別。

在4組斷層中，NNW、NNE組相對較發(fā)育，規(guī)模較大，但由于后期熱液活動和重結(jié)晶作用，加之長期處于壓性和壓扭性環(huán)境中，構(gòu)造巖膠結(jié)良好，強度高，飽和抗壓強度50～70 MPa，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，抗風化能力較強，透水性較弱。所以該組斷層盡管規(guī)模較大，但并未構(gòu)成主要工程地質(zhì)問題。如壩區(qū)最大的高家沖斷層（F23），長16 km，構(gòu)造巖帶最寬達20余米，但構(gòu)造巖膠結(jié)良好，性質(zhì)較壞的軟弱構(gòu)造巖寬僅5～15 cm，雖然斷層帶穿越左岸升船機壩段及臨時船閘閘室段，但并未對建筑物帶來重大影響，僅需對軟弱構(gòu)造巖作淺抽槽和常規(guī)固結(jié)灌漿處理。

NE－NEE、NWW－近EW組斷層，一般規(guī)模不大。但由于多屬張性或張扭性結(jié)構(gòu)面，構(gòu)造巖比較破碎，大多膠結(jié)不良，伴有分化加劇時則為松散或泥軟物，對邊坡巖體和硐室圍巖穩(wěn)定不利，也不能滿足建筑物基礎(chǔ)的要求。壩區(qū)本組最大的F215寬1～6 m，彎曲延伸，構(gòu)造巖為角礫巖、碎斑巖、碎裂閃云斜長花崗巖等，膠結(jié)差，風化較強，呈疏松—半疏松狀，沿斷層透水性較強。在升船機一帶，F(xiàn)215、f548等出露，或與F23交匯時，形成一定規(guī)模的軟弱巖帶，分別進行了較大規(guī)模的抽槽、砼置換等綜合處理，在左非壩段一帶還進行了特殊化灌。

巖體深部可見斷裂、裂隙加劇風化現(xiàn)象。主要見于NE－NEE、NWW兩組張扭（張）性結(jié)構(gòu)面，偶見于NNE張性復(fù)合面。NNE向斷裂與NE－NEE組或NWW組斷裂交切部位，亦控制著深風化槽的形成。

2.4 河床斷裂構(gòu)造研究

三峽工程壩址區(qū)長江河床水域及中堡島，后河累計寬達1 000余米，對這些覆蓋地段斷層的勘察與分析研究，成為三峽工程勘察工作最大的難點。由于三峽大壩軸線上下游河床中存在專山珠、牯牛石兩個基巖深槽，更加重了關(guān)于三峽枯水河床是否存在順河向大斷裂的懷疑和爭論。20世紀50年代，前專家提出開挖過江平硐，以查清有無順河斷層。中國專家雖持不同意見，但在前蘇聯(lián)專家堅持下，仍決定進行這一難度極大的勘探工程，并在中堡島開挖深達90 m的豎井，再進入河下平硐。后因前蘇聯(lián)專家撤走，中止了平硐開挖。

長江以140°方向流經(jīng)壩址區(qū)并逐步轉(zhuǎn)向70°，形成一向南突出的大弧，兩側(cè)漫灘均有基巖出露，極有利于斷層研究工作。多年地質(zhì)研究表明，壩區(qū)極少有較大規(guī)模的順江方向（NW向）斷層分布，在壩基枯水河床部位沿水流方向延伸至上下游的漫灘部位，亦未發(fā)現(xiàn)順江大斷層展布。而早在20世紀50年代，實施了國內(nèi)最早的深水穿江斜孔（415孔、416孔從兩岸相向施鉆，重疊約10余米）等，也基本否定了順河向長大斷裂的存在。

但直到二期圍堰截流前，有權(quán)威人士對此仍擔心不止。因此，在二期工程開挖前，河床區(qū)又補充大量地質(zhì)勘察工作，按鉆孔平面位置、孔深及斷層發(fā)育規(guī)律，該地段鉆孔密度基本可控制傾角在70°以下的斷層分布。根據(jù)鉆孔所揭露的斷層構(gòu)造巖類型、性狀、規(guī)模，結(jié)合本區(qū)一般規(guī)律及周圍鉆孔揭露斷層的對比分析，分析確定斷層在平面上的分布及延伸長度。

開挖結(jié)果驗證了前期研究結(jié)論，枯水河床壩基不存在順河（NW）向長大斷裂，較大的 NNE、NNW向斷層多為前期漫灘或鉆孔已確定的斷層，其規(guī)模遠小于壩區(qū)F23、F7等斷裂。河床壩段斷裂總體發(fā)育程度與漫灘壩段無明顯差異，

河床深槽段巖石完好，主要是夾帶砂礫的異重水流在巖體局部破碎的地段侵蝕淘深，沿水流向上方朔源侵蝕，向下方順流沖蝕磨蝕，逐漸延伸而成。

3 壩基深層抗滑穩(wěn)定

三峽工程壩基裂隙巖體中發(fā)育不同程度的緩傾角結(jié)構(gòu)面（優(yōu)勢方向傾向下游），構(gòu)成了對大壩抗滑穩(wěn)定不利的地質(zhì)條件。其中大壩左廠1號～5號機壩段是壩址區(qū)緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度最高的地段。由于采取壩后式廠房布置方案，壩基下游形成坡度約54°，坡高67.8 m的臨空面，因此，其壩基深層抗滑穩(wěn)定問題十分突出，是三峽工程最為關(guān)鍵性的技術(shù)問題之一。

研究工作自1977年可行性論證階段至1993年技術(shù)設(shè)計階段，包括生產(chǎn)、三峽工程前期科研及國家“六五”、“七五”科技攻關(guān)科研，采用了當時國內(nèi)外可以得到的各種方法和手段，取得了豐富的資料和成果。有關(guān)緩傾角結(jié)構(gòu)面的大多數(shù)問題，包括其分布特征、優(yōu)勢產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面形態(tài)及充填物特征、短小結(jié)構(gòu)面的連通率、結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)等已查清或基本查清，有了明確的結(jié)論。

這些研究成果，是施工期前進行抗滑穩(wěn)定研究的主要依據(jù)。在各設(shè)計階段也因此提出了與當時研究程度相適應(yīng)的抗滑穩(wěn)定概化模式，滿足了相應(yīng)設(shè)計階段的需要。

但是，這些工作所能得到的不確定性抗滑穩(wěn)定模式，嚴格而言，對于工程設(shè)計是遠遠不夠的，其中最關(guān)鍵也是最大的難點是確定控制性滑移面的確切位置、產(chǎn)狀、展布范圍與組合關(guān)系。

工程開工后，利用施工開挖的有利條件，左廠1號～5號機壩段進行了兩期三次“特殊勘察”研究工作，解決了如何查明巖體內(nèi)長大緩傾結(jié)構(gòu)面的空間位置、產(chǎn)狀、分布范圍和組合方式這一世界性的技術(shù)難題，使抗滑穩(wěn)定研究取得了由假定統(tǒng)計、概化模式至確定模式的突破性進展，明確提出了2號～5號機組壩段壩基單獨抗滑穩(wěn)定及3號機組壩段廠壩聯(lián)合作用下抗滑穩(wěn)定分析和計算的確定性概化模式，并根據(jù)特殊勘察成果及當時建基面地質(zhì)編錄資料提供了作為三維計算的基本幾何與力學概化條件，為設(shè)計提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

隨后，在4年多的施工地質(zhì)工作中，針對全區(qū)全面開挖揭露的地質(zhì)條件，進一步詳細研究了緩傾結(jié)構(gòu)面及其他邊界切割面的性狀特征、組合切錯規(guī)律、連通率等，并在此基礎(chǔ)上，對照原勘察成果進行了全面的分析對比驗證。結(jié)果表明，壩基深層及淺層滑移路徑的數(shù)量及結(jié)構(gòu)面的連通率均未超越研究過程中地質(zhì)所提出的概化模式。

關(guān)于抗滑穩(wěn)定的基本結(jié)論是：

1）1號～5號機組壩段建基巖體新鮮完整，絕大部分屬于優(yōu)質(zhì)巖體。構(gòu)成壩基抗滑穩(wěn)定控制性滑移面的優(yōu)勢方向緩傾角裂隙均為硬性結(jié)構(gòu)面。

2）1號～5號機組壩段滑移模式為直線型或階梯型，主要潛在滑移面位于壩基以下0～45 m。各壩段不存在統(tǒng)一的深層潛在滑移面。其滑移路徑是由若干條產(chǎn)狀具有一定差異，且被各向陡、中傾角結(jié)構(gòu)面所切錯的緩傾角裂隙組成，潛在滑移面在空間上呈高低錯落、扭曲起伏、且與庫水推力方向有一定交角，滑移路徑按二維平面問題概化，結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)按平直稍粗面取值，均有一定的安全裕度（見圖1）。

3）2號、4號、5號機組壩段壩基抗滑穩(wěn)定分析地質(zhì)模式最終實際連通率29.3%～43.5%。3號機組壩段壩基抗滑穩(wěn)定分析剖面深層潛在滑移面的實際連通率一般為 58.9% ～78.8%，最高達82.9%（概化連通率83.1%）；考慮廠壩聯(lián)合作用，其連通率最大值為76.4%（見圖2）。

4）穩(wěn)定分析中，側(cè)向切割最不利的假定條件是，一側(cè)為f10斷層貫通切割，側(cè)向切割面的連通率100%，另一側(cè)為裂隙切割，連通率為20%。

這些結(jié)論，為設(shè)計處理左廠1號～5號機組段的抗滑穩(wěn)定問題，提供了最終的地質(zhì)依據(jù)。在工程施工中，設(shè)計并實施了一系列提高壩基抗滑安全度的工程措施，如：降低建基面高程、壩前增設(shè)齒槽、廠壩聯(lián)合抗滑、封閉抽排等，為大壩的穩(wěn)定與安全提供了充足的保障。

大壩擋水運行7年來，左廠1號～5號機組壩段地基巖體水平位移量僅3 mm左右，壩頂向下游位移10 mm左右。主排水幕后的壩基滲壓水位高程約在52 m以下，低于壩基滑移主要控制性緩傾角結(jié)構(gòu)面的位置。目前1號和2號排水洞總滲漏約68 L／min，且總體呈下降趨勢。壩后最大揚壓力系數(shù)為0.11。這些數(shù)據(jù)均遠低于設(shè)計所設(shè)定的標準，表明左廠1號～5號機組壩段運行狀態(tài)十分良好。

三峽工程左廠1號～5號機組壩段抗滑穩(wěn)定問題的工程地質(zhì)研究，不僅有全區(qū)各勘察設(shè)計階段的基礎(chǔ)資料為支持，而且在工程施工的特殊時期，創(chuàng)造性地運用了新的技術(shù)思路和手段，通過特殊勘探取得了極為珍貴的勘察成果。該成果在隨后的施工地質(zhì)過程中經(jīng)全面驗證，結(jié)果吻合?？梢哉J為，三峽工程左廠1號～5號機組壩段抗滑穩(wěn)定問題的工程地質(zhì)專項研究工作，不僅成功地解決了三峽工程左廠1號～5號機組壩段抗滑穩(wěn)定問題，同時也為研究巖體中長大緩傾結(jié)構(gòu)面的空間位置、產(chǎn)狀、分布范圍和組合方式這一關(guān)鍵性的、世界性的技術(shù)難題，提供了一套新的、完整的技術(shù)思路、手段和方法。

4 船閘高邊坡穩(wěn)定與變形

三峽永久船閘由南北高邊坡及中隔墩南北坡四面坡組成，各長1 607 m，邊坡最大高度達170 m，下部閘室墻為高40～68 m直立坡。

三峽船閘邊坡是劈嶺開挖而成W形雙向四面，卸載約6 330萬t，巖體在相當短的時間內(nèi)經(jīng)受了急劇的卸荷和應(yīng)力調(diào)整；邊坡下部直立坡是船閘結(jié)構(gòu)的一部分；閘門安裝后，要求邊坡的變形量小于5 mm。

三峽永久船閘高邊坡的這些特點，國內(nèi)外尚無先例可循。

圖1 左岸廠房2號～4號機組壩段主要控制性滑移面空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of the major controlling slip planes of units 2～4 dam sections of left bank powerhouse

4.1 邊坡穩(wěn)定問題研究

從“七五”重點科技攻關(guān)到技術(shù)設(shè)計，對船閘邊坡的整體穩(wěn)定性做了大量的研究，包括物理模擬試驗，二維、三維有限元計算，極限平衡分析等。有限元計算表明，最大水平位移，直立坡頂為30 mm左右。南北坡斜坡段和中墩上部存在拉應(yīng)力區(qū)，坡腳為壓應(yīng)力集中和高剪應(yīng)力區(qū)，個別斷層出露部位出現(xiàn)剪切屈服。塊體極限平衡分析結(jié)果表明，邊坡出現(xiàn)整體失穩(wěn)的概率很小，邊坡整體穩(wěn)定性好。

圖2 3號機壩段壩基及廠壩聯(lián)合坑滑穩(wěn)定分析地質(zhì)概化剖面圖Fig.2 Generalized geological profile for analyzing the joint anti－sliding stability of unit 3 dam foundation and dam＆powerhouse

局部穩(wěn)定是指其范圍未達到整個邊坡高度的巖體變形成破壞問題。船閘區(qū)最常見的邊坡局部穩(wěn)定性，是結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體穩(wěn)定。在施工期前，根據(jù)塊體位置確定性程度及其對邊坡穩(wěn)定的影響不大，可分為定位塊體、半定位塊體和隨機塊體三類，局部穩(wěn)定只有在施工期才能解決。在施工地質(zhì)期，進行高邊坡動態(tài)地質(zhì)預(yù)報，是確保查明高邊坡每一個塊體所處位置及其邊界條件的關(guān)鍵。

由于塊體的尺度遠小于前期勘察點間距，加上構(gòu)成塊體結(jié)構(gòu)面分布的隱蔽性與隨機性，所以塊體的特征只能在施工期間進行預(yù)測預(yù)報。在船閘施工中，研究者系統(tǒng)地實施了一整套施工地質(zhì)工作思路和工作程序，通過地質(zhì)巡視、專門性地質(zhì)編錄、專項勘察和自行開發(fā)的數(shù)字攝像成圖、三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬、三維立體數(shù)字化模型分析等技術(shù)對高邊坡塊體進行動態(tài)預(yù)測預(yù)報。塊體預(yù)報的具體成果包括塊體所處坐標與高程、結(jié)構(gòu)面組合形式、力學參數(shù)、埋深、方量及穩(wěn)定情況等，并以施工地質(zhì)簡報的形式及時向設(shè)計和業(yè)主做出預(yù)報。在永久船閘施工地質(zhì)期間，共陸續(xù)編發(fā)390期、合計近240萬字的施工地質(zhì)簡報，預(yù)報塊體1 054個，最大的達24 000 m3，1 000～10 000 m3的51個，100～1 000 m3的 308個，小于100 m3的694個。

施工地質(zhì)超前預(yù)報為塊體支護提供了可靠的依據(jù)，在船閘高邊坡的施工過程中，未發(fā)生塊體漏報事件及因塊體預(yù)報不及時而發(fā)生工程與人身事故，保障了工程施工安全，也確保了工程整體質(zhì)量，為邊坡穩(wěn)定和工程長期運行提供了可靠保證。

圖3和圖4為三峽船閘邊坡最大塊體的加固及排水措施設(shè)計布置圖。該塊體位于三閘室中隔墩北坡，主要由與邊坡呈小角度相交的f5斷層為主體邊界形成。

4.2 變形穩(wěn)定問題研究

船閘邊坡開挖后，形成巨大的臨空面，使億萬年來巖體中所形成的原有應(yīng)力平衡體系被急劇打破，產(chǎn)生一系列的巖體卸荷與變形問題，最令人關(guān)注的是時效變形與變形總量能否控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

4.2.1 邊坡巖體卸荷松弛特征

邊坡開挖后，巖體應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生卸荷松弛，同時，在開挖爆破的雙重作用下，在巖體中形成松動——松弛帶。

全、強風化帶巖體位于邊坡頂部，初始應(yīng)力小，開挖坡角為45°，又采用機械挖掘方式開挖，對巖體擾動相對較小，坡面見不到明顯的結(jié)構(gòu)面張開，巖體位錯松動現(xiàn)象。而全、強風化帶巖體的變形量又遠大于弱風化及微、新巖體，說明全、強風化帶巖體以整體回彈松弛為特征。

圖3 三峽船閘三閘室中隔墩由f5切割形成的L3S101塊體立體示意圖Fig.3 L3S101 block of middle division pier cut by f5of the third lock chamber of Three Gorges ship－lock

圖4 三峽船閘由f5切割形成的L3S101塊體錨索加固等處理示意圖Fig.4 Anchor cable reinforcement of L3S101 block cut by f5of Three Gorges ship－lock

弱風化帶及微、新巖體邊坡松弛帶劃分為爆破－卸荷松動帶和卸荷松弛帶兩個亞帶。前者主要受爆破振動和表層強卸荷的雙重影響，表現(xiàn)為巖體中產(chǎn)生的新的爆破裂隙，原生結(jié)構(gòu)面大量張開位錯，巖體松動，巖體強度有較大降低（主要是結(jié)構(gòu)面強度的降低）；在爆破控制較好的地段，該帶的深度一般為3 m左右，損傷嚴重的地段，深度遠大于此，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面的張開、位移。卸荷松弛帶的深度在不同部位變化較大，且卸荷松弛深度坡頂比坡腳大。

三峽工程永久船閘高邊坡開挖前，就在邊坡巖體中埋設(shè)了多點位移計，銦鋼絲伸縮儀，隨著開挖高程的下降，連續(xù)進行監(jiān)測，獲得了邊坡深部巖體變形的全過程，積累了寶貴的資料。對邊坡巖體卸荷得出了以下幾點基本認識。

1）根據(jù)大量測試和監(jiān)測資料分析歸納，可將邊坡巖體從坡面向深部按開挖卸荷的影響程度劃分為3個帶：即強卸荷松弛帶、弱卸荷變形帶和卸荷應(yīng)力調(diào)整帶。 并采用微應(yīng)變（μ ε）（10－6）作為劃分 3 個帶的標準，見表1。

表1 坡體開挖卸荷分帶Table 1 Unloading zones of slope excavation

強卸荷松弛帶：邊坡表部受多種因素嚴重擾動了的巖體，主要表現(xiàn)為巖體強烈卸荷松弛并受到施工爆破及反復(fù)震動損傷，彈性波波速有明顯下降，聲波縱波速度大體在3 500 m／s，比完整巖體降低約35%左右。

弱卸荷變形帶：這一帶的分布大體上和各種計算中的塑性區(qū)相適應(yīng)。巖體縱波速度與完整巖石相比有所下降，在 4 000～5 000 m／s之間，降低約15%左右。

卸荷應(yīng)力調(diào)整帶：從理論上講，巖體受深開挖卸荷影響的范圍可能很大。設(shè)置于山體中的8＃平洞內(nèi)的伸縮儀，7個測點距開挖邊坡的距離48.4～258.4 m。根據(jù)5年（1995.9—1999.10）的監(jiān)測成果，受開挖卸荷的影響，7個測點的巖體仍有極微小的變形，但巖體的各種物理力學參數(shù)沒有什么變化。因此卸荷應(yīng)力調(diào)整帶僅是理論意義上的分帶，對巖體的性質(zhì)和強度不具有任何實際意義的影響。

2）監(jiān)測過程表明，當邊坡開挖至儀器同水平高程時，儀器尚無明顯的反映。當開挖至儀埋高程下方3 m時巖體始有變形的跡象，開挖在儀埋高程以下3～15 m范圍內(nèi)進行時，強卸荷松弛帶和弱卸荷變形帶變形劇烈，并完成幾乎全部的變形過程。而開挖繼續(xù)向下進行時，強卸荷松弛帶和弱卸荷變形帶內(nèi)的儀器已無明顯的反映，而應(yīng)力調(diào)整帶內(nèi)仍有微小量的變形進行。這一現(xiàn)象說明，巖體卸荷是一個隨著開挖（河谷下切）不斷逐步發(fā)生又不斷完成的過程。

3）在三峽工程壩區(qū)古老堅硬塊狀的花崗巖體中，巖體開挖卸荷大部分變形的完成是比較快的。開挖結(jié)束后，邊坡直立墻頂部的變形量已占到總變形量的85%～90%，亦即絕大部分的卸荷回彈變形在開挖期都已發(fā)生，開挖結(jié)束后的期后變形只占到很小的一部分。

4）觀測還發(fā)現(xiàn)，距離邊坡坡面愈近的測點，其穩(wěn)定時間愈早，而離邊坡較遠的測點，變形穩(wěn)定的時間愈晚，表明邊坡深部巖體比表層巖體有明顯的滯后變形現(xiàn)象。這是由于邊坡開挖后，其應(yīng)力調(diào)整由邊坡向山體內(nèi)有一個逐步發(fā)展的過程，相應(yīng)的巖體變形也有一個滯后的適應(yīng)過程。

這些觀測成果是人工開挖邊坡卸荷變形的某些規(guī)律，無法與河谷下切的復(fù)雜自然過程相比，但所提供的現(xiàn)象仍對我們認識河谷卸荷帶有所啟發(fā)。

4.2.2 邊坡巖體變形特征

對于邊坡巖體變形，采用了多種方法進行監(jiān)測，但埋設(shè)最早，觀測資料最完整的是外部變形監(jiān)測成果。

從變形監(jiān)測資料的分析中，可以得出以下幾點主要認識：

1）變形量大小與施工開挖強度之間有很好的對應(yīng)關(guān)系，開挖量大變形量就大，開挖停止，變形量就迅速變小。

2）全、強風化帶巖體的變形量遠大于弱風化及微、新巖體。當開挖進入微新巖體后其變形速率與微新巖體相當。

3）中隔墩受閘槽開挖影響，向兩側(cè)變形，開挖量大變形量大，哪邊開挖量大，中隔墩向哪邊位移。

4）根據(jù)多點位移計和伸縮儀的資料，表層爆破－卸荷松動帶的變形量遠大于其深部的卸荷帶。因此外觀所得的變形觀測成果，系兩種不同性質(zhì)變形的總變形量。

5）邊坡變形還與原始地形、開挖形狀、具體點的地質(zhì)條件、錨固與否等有關(guān)系。

最終變形監(jiān)測結(jié)果表明，邊坡變形規(guī)律符合設(shè)計預(yù)期，變形量均在允許范圍內(nèi)。以南北坡直立墻及中隔墩頂部的74個監(jiān)測點為例，從1996、1997年開始設(shè)點監(jiān)測，至2010年10月有連續(xù)完整監(jiān)測資料的27個點，累計總變形量多在20～40 mm間，到2004年變形均基本穩(wěn)定。試驗性蓄水期間，各閘首向閘室方向的位移－0.25～5.27 mm（四閘首南邊墻），各閘室段墻頂向閘室方向位移 －0.01～5.91 mm（南線五閘室），均屬正常的周期性變化。

關(guān)于永久船閘高邊坡變形是否收斂達到穩(wěn)定，時效變形量有多大，持續(xù)時間有多長，是關(guān)系永久船閘能否長期安全運行的關(guān)鍵問題，一直為各方關(guān)注。

船閘閘室段（直立墻段）開挖期的邊坡變形過程可分為過渡期、調(diào)整期和穩(wěn)定期3個階段（見圖5）。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，開挖結(jié)束后，巖體變形即明顯趨緩，其變形量僅占全部變形總量的10%～15%。

圖5 船閘閘室段開挖期邊坡巖體變形階段劃分示意圖（TP14GP04點）Fig.5 Stage division of slope rock deformation during the period of ship－lock chamber excavation（TP14GP04）

5 地下電站主廠房圍巖塊體穩(wěn)定問題研究

地下電站系統(tǒng)的勘察設(shè)計工作始于1993年，主要進行了可行性研究、3次專題研究和招標設(shè)計等階段的勘察設(shè)計工作。

三峽地下電站的勘察，從三峽工程的實際地質(zhì)條件出發(fā)，厘定工程主要地質(zhì)問題為由規(guī)模不等的結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體穩(wěn)定問題，尤其是大型控制性塊體的穩(wěn)定，對總體設(shè)計布置及支護等影響巨大。

大型塊體的勘察，主要通過常規(guī)小口徑鉆孔及廠房邊墻關(guān)鍵高程平硐及支硐，形成立體勘察網(wǎng)絡(luò)（圖6和圖7），并重點關(guān)注可能構(gòu)成大型塊體的地質(zhì)邊界，進行動態(tài)追蹤勘察?？辈彀l(fā)現(xiàn)，原設(shè)計方案主廠房部位存在數(shù)個體積大于1萬m3大型潛在塊體（總量達 10萬 m3），且主要的 1號塊體（約5萬m3）穩(wěn)定性差。為減少塊體的數(shù)量和規(guī)模，增大塊體底端的支撐力，經(jīng)反復(fù)勘察比較，最終廠房軸線較前期布置方案下移了20 m。

圖6 三峽地下電站100 m高程工程地質(zhì)平切圖Fig.6 Horizontal section of engineering geology of underground power station at El.100 m

圖7 三峽地下電站主廠房下游邊墻工程地質(zhì)剖面圖Fig.7 Engineering geology profile of the downstream side wall of main plant of underground power station

2005年主廠房頂拱開挖以來，地質(zhì)人員結(jié)合三峽工程地下電站地質(zhì)條件的特點，利用大型洞室儀測成像可視化地質(zhì)編錄技術(shù)和地下洞室三維塊體自動搜索計算軟件系統(tǒng)，形成了一套合理、快速、高效的施工地質(zhì)工作流程，在整個施工過程中，做到實時跟蹤、及時預(yù)報、定位定量累計預(yù)報了118個塊體，總體積15萬多m3，為地下廠房加固提供了翔實資料和可靠的地質(zhì)依據(jù)。前期勘察預(yù)測的6個大型塊體，其規(guī)模、類型和力學特征與施工揭露的結(jié)果基本一致，只是邊界條件有局部變化。