青藏高原及其周邊地區(qū)水電工程建設(shè)中的地質(zhì)挑戰(zhàn)*

袁建新 易志堅 王壽宇

YUAN Jianxin YI Zhijian WANG Shouyu

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青藏高原及其周邊地區(qū)水電工程建設(shè)中的地質(zhì)挑戰(zhàn)*

袁建新 易志堅 王壽宇

青藏高原及其周邊賦存著豐富的水力資源，尚存巨大的水電開發(fā)空間。青藏高原獨(dú)特的地形、地質(zhì)、地震、氣候等特點(diǎn)，決定了在該地區(qū)進(jìn)行水電工程建設(shè)將面臨一系列工程地質(zhì)挑戰(zhàn)，只有創(chuàng)新勘探研究方法，超前研究相關(guān)重大工程地質(zhì)問題，充分認(rèn)識復(fù)雜的地質(zhì)條件，采取積極、謹(jǐn)慎、踏實的工作態(tài)度，采用適度的工程規(guī)模、科學(xué)的規(guī)劃選址、恰當(dāng)?shù)拈_發(fā)方式、適宜的壩型和樞紐布置、有效的風(fēng)險管控等措施，可有效規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險和地質(zhì)災(zāi)害威脅，在地質(zhì)條件極其復(fù)雜的區(qū)域安全地開發(fā)水電資源是可能的。

青藏高原 水力資源 水電工程 地質(zhì)挑戰(zhàn)

YUAN Jianxin YI Zhijian WANG Shouyu

1 青藏高原及其周邊的水電資源概況

青藏高原平均海拔4000～5000m，有“世界屋脊”和“第三極”之稱。其西起帕米爾高原，東至橫斷山脈，橫跨31個經(jīng)度，東西長約2945km； 南自喜馬拉雅山脈南緣，北起昆侖山-祁連山北側(cè)，縱貫約13個緯度，南北寬達(dá)1532km，總面積近300×104km2，中國境內(nèi)面積257×104km2(張丁玲， 2013)。青藏高原在中國行政區(qū)劃上，涉及西藏、青海、云南、四川、甘肅和新疆等6省(區(qū))。境外涉及緬甸、孟加拉國、印度、尼泊爾、不丹、巴基斯坦、阿富汗等國家。

表1 青藏高原周邊其他南亞國家的水電技術(shù)可開發(fā)量匯總

Table1 Summary of hydropower technology development in other South Asian countries around the Qinghai-Tibet Plateau

國別印度緬甸巴基斯坦尼泊爾越南老撾泰國柬埔寨合計技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量/×104kW84005400520043002900270090090030700

青藏高原向北、東，向南越過喜馬拉雅山地勢急劇下降，成為亞洲眾多大江大河的發(fā)源地，如長江、黃河、瀾滄江-湄公河、怒江-薩爾溫江、雅魯藏布江-布拉馬普特拉河-恒河和森格藏布-印度河等。藏南、羌塘、柴達(dá)木盆地、祁連山和南疆等內(nèi)陸水系也都發(fā)源于此(關(guān)志華等， 1984； 劉天仇等， 1999)，有“亞洲大陸的水塔”之稱。巨大地勢落差使豐富的水資源同時成為非常富集的水力資源。

1.1 中國水力資源概況

我國的水力資源豐富，總量居世界第一。根據(jù)最新統(tǒng)計，我國水力資源可開發(fā)裝機(jī)容量約6.6億千瓦，年發(fā)電量約3萬億千瓦時，按利用100a計算，相當(dāng)于1000億噸標(biāo)煤，在能源資源剩余可開采總量中僅次于煤炭。截至2015年底，全國水電開發(fā)程度按照裝機(jī)容量計算約為40%，按照發(fā)電量計算約為35%。

我國水電資源分布廣泛，按照國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，水電裝機(jī)規(guī)模到2020年達(dá)到3億千瓦，技術(shù)開發(fā)程度達(dá)到56%(李菊根等， 2006; 樊啟祥等， 2010)。水電開發(fā)程度在地區(qū)間差異也很大，東部地區(qū)水電基本開發(fā)完畢，中部地區(qū)開發(fā)程度達(dá)到73%，西南地區(qū)僅17%，可供開發(fā)的水能資源比較豐富。

我國的水力資源區(qū)域分布不均，東部地區(qū)(13個省、市)擁有的水電資源占全國總量的8%，中部地區(qū)(6個省)占11%，而西部地區(qū)(12個省、市、自治區(qū))高達(dá)81%，并且主要富集在金沙江、瀾滄江、雅礱江、大渡河、怒江、黃河、紅水河、烏江以及西藏的雅魯藏布江，其可開發(fā)容量約2.8億千瓦，其總裝機(jī)容量約占全國技術(shù)可開發(fā)量的50%(錢正英等， 2001； 王民浩等， 2006; 錢鋼糧等， 2008)，易于開發(fā)建設(shè)成大型水電能源基地。根據(jù)國家水電戰(zhàn)略規(guī)劃和全面實施西電東送規(guī)劃，當(dāng)前開發(fā)重點(diǎn)集中在青藏高原內(nèi)的金沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江、黃河上游等，流域內(nèi)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，存在重大的工程地質(zhì)問題，水電開發(fā)技術(shù)要求高且施工難度大。

1.2 中國水力資源開發(fā)情況

截至2015年底，全國水電總裝機(jī)容量達(dá)到31937萬千瓦，其中大中型水電22166萬千瓦，小水電7500萬千瓦，抽水蓄能電站2271萬千瓦，水電裝機(jī)占全國發(fā)電總裝機(jī)容量的21.2%。2015年全國水電發(fā)電量約1.1萬億千瓦時，占全國發(fā)電量的19.9%，在非化石能源中的比重達(dá)73.9%。東部地區(qū)水電基本開發(fā)完畢，中部地區(qū)開發(fā)程度達(dá)到73%，西南地區(qū)僅17%，主要集中在青藏高原及周邊的大江大河上，這是中國水電未來開發(fā)的主戰(zhàn)場。

1.3 周邊其他國家水力資源概況

在青藏高原及其周邊，不僅在中國境內(nèi)待開發(fā)的水電資源極為富集，且境外國家的水電資源也十分豐富。據(jù)我們不完全統(tǒng)計，周邊其他國家如印度、緬甸、巴基斯坦、尼泊爾及其他南亞國家技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)3.07億千瓦(表1)。

從技術(shù)可開發(fā)容量角度分析，在青藏高原及其周邊，中國尚有3.41億千瓦，其他國家3.07億千瓦，合計約有6億千瓦以上的容量待開發(fā)，開發(fā)的潛力仍然巨大。

2 地形地質(zhì)及氣候等自然地理特征

2.1 高原整體隆升，平均海拔高

由于印度板塊與歐亞板塊持續(xù)相撞導(dǎo)致該地區(qū)在約3Ma內(nèi)逐漸隆起，形成了巨大的高原。自第三紀(jì)以來一直強(qiáng)烈隆升，造就了世界上最高、最宏偉，也是最年輕的隆起帶。從上新世末至今，其上升平均幅度為3500～4000m。目前的平均海拔達(dá)到4000～5000m。

2.2 山脈縱橫，地形差異大

李四光先生在討論中國自然區(qū)劃時將青藏高原概括為由昆侖山脈、橫斷山脈和喜馬拉雅山脈所圍繞的梨形大高原(Garzanti， et al. 1987; 傅愛民等， 1989)。青藏高原總體地形為西北高、東南低。主要大山為東西或近東西走向，由北向南依次排列的阿爾金山脈、祁連山脈、昆侖山脈、喀喇昆侖山脈、唐古拉山、岡底斯山脈、念青唐古拉山脈、喜馬拉雅山以及北西—南東或南北縱列走向的橫斷山脈。這些高大山脈構(gòu)成了高原地形的骨架，高原地形結(jié)構(gòu)的區(qū)域性差異明顯，其腹地藏北地區(qū)為高原面保存較完整的典型高原，藏南雅魯藏布江中游流域為山原寬谷地形，青海柴達(dá)木為盆地，川西滇北的橫斷山區(qū)則為強(qiáng)烈切割、高差懸殊的高山峽谷地形。

2.3 地震頻發(fā)，活動斷層發(fā)育

青藏高原由北向南主要分布6個構(gòu)造帶即祁連—柴達(dá)木、昆侖、巴顏喀拉、羌塘—昌都、岡底斯和喜馬拉雅等。各構(gòu)造帶之間為蛇綠混雜巖所代表的縫合帶隔開，5條縫合帶分別是印度河—雅魯藏布江縫合帶、班公錯—怒江縫合帶、西金烏蘭湖—金沙江縫合帶、昆侖南緣縫合帶和西昆侖—阿爾金—祁連山縫合帶?？p合帶多為強(qiáng)烈變形帶，帶內(nèi)分布多條大規(guī)?；顒訑嗔?。金沙江斷裂、怒江斷裂、雅魯藏布江斷裂和瀾滄江斷裂等沿江分布，具有不同程度的活動性，而鮮水河斷裂、龍門山斷裂帶、小江斷裂帶、昆侖山斷裂帶和祁連山斷裂帶雖不沿河流分布，但活動性較強(qiáng)，規(guī)模較大。在喜馬拉雅山南麓亦發(fā)育一系列逆沖斷層，如主邊界斷裂、主中央斷裂、前緣斷裂等。這些大型的活動斷裂成為該地區(qū)強(qiáng)烈地震重要的發(fā)震斷裂(鄧起東等， 2014)。

青藏高原處于喜馬拉雅—地中海地震帶上，具有震級大，頻度高、分布廣、震源淺等特點(diǎn)，是中國及世界主要的地震區(qū)之一。21世紀(jì)以來的2005年巴控克什米爾7.8地震、2008年汶川8.0級地震、2015年尼泊爾8.1級地震均帶來巨大的生命和財產(chǎn)損失。

2.4 河流密布，地形切割強(qiáng)烈

青藏高原南部及東部邊緣地區(qū)河網(wǎng)密集，有屬于印度洋水系的雅魯藏布江、怒江、印度河、伊洛瓦底江及屬于太平洋水系的長江、黃河與瀾滄江等大江大河的上游段。高原內(nèi)豐富的冰雪融水和高原周邊河流巨大落差為河流溯源侵蝕、側(cè)蝕提供了條件和能量，河流侵蝕切割強(qiáng)烈，河谷深邃險峻，多呈“V”型，兩岸岸坡坡度一般大于40°，自然邊坡的高度一般大于500m，有時高達(dá)上千米甚至千米以上。高原內(nèi)部河網(wǎng)稀疏，河谷寬緩，季節(jié)性河流居多。

2.5 地貌發(fā)育青壯年期，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)

由于高原的快速隆升，使得該地區(qū)5000m以上的高山雪山連綿，冰川廣布。高原高寒，凍土普遍，冰緣地貌發(fā)育，凍融作用顯著。冰川、河流等外動力地質(zhì)作用強(qiáng)烈，河谷的快速下切，致使滑坡、崩塌、泥石流在高原周邊地區(qū)極其發(fā)育，成為大型、巨型地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)地區(qū)，給人類生存和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來巨大威脅。

2.6 氣候變化多端，高寒溫濕交替

青藏高原主體的氣候特征是大氣干燥，太陽輻射強(qiáng)烈； 平均氣溫低，日溫差大，年變化小； 空氣含氧量低，降水稀少，動植物生存困難等。同時由于喜馬拉雅山脈阻擋了南方溫暖潮濕空氣的北進(jìn)，使喜馬拉雅上南麓的南亞地區(qū)氣候溫潤，降雨豐沛，多年平均降雨量可達(dá)4000～5000mm，是造成南亞雨季的一個重要因素。氣候條件的多樣性和復(fù)雜性，給人類生存和工程建設(shè)帶來巨大的困難。

3 水電工程建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

青藏高原及其周邊地域遼闊，河流水量豐沛、河段落差集中、水能資源蘊(yùn)藏量大且可開發(fā)量大，地形地質(zhì)條件適中、水庫淹沒損失小、移民少，社會綜合效益和發(fā)電效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，是全國水電開發(fā)條件優(yōu)越的“富礦區(qū)”。但是，在這樣一個地震地質(zhì)背景極為復(fù)雜、新構(gòu)造快速抬升、剝蝕運(yùn)動劇烈的地區(qū)進(jìn)行水電開發(fā)，面臨一系列工程地質(zhì)挑戰(zhàn)。水電工程涉及的專業(yè)面廣，技術(shù)含量高，投資巨大，涉及社會和公眾安全利益大，特別是大型水庫的電站，其影響范圍較大，一旦出事后果不堪設(shè)想(潘家錚， 2010)。如何應(yīng)對挑戰(zhàn)，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理，尋求有效的化解工程風(fēng)險的途徑一直是水電工程人需要思考的重要問題。在響應(yīng)西部大開發(fā)、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和倡導(dǎo)低碳環(huán)保、綠色發(fā)展行動計劃等國家宏觀政策下，發(fā)展青藏高原水電迫在眉睫，也意義重大。

3.1 工程選址的挑戰(zhàn)

壩址選擇是涉及水電工程本質(zhì)安全的重大課題之一，同時直接影響到工程開發(fā)難度和工程投資及效益。因此對壩址的研究是水電開發(fā)前期工作中最重要、最慎重的工作。水電工程的工程選址通常遵循以下步驟：在河流規(guī)劃階段選擇可開發(fā)的河段，在預(yù)可行性研究階段選擇代表性壩址，在可行性研究階段最終確定壩址并進(jìn)行樞紐建筑物設(shè)計。在這個選址過程中，工程地質(zhì)主要從活動性斷裂分布、強(qiáng)烈地震作用、地質(zhì)災(zāi)害影響等3個方面進(jìn)行研究，尋找減少風(fēng)險的對策(袁建新等，2009)。

3.1.1 活動斷裂對選址的影響

活動性斷層的活動往往伴隨著巨大的能量釋放，導(dǎo)致地表產(chǎn)生破裂，而這種破裂產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建筑物可承受的變形范圍(表2)，對于大型水電工程，特別對大壩等擋水建筑物是不可接受的。青藏高原區(qū)在特提斯階段經(jīng)歷的幾次構(gòu)造運(yùn)動及白堊紀(jì)-始新世陸陸碰撞、漸新世—中新世形成高原雛形和上新世以來高原快速隆升(張長華等， 1990; 朱弟成等， 2002)，青藏高原內(nèi)區(qū)域性斷裂、褶皺等構(gòu)造發(fā)育，規(guī)模較大，活動性一般較強(qiáng)，地震地質(zhì)背景復(fù)雜，且活動斷層的分布往往對大型水電工程的選址有重大的制約作用(圖1)。

圖1 青藏高原中國境內(nèi)主要區(qū)域性斷裂分布圖

因此水電水利工程壩址選擇的一個重要原則，就是要避開活動斷層的直接影響，甚至是區(qū)域性的斷裂也應(yīng)該盡量避開。2008年 5·12 汶川地震震后調(diào)查表明，在地震災(zāi)區(qū)分布的大中型水電工程在選址過程中均避開了活動斷層及與之有構(gòu)造聯(lián)系的分支斷層，水電站壩(閘)址、廠址均未遭受到活動斷層同震位錯而造成的直接破壞，即便場址距發(fā)震斷層只有2km也是如此，上述選址原則在工程抗震安全中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。最新頒布的中華人民共和國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程防震抗震設(shè)計規(guī)范》(NB36057-2015)作出了非常明確的規(guī)定“樞紐主要建筑物不應(yīng)修建在活動斷層或能動斷層上”，提出了比之前更為嚴(yán)格的要求。

青藏高原構(gòu)造帶內(nèi)區(qū)域性活斷裂活動性強(qiáng)，規(guī)模大，地震烈度高，水電工程選址要對構(gòu)造穩(wěn)定性和斷裂的活動性進(jìn)行全面的分析和勘察，為壩址的選擇提供堅實的地質(zhì)依據(jù)。

引水發(fā)電建筑物的洞線，在遭遇活斷層的影響時，一般不會產(chǎn)生重大次生災(zāi)害，僅影響到電站本身的運(yùn)行，因此在進(jìn)行可靠的論證和抗震設(shè)計后，可以部分穿越活動斷層。

表2 幾個典型地震造成的地表破裂量值

Table2 Ground surface rupture value caused by several typical earthquakes

時間事件地震斷層破裂長度/km水平位移/m垂直位移/m備注1920年12月16日海原8.5級地震230511975年2月4日海城7.3級地震5.5可識別的破裂長度,無位移資料1976年7月28日唐山7.8級地震81.530.7可識別的破裂長度2001年11月14日昆侖山8.1級地震4266.4(平均2.7)2005年10月8日巴控克什米爾7.6級地震大于10020～50小于10(3.3)資料來源不同2008年5月12日汶川8.0級地震2201062010年4月14日玉樹7.1級地震311.8走滑位移量

3.1.2 強(qiáng)烈地震動對選址的影響

強(qiáng)烈地震動不僅對建筑物的安全構(gòu)成直接威脅，且可能對工程造價帶來重要的影響。每次強(qiáng)烈地震后，我們所能看到的多是房倒屋塌、橋梁斷裂、交通中斷等慘烈場面，聽到的是災(zāi)后重建加固建筑物的呼聲。強(qiáng)烈地震動對水電工程樞紐建筑物的影響一直是國內(nèi)外地震地質(zhì)學(xué)者、大壩工程師們非常關(guān)注并重點(diǎn)研究的問題。因為強(qiáng)烈地震畢竟是罕有的概率事件，重大水電工程接受地震、特別是強(qiáng)烈地震考驗的機(jī)會很少，這方面積累的經(jīng)驗在全球范圍內(nèi)都不多。汶川地震對人類而言是一場巨大的災(zāi)難，但對水電工程建筑物而言卻是一次難得的檢驗建筑物安全的機(jī)遇。地震災(zāi)區(qū)4座典型的壩高超過100m的高壩工程在地震中實際影響烈度超過原設(shè)計烈度Ⅰ～Ⅱ度，經(jīng)受了超強(qiáng)地震的考驗(表3)。這4座工程的大壩均沒有形成災(zāi)難性破壞和次生災(zāi)害，局部破損在震后很快修復(fù)并在抗震救災(zāi)中發(fā)揮了巨大作用。這充分說明水電站大壩這種以抵御水平荷載為主的建筑物，有著超強(qiáng)的抵御強(qiáng)地震動的能力，具有足夠的安全可靠性和良好的抗震性能。因此合理選址避開活斷層的直接影響，通過加強(qiáng)抗震設(shè)計，強(qiáng)震區(qū)可以建設(shè)高壩大庫工程，強(qiáng)烈地震問題不應(yīng)成為西南地區(qū)高壩建設(shè)的制約因素。

表3 “5·12” 汶川地震災(zāi)區(qū)4座典型高壩設(shè)計烈度與實際影響烈度對比

Table3 Contrast on design seismic intensity and actual influence seismic intensity caused by“5·12”Wenchuan earthquake about 4 typical high dams

根據(jù)汶川地震后水電工程震損調(diào)查有關(guān)資料整理

3.1.3 地質(zhì)災(zāi)害對選址的影響

青藏高原及其周邊地區(qū)河流深切，兩岸邊坡高陡，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，滑坡、崩塌、泥石流等現(xiàn)存和潛在的地質(zhì)災(zāi)害體規(guī)模巨大，分布普遍，稍有不慎，將會給工程帶來重大安全威脅和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

壩址區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度、發(fā)育規(guī)模和穩(wěn)定性直接影響工程的安全和壩址的成立。意大利著名的瓦伊昂拱壩壩高262m，建成蓄水后壩前岸坡整體失穩(wěn)引起庫水翻壩，漫頂浪高150m，庫水下泄造成近2000人死亡，大壩完好無恙，而水庫工程報廢。這是一個未考慮地質(zhì)災(zāi)害影響， 選址錯誤而工程失敗的典型案例。

近年來在我國西南河流的工程選址中，地質(zhì)災(zāi)害影響壩址選擇的工程日益增加。如雅礱江中游的卡拉水電站、楞古水電站的選址都遭遇到地質(zhì)災(zāi)害潛在威脅的困擾?？ɡ娬舅诘募s30km選壩河段內(nèi)，發(fā)育了一系列大型、特大型甚至巨型滑坡體、崩塌堆積體，其穩(wěn)定程度成為工程選址的控制性因素。經(jīng)過慎重的勘探研究并進(jìn)行了風(fēng)險評估，為安全考慮，最終選擇了最上游的壩址，將多數(shù)可能帶來潛在危險的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)置于大壩的下游，該河段也放棄了20多米水頭沒有加以利用。楞古電站所在的河段是歷史上著名的唐古棟滑坡所在的區(qū)域，從力丘河口—蒙古山河段全長13.5km的河段內(nèi)物理地質(zhì)作用強(qiáng)烈，岸坡穩(wěn)定問題十分突出，河段左、右岸發(fā)育一系列堆積體、滑坡體、變形體、崩塌體，體積高達(dá)數(shù)億立方米。這些潛在不穩(wěn)定岸坡對該河段壩址選擇、樞紐建筑物布置、工程施工以及雅礱江中、下游工程安全均具有重大影響。經(jīng)過綜合權(quán)衡利弊，最終還是放棄了壩址巖性單一、覆蓋層薄、大壩雖高但引水線路短、潛在風(fēng)險比較大的相對比較經(jīng)濟(jì)的下壩址方案，而選擇了巖性復(fù)雜、覆蓋層較深、壩高較低但引水線路較長、潛在風(fēng)險相對較小的上壩址方案。

汶川地震后的震損調(diào)查表明，滑坡、崩塌、泥石流等地震次生地質(zhì)災(zāi)害對水電工程的破壞遠(yuǎn)大于地震動的破壞作用，是水電工程建筑物、設(shè)施設(shè)備損壞的主要原因。因此在水電工程選址時，對地質(zhì)災(zāi)害要堅持“選址避讓，加強(qiáng)治理，應(yīng)急管理”的原則，即選址中避開潛在的巨型、大型地質(zhì)災(zāi)害體的直接影響； 避不開的中、小型地質(zhì)災(zāi)害體，要進(jìn)行徹底的治理； 考慮到地質(zhì)災(zāi)害的不確定因素多，還要對樞紐區(qū)外圍自然邊坡采取必要的防護(hù)措施和采取應(yīng)急預(yù)案等“軟措施”進(jìn)行災(zāi)害管理，方可將地質(zhì)災(zāi)害對工程的不利影響降到最低(彭土標(biāo)， 2011)。

3.2 建筑物選型中的地質(zhì)考慮

3.2.1 壩型選擇中的地質(zhì)考慮

壩型選擇是水電樞紐工程設(shè)計的重要決策項目，不同的壩型對地質(zhì)條件的適應(yīng)性不同。壩型選擇是否恰當(dāng)對工程的安全、經(jīng)濟(jì)及施工、運(yùn)行等均有很大的影響。雖然壩型選擇需要考慮許多影響因素，但壩址區(qū)地形地質(zhì)條件、天然建筑材料等仍是壩型選擇中最重要因素。

混凝土壩的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力明確，設(shè)計方法成熟，工程量小，便于將擋水和泄水建筑物集中布置，綜合經(jīng)濟(jì)性較好。但其對地基要求高，需要選擇承載能力高、均一性強(qiáng)、抗?jié)B條件好的Ⅱ、Ⅲ類巖體作為壩基的主要持力層； 壩基、壩肩不應(yīng)存在大規(guī)模的緩傾的軟弱結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面組合成的可能滑動的巖體，以避免深層滑動和壩肩滑動問題； 混凝土壩一般采用壩身泄洪，下游消能霧化區(qū)的巖體抗沖能力要強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性要好； 壩址經(jīng)濟(jì)運(yùn)距內(nèi)應(yīng)有滿足儲量和質(zhì)量要求的混凝土骨料料源等等。要同時滿足上述要求，建造高混凝土壩才成為可能。尤其是混凝土拱壩，由于受力集中，對壩基、壩肩的要求更高。因此混凝土壩的地基勘探與試驗研究工作量一般比較大，研究的問題多，需要更為精細(xì)的評價。

堆石壩主要是采用土、石等當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔ?，壩體具有一定的柔性，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)，具有就地取材、對地基要求低、壩肩開挖少、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，但其最大的問題是填筑工程量大、壩身不能泄洪，需要較高的施工強(qiáng)度，并找到合適泄洪建筑物與之相匹配。從一般概念而言，青藏高原及其周邊地區(qū)，地形陡峻，河流深切，交通運(yùn)輸困難，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，邊坡高陡，巖體風(fēng)化卸荷深度大、程度高，不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，有些河段河床發(fā)育深厚覆蓋層，土石壩對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性更好。

壩型選擇必須統(tǒng)籌考慮工程區(qū)地形地質(zhì)條件、水文泥沙、天然建筑材料、施工組織設(shè)計、運(yùn)行管理條件、抗震設(shè)防要求等各種影響因素和各種壩的適用特點(diǎn)以及整個樞紐布置相結(jié)合，在地震烈度高的地區(qū)盡量選擇像混凝土拱壩、混凝土重力壩； 在覆蓋層深厚、巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈和邊坡穩(wěn)定較突出的河段選擇當(dāng)?shù)夭牧蠅魏兔姘宥咽瘔斡休^好的適應(yīng)性； 在河道寬闊、低水頭和徑流量大河段布置閘壩能夠較好的利用水能資源?？傊瑝涡瓦x擇必須因地制宜，要對地形地質(zhì)條件等作出全面的分析和評價，權(quán)衡利弊，要選擇與壩址地質(zhì)條件適宜性最強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)最合理、安全可靠的壩型。

3.2.2 廠房選擇中的地質(zhì)考慮

青藏高原及其周邊地區(qū)擬建的電站壩址區(qū)大多數(shù)河谷狹窄、地震烈度高、地質(zhì)災(zāi)害威脅大。為有效解決地形狹小布置困難，以及規(guī)避地震及地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險考慮，選用地下廠房布置是一種趨勢，也是一種必然。國內(nèi)近幾年已建或在建的大型水電工程，如錦屏一級、錦屏二級、二灘、兩河口、小灣、糯扎渡、溪洛渡、烏東德、白鶴灘、大崗山、瀑布溝、雙江口、龍灘等水電站均采用地下廠房布置形式，即便像三峽、向家壩等水電站，在寬闊河谷地區(qū)布置也部分采用地下廠房的形式。選擇地下廠房在防震抗震和抵御地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險方面有明顯的優(yōu)勢，地下廠房直接避開了滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體的影響，在高地震烈度地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育區(qū)優(yōu)勢尤為明顯。

據(jù)研究，地下工程的地震動反應(yīng)只相當(dāng)于地面工程的一半左右，在強(qiáng)烈地震區(qū)，地下工程有著更高的抗震安全性； 地下洞室深埋于地下，只要做好洞口的防護(hù)，外部地質(zhì)災(zāi)害難以對其構(gòu)成威脅。當(dāng)然，由于水電工程都是洞室群布置方式，洞室斷面尺寸較大，對圍巖穩(wěn)定和施工期的安全要求高，做好地下洞室的基礎(chǔ)地質(zhì)工作，對勘探成果進(jìn)行歸納分析，針對圍巖類別選擇相應(yīng)的支護(hù)處理方式。

3.2.3 泄水建筑物選擇的地質(zhì)考慮

泄水建筑物是水電站樞紐工程保證安全運(yùn)行的重要組成部分，對于混凝土壩而言，主要的泄水建筑物通常與擋水建筑物大壩結(jié)合布置，對于高水頭、窄河谷、大流量的混凝土壩，一般可在壩身采用表孔、中孔或深孔聯(lián)合泄流、消能。帶來的問題是需要泄流沖刷區(qū)具有較強(qiáng)的抗沖能力和較高的邊坡穩(wěn)定條件，以消減消能和泄洪霧化對壩基、邊坡造成的破壞，進(jìn)而危及大壩安全。

而對于當(dāng)?shù)夭牧蠅?，泄洪建筑物必須與擋水建筑物分開布置。大江大河上的洪水均比較大，泄洪建筑物必須具有足夠的泄流能力，才能確保大壩的安全。對于洪水規(guī)模大的工程，通常選用超泄能力強(qiáng)的開敞式溢洪道。如果地形條件合適，即便布置規(guī)模巨大的溢洪道，也不會形成高陡的邊坡。如瀾滄江糯扎渡水電站的溢洪道布置，利用左岸與壩頂近高的寬緩平臺，布置了總泄流能力達(dá)到30000m3·s-1的溢洪道，由沙泥巖構(gòu)成的泄槽邊坡高度僅在100多米，穩(wěn)定問題易解決。溢洪道出口為了消能的需要開挖了比較深的消力塘，雖邊坡較高，但恰恰位于巖性條件較好的花崗巖處，邊坡穩(wěn)定有保證，且開挖料可就近上壩填筑，一舉兩得，是合理利用地形地質(zhì)條件布置大規(guī)模溢洪道的經(jīng)典案例。

大多數(shù)情況下，青藏高原地區(qū)的河谷狹窄高陡，往往沒有可資利用的平緩地形，如果仍然采用開敞式溢洪道的布置方式，可能帶來巨大的開挖量和高陡的人工邊坡，給穩(wěn)定分析、支護(hù)處理及安全運(yùn)行帶來非常復(fù)雜的問題。為避免大量的邊坡開挖和邊坡加固處理風(fēng)險，這時就需要研究采用洞式溢洪道的方式，這種溢洪道不需要大規(guī)模邊坡開挖和支護(hù)，但需要比較大的洞徑，仍具有開敞式溢洪道的超泄能力，工程地質(zhì)研究的重點(diǎn)由邊坡穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為隧洞的圍巖穩(wěn)定問題、泄流沖刷問題，許多情況下這種方式更安全、更經(jīng)濟(jì)。

為了應(yīng)對宣泄大流量洪水的需求，同時又避免高陡邊坡和超大斷面隧洞帶來的復(fù)雜問題，目前開始采用分散布置的開敞式溢洪道、洞式溢洪道和壓力泄洪隧洞等綜合泄流設(shè)施共同承擔(dān)泄流任務(wù)，分散集中布置的地質(zhì)風(fēng)險。

3.3 輔助設(shè)施場地選擇中的地質(zhì)考慮

除上述提到的水電工程的擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等三大主要建筑物外，水電工程建設(shè)還需要設(shè)置大規(guī)模的圍堰工程、導(dǎo)流工程以及大量的施工營地、渣場、砂石加工系統(tǒng)和混凝土攪拌系統(tǒng)等輔助性建筑物，以保證樞紐工程順利建設(shè)。這些建筑物的選址同樣要求場址應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。但在地形狹小的河谷地區(qū)要找到理想的場地十分困難，處處面臨環(huán)境地質(zhì)問題的巨大挑戰(zhàn)和地質(zhì)災(zāi)害的威脅。在近年西部水電建設(shè)中，施工期滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害已到了防不勝防的程度，給施工安全和人員生命財產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。這些場地的選址需在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，必須秉承“選址避讓、加強(qiáng)治理、應(yīng)急管理”的原則，以規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害帶來的風(fēng)險。

4 水電工程需要研究的重大工程地質(zhì)問題

4.1 超高邊坡穩(wěn)定條件的勘探與研究

邊坡穩(wěn)定問題是該地區(qū)水電工程開發(fā)首要研究的工程地質(zhì)問題。在河谷相對高差上千米的深山峽谷中即便建設(shè)當(dāng)今世界最高的大壩工程(如300m高)，大壩在河谷中只占據(jù)了很小一部分。為了工程建設(shè)，人工開挖形成達(dá)數(shù)百米高的人工邊坡已屢見不鮮，如小灣工程700m高邊坡，錦屏一級工程500～600m高邊坡等。開挖邊坡以外尚有數(shù)百上千米的自然邊坡，因此在水電工程規(guī)劃選址之初就應(yīng)該關(guān)注整個河谷岸坡的整體穩(wěn)定狀態(tài)。眾多的工程實踐表明，邊坡變形模式之多樣，成因機(jī)制之復(fù)雜，給邊坡的勘探試驗、穩(wěn)定性分析和評價、加固處理設(shè)計帶來非常困難的問題。目前，對于以滑動為破壞機(jī)制的邊坡穩(wěn)定分析、評價標(biāo)準(zhǔn)、加固處理設(shè)計已經(jīng)相對比較明確、成熟，并在行業(yè)內(nèi)廣泛使用。但是在以傾倒變形為代表的一類邊坡的穩(wěn)定分析理論、控制標(biāo)準(zhǔn)和措施的針對性上尚未形成共識，因此未來以地質(zhì)成因分析法判斷邊坡的穩(wěn)定性仍是一個重要手段，以變形控制為理論基礎(chǔ)的邊坡評價和加固標(biāo)準(zhǔn)也亟待進(jìn)一步完善，使其盡早實用化。另外邊坡治理中的監(jiān)測反饋控制技術(shù)也越來越重要，邊坡治理中錨索的耐久性研究也提到議事日程。

4.2 超高壩巖石地基的適應(yīng)性研究

高混凝土壩工程需要建造在堅硬完整的巖石地基上。對于一個特定的壩址而言，壩基巖體的固有力學(xué)屬性是不變的，隨著壩高的增加，對地基的要求越來越高。通過對巖體力學(xué)特性作出精準(zhǔn)的勘察試驗和評價，不斷挖掘巖體固有力學(xué)特性，固然是高壩工程得以成立所必需的。但換一個角度看，對這種固有力學(xué)屬性挖掘的越多，工程潛在的安全裕度就在減小，意味著高壩抵御意外不確定風(fēng)險的能力在減少。因此高壩工程對這種固有特性挖掘利用到何種程度，值得我們深思，應(yīng)引起高度重視。對于超高壩工程(壩高大于300m)需要采取慎之又慎的態(tài)度。何況近年來小灣、拉西瓦等工程存在的壩基巖體開挖卸荷回彈問題，雖經(jīng)精細(xì)化的處理，滿足高壩建設(shè)要求，但它畢竟是對壩基巖體固有力學(xué)特性的一種弱化，不能忽視。

4.3 超深厚覆蓋層的適應(yīng)性研究

我們通常將河床覆蓋層厚度大于40m就稱之為深厚覆蓋層。越來越多的勘探表明，青藏高原及其周邊的河谷覆蓋層厚度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的預(yù)想。如雅魯藏布江米林、多雄壩址覆蓋層厚度為567m、426m； 其附近的尼洋河多布水電站河床覆蓋層最深359.3m，大渡河支流南椏河冶勒電站壩區(qū)覆蓋層厚達(dá)420m等等(黨林才等， 2011)，對這些厚達(dá)數(shù)百米的超深覆蓋層，如何進(jìn)行勘探試驗，如何評價其工程性質(zhì)，怎樣厘清其成因類型，如何看待河谷發(fā)育及沉積的歷史，它對壩基滲漏及滲流變形、抗滑穩(wěn)定的影響，地震作用下壩體與地基的相互如何作用等等都是擺在我們面前的重大挑戰(zhàn)性的課題。

4.4 深埋地下洞室群穩(wěn)定性研究

隧洞工程是鐵路、公路、市政等許多基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域都在使用的建筑物，但水電工程有別于一般交通工程的線性的、標(biāo)準(zhǔn)斷面式的布置，通常都是以洞室群的方式集中布置。洞室密度大，如多條引水隧洞并列同行，主廠房、主變室、尾調(diào)室等近距離集中等； 洞室尺寸變化大，可以是正常的交通隧道，可以是依據(jù)引水流量要求設(shè)置的不同斷面的引水洞，特別是主廠房的尺寸很大，如已建成的溪洛渡工程，在大壩兩岸各開挖一座430.3m長、28.4m寬、75.1m高的巨大地下空間，共安裝18臺水輪發(fā)電機(jī)組。同時為了順利施工，還需設(shè)置不同方向、大小、高程的交通洞、聯(lián)絡(luò)洞圍繞著主洞室群，形成龐大而復(fù)雜的地下洞群體系(楊澤艷等， 2012)。在特定的山體下挖空率很高，帶來一系列圍巖穩(wěn)定問題。如洞室群的相互作用和影響、高應(yīng)力釋放帶來的軟硬圍巖變形控制、圍巖時效變形與洞室永久穩(wěn)定、突發(fā)涌水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報、高低溫及有毒有害氣體的防范等都是重大研究課題(董家興等， 2014)。

4.5 天然建筑材料勘探與研究

水電工程體量規(guī)模大，需要使用的各種天然建筑材料的種類多、數(shù)量巨大、質(zhì)量要求高。大壩規(guī)模越大，對建材的質(zhì)量要求就越高，建材可選擇的余地就越小。沒有合適的筑壩材料，嚴(yán)重影響到壩型選擇和工程規(guī)模的確定，有時甚至可以制約工程的成立，天然建筑材料研究的重要性由此可見一斑。同時由于受青藏高原自然條件的限制、人文社會環(huán)境因素影響和自然環(huán)境保護(hù)的要求，筑壩材料需要開辟新的來源，如天然崩塌碎石的利用研究； 滑坡土、冰磧土、洪積土、風(fēng)化土、古湖相沉積土的利用研究等。同時還要重視材料的高寒與高溫差特性研究； 抗鹽漬侵蝕特性的研究； 凍融和高地震條件下土體特性研究等(吳青柏等， 2000)。

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1)全球變暖的趨勢呼吁減少碳排放，大力促進(jìn)可再生能源的使用。青藏高原及其周邊還蘊(yùn)藏著非常豐富的水力資源，水力發(fā)電作為一種成熟的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的可再生能源在應(yīng)對氣候變化中理應(yīng)起到中堅作用，水電開發(fā)大有可為。

(2)充分認(rèn)識青藏高原及其周邊地區(qū)極其復(fù)雜的地形地質(zhì)特點(diǎn)，在該地區(qū)進(jìn)行水電開發(fā)蘊(yùn)含著極大的地質(zhì)風(fēng)險。創(chuàng)新勘探研究手段，超前研究重大工程地質(zhì)問題，對復(fù)雜的地質(zhì)條件和地質(zhì)問題有充分的認(rèn)識，采取合理有效的防控措施，趨利避害、反復(fù)探索，迎接各種工程地質(zhì)挑戰(zhàn)，是水電工程地質(zhì)工作者義不容辭的責(zé)任。

(3)在應(yīng)對各種挑戰(zhàn)的同時，我們有必要對青藏高原及其周邊工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性心存敬畏，以科學(xué)的態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)踏實邁開每一步，不盲目追求壩高的突破，對工程的規(guī)模、開發(fā)的方式作出慎重抉擇。地質(zhì)風(fēng)險與工程規(guī)模密切相關(guān)。規(guī)模越大，地質(zhì)風(fēng)險越大，壩高應(yīng)該是有極限的(如低于300m)。

(4)采用適度的工程規(guī)模、科學(xué)的規(guī)劃選址、恰當(dāng)?shù)拈_發(fā)方式、適宜的壩型和樞紐布置、有效的風(fēng)險管控等措施，可有效規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險和地質(zhì)災(zāi)害威脅，安全建設(shè)水電工程，高原地區(qū)水電開發(fā)是可以實現(xiàn)的。

(5)青藏高原區(qū)存在區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜、邊坡穩(wěn)定問題突出、河床深厚覆蓋層、地下洞室圍巖穩(wěn)定和地質(zhì)災(zāi)害體發(fā)育等工程地質(zhì)問題，水電工程開發(fā)只有查清工程區(qū)基本地質(zhì)條件和探明工程地質(zhì)問題，才能為水電工程的壩址、壩型、樞紐布置格局和正常蓄水位選擇等的合理設(shè)計提供依據(jù)。混凝土重力壩、混凝土拱壩、當(dāng)?shù)夭牧蠅魏烷l壩各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行大壩設(shè)計時應(yīng)充分考慮其對工程地質(zhì)條件的適應(yīng)程度和工程地質(zhì)問題的風(fēng)險，應(yīng)趨利避害、反復(fù)探索，達(dá)到“經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、安全可靠”的要求。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報 1004-9665/2016/24(5)- 0856- 07

GEOLOGICAL CHALLENGES IN CONSTRUCTION OF HYDROPOWER PRO￣JECTS IN QINGHAI-TIBET PLATEAU AND ITS SURROUNDING AREAS

Abundant water resources stores in the Qinghai-Tibet Plateau and its vicinity， which has huge hydropower development space. The unique topography， geological conditions， earthquake and climate of the Qinghai-Tibet Plateau decide that the hydropower project construction in this area will face a series of engineering geological challenges. So we have to innovate the exploration research methods， study the giant engineering geological problems in advance， fully understand the complex geological conditions， take a positive， prudent， practical work attitude， adopt appropriate engineering scale， scientific planning， appropriate exploit manner， proper dam type and pivot arrangement and effective risk control and other measures. We can effectively avoid the geological risk and hazard. It is possible to safely develop hydropower resources in the region with extremely complex geological conditions.

Qinghai-Tibet Plateau， Waterpower resources， Hydropower project， Geological challenge

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.014

2016-08-17;

2016-08-22.

袁建新(1962-)，男，碩士，教授級高級工程師，長期從事水電工程地質(zhì)勘察與管理工作. Email: yjx@creei.cn

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