水利工程中的工程地质综述

摘要：本文回顾了水利水电工程地质学的三个时期，分析论述水利工程中的工程地质环境问题，最后总结了水利水电工程地质勘测的主要方法。 
关键词：地质环境 地质勘测 方法 
　　1、水利水电工程地质发展回顾 
　　50年前，中国没有专业的工程地质人员，少量简单的道路、桥涵、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，并日益发展壮大，大致经历了三个时期： 
　　（1）20世纪50～60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、佛子岭等，黄河上的三门峡、浙江的新安江、资水的柘溪、广东新丰江、江西上犹江等。 
　　（2）220世纪60年代后期到80年代中期。这一时期，中国在一些地质条件复杂的地区，兴建了一批有代表性且规模较大的大坝，这一时期的工程建设及相应的工程地质勘察，全方位地为提高中国大坝建设的工程地质勘察与研究水平提供了条件。 
　　（3）20世纪80年代后期至90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、黄河小浪底工程和长江三峡工程。这三大工程的成功建设，标志着中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。 
　　2、水利工程建设的工程地质环境分析 
　　工程地质环境稳定性从决定因素和表现形式大体可分为地壳稳定性、地表稳定性和地基稳定性3方面的内容。地壳稳定性主要由地球内因影响下的地壳表层的相对稳定性；地表稳定性是地面由于在人类工程活动的外因条件下结合内外动力工程地质作用的稳定性；地基稳定性指水利工程影响范围内地基岩土体的稳定性。 
　　（1）地壳稳定性 
　　地壳稳定性是在地球内因、外因及水利工程影响下的断层移位、一些临界稳定性坡体的崩塌、滑坡、泥石流及水库诱发地震等地质现象的加剧或诱发。我们主要从区域的地形地貌、地质构造等来调查研究影响系统应力场和渗流场重新分布的规模和强度，从而获得这些工程地质现象发展的预测资料，稳定性破坏的空间范围，稳定性趋势的时空关系，预测其稳定破坏的相对时间，提前做好准备，最大限度地减少损失。对现有的工程地质破坏现象进行应力应变反演算反分析，找到影响稳定性的关键因素，从而采取相应的技术措施通过人为的外力作用来协调，达到系统的稳定。对于水利工程来说，影响地壳稳定性的突出因素是全新活动断裂和地壳升降运动，最重要的是由于现有的水环境平衡状态的改变而引起的各种工程地质现象，造成应力场和渗流场的重新分布，以求达到系统的能量平衡和结构稳定。 
　　（2）地表稳定性 
　　地表稳定性则主要表现为滑坡、泥石流等动力工程地质现象和地面沉陷、黄土湿陷、砂土液化、水库边岸再造等各种地表变形破坏，还包括地表岩土体的性质变化(地下水位上升促使的沼泽化、土壤盐渍化等)。主要调查研究和预测这些工程地质现象的发育规模、发展速度及趋势，并提出相应的工程技术措施来防止或减弱这些变形破坏。 
　　（3）地基稳定性 
　　地基稳定性主要是指地基的承载能力和变形问题。这里的地基稳定性不仅仅指水工构筑物的地基稳定性，而带有区域性的地基稳定性。坝基的稳定性除了承载能力和变形问题，还有坝体的抗滑移问题(坝基岩层的产状对坝基的抗滑移稳定性影响很大)。水利工程的地基不仅承受水利构筑物本身的自重，还得承受水自重及由于水的作用形成的各种荷载作用，接受这些荷载后地基必产生一定的变形来平衡，以应力能转化为应变能。特别是对于岩基，在荷载作用下，既有岩石的弹性变形，也可由岩石的塑性变形或者沿某节理裂隙发生剪切破坏引起基础沉降。软弱夹层或节理也是抗滑移稳定的主要研究对象。 
　　3、水利水电工程地质勘测的主要方法 
　　（1）钻探 
　　钻探仍是水利水电工程地质勘察的主要手段。随着工程建设的地基条件日趋复杂，许多特殊的地质问题，如软弱(泥化)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、石英砂岩地层的钻进，钻孔岩心定向等问题，依靠常规的钻探方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，有的有成熟的设备机具，但价格很昂贵；有的则还没有可靠的方法加以解决。在国家“六・五”、“七・五”科技攻关中，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的研究工作，取得一批在实践中获得良好效果的成果，包括：大口径钻进技术、金刚石套钻取芯技术、金刚石钻具砂卵石层中钻进技术、液动阀式双作用冲击回转钻进设备、各种类型的砂层和软土层钻进及取样技术等。此外，在绳索取心、破碎地层取芯技术等许多方面，都已达到了国际先进水平，缩小了和国外技术的差距。 
　　（2）工程地球物理勘探技术 
　　工程物探地球物理勘探简称物探它是应用观测仪器测量被勘探区的地球物理场，通过对测量场数据的处理和地质解释来推断和发现地下可能存在的局部地质体、地质构造的位置、埋深、大小及其属性的科学。探方法主要有以位场理论为基础的重力场勘探、磁场勘探、直流电场勘探等，以及以波动理论为基础的地震波勘探、电滋波勘探等。 
　　①重、磁位场勘探。重、磁位场勘探是最古老的一种物探，相对于地震勘探而言，其精度和可靠度较差。目前，由于一些高精度的重力仪、磁力仪的研制和应用，使得重、磁位场勘探的精度有了很大程度的提高。同时，神经网络技术等在重、磁位场勘探中的应用，以及磁性矢量层析成像理论的研究和应用，使重、磁位场勘探在上个世纪获得了广泛的发展应用。地质勘测中应用较少。 
　　②地震勘探 
　　在工程地质勘探中应用较多的为人工激发震源地震波勘探，其人工激发震源有多种。目前，地震勘探在水利水电工程领域发展较快。 
　　③电磁勘探 
　　包括天然场源的电磁测探(MT法)和人工场源的连续的电磁波勘探(EM法)等多种方法。近年来，电磁勘探在水利水电工程中应用越来越广泛。 
　　④电法勘探 
　　主要包括电阻率法、充电法和自然电场法、激发极化法、电磁感应法。可分为稳定电流场理论、交变流法理论两个分支。在水利水电工程地质勘察中应用较多的是电阻率法。 
　　⑤地球物理测井 
　　20世纪90年代，由于数值模拟方法和计算机技术的发展，动态测井技术成为可能。另外，始于20世纪70年代中期的钻孔彩色电视适用范围由原来的91mm钻孔发展到50mm的钻孔，并可实现图像数字化实时采集压缩存储，成果可刻录成VCD光盘，还可进行后期图像处理及制作。 
　　参考文献： 
　　［l］张悼元，等．工程地质分析原理[M]．北京：地质出版社，l981． 
　　［2］谭周地．城市工程地质环境评价与区划[A]．水文地质工程地质论丛(4)．北京：地质出版社，l987． 
　　［3］汪应络．系统理论方法与应用[M]．北京：高等教育出版社，l992．