三峡工程大坝与电厂工程地质勘察

（长江勘测规划设计研究有限责任公司　湖北武汉）

摘　要：三峡工程大坝及电厂是三峡水利枢纽的关键主体建筑物，坝址地处西陵峡内，主河床切割深，两岸漫滩覆盖层厚度大，出露条件极差，不确定因素多。由于古老的结晶岩体具有断裂构造复杂、岩体风化深厚、岩体透水性空间差异大等复杂地质条件，通过集中力量进行了多学科的深入研究和超常规的地质勘察，成功解决了坝基岩体质量评价、弱风化层岩体利用、坝区及外围主要断层活动性、高悬坝基缓倾角结构面深层抗滑稳定、深厚透水岩体渗控等大坝工程一系列具有世界级挑战性的技术难题，为大坝的安全建设奠定了技术基础，不仅解决了三峡工程自身众多的技术难题，满足了工程规划设计的要求，也为推动我国水坝工程地质学的科学技术发展起到了重要作用。

关键词：地质勘察；坝基岩体质量；弱风化可利用岩体；断层；缓倾角结构面

1　工程概况

三峡工程坝址位于西陵峡中的湖北省夷陵区（原宜昌县）三斗坪镇，距下游长江葛洲坝水利枢纽38km。坝址控制流域面积100万km2，多年平均年径流量4464亿m3。

三峡工程为Ⅰ等工程、大坝与电厂为1级建筑物。

大坝与电厂布置总格局：大坝采用混凝土重力坝，泄洪坝段位于河床中部，两侧为左、右厂房坝段和非溢流坝。水电站厂房分设在左、右厂房坝段坝后，临时船闸（后改为冲沙闸）与升船机均布置在左岸。

大坝坝顶高程185.00m，建基面最低高程4.00m，最大坝高181.00m。坝轴线全长2309.47m，底宽118～126.73m，分115个坝段，混凝土量达2794万m3。

经国务院审查并报全国人大审议通过的三峡工程方案是：水库正常蓄水位175m，初期蓄水位156m，大坝坝顶高程185m，“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”。“一级开发”指从三峡坝址到重庆之间的长江干流上只修建三峡工程一级枢纽；“一次建成”指工程按合理工期一次连续建成，不采用有些大型工程初期先按较小规模建设以后扩建的方式；“分期蓄水”指枢纽建成后水库运行水位分期抬高，以缓和水库移民的难度，并可通过初期蓄水运用时水库泥沙淤积的实际观测资料，验证泥沙试验研究的成果；“连续移民”指移民分批不分期，连续搬迁。

三峡工程施工总工期17年：施工准备及一期工程施工共5年，二期工程施工6年，三期工程施工6年。大坝于1994年12月14日正式开工，1997年11月大江截流，2002年11月8日导流明渠截流成功，2003年6月10日，蓄水至135m水位，2003年7月，左岸电站首批2台机组并网发电；2006年5月20日，大坝混凝土全线浇筑至顶，2006年10月27日，水库蓄水至156.00m水位；2008年10月30日26台机组全部发电；2009年8月29日大坝与电厂主体工程竣工。2010年10月26日水库试验性蓄水至正常蓄水位175m。

工程建设单位：中国长江三峡集团公司；设计单位：长江勘测规划设计研究有限责任公司；主体施工单位：中国葛洲坝集团股份有限公司；监理单位：长江水利委员会三峡工程建设监理部。

2　工程特点及关键技术

三峡工程大坝及电厂是三峡水利枢纽的关键主体建筑物，建筑物类型多，水工及施工总体布置影响区面积大，工程涉及面广。坝址地处西陵峡内，主河床切割深，两岸漫滩覆盖层厚度大，出露条件极差，不确定因素多，勘察技术要求复杂。由于古老的结晶岩体具有断裂构造复杂、岩体风化深厚、岩体透水性空间差异大等复杂地质条件，由此衍生了许多重要的工程地质问题。

2.1　工程项目特点及难点

三峡工程坝区地域广、水域宽、全覆盖，岩石古老，构造复杂，工程规模宏大，技术要求极高。

（1）三峡工程是世界规模最大的水利工程。三峡工程从总体上是世界上规模最大的水利工程，其单项建筑物在当时是（有的现在仍然是）世界上最大的水工建筑物。工程的规模及难度对勘察工作提出了极高的要求。

（2）覆盖及风化层面积大、出露条件极差。三峡工程大坝勘察工作场地涉及总面积达10余km2范围内，其中长江水域面积占48％，覆盖层及风化层分布占基础总面积的95％以上，地质出露条件极差。坝址区位于一古老的结晶岩体上，基岩风化壳厚度较大，局部深风化槽最大风化壳厚超过80m。

在基岩出露面积极少、第四系覆盖层厚度大、地质分布具明显不均一性条件下，给勘探工作带来较多的困难和资料的不确定性，因而三峡工程大坝勘察工作困难重重、难度大。

（3）古老结晶岩、构造复杂差异大。三峡工程坝址是由前震旦系的古老结晶岩体构成，经历了漫长的构造历史和多期次的改造，致使岩体的构造条件十分复杂，呈现出方向、规模、性状各不相同，多种特征叠加的繁杂局面，也为后续外部营力作用提供了差异性极大的背景。

（4）工程涉及面广，勘察与研究技术要求全面、准确度高。三峡工程大坝建筑物类型多，包含有挡水发电、通航、泄洪、冲砂、渗控工程等，加上临时建筑物，建筑物类型多达10余种。不同建筑物对地质勘察研究的要求各有特点。水工及施工总体布置影响区面积超过10km2，勘察工作都要有所兼顾，工程涉及面广、勘察与研究技术要求复杂、多样，而勘察工作必须全面把握，精准论证。

勘察过程中必须掌握地质学每一学科和专业在回答有关问题中能够起到的作用和可能解决问题的程度，以便合理加以应用，并取得有效的成果。充分、适时、恰当地应用先进科学技术，是三峡大坝与电厂勘察与研究的一项关键措施。

（5）坝基深层抗滑稳定问题确定性模式是世界未解难题。升船机上闸首坝段、左厂1～5号坝段、右厂24～26号坝段，坝基裂隙岩体中缓倾角结构面较为发育，而且优势方向倾向下游，构成了对大坝抗滑稳定不利的地质条件，其中左厂1～5号机坝段是坝址区缓倾角结构面发育程度最高的地段。由于采取坝后式厂房布置方案，坝基下游形成坡度约54°，坡高67.8m的临空面，因此，其高悬坝基深层抗滑稳定问题十分突出，是三峡工程最为关键性的技术问题之一。

由于缓倾角面具不连续性、随机性、极不均一性，因而抗滑稳定分析计算最为关键的控制因素是：准确确定长大缓倾角结构面的确切位置、产状、性状、展布范围与组合关系及连通率等，藉由此确定抗滑稳定确定模式，其是长期困扰国内外工程地质师与大坝专家的一道未解难题。

（6）升船机坝段结构与地质复杂。升船机坝段既承担坝基挡水任务，同时承担升船机通航任务，受枢纽布置及选线方案的限制，升船机坝基基础难以避开坝区规模最大的F23断层及性状最差的F215断层组等，加之坝段高程95m平台的出现使其抗滑稳定条件向不利方向转化，F23断层、F215断层组在平台上交汇，其上有倾下游的缓倾角结构面发育，抗滑稳定与变形问题比较突出。加之F215断层组透水性较好，坝基存在渗漏问题，常规防渗帷幕处理难以满足基础稳定要求。

（7）存在深风化槽与深厚透水岩体。坝区在河槽较窄地段，形成了七个基岩面低于吴淞零点的“深风化槽”，可行性论证阶段推荐的坝址轴线已避开了深风化槽，但坝址附近河床中，存在基岩面高程低于吴淞零点的有两个河床深槽，即专山珠深槽和牯牛石深槽。

由于河流侵蚀、岩体卸荷、断裂发育及河槽部位地下水循环交替强烈等因素的影响，在主河槽底部及两侧、后河河槽下及若干断裂较发育的地段，建基岩面以下的岩体中，存在几处较严重透水地段，面积数千至10余万m2不等。其中泄3号坝段透水岩体厚度最大达113.8m，相对隔水岩体顶板高程为-103.8m。

如何对如此深厚的透水岩体进行防渗与排水处理是地质勘察与研究工作的难点。

（8）泄洪坝泄洪能力大、存在下游冲刷问题。泄洪坝段全长483m，共分23个坝段，采用23个深孔和22个表孔相间布置。采取鼻坎挑流型式消能，设计鼻坎最大单宽流量330m3/s，最大泄洪能力为10.25万m3/s，是世界泄洪能力最大的泄洪闸。高速下泄的水流对下游河床将产生不同程度的冲刷，并可能形成冲刷坑，冲刷坑延伸与发展，影响大坝及左右两侧导墙安全。

2.2　工程勘察手段和方法

由于三峡工程建筑物具有类型多样、规模巨大、特殊重要性和运行条件复杂等特点，从而给大坝与电厂各类建筑物工程地质条件的勘察与研究提出了比其他大型工程更严格的要求，需采用各种有效的常规手段和先进技术。自20世纪70年代末坝址选定以来，结合水工布置方案的比较，针对各建筑物的要求，采用了各种有效的常规手段和先进技术，不断加深对各建筑物工程地质条件的勘察与研究，为各个阶段的设计提供了充分的地质依据。

大坝与电厂勘察研究手段及内容框图见图1。

2.3　项目的关键技术和创新特点

（1）确定三峡坝基岩体质量评价标准。三峡坝基岩体质量评价标准即“三峡YZP法”，与国内外通行的质量评价体系相比，有较强的针对性和可比性；由于三峡工程采用了大口径钻孔、金刚石钻进、大量的岩土体水文地质和物理力学性质试验，并采用了众多的测试技术，取得了比同期大多数水电工程更多且可靠的评价参数，除了有定性标准外，还有定量评价指标，具有较好的可操作性和应用上的针对性。

（2）创先例“将弱风化下亚带岩体作为坝基可利用岩体”。为了充分开发岩体自身的潜力，科学地、有条件地提高建基岩面以减少开挖和混凝土浇筑量，通过大量的测试对比，首次提出将弱风化带分为上、下部两个亚带的概念并建立了相应的分带标准。将弱风化下亚带岩体作为大部分坝基的可利用岩面，突破了国内外原有按单一风化界面选择建基面的传统观念，制定了建基面岩体质量定性及定量标准，这一概念及标准目前已成为国内岩石工程所普遍应用的准则，有着重大的社会效益和经济效益。开创了岩体结构研究从评价隧洞围岩岩体性质到评价大坝坝基岩体质量的先河。

（3）坝区及外围主要断裂活动性研究技术先进。坝区及外围主要断裂活动性研究，这是三峡工程从开始提出到工程建成运行后社会各界一直所普遍关注的问题。三峡工程采用宏观地质及航空遥感调查、断裂微观结构学、动力学、运动学研究、测年学测定、断裂位移定点监测和地壳形变监测、人工地震测深、微量元素测量等技术方法，综合分析判定主要断裂的活动性及危险性。这一问题的研究广度和深度，就针对一项工程而言，在世界范围内是绝无先例的，工作所得出的结论，不仅论证了三峡工程地质构造环境的安全性，也基本上平息了众多行外人士对此的疑虑和担心。

（4）“特殊勘察”与坝基抗滑稳定确定性模式的建立。左厂1～5号机坝段坝基岩体中存在倾向下游的长大缓倾角结构面，由于采用坝后式厂房，使得沿此类缓倾角结构面向下游临空面的深层抗滑稳定成为大坝设计的关键技术问题。

针对坝基深层抗滑稳定问题，展开特殊勘察与研究，采用一套特殊勘探方法，通过综合性的技术思路、手段和方法，查明了坝基长大缓倾角结构面的确切位置、产状、性状、展布范围与组合关系，解决了长期困扰国内外工程地质师与大坝专家的一个关键难题，建立了以长大缓倾角结构面的准确空间位置和性状为基础的确定性地质概化模型。

第一次勘察工作结束后，在长江三峡工程开发总公司技委会召开的“三峡工程左厂房1～5号机坝段大坝抗滑稳定和厂坝连接专题讨论会”上，潘家铮、张光斗院士等均认为“达到很高的水平……是勘探工作的突破”。在1996年和1997年召开的两次地质审查会上，专家们也对工作取得突破进展给予了充分肯定，“特殊勘察勘探密度大，原始资料齐全，质量高，工作程序严谨……为抗滑稳定分析和计算奠定了较坚实的基础”。专家评价研究成果总体为世界先进水平，其特殊勘察手段居世界领先水平。

（5）河床河槽及顺江断裂问题研究。针对深水河床勘探难度，长江三峡勘测研究院自1957年开始成立了国内内河上第一支大型水利水电工程水上钻探队，解决了三峡坝址河段枯水季节水深流急、滩险漩多、航道狭窄、切割较深、航运频繁等一系列国内大江大河水上钻探最为困难的难题。

三峡工程河床存在深水河槽，最深处超过80m，其成因及与地质构造的关系，直接影响坝基设计、施工方案、围堰设计与施工，一直为各方所关注。早期苏联专家坚持要打过江平洞，并为此已在中堡岛开挖深90m的竖井。而三峡工程河段又是重要通航河段，无法进行大量勘探。通过对坝区断裂构造发育规律的分析和详细的地面地质调查，结合少量有针对性的水上深孔勘探、穿江斜孔勘探、大口径钻孔，最终确定大江河床深床不存在顺河向长大断裂。大江基坑开挖证实这一判断结论是完全正确的。

（6）升船机坝基基础抗滑稳定与变形研究。针对坝基抗滑稳定问题：1996年5月开展的“特殊勘察”，确定了坝基下主要断裂构造及长大缓倾角裂隙的分布及延伸，建立了闸基岩体内外结合的三维系统及闸基体极限平衡抗滑稳定模式，使抗滑稳定研究取得了由假定统计、概化模式至确定模式的突破性进展，高程95m建基岩体平台得以保留。

针对坝基变形问题：在现场和室内对构造岩和结构面进行分类试验和测试，以确定其物理力学指标及其工程地质特性，根据其工程地质特征，采取不同的工程措施处理。研究成果提出的断层和软弱夹层采用高压水泥灌浆和化学灌浆相结合的复合灌浆方法、标准，在三峡工程后期得到推广与应用。

（7）深水河槽段深厚透水问题研究。勘察期开展了坝基岩（土）体水文地质特性研究，在大量渗透试验及全面分析坝基岩体渗透特性的基础上，圈划出较严重透水地段，研究其成因及其与建筑物的关系。进行裂隙岩体透水性的不均一性、各向异性及疏干效应的现场试验及物理—数学模型研究，求取裂隙岩体的各向异性渗透参数、微新岩体各向异性水文地质参数，为大坝工程深水河槽段深厚透水岩体渗流计算、防渗与排水设计提供了基本依据。参数试验研究具同期国内先进水平，水文地质模型具同期国际先进水平。

经多年运行与监测成果表明，泄洪坝段深水河床段渗流量及防渗帷幕灌浆各项技术指标均满足设计要求。

（8）泄洪坝下游抗冲刷问题研究。冲坑的发展受水力学条件与地形、地质条件诸多因素的影响，研究期国内外尚无完善的方法。三峡工程泄洪坝段采用了公式法、能量法、放大岩块试验法、模拟试验法等多种方法进行研究，着重以丹江口工程为参照，互相比较验证，从工程地质条件对比入手对冲坑深度进行估算，从平、剖面两个维度进行岩体抗冲性能的划分，预测冲坑发展趋势与下限，并提出建筑物防冲措施。解决了世界泄洪能力最大的泄洪坝抗冲刷问题。

运行至今的冲刷坑监测结果与地质勘察研究相符合。

3　已获工程项目的科技成果、专利及奖项

3.1　科技成果及奖项

围绕三峡工程大坝坝址选择、方案比较和主要建筑物的地质勘察和科研工作，1955—2009年经历了半个多世纪的曲折历史，历经早期规划、初步设计要点和初步设计、工程重新论证、重编可行性研究、初步设计与技施等曲折过程和复杂的勘测阶段，完成了大量地质勘探、科研工作，进行了广泛的国际国内技术合作，完成了一系列具有时代特征的挑战性的技术成果，完成主要技术成果报告达百余份、主要科技成果研究项目达21项多、出版专著6份（见表1），不仅解决了三峡工程自身众多的技术难题，满足了工程规划设计的要求，也为推动我国水坝工程地质学的科学技术发展起到了重要作用。

其中，《长江三峡工程坝区及外围主要断裂活动性研究》获1992年水规总院技术进步一等奖，《三峡工程坝基岩体主要工程地质问题研究》获1993年长江委科技进步一等奖，《长江三峡水利枢纽工程地质勘察与研究（上、下册）》获第二届湖北出版政府奖。

此外，以三峡工程为依托，主编或参编规程规范7份，详见表2；纳入了国家标准、行业规范及设计手册中达10余份，起到了广泛的指导作用，提升了我国在水电工程勘察、设计、施工及科研水平，对推动我国水利水电行业科技进步具有积极作用。

3.2　专利

（1）深厚松散层的可视化探测方法。2010年“深厚松散层的可视化探测方法”获国家发明专利，专利号：200810047809.4。

（2）大口径全面钻进技术、大口径取芯技术。大口径全面钻进技术，研发成功大口径钻井破岩刀具与滚刀系列，此发明技术成果成为我国解决中硬、坚硬地层大口径钻井施工技术及刀具迅猛发展的基础与先导，并获得了1978年全国科学技术重大贡献奖。其后又相继开发了大口径取芯技术，大口径基岩钻探取芯装置2007年获国家发明，专利号：ZL.200710164103.1。

（3）高清晰钻孔彩色电视录像。采用现代计算机技术，钻孔壁的柱面图像直接形成钻孔平面展开图像，钻孔彩色孔壁图为数字化信息，对原始图像可实行各种数据处理，智能化解译，可从图像中直接、准确、详尽地观察和记录到全孔壁地质原位信息。获1项国家发明专利，3项国家实用新型专利。

2012年“钻孔电视成像仪井下探头多功能保护器”获国家实用新型专利，专利号：ZL201120427025.1。

2012年“一种碟形卡圈”获国家实用新型专利，专利号：ZL201120427047.8。

2013年“一种全方位指针式重力方向指示器”获国家实用新型专利，专利号：ZL201220542521.6。

2013年“钻孔电视成像仪井下探头多功能保护器”获国家发明专利，专利号：ZL201110340594.7。

（4）一种全方位指针式重力方向指示器：2010年“深厚松散层的可视化探测方法”获国家发明专利，专利号：ZL201220542521.6。

4　工程运行情况、已获经济和社会效益

4.1　工程运行情况

该工程2003年7月左岸电站首批2台机组并网发电，2008年10月30日26台机组全部发电，2009年8月29日大坝与电厂主体工程竣工，至今已安全运行8年多，枢纽工程各建筑物均表现正常，与之有关的建基或工程边坡地质体未发现异常现象。

4.2　经济效益

（1）将弱风化下亚带岩体作为坝基可利用岩体节省了大量投资。通过开展长江三峡工程坝基岩体工程问题研究，开创了岩体质量研究从评价隧洞围岩岩体性质到评价大坝坝基岩体质量的先河，即从“线”的研究发展到“面”的研究，将弱风化下亚带岩体作为坝基可利用岩体，节省岩石开挖方量约50万m3，混凝土量约43万m3。采用弱风化下亚带作为建基岩体较之仅用微风化带顶面作为建基岩面趋于平整，无大的凹槽，减少了深风化槽的开挖，降低工程施工难度，相应也缩短了工期。

（2）坝基抗滑稳定科研效果显著。采用特殊勘察手段，针对坝基存在抗滑稳定问题的坝段开展科研工作，确保了坝基上部大平台的保留，节省岩石开挖方量数十万m3，避免了三峡大坝抗滑稳定按100％连通设计而增加的巨大的工程量及相应工期，经济效果显著。

（3）帷幕灌浆动态优化设计。根据先导孔和先序孔的钻灌资料和压水试验成果等，结合现场工程地质条件，进行帷幕灌浆动态优化设计，及时优化调整帷幕灌浆布置和灌浆工艺，节省帷幕灌浆工程量2.61万m3。

（4）断层抽槽方案优化。根据断层性状特征、强度，结合现场检测成果，优化原F23、F215断层抽槽方案，减少抽槽开挖量近万m3，相应节省投资近1000万元、缩短工期近1个多月。

（5）其他优化处理建议。保留中隔墩岩体减少了开挖量11万多m3，相应混凝土工程量也减少。通过“七五”攻关，充分利用了岩体的优良特性，将早期设计的电厂钢管槽、临时船闸直立混凝土挡墙改为混凝土薄衬砌墙，边坡整体坡角提高一度，即可减少数十万立方米的岩石开挖。根据边坡岩体实际地质条件，改系统锚杆为锁口锚杆的，节省了大量投资。

（6）工程提前一年运行。三峡工程整体建设提前一年完成、枢纽工程提前一年发电并投入商业运行，向华东、华中、重庆、广东等地区提供强大的电力，效益极为巨大，地质工作取得了极其重要的作用。

4.3　社会效益

（1）保障了三峡水利工程的顺利建设。三峡工程大坝与电厂建筑物类型多，不同建筑物对地质勘察研究的要求各有特点；水工及施工总体布置影响区面积大，工程涉及面广；主要工程地质问题突出，不确定因素多，勘察技术要求复杂。通过集中力量进行了多学科的深入研究和超常规的地质勘察，紧密结合工程实际，成功解决了大坝工程一系列具有世界级挑战性的技术难题，为大坝的安全建设奠定了技术基础，保障了世界建筑规模最大水利工程的顺利建设。

前期勘测工作充分，抓住关键问题，成果准确。施工地质工作严谨，及时解决各种地质问题，建设期施工地质成果准确可靠，预测预报及时，没有出现一起因地质工作失误而发生的人身伤亡或工程事故，工程进展顺利，确保了大坝与电厂工程临时通航、竣工蓄水与发电的顺利进行，取得了巨大的社会效益。

（2）推动水利水电行业科技进步。工程勘察所采用的各项技术先进合理、安全可靠，特别是经过 “七五”国家重点科技攻关、施工期关键技术攻关与研究，不仅解决了三峡工程自身的难题，也对同类工程具有重要的推广借鉴意义。工程勘察部分成果纳入了国家标准、行业规范及设计手册中，起到了广泛的指导作用，提升了我国水电工程勘察、设计、施工及科研水平，对推动我国水利水电行业科技进步具有积极作用。

三峡坝基岩体质量评价系统，系统断裂构造研究，河槽深厚透水问题研究、抗滑稳定专项研究与“特殊勘察”，施工期形成的一整套施工地质工作方法、一整套快速编录技术，对我国水利水电工程勘测具有很好的借鉴作用，并在较大范围实现了推广应用。

（3）培养了一批高素质的水电工程勘察技术人才。围绕三峡工程坝址选择和方案比较、工程勘察，经历了半个多世纪，三峡工程是特大型的综合性系统工程，在实施“勘察研究、科技攻关、科学试验、工程应用”的过程中，培养了一大批科技及工程勘察技术人员，为水电行业输送了一批高素质的科研和建设人才。

5　工程照片

赵克全　执笔