2. 中国华能集团有限公司, 北京 100031;
3. 清华大学 水利水电工程系, 北京 100084
2. China Huaneng Group., Co., Ltd., Beijing 100031, China;
3. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
中国西南地区青藏高原向云贵高原及四川盆地过渡的地带地形落差巨大，水能资源丰富，位居全国水电基地之首，是中国当前和未来水电开发的主要区域，开发西南地区水电资源具有重要的政治经济和环境保护意义。2000年以来，西南地区建成投产的水电站主要有澜沧江糯扎渡、小湾、雅砻江锦屏一、二级、金沙江中游金安桥、梨园、阿海、金沙江下游溪洛渡、向家坝、大渡河瀑布沟等大型水电站[1-2]，金沙江下游乌东德和白鹤滩2座大型水电站正在建设中。
受青藏高原第四纪快速隆升的影响，该区域新构造活动强烈，河谷狭窄深切，地壳内动力活跃，因此西南地区的水电站普遍具有高坝、高陡边坡、高地震烈度、高速水流，大泄量、大单机容量、大型洞室群，地质灾害多，生态环保严等“四高三大一多一严”的特点[3-4]，导致水电站开发建设过程中需面临工程枢纽布置、复杂坝基、大型地下厂房洞室群整体安全、高边坡稳定、绿色建造等岩石力学与工程关键问题。中国水电开发建设者在实践中不断探索研究，提出了诸多岩石工程关键技术，成功解决了西南地区水电开发过程中的一系列具有挑战性的难题。如：复杂坝基开挖保护、优化与成型，大跨度地下洞室群围岩破裂扩展机理与长期稳定控制，自然或人工开挖高陡岩质边坡的长期稳定，以及多层次大坝-基础整体稳定定量评价等。
本文以金沙江下游的梯级水电开发建设为例，依托乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝等4座巨型水电站(见图 1和表 1)的关键岩石力学与工程问题研究成果，讨论了大型水电工程岩石力学工作方法，并对坝基勘察与处理、巨型地下洞群开挖支护、高边坡稳定、精细爆破等技术问题进行系统总结，最后指出了大型水电工程岩石力学与工程的发展趋势。
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| 图 1 金沙江下游4座巨型水电站分布 |
| 水电站名称 | 区域地质构造 | 地震基本烈度 | 地层岩性 | 主要岩石力学问题 | 运行环境特征 | ||||
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| 向家坝 | 扬子准地台四川台坳川中台拱的南部 | Ⅶ | 三叠系厚层中粗粒砂岩，细、粉砂岩，泥岩 | 缓倾角岩层大跨度地下洞室开挖过程顶拱围岩稳定问题；软弱泥岩夹层，膝状挠曲核部破碎带，含煤地层等影响下的围岩稳定问题 | 162 | 95 | 240~290 | 42 000 | 255.4×85.2×33.4 |
| 溪洛渡 | 扬子台褶带 | Ⅷ | 二叠系玄武岩 | 岩流层层间及层内错动带影响洞室围岩稳定；裂隙岩体渗流问题；动荷载作用下洞室群围岩稳定问题 | 285.5 | 197 | 350~490 | 98 300 | 439.74×75.6×31.9 |
| 白鹤滩 | 上扬子台褶带与康滇地轴过渡带 | Ⅷ | 二叠系玄武岩 | 柱状节理玄武岩高应力下脆性破坏、破裂松弛问题，左岸深部长大卸荷拉裂隙，层间层内错动带张剪变形破坏问题 | 289 | 202 | 600~800 | 90 000 | 438×88.7×34 |
| 乌东德 | 川滇菱形地块 | Ⅶ | 前震旦系厚层灰岩、大理岩、白云岩等 | 层面小夹角洞室高边墙稳定，局部剪切带、顺层断层、顺层溶蚀等强度弱化区稳定，洞群交叉部位稳定问题 | 270 | 137 | 830~1 036 | 53 000 | 333×89.8×32.5 |
1 大型水电工程岩石力学工作方法
传统岩石工程的全过程工作方法通常简化为实地勘察、岩体质量评价、设计分析、施工开挖及支护、监测及反馈分析等几个阶段。但现在各阶段界线不明显，通常在岩石工程施工过程中交织进行、反馈循环。随着信息技术的发展和应用，工程师们可以及时向工程执行系统反馈并做出决策，逐步优化设计和施工工艺，工程实践和岩石力学理论分析达到高度融合。金沙江水电开发项目秉承这一思路，形成了具有一定普适性的现代大型水电工程岩石力学指导思想和工作方法。
乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座电站地下大型洞室群一次开挖支护成型，做到无反复、不间断、不返工，得益于“认识岩体、利用岩体、保护岩体、监测反馈”的指导思想与岩石力学理论、数值分析以及现代化信息技术的有效融合。这样的认识是在复杂地质结构和不良地质条件下建设十三陵抽水蓄能电站引水系统高压管道和引水洞及其施工支洞的艰巨挑战中逐步形成的[5]，并在三峡船闸高边坡稳定的安全施工和监测反馈实践中应用，之后在基于三峡枢纽运行后大量监测数据开展的安全运行状况的系统实证分析，以及金沙江水电工程复杂岩石力学问题的不断解决中得到了深化和加强[6-7]。
认识岩体是采用科学的岩石力学理论和勘探方法定性定量地了解建筑物所处岩体的宏观区域和细观地质环境特性。这是一个随工程进展逐步深化的过程，在不同的勘察阶段采用不同方法来全面认识岩体。利用岩体是指发挥岩体自身结构和承载特性，在岩体工程勘探与地质分析的基础上，借助岩石力学理论和数值方法开展岩体力学计算分析并进行工程设计，通过人工结构和岩体联合体，或通过洞室周边围岩与喷锚支护结合形成的整体结构，来承受结构荷载，构建稳定安全的地下空间。保护岩体则是在利用岩体的基础上，通过严格精细的施工程序、开挖控制和适时适度的表面浅部和深部复合支护，充分发挥岩体工程特性，保护满足工程功能需要的工程岩体质量。监测反馈是对岩体在开挖爆破支护过程中因应力调整而发生的变化情况进行实时监测，实时掌握它的变化发展规律，对围岩长期稳定安全状态进行预报预警；在监测岩体的基础上，建立完善的反馈分析体系，利用监测数据和表观检查的成果开展动态分析和反馈设计，及时解决建设过程中出现的各类问题，检验前面各环节的工作质量，并优化工程措施。
在此指导思想下，建立了设计、施工、监测、科研一体化的大型洞室群全过程数字化、精细化质量管控技术体系，以及“开挖一层，分析一层，验收一层，预测一层”的工程实施程序。设计阶段，通过岩石力学理论、数值分析计算、工程类比，合理确定洞室间空间关系和支护参数；采用动态施工仿真方法，分析比较主体洞室(主厂房、主变室等)多种开挖次序方案对围岩稳定的影响，确定开挖程序，严格爆破标准，及时适时支护。施工阶段，根据监测反馈，动态优化设计以指导施工，充分运用多种技术手段，制定开挖、锚杆、锚索、喷混凝土系统完善的质量控制标准，形成事前控制(地质预报、爆破试验)、事中控制(爆破振动监测、安全监测信息管理)、事后控制(声波检测、孔内录像、锚杆无损检测)的全过程质量管控技术。
根据水电工程的地形地质、结构布置和永久交通条件，结合施工道路布置、开挖设备能力、围岩变形稳定等多种因素，对大型洞室和高陡边坡通常采用立体分层、平面分区、自上而下、逐层开挖的施工方式。开挖一层是指组织施工资源，严格按照审定的技术方案、合理的开挖程序进行开挖支护施工；分析一层是指在开挖过程中，对施工参数、安全监测、岩体响应、开挖质量等数据实时收集整理，对照设计要求和技术标准，组织参建各方和业内专家对各类数据资料进行认真比对、分析，做出科学合理的判断和决策；验收一层是指在每一层开挖完成后，对该层的施工技术、管理等情况进行阶段性小结，分析开挖质量和安全状态，对合格资料进行验收归档，对存在的问题、偏差、异常和不同认识进行综合分析，以便及时调整施工措施；预测一层是根据实际开挖所获取的地质资料、施工情况和监测分析等成果，对下一层施工的开挖工艺、支护参数等提出合理化建议和要求，对可能出现的问题进行预判，以确保岩体稳定与施工安全。
2 坝基勘察及处理大坝是水利枢纽和水电站最重要的水工建筑物，坝基岩体质量是大坝稳定安全的关键因素，因地质问题引起大坝发生损毁事故占比高，因此在大坝设计和施工中，对坝基或坝肩岩体的工程地质问题进行勘察分析研究，并采取合理的加固处理措施具有重要工程意义[8]。
2.1 坝基岩体工程地质精准勘察方法大坝基础开挖处理加固直接关系到拱坝整体安全性、经济合理性以及大坝使用寿命[9]。因此，通常应针对勘察阶段和开挖揭露发现的岩体质量较差的部分采取合理的工程处理措施。金沙江下游地质环境复杂，精准查明界定和评价可利用岩体是建坝的重要前提。近年来，一些新的勘察方法和技术应用在金沙江下游4座电站的勘察工作中，取得了显著的成果。
乌东德在河床建基面勘察中，利用峡谷河段水流季节特性，采取安全措施，进行水上钻探，获取了可靠地质资料；应用了windows可视化工程地质测绘方法[10]，基于小口径钻探的常规勘察手段，使用了数字式全景面钻孔成像系统、孔间电磁波(CT)、声波测试等物探方法进行研究[11-12]，综合分析岩芯及其获得率、压水试验成果、钻孔彩电及声波解译成果，提出了利用建基面最低高程EL718 m的Ⅱ1级岩体作为河床坝基，实际开挖揭露的岩体条件与勘察结果一致。在多种勘察资料的基础上，乌东德还建立了基于GOCAD和CATIA的精准三维地质模型，以及基于无人机近距离实拍的大坝建基面三维影像模型，形成了成套工程地质勘察可视化关键技术，显著提高了工作效率和工程地质勘察成果的精度[10]。
在钻探技术方面，长江设计院在乌东德研制了单管与双管内筒式锤击取样器[13]，白鹤滩研发了专用铁船钻探平台和急流水上钻探方法[14]，成勘院研发了一套适合溪洛渡地层条件的钻探新技术[15]；在岩体物理力学参数测试方面，白鹤滩综合应用了地震波、声波、刚性钻孔弹模计试验以及现场承压板法等多种传统方法[16-18]；在岩体质量评定方面，溪洛渡采用了现场精测窗、全裂隙测量和数码摄录相结合的精细化勘察方法，现场对建基面岩体的结构面、岩石质量指标进行了统计测量[19-20]。
通过传统手段和新技术方法的综合运用，可以精准界定可利用岩体和存在的地质隐患，全面了解评价坝基岩体的工程地质特性，在实施过程中，对河床坝段利用截流后的时段进行精细补充地质勘探是必须的，可为大坝建基面的优化提供科学依据。
2.2 坝线选择水电工程枢纽建筑物的布置与坝址区的工程地质条件密切相关，在岩石地基中经常遇到节理、裂隙、断层、破碎带、软弱夹层等不利地质因素。因此，枢纽建筑物的布置必须充分考虑地质条件的限制，最大程度地发挥岩体的作用，尽可能避免不利地质因素对建筑物的影响[21-22]。同时尽可能紧凑布置，尽量使一个建筑物发挥多种用途或临时建筑物和永久建筑物相结合布置，减少工程投资并充分发挥综合效益[23]。
大型水电站坝址坝线选定与枢纽功能及坝型选择紧密相关，是大坝选择的关键。既要考虑大坝建基面岩体与大坝材料的刚度匹配、避开不利地质结构，又要考虑坝肩或者坝后厂房、泄洪洞、导流洞等其他水工建筑物的布置，还要考虑施工期和运行期临时建筑物、永久建筑物的布置。因此，坝线选择是大坝长期安全稳定运行的基础。金沙江乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝等4座巨型水电站，都开展过坝线选择专题研究，下面以白鹤滩为例具体分析。
白鹤滩水电站的坝线选择是在选定的中坝址、混凝土双曲拱坝坝型、正常蓄水位EL825 m等边界条件下进行的。中坝址总长1.7 km，坝址河段均存在不同程度的柱状节理玄武岩变形问题[24]、坝肩抗滑稳定问题、高边坡稳定问题，以及右岸大寨沟泥石流问题和下段河床深厚覆盖层问题，在最大限度避开松散块体以及柱状节理玄武岩和层间错动带后，形成了上坝线和下坝线2种方案(见图 2)。2种坝线的工程地质条件差别主要在于左岸抗力体的稳定性和边坡稳定性，在论证坝线合理性中，宁宇等[25]采用三维非线性数值分析法分析了下坝线左岸坝肩地质缺陷加固的效果，采用超载法、强度折减法及点安全系数法评价了下坝线拱坝的整体安全度；徐卫亚等[26]对上坝线左拱座楔形体的安全性能进行了稳定安全度、面安全系数及超载条件下屈服扩展状况等方面的综合分析，为坝线选择提供了技术依据。
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| 图 2 (网络版彩图)白鹤滩坝线方案 |
综上，下坝线左岸抗力岩体的稳定性差于上坝线，且块体在坝前多于上坝线，受库水骤降影响较大，拱肩槽开挖后将引起新的边坡稳定问题，上坝线拱坝的总体工程地质条件明显优于下坝线，因此，白鹤滩水电站选定了上坝线方案。
2.3 防渗抗滑处理与坝基变形控制坝基的抗滑稳定和防渗处理直接影响到工程的安全。向家坝水电站坝基基岩主要为三叠系河湖沼泽相的砂岩、泥岩与含煤地层，产状总体缓倾下游，受构造作用坝址区小断层、挤压破碎带、层间软弱夹层、节理裂隙等较发育，岩体完整性较差(见图 3)。受破碎带和软弱夹层影响，向家坝坝基存在深层抗滑稳定、不均匀变形和渗透稳定等工程地质问题[27-28]。
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| 图 3 (网络版彩图)向家坝坝基岩层分布图 |
多家科研机构对上述问题进行了深入分析研究[29-33]。对河床坝基挠曲核部破碎带及挤压破碎带出露的部位，结合实际揭露的地质情况，面对大坝缓倾角不利构造深层抗滑稳定问题, 坝基软弱地质构造大范围垂直分布的变形协调问题, 以及防渗帷幕在软弱地质体内成幕和长期抽排水条件下地基长期渗透稳定问题等技术难题，通过技术、经济、安全等方面综合比较，确定了“扩大基础+坝踵齿槽+加深加密固结灌浆+部分坝段横缝灌浆+混凝土防渗墙与墙下水泥灌浆+可调控的抽排系统”的综合集成控制技术方案来代替坝基洞塞置换的技术方案。
针对坝踵齿槽、不良地质体开挖置换齿槽回填混凝土纵横缝以及坝段横缝进行灌浆并缝，避免不均匀沉降[28]。渗控系统由上下游防渗帷幕、横向帷幕、顺流向分隔帷幕、消力池帷幕及相应排水措施所形成[27]。针对挠曲核部破碎带采取“混凝土防渗墙+墙下防渗帷幕+高压冲挤灌浆”的方式。对左岸挤压带采取跳仓洞挖置换混凝土以及复合灌浆的方式进行处理[28]。鉴于坝基岩体水文地质条件的复杂性和特殊性，排水措施采用了一种新的“可控制抽排体系”进行设计，所有排水孔均设置反滤保护体，并安装阀门，可调控出水量，保证坝基渗透稳定和坝基扬压力均在容许范围内[27, 34]。通过分析计算和实际运行来看，坝基渗控效果明显，渗控措施的设计合理有效[28, 35]。
因不良地质体的存在，向家坝水电站坝基固结灌浆施工难度极大。经探索研究，提出将“每个孔同段灌浆后形成的整体岩体作为下一段灌浆的盖重”的防止抬动措施。通过优化施工方案、优化灌浆段长、改进坝前齿槽部位冷却方式等措施，形成了不良地质体条件下的坝基固结灌浆快速施工技术，为后续同类工程提供了经验借鉴。
2.4 建基面优化及置换处理在保证安全前提下，进行大坝建基面优化处理对经济效益、施工进度等具有重要意义。溪洛渡坝基玄武岩总厚度超过500 m，共有14流层，层间层内错动带发育，岩体质量等级从Ⅰ到Ⅴ级均有分布[36]。通过合理建基面的研究与确定，提出了“以岩级为基础，安全为准则，合理利用弱风化岩体，兼顾拱端推力分高程区段确定其利用程度”的建基面确定和处理原则，在中上部局部利用Ⅲ1级与Ⅲ2级岩体，对拱坝建基面进行了优化[37]，与可研方案相比节省直接投资约6亿元[38]。
设计阶段勘探成果表明大坝基础第3层玄武岩主要为Ⅲ1级岩体，但实际开挖揭露有部分Ⅲ2级和Ⅳ1级岩体。针对地质情况的变化，对河床坝段建基面维持最低设计高程EL324.5 m的基础上，确定了“扩大开挖、加强固灌、整体结构、连续浇筑”的综合处理方案[39]，对最低高程以上的Ⅳ1级和Ⅲ2级岩体进行整体扩大开挖，对建基面以下20 m范围内的Ⅲ2级岩体进行加强固结灌浆，对扩大开挖后的建基面采用扩大基础整体结构方案，并连续整体浇筑扩大开挖范围内的混凝土与坝体混凝土，提高坝基岩体的整体性、均一性，增强基础承载能力和抗变形能力[39-40]。
建基面的设计优化需要经过大坝的整体稳定分析验证，大坝-基础整体稳定评价是特高拱坝设计科研工作中的难点和重点[41]。溪洛渡工程在设计阶段考虑坝基不利地质缺陷的影响，系统开展了基于非线性有限元法和地质力学模型试验的拱坝整体稳定分析，研究了节理岩体的开裂与失稳模型，论证了溪洛渡拱坝基础利用Ⅲ1级岩体和上部高程部分利用Ⅲ2级岩体作为大坝基础的可行性。研究成果表明[37-38]，大坝在设计工况下整体处于弹性工作状态，大坝整体稳定性好，有较强的超载能力[42]。相关方法和步骤可供特高拱坝整体稳定分析和合理建基面研究论证参考。
对于重力坝，坝基、不良地质体大范围开挖置换齿槽建基面均需满足相应的承载力要求，需对破碎带、软弱岩带和夹层等进行处理，同时调整大坝体型和基底应力，使基岩承载力满足要求。向家坝挠曲核部破碎带和左岸挤压带变形模量低、厚度大，承载后将产生较大的压缩变形。因此，针对左岸挤压破碎带、挠曲核部破碎带进行了混凝土置换处理，开挖置换情况如图 4所示。
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| 图 4 向家坝左岸挤压带和挠曲核部破碎带开挖置换图(单位：m) |
乌东德右岸坝肩抗力体内发育一处体积约37万m3、充填古岩溶系统的K25溶洞。研究表明，在正常蓄水条件下，受岩溶系统影响，右拱座位移范围明显大于左岸，采用“混凝土回填置换溶洞充填物，固结灌浆处理周边较差岩体，溶洞周边接触灌浆”的方案处理后，清华大学采用三维非线性有限元程序TFINE评价了处理效果，计算结果显示起裂安全度、非线性初始安全度和极限荷载安全度等接近不考虑K25岩溶工况，处理效果总体较好[43-44]。
2.5 坝基固结灌浆坝基固结灌浆可提高岩体强度，增强岩体的均匀性，降低透水性，对改进基础岩体性能的效果显著。乌东德河谷窄、岸坡陡，若采用常规有盖重混凝土坝基固结灌浆施工，将与大坝混凝土浇筑和岸坡接触灌浆之间存在显著的施工矛盾。针对乌东德坝基Ⅱ、Ⅲ1级岩体，分别进行了“裸岩全孔无盖重”和“裸岩全孔无盖重+浅表层引管有盖重复灌”2种方式的现场试验，结果表明，坝基采用裸岩无盖重固结灌浆总体是可行的，但在Ⅱ级岩体中的局部层面溶蚀及裂隙发育部位需适当加密灌浆孔，Ⅲ1级岩体中的浅表层需引管复灌[45]。
白鹤滩拱坝建基面河床坝段固结灌浆主要采用岩体盖重结合混凝土盖重引管灌浆的方式。坝基7~8#、12~25#坝段采用预留5 m岩体保护层盖重进行坝基岩体固结灌浆(见图 5)，灌后检查透水率满足设计要求。岩体声波大多满足设计要求，但16#坝段局部浅层角砾熔岩、18#坝段局部浅层第一类柱状节理玄武岩区域声波不达标，且加密序孔灌浆平均单位注入量小于5 kg/m。此外，保护层开挖后复检发现，7~8#坝段浅层0~5 m透水率未满足设计要求，5 m以下透水率变化不明显，保护层开挖清基后复检，柱状节理玄武岩松弛深度平均1.14~1.35 m，松弛岩体波速降低20.7%~22.6%，角砾熔岩松弛深度平均0.67 m，松弛岩体平均波速较爆破前降低15.3%。
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| 图 5 白鹤滩预留5 m岩体保护层盖重灌浆示意图 |
因而，根据保护层开挖后复检成果，同时为避免混凝土盖重灌浆在仓面多进多出造成坝体混凝土长间歇开裂风险，制定了引管二次固结灌浆的专项方案。对岩体保护层爆破开挖后的表层岩体及混凝土与坝基结合面进行二次固结灌浆处理。柱状节理玄武岩范围0~6 m引管灌浆，如图 6所示，部分角砾熔岩范围0~3 m引管灌浆，待大坝混凝土达到一定高度后实施。由于可以采用比常规有盖重固结灌浆更大的混凝土盖重，对柱状节理玄武岩等地质问题可以采用更高的固结灌浆压力，也能得到更好的灌浆效果。这个阶段的灌浆压力以及灌浆时机的选择，要考虑固结灌浆效果及拱坝第一层接缝灌浆时机之间的关系。
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| 图 6 白鹤滩拱坝基础引管固结灌浆示意图 |
白鹤滩建基面扩大基础的玄武岩爆破开挖前柱状节理基本闭合，可灌性较差，基础处理难度大。固结灌浆试验成果表明，相比有盖重灌浆，无盖重结合0~5 m有盖重灌浆的方案对提升松弛层、构造带及较完整岩体质量的效果更明显[46]。右岸大坝高程590 m以下采用了岩石盖重固结灌浆新工艺，主要施工程序为开挖预留5 m岩石保护层进行固结灌浆，灌浆后下设锚筋桩锚固，保护层开挖后进行浅层引管灌浆。经检验，灌后效果满足设计要求。
2.6 复杂坝基开挖保护复杂坝基的开挖保护是避免建基面岩体爆破损伤和卸荷松弛的重要手段。樊启祥等[38]针对特高拱坝复杂坝基开挖保护与处理面临的关键技术难题，结合仅次于三峡的世界第二大水电站白鹤滩工程实践研究探索出一套限制松弛、控制变形的坝基综合处理方案，创新了一系列专项施工技术，包括：1)揭示了柱状节理玄武岩岩体的工程特性及不同工程措施下的时空松弛变形规律，建立了与白鹤滩特高拱坝相适应的建基面岩体质量分类及评价标准，提出了与坝基岩体特性相适应的拱坝体形与结构措施。2)研发了双保护层分区分级开挖、复合散能爆破、深层快速锚固、利用坝基开挖保护层预留作为岩石盖重等创新技术; 首次制定了柱状节理玄武岩、层内错动带、薄层角砾熔岩等限松弛、控变形的综合处理措施，实现了复杂坝基的应力均匀、变形协调、刚度匹配，避免了基础强约束区混凝土开裂。3)研发了集开挖、爆破、锚固、灌浆、监测等模块一体化的数字边坡iSlope管理平台，实现了基于工序工艺过程的各专业的标准化、流程化、数字化管理，形成了基于复杂坝基开挖保护与处理全过程的监测评估、预报预警、决策支持的数字化管理系统。
在工程实施阶段，根据白鹤滩拱坝实际施工情况、混凝土材料实际参数、基础固结灌浆后岩体实际力学参数，采用三维有限元模型和现场试验[47-48]评价了岩体的变形和稳定状态、固结灌浆效果和拱坝整体安全度。研究表明正常荷载下，上下游坝面没有开裂屈服，坝基处于弹性工作状态，整体安全度较高。
3 巨型地下洞室群开挖支护关键技术金沙江下游4座电站的地下厂房系统洞室均具有水文地质环境复杂、洞室群布置紧凑、跨度大、边墙高、安全风险高等特点。如表 1所示，乌东德主厂房开挖高度89.8 m; 白鹤滩主厂房顶拱跨度34 m，溪洛渡两岸地下厂房顶拱跨度31.9 m、高75.6 m、长439.7 m；向家坝地下厂房跨度仅次于白鹤滩。针对4座电站的地下洞室工程特点，传统方法在超大型地下洞室群的应用上都存在局限性，相关各方结合工程实践，深化认识围岩破坏灾变孕育演化规律，深入研究围岩变形及洞室群整体稳定关系，研发机械化、精细化协调施工新技术，解决了诸多地下大洞室群开挖加固难题。
3.1 天然地应力场反演围岩初始地应力是地下厂房洞室群围岩的主要荷载之一，地应力场模拟的准确与否直接影响到地下厂房围岩稳定性计算结果的合理性，获得准确的初始地应力场是工程设计和分析首要解决的问题。地应力测试通常只能测到精确的点数据，不能保证其在“场”中的代表性和合理性，因此需根据实测数据进行地应力场的反演分析。
向家坝在右岸地下洞室群地应力实测成果基础上，不同科研机构建立了三维离散元或有限元数值模型[49-50]，采用多元回归的应力反分析方法，得到了初始地应力场的回归模型，计算结果与实测值基本一致。利用神经网络、遗传算法、支持向量机等非线性分析手段回归地应力场的方法是近年岩土方面的研究热点。付成华等[51]根据溪洛渡坝区地应力的实测资料，采用有限单元法，对比分析了多元线性回归方法、神经网络方法和遗传算法的反演结果，3种方法的计算结果类似，但回归分析方法更易于掌握。金长宇等[52]依据白鹤滩地质构造和片帮现象分析地应力场成因，利用敏感性分析确立待反演参数，借助神经网络回归反演白鹤滩初始地应力场，结果显示回归值与实测值基本一致，反演方法总体合理可行。
3.2 地下洞室群布置金沙江下游除向家坝河谷稍宽以外，整体狭窄，山体雄厚，4座电站规模巨大，除向家坝左岸坝后厂房以外均采用地下厂房的开发方式。地下厂房的布置通常有首部式、中部式和尾部式3种方式[53]，每种方式引水洞和尾水洞的长短不一，实际根据地形地质条件和经济效益综合确定，尽量减小工程高边坡规模，使建筑物与地质问题产生交集的地方越少越好[54]。
向家坝右岸地下厂房采用中部式布置方案，主厂房洞室群能较好地适应该部位的工程地质条件。但引水尾水系统较长，布置尾水调压室难以避开上部的T33河湖相软弱岩组，且可能影响主厂房的洞室围岩稳定。带通气孔的变顶高尾水洞是水电站流道设计的较新方式。辜晓原等[55]通过数值计算和模型试验的方法论证了向家坝采用变顶高方案的可行性和合理性；张永良等[56]在机组甩负荷后明渠最大负涌浪以及安全顶坡分析公式的基础上，提出了变顶高尾水洞体形设计的程序性定量化方法；张强等[57]编制程序计算了向家坝变顶高尾水洞的水力过渡过程，认为该方案在明满交替流工况下不产生气囊，洞顶内水压力变幅不大，能满足大小波动下机组稳定运行要求；覃玉兰等[58]总结了向家坝引水隧洞的布置优化设计；樊启祥等[59]对比了变顶高方案和调压室方案，认为虽然两者均可行，但变顶高方案在调节能力、工程经济性、对地下洞室群围岩稳定的影响以及施工安全风险等多方面均显著优于调压室方案，因此向家坝最终确定采用不设尾水调压的带通气孔的变顶高尾水洞方案。
乌东德坝址区岩体质量总体较好，根据选定较优的中坝线、地下电站大型洞室群和其他建筑物地质条件综合比较，两岸地下电站大型洞室群宜布置在以Ⅱ类围岩为主的Pt2l3中，右岸尾水出口宜避开一坡到顶的黄崖沟自然高陡边坡，尾水洞轴线也可与岩体质量较差的落雪组第四段和第五段呈大角度相交，成洞条件相对较好。各建筑物中，地下厂房[44]三大洞室和导流洞平面上需错开，但出口段可结合布置[60]，廖仁强等[61]研究了尾导全结合、尾导不结合和尾导部分结合3种方案，认为部分结合方案可保证首台机组发电工期，同时也可避免后期封堵问题，经优化，最终确定了乌东德左岸靠山侧布置2条低导流洞，右岸靠山侧布置2条低导流洞、1条高导流洞，两岸尾水系统采用两机一洞，出水口均位于大坝基坑下游，均有两条尾水洞与导流洞结合。
3.3 洞室群围岩稳定与处理黄润秋[1]指出，西南地区水能资源点枢纽布置空间受限，而导流泄洪体系规模大且复杂，地下洞室群围岩稳定问题突出。在地下工程实施中，对特殊地质环境条件的认识不足会导致建设过程发生重大安全事故。结合电站运行，查清具有重大制约性的地质问题并采用针对性工程技术是保证地下洞室群施工和运行安全的关键。
金沙江下游4座巨型水电站中，白鹤滩水电站地应力水平最高，坝址地震基本烈度、设计地震动加速度最高、岩体质量相对最差，整体地质条件最复杂，围岩稳定与卸荷问题最突出[62]。白鹤滩左右岸地下厂房洞室群的围岩主要为微晶、隐晶质玄武岩、玄武质角砾熔岩和凝灰岩等岩浆岩，岩体质量以Ⅲ1类为主，发育大型软弱层间层内错动带、小型断层、随机裂隙、密集柱状节理等不利结构面，开挖过程出现了脆性玄武岩高应力破坏[63-64]、软弱层间错动带变形破坏[65]和柱状节理玄武岩破裂松弛[46]等典型岩石力学问题[66]。
分析高地应力作用下的围岩卸荷、破损机理，针对片帮开裂、错动带影响下的流变变形、柱状节理围岩各向异性变形围岩稳定问题，制定针对性的控制技术是保证白鹤滩地下洞室群安全的关键。针对白鹤滩地下洞室群无错动带影响围岩区域，刘国锋等[64]深入研究了白鹤滩地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制；段淑倩等[65]通过统计调查、钻孔摄像观测、细微观扫描等方法，全面揭示了洞室开挖强卸荷下玄武岩内部破裂的演化过程和张拉破坏机制；孟国涛等[66]开展了岩体起裂强度、围岩应力型破坏预测等方面的试验和数值模拟研究。研究表明，玄武岩脆性破坏主要表现为片帮、破裂、弱岩爆等。因此采用及时跟进、加强支护的控制技术可有效抑制围岩后续开裂。白鹤滩左岸厂房第Ⅰ层第二序扩挖时，制定了针对性的围岩稳定控制技术，即及时初喷并加大混凝土厚度，形成“壳”效应，及时跟进“喷层+系统锚杆+系统预应力锚索”的支护结构，片帮开裂等现象较第一序开挖大幅度减少。
贯穿白鹤滩水电站地下洞室群的层间错动带是发育于各岩流层顶部凝灰岩层中的缓倾角、贯穿性的软弱错动构造[67]，在高应力开挖卸荷过程中，其对巨型洞室围岩的变形稳定影响突出。研究表明，含错动带岩体的变形破坏模式主要有塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方掉块和剪切滑移型破坏等3种类型[65, 68]。如导流洞顶拱层间带C2切割导致下盘岩体坍塌破坏，右岸主变室施工期C4错动带导致顶拱及中导洞下游边墙下盘岩体局部发生垮塌，右岸厂房南端顶拱受层间带C4影响下盘岩体变形量和深度显著大于不受影响的断面，左岸厂房下游高边墙受C2切割产生明显非连续变形[66]。经分析计算，右岸主变室在已有支护基础上对塌方区域岩体进一步补强支护，形成表层围压与抑制，同时后续开挖采用小台阶弱爆破的方式，顶拱、边墙和端墙施加的预应力锚杆和压力分散型预应力锚索成一定交角锁固错动带，经开挖支护措施的调整，含错动带岩体的稳定性基本得到控制[65]。因此针对白鹤滩层间带切割高边墙的错动变形问题，在边墙外围形成了“混凝土塞(洞)+锚固圈”的锚固区，围岩应力状态得到改善，阻断了软弱层间错动带在不良应力环境下可能存在的流变变形，确保围岩和支护系统的长期安全。
柱状节理玄武岩各向异性变形和强度特征突出，岩体完整性差，在高地应力与层间带的组合影响下，易产生强烈松弛现象。白鹤滩每条导流洞均有400~500 m长的柱状节理洞段，现场揭示的破坏特征主要为柱状节理的卸荷变形松弛与应力型解体松弛[69]。导流洞松弛圈的主要特征有：1)边墙松弛深度最大，顶拱次之，底板最小，边墙松弛深度最大达6~8 m，极端条件可达10.2 m；2)边墙中上部受空间约束较小，松弛深度显著大于下部；3)部分洞段松弛变形具有时间效应，未及时支护的岩体会持续发生松弛变形，且不断向深部发展[46, 70]；4)地应力是影响柱状节理玄武岩松弛深度的主要影响因素之一，地应力高于20 MPa后，松弛深度大幅增长[71]，右岸导流洞埋深较左岸大，地应力高，对应部位松弛深度较左岸深2~3 m；5)松弛深度还与柱体发育情况、施工方式、支护措施、支护时机等因素密切相关。针对高地应力作用下的导流洞柱状节理影响洞段，采用了如下针对性支护措施：1)预应力锚杆快速支护系统、挂网二次喷护等；2)开挖后首先进行一定厚度的混凝土初期喷护封闭，以控制松弛变形的时间效应；3)下一层开挖前，上一层底部两侧进行预应力锁腰支护加强；4)全断面灌浆处理[69]。通过多种措施的综合应用，保证及时支护，松弛深度得到了较好控制。
3.4 时空开挖变形协调控制4座水电站地下洞室群规模巨大，隧洞纵横交错，开挖相互干扰，洞室间重分布应力场叠加易引起塑性区扩展、贯通，强开挖扰动下洞室群易出现时空联动变形破坏，层间错动带更加剧了洞群效应影响。如白鹤滩尾水管检修闸门室下部开挖引起了厂房和主变室围岩变形联动变化，大跨度厂房洞室开挖诱发相邻小洞室围岩强烈响应与局部破坏，主变室开挖完成后，厂房开挖引起主变围岩变形缓慢增长等。为科学准确地了解洞室群开挖过程中围岩变形及围岩联动变形的稳定安全，必须对复杂洞室群时空响应进行系统、整体预测分析，以评价开挖措施、支护结构在整个洞室群建设全过程中的可行性与有效性。
由于水工洞室群各建筑物空间分布特性及联通成型的分层分区分步施工特性，开挖面及影响区的这两类变形具有很强的时空演变特性。白鹤滩历时4~6年的持续开挖成型，其变形更有一个随自身开挖和周边开挖，呈现出增长、收敛、稳定，再增长、再收敛、再稳定的不断演化过程，也是岩体应力的再调整重分布过程，直观表现为岩体的变形及锚固力的变化。岩体的变形是主要特征值，锚固力加强了对变形发展程度的认识。这个过程有时也会呈现出持续增长但收敛、稳定不明显的不利情况，需要审视开挖、支护措施对岩体力学特性认识把握的正确性。
因此在实际建设过程中，需要从变形速率、变形趋势、变形总量的分析和调控中，掌握复杂工程地质环境中洞室场地地应力、岩体特性(强度准则参数与构造分布)和施工方法(围岩扰动程度)等因素的综合作用。从变形时空效应联动累积分析与稳定安全趋势调控中，以变形增量和总量处于受控和收敛趋势为指导思想，围绕影响范围和开挖面2个尺度范围，开展开挖和支护的时空调控，使开挖服从支护，支护服从变形控制，来有效保证洞室群安全、提高技术经济性。
白鹤滩针对洞群效应影响问题建立了基于粒子群-支持向量机(particles warm optimization-support vector machine，PSO-SVM)的洞群全局开挖顺序智能优化算法和围岩破裂深度与程度最小原则的洞群开挖时序优化方法，实现通过合理开挖顺序设计减小洞群整体联动效应和围岩卸荷破裂深度，提高洞群整体安全裕度；综合现场试验、数值分析成果和支护作业效率，提出了不同分区分序的支护时机和步长距离量化指标，研发了基于WEB的支护自动预警控制系统，实现了洞群支护及时调控，解决了巨型地下洞室群的洞群效应影响难题，有效控制地下洞室群的开挖变形(见图 7)。
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| 图 7 (网络版彩图)白鹤滩地下洞室群变形控制图 |
3.5 开挖设备与通风技术
金沙江下游4座电站在地下洞室群施工过程中，形成了诸多原创性的岩石工程机械化施工技术与工法，提高了开挖支护效率与安全生产水平，有效加快了施工进度，在复杂地质环境条件的大跨度高边墙地下洞室群开挖支护中发挥了重要作用。
针对大型洞室开挖中深层支护高排架施工常制约洞室下挖进度的问题，乌东德采用多臂钻及湿喷台车紧跟开挖进行浅层支护，采用新型液压高臂履带钻机、液压自动入索机等进行锚索施工，使大型地下洞室开挖支护实现了全过程无排架的高度机械化[72]。白鹤滩左岸地下厂房和尾水管检修闸门室成功应用了新型液压自行式岩锚梁浇筑台车，使岩锚梁混凝土施工在机械化程度上有新的突破[73]。在大型竖井施工方面，反井钻机自20世纪80年代在十三陵抽水蓄能电站出线竖井和高压管道斜井首次成功应用后，成为了水电工程长大竖井斜井施工的主要方法[74-75]。乌东德右岸出线竖井和引水竖井继续采用了1.4 m小导井施工技术；白鹤滩在引水发电系统竖井施工中，创新采用大型反井钻机一次施工成型3.0~3.5 m大直径溜渣井[76]，在效率、安全、质量方面均较常规方法有大幅提高。
地下电站洞室群的主厂房是安全稳定控制的核心，其开挖支护和稳定是一个随洞室群成型稳定的动态过程。结合溪洛渡与白鹤滩地下工程主厂房的施工及顶拱装修与运行检查，有必要利用吊车梁，在施工初期及时安装满足顶拱支护施工、装修施工及顶拱全过程安全检查的多功能台车，为主动、直接、有效地保证厂房顶拱围岩安全提供有效手段。在溪洛渡、白鹤滩地厂建设中，均分别投入了4台顶拱台车，有效确保了主厂房顶拱的施工安全与进度。
大型地下洞室群施工期间的通风散烟是制约施工进度、关系施工质量和机械设备使用效率的主要因素。溪洛渡地下厂房通过施工期通风系统研究，首次提出了自然和机械通风相结合、永久竖井和辅助竖井相结合、竖井和平洞相结合的“三结合”规划思路，并结合施工程序实施分期设计，一期通风从上层施工支洞两端正压进风，竖井排风，二期通风从中层施工支洞两端正压进风，竖井排风。运行方式则根据洞内外温差，采用自然或者机械排风动态调整的模式。当洞内温度大于洞外温度10 ℃以上时，采取自然排风；当洞内温度大于洞外温度不足10 ℃时，采取自然排风为主，机械为辅；当洞内温度小于洞外温度时，采取机械通风。通风效果良好，溪洛渡地下洞室群爆破通风散烟时间从竖井贯通前的30 min减少为13 min；竖井自然通风时间长，利用率高，空气检测质量符合国家职业卫生标准要求。
白鹤滩水电站制定了地下洞室高标准通风控制指标，引入了瑞典生产的进口变频风机及风带，提出了分期布置、专用通风洞室与机械通风相结合、正压和负压混合式通风的施工期通风技术，布置了专用排风平洞和挡风墙，彻底分离正压送入的新鲜空气与负压抽排的废气。结果表明，该技术应用效果明显，各爆破开挖工作面在爆破后30 min内，主要污染物浓度能达到国家规范要求，对环境改善效果明显，有效解决了超大规模和埋深条件下的地下洞室群通风散烟难题[76]。
4 坝肩高边坡开挖与加固稳定金沙江下游河谷深切，乌东德、白鹤滩、溪洛渡等电站坝址区临河岸坡均在500 m以上，坝高分别为270、289、285.5 m，对应的人工开挖边坡将达到200~400 m(见表 2)。坝肩以上还存在数百米甚至上千米的高位自然边坡，如乌东德坝址区左右岸开口线以上的自然边坡分别高达1 036和830 m，白鹤滩分别为300和600~800 m，如此数量级的复杂岩质高边坡给电站长期运行安全和工程建设安全带来巨大的挑战[77]。
| 高边坡名称 | 
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地质条件 |
| 溪洛渡水电站高边坡 | 300~350 | ＞60 | 300~350 | 285.5 | 两岸谷坡陡峻，坡面完整，无冲沟分布，420 m高程以下为25°~30°缓坡，420~550 m高程为70°~75°陡坡，550~610 m高程为40°~50°中等坡度。抗力体部位岩体由4~12岩流层组成。边坡层内、层间错动带岩石主要为角砾熔岩和玄武岩 |
| 向家坝水电站高边坡 | 105~305 | 25~64 | 13~200 | 161.0 | 河谷形态呈不对称的U形，两岸山势总体向下游倾斜，岸坡微地貌受地层岩性控制呈阶坎状，由T32-6和T34的厚层至巨厚层砂岩出露地段多成陡坎，而泥质岩石含量更高、单层厚度较薄的T33和J1-2Z岩组分布地段多成缓坡，陡坡段基岩裸露，缓坡段覆盖崩坡积或残坡积物。坝址区两岸岩层分布连续，无区域性断层通过，分布较多软弱夹层是边坡岩体突出特点 |
| 白鹤滩水电站高边坡 | 440~860 | ＞42 | 400~600 | 289.0 | 河谷为不对称的V形，左岸坡缓，平均坡45°~50°，右岸坡陡，平均坡60°~70°。坝址处地形、地质均存在较明显的不对称性，分布有柱状节理、坝址左岸分布有层间错动带C2，C3，右岸分布C2~C11，岩层内错动带发育 |
| 乌东德水电站高边坡 | 830~1 036 |
＞43 | 430 | 270.0 | 河谷狭窄(呈V形)、谷坡对称，地形完整、山体雄厚，岩性为灰岩、大理岩，岩层陡立且与河谷近于正交(构成斜横向谷)，岩石坚硬，岩体风化卸荷较弱，岩体较完整，岩体质量优良，岸坡在70°~80°，坡面无冲沟切割，水面以上200 m高度河谷宽度仅250 m左右。坡面较整齐，岩体较稳定 |
4.1 高位自然边坡稳定问题
边坡稳定是水电工程中的关键性地质问题之一。以往水电工程通常对工程边坡稳定性研究较多较深入，对开挖边坡之上的自然边坡的稳定性缺乏足够重视，系统性研究不足[78]。然而开口线以上自然边坡位置高、势能大，任何小型的块体失稳都有可能对下部工程建设造成巨大危害，为确保施工期及运营期人员和设备的安全，保障工程顺利施工和长期运营，工程区自然边坡的稳定问题也应得到足够重视。既要重视自然环境条件如降雨、风化卸荷，也要重视工程运行环境条件如泄洪雾化、爆破开挖震动下的边坡稳定安全问题。采取系统性的勘察分析和针对性的处理措施并建立长期的监测系统是保证高位自然边坡安全的关键。
乌东德坝址区高边坡中下部多由中元古界陡倾横河向褶皱基底组成，上部由缓倾沉积盖层组成，岩体坚硬，断层裂隙不发育、风化卸荷程度低，地应力水平不高，坝址区高边坡不存在整体稳定问题[79]。但局部稳定问题主要有两类，一类是随机分布广泛存在的坡面滚石及落石，另一类是块体、潜在不稳定倾倒岩体、变形体、局部盖层顺向坡、堆积体等。针对不稳定块体调查辨识难度大的问题，建设方创新性地采用了“蜘蛛人”(即空中工作者，特指攀爬在城市高楼外墙上的清洁工人、野外攀岩作业人员等)地质工程师和无人机拍摄生成3D照片的方法开展块体识别工作[80]，左右岸共发现135个块体[81]；针对发现的问题，提出了“分类治理、防治结合、因地制宜、减少扰动、重点部位监测及动态设计”的治理原则，具体采取了柔性防护网防止滚石落石，清除、锚固不稳定块体和倾倒岩体，主被动防护网联合防护倾倒变形体和缓倾顺向坡、地表截(排)水、坡面柔性防护网防治堆积体等措施，同时针对防治重点还采取了专业监测和人工巡查结合的监测手段，有效降低了施工期高位自然边坡的安全风险。
4.2 高边坡开挖与防治金沙江下游的高边坡地质条件复杂，施工难度大，在工程边坡开挖过程中建立了以安全控制为主的技术管理体系，以边坡整体支护安全控制开挖进度，保证了施工人员安全与开挖成型质量，更保证了施工的连续有序，提高了进度控制的可靠性。
乌东德右岸厂房进水口边坡结构复杂，设计开挖的边坡区段顺向坡、斜向坡、横向坡、反向坡均有分布，Ⅳ类围岩部位多；开口线上方高位自然边坡陡，发现64个块体，且边坡结构不利，开挖卸荷可能引起上方自然边坡出现倾倒变形或顺层滑移，因此采用了“先支护高位自然边坡变形影响区，后工程边坡开挖”的设计理念[82]。对高陡自然边坡设立锁口段，即对工程边坡开口线以上一定高度范围内的自然边坡进行系统性加强加深支护，以控制高陡工程边坡开挖对上部自然边坡变形安全的影响。对块体采取了锚固为主，少量清除，局部采用混凝土支撑及柔性防护网；对潜在不稳定倾倒岩体，主要采取了锚固措施；对顶部有崩塌风险的陡崖部位采取了锚索锚固和主动防护网的防治措施。
在确保高位自然边坡的稳定后，工程边坡按照自上而下分区、分层开挖支护，采用“一次预裂，一次爆破，分层出渣，随层浅层支护，锚索及时跟进、全过程多手段安全监测”的原则进行。预裂一次到位，分前后区开挖，前区一次开挖到位，后区一次爆破，分两层出渣，浅层支护紧跟开挖作业面，深层支护最多允许滞后一个梯段。该工法的成功应用，既满足了进度要求，又确保了边坡稳定和施工安全，可为同类复杂地质条件下的高边坡开挖支护提供借鉴参考。
4.3 监测预警系统目前，国内外应用于高边坡工程监测的技术和方法正从传统的点式仪器监测向分布式、自动化、高精度、远程监测的方向发展，对尚在发育但仍有破坏风险的高边坡部位应采取针对性前兆性的监测措施，建立实时监测预警系统，研究失稳判据，及时发布预警信息，以保障施工区和永久区的安全。
乌东德水垫塘右岸高位自然边坡危岩块体发育数量多，对下方工程建设和人员安全存在重大安全威胁。中国水力发电工程学会等多家科研单位结合分布式光纤传感技术、点式位移监测技术、数据传输技术、数据库技术、网站技术等多种技术构建了基于物联网的分布式光纤监测系统；采用蜘蛛人特种作业工法将监测光纤敷设固定到危岩块体表面，进行由线到面的监测，利用点式位移监测获取光纤走向上重点部位的位移变化量，监测数据通过4G网络发送到监测中心，监测中心采集到监测数据入库并通过网站显示发布等，实现对高陡边坡的联合监测预警。在无需人员到场的情况下能实时获取当前应变及位移变化值，通过数据分析可早期发现岩体脆性结构面的位错点及裂缝点，并及时发布对应级别的预警信息。通过数年的运行，光纤覆盖的危岩块体变形情况与现场实际复查结果一致，监测效果良好[83]。
针对乌东德泄洪洞出口水垫塘左侧边坡的变形问题，何满潮院士团队采用自主研发的“基于NPR高恒阻锚索材料的边坡稳定性远程监测预警系统”开展危险边坡监测、预警、控制一体化技术的研究示范工作。该系统建立了NPR锚索应力监测和深部钻孔光栅光纤测量系统，可更好地了解泄洪洞出口水垫塘左侧边坡锚索受力特征及边坡变形规律，建立了适合乌东德水电站滑坡牛顿力监测的预警准则和预警模式，以及边坡实时监测预警云服务终端。该技术集加固-监测-预警-控制于一体，既能够超前预测预报边坡稳态演变特征，又能够对边坡进行主动加固[84]。
5 精细爆破技术精细爆破即通过定量化的爆破设计和精心的爆破施工，实现炸药能量释放与爆破作用过程的精确控制，既达到爆破目的，又实现对爆破副效应的精确控制，最终实现安全可靠、绿色环保又经济合理的爆破作业。
5.1 拱坝建基面精细化开挖技术溪洛渡坝址区玄武岩层间层内错动带较发育，为确保拱坝建基面及地下洞室成型质量，以减少因施工对岩体造成损伤最小为目标，开展了大量的爆破试验和安全监测，形成了一整套精细爆破施工技术：1)合理优化爆破参数，达到控制振动损伤的目的；2)采用预裂爆破的边坡开挖方式；3)遵循标准化的作业流程，严格控制爆破行为。针对玄武岩“硬”“脆”“碎”的结构特点，提出了开挖振动安全控制标准，提出了岩体声波、平整度和超欠挖等开挖质量检测指标，建立了以爆破振动、多点位移、渗压、锚杆应力、锚索测力等监测指标为主要内容的监测系统。通过这些技术和管理措施，溪洛渡拱坝建基面法线方向的平均超欠挖、平整度、残孔率的整体合格率分别为97.2%、98.8%和99.8%，空声波法检测平均爆破影响深度均在1.0 m以内。开挖质量达到优良水平[85]。
5.2 地下厂房岩锚梁精细化施工地下厂房岩锚梁施工是地下厂房整个施工过程中的难点和重点之一，是体现地下厂房精细化施工技术水平的关键项目之一。溪洛渡水电站地下厂房岩锚梁开挖分4区精细化施工，岩台开挖采用预留保护层，竖向、斜向双向光面爆破技术。①~③区保护层开挖采用YT28手风钻竖向光爆；④区岩台采用手风钻双向光爆成型。①区保护层垂直光爆孔孔距50 cm，主爆孔孔距90~120 cm，排距140~170 cm；②、③区保护层直光爆孔孔距35 cm，主爆孔孔距120 cm、排距120 cm；④区岩台垂直光爆孔孔距35 cm，斜面光爆孔孔距35 cm。岩锚梁部位的开挖采用预留保护层的开挖方式，保护层与中部槽挖采取预裂爆破分开，保护层厚度为4.5 m。
5.3 高地应力脆硬岩地下洞室精细爆破技术白鹤滩地下厂房洞室群构造地应力高，硬脆玄武岩易破裂，围岩稳定问题突出，爆破开挖难度大。参建各方通过研究试验，针对巨型地下洞室开挖爆破扰动机理及响应特征，制定了个性化控制标准。如顶拱层、岩壁梁层、高边墙、机坑开挖爆破允许振速分别为10.0、7.0、10.0、7.0 cm/s，采用“弱爆破、少扰动”质量控制原则，个性化制定了爆破开挖方案，形成了不同结构部位的精细爆破技术。
顶拱层扩挖常规地质洞段采用水平光面爆破施工工艺，开挖循环进尺3.5 m，光爆孔孔间距45 cm，线装药密度178 g/m，不良地质洞段分别降低为2.2 m和73 g/m，右岸顶拱开挖半孔率95%，不平整度平均8 cm。岩壁梁保护层的爆破采用两侧预留保护层并分为上、中、下3层开挖，均采用光面爆破开挖方式，主爆孔、缓冲孔为水平钻孔，光爆孔为竖向钻孔，光爆孔孔间距50 cm，线装药密度106 g/m；岩台采用竖向和斜向双向钻孔、同时起爆的光爆开挖方式，常规地质洞段竖向光爆孔线装药密度58 g/m、斜向光爆孔线装药密度85 g/m，最大单响药量不超过60~70 kg(起爆段长约15 m)，不良地质洞段光爆孔线装药密度适当减弱10 g/m，岩壁梁开挖半孔率96%，不平整度平均7.3 cm。
周边洞室的爆破严格执行先洞后墙，提前贯入地下厂房边墙，并完成洞室系统支护和地下厂房高边墙环向预裂，以满足锚索快速施工为原则。分层高度为4~5 m左右，Ⅳ层开挖采用设计边墙预裂，左右半幅开挖，Ⅴ-Ⅶ层总体开挖方案与Ⅱ层一致，右岸厂房边墙开挖半孔率92%、不平整度平均8 cm。地下厂房机坑开挖采用浅孔预裂爆破，孔深5.5 m，孔间距60 cm，线装药密度509 g/m，右岸厂房机坑开挖半孔率86%、不平整度平均6.8 cm。
5.4 数字化爆破巨型地下洞室爆破监测数据采集量大、相关资料文档多，利用信息化手段对爆破设计、施工、监测控制和评价，实现爆破作业流程信息化、数字化管理是水电工程建设管理的大势所趋。
长江科学院应用现有无线传感器网络技术、数据库系统技术、B/S网络结构模式开发了一套爆破开挖数字化系统。以开挖施工过程控制流程为主线，涵盖地质超前预报管理、爆破设计及过程控制、爆破监测及评价管理、静态监测及评价管理，对开挖作业过程进行全过程、全方位的控制与管理，能够及时对监测对象的状态、稳定程度和爆破设计进行分析，修正设计参数，优化爆破施工工艺，提高了现场爆破开挖管理和控制的水平[86]。
6 总结总结金沙江下游4座大型水电站在岩石力学与工程方面取得的成就主要包括：
1) 指导思想与实施程序。基于工程实践，提出了行之有效的“认识岩体、利用岩体、保护岩体、监测反馈”的岩石力学工作指导思想，与“开挖一层、分析一层、验收一层、预测一层”的工程实施程序，形成了岩石工程开挖施工的全过程、精细化质量与安全管控技术体系。
2) 坝基勘察与处理。综合运用传统手段和新技术，开展坝基岩体工程地质精准勘察，为坝线选择、建基面优化和坝基岩体加固提供有效支撑。在坝基开挖与处理方面，针对金沙江下游四座水电站面临的各种复杂坝基地质和施工问题，从建基面设计优化、抗滑处理、防渗控制、坝基变形控制、不良地质体置换、无盖重或岩石盖重加浅表层引管二次复灌固结灌浆、柱状节理玄武岩坝基开挖限松弛控变形等方面，提出了成套坝基处理技术方案。
3) 大型地下洞室群开挖支护关键技术。构建了基于传统回归分析和数据挖掘相结合的地应力场反演方法，形成了解决高地应力作用下玄武岩脆性破坏、含错动带岩体稳定控制、柱状节理玄武岩围岩卸荷变形松弛等问题的针对性控制技术。创建了洞室群开挖时空变形协调控制方法，对开挖过程中围岩变形时空响应进行预测分析，及时调整开挖支护措施，有效保证洞室群施工安全。创新岩石工程快速支护、混凝土衬砌、安全检测与应急处置的机械化施工工法与施工设备，遵循最大化采用自然通风系统的原则，结合永久工程布置与施工程序，分期设计洞室群通风方案、综合布置通风设备，提高开挖支护效率和安全健康水平。
4) 坝肩高边坡开挖与加固稳定技术。针对高位自然边坡，在前期设计地质勘察和常规测量方法基础上，创新采用“蜘蛛人”地质工程师、无人机拍摄3D照片等手段，并结合作业点施工排架对地质情况做进一步检查复核，通过多阶段、多手段、定量化的地质勘测，为边坡处理方案提供详实的地质报告。针对锁口段以上自然边坡，基于精细地质勘测成果，对发现的每个块体进行危险性分析，并制定针对性、个性化的综合治理措施。针对工程边坡，遵循自上而下分层、平面分区分序、支护到位才能爆破的施工原则，建立了专项施工方法，具体确定边坡开挖支护的设计指标与参数；根据开挖层的不同地质条件，采取支护到位再开挖下层、或支护滞后于开挖一到两层的不同施工程序，平衡好开挖安全与施工效率。针对边坡安全监测，构建了基于物联网的分布式光纤监测系统、以及表面与内部监测系统，对自然边坡危岩块体的变形情况进行实时监测与预警；建立了基于NPR锚索的集边坡加固和预测预报于一体的监测系统，对边坡变形进行前兆监测预警。最后，制定了降雨、大风、地震等极端环境条件下的应急预案和处理措施，保障施工期和运行期的边坡安全。
5) 精细化爆破技术。通过优化爆破参数、预裂爆破、标准化作业流程，并建立严格的开挖质量与安全控制标准和全面的监测系统，形成了一整套拱坝建基面精细爆破开挖施工技术；制定了岩锚梁分区施工、预留保护层开挖和双向光面爆破的精细化施工技术，以及针对高地应力脆硬岩地下洞室的个性化控制标准和精细爆破技术；开发了爆破开挖数字化系统，对开挖作业过程进行全过程、全方位的控制与管理。
7 展望展望水电工程岩石力学与工程未来发展有2个主要方向：
1) 基于现代传感、通信、数据、建造技术的水电岩石工程智能建造。大型岩体工程勘察、设计、施工与监测，需要大量的真实有效的工程地质勘测数据、实验室力学实验数据、现场测试结果等，这些数据对于工程开展具有至关重要的作用。大数据、人工智能时代的到来为岩石工程的创新带来巨大的发展机遇，大规模、全方位、多维度及多场的岩石工程监测将得以实现。基于大数据分析的岩体工程设计、建造施工与运营中的监测分析、数据深度学习挖掘、计算模拟、精细化评价、工程决策及重大地质灾害精准防控，将是岩石工程大数据、人工智能时代的必然趋势。开展水电岩石工程全生命周期建设技术与管理智能化集成应用研究，数字化、网络化、智能化感知控制设备和技术研发，全过程岩体质量检测和安全监测技术应用研究，为岩石力学与工程智能建造发展奠定基础，是未来一个重要前沿研究方向。
2) 高海拔地区水电工程的大坝长隧洞和洞室群关键岩石力学工程问题研究。高海拔地区水电工程建设与运行面临着“五高”(高海拔、高边坡、高应力、高地震烈度、高水头)，“四大”(大埋深、大落差、大保护、大温差)，“三长”(长冬歇、长隧洞、长周期)等建设运行挑战。在高海拔地区建设混凝土或深厚覆盖层土石坝的复杂基础处理与加固技术、工程防渗技术、大坝-基础整体协调变形与新型结构设计、坝基砂层液化处理与大坝抗震安全设计等开挖处理成套技术；高地应力、复杂围岩条件下深埋超大洞径、超长距离TBM隧洞开挖支护、适应于围岩大变形的新型锚喷支护、监测体系成套技术；高海拔地区地下厂房洞室群开挖时空联动变形的力学特性与破坏效应等研究，是未来水电岩石力学与工程的发展方向。
8 结语中国在建大型水电工程居世界首位。这些工程不仅工程量极大，而且地质条件复杂，技术难度也是空前的。岩石力学既指导着水电工程的建设，同时大型水电工程开发建设实践也极大丰富了岩石力学理论和方法。
在金沙江水电开发过程中，建设者继承和发扬三峡工程建设的成功经验，持续坚持科学研究与工程建设紧密结合的传统，特别是枢纽工程布置、大坝坝基地质问题处理、巨型地下洞室群的岩石力学问题认识及开挖支护、高边坡稳定控制、精细化爆破、大型水电工程岩石力学指导思想等多方面有许多创新和提升，形成了多项成套创新技术，由此产生的科学指导思想、实用的工作方法、有效的岩体稳定控制技术对类似岩石工程和高海拔地区岩石工程具有科学借鉴和工程指导意义。
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