巴基斯坦卡洛特水電站工程地質(zhì)勘察研究綜述

尹春明 陳文理 侯欽禮 楊安勇

摘要：卡洛特水電站位于巴基斯坦吉拉姆河上，工程前期勘察設(shè)計(jì)工作為國外公司完成。在工程實(shí)施階段，根據(jù)項(xiàng)目業(yè)主的總體安排，工程勘察設(shè)計(jì)分為以詳細(xì)設(shè)計(jì)為目標(biāo)的Level 1階段及施工圖設(shè)計(jì)的Level 2階段。通過Level 1階段大量詳細(xì)的勘察研究，根據(jù)壩址地質(zhì)條件對(duì)該工程招標(biāo)方案的工程布局進(jìn)行了較大變更并獲得認(rèn)可，對(duì)工程順利推進(jìn)起到了決定性作用。通過簡(jiǎn)要回顧前期及Level 1階段壩址工程地質(zhì)勘察研究，扼要介紹了該電站主要地質(zhì)問題的研究思路、方法和工作內(nèi)容，并總結(jié)了這一特殊地質(zhì)環(huán)境條件下的大型水電站工程的地質(zhì)勘察與研究的基本經(jīng)驗(yàn)，以期為類似工程勘察借鑒。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)勘察;主要地質(zhì)問題;研究思路;綜述;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.003

1 工程概況

卡洛特（Karot）水電站地處巴基斯坦東北部，是吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站的第四級(jí)，其上一級(jí)電站為阿扎德帕坦（Azad Pattan），下一級(jí)電站為已建成的曼格拉（Mangla）?？逄厮娬緣沃肺挥诎突固古哉谄帐【硟?nèi)卡洛特橋上游1.75 km，下距曼格拉大壩74 km，西距首都伊斯蘭堡直線距離約55 km。從伊斯蘭堡-卡胡塔-科特里路可通往場(chǎng)址，交通較為便利。

卡洛特水電站壩址控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3。工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐。水庫正常蓄水位461m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機(jī)容量720 MW，保證出力116.1 MW，多年平均年發(fā)電量32.1億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 452 h。

2 勘察設(shè)計(jì)工作過程

2.1 國外公司的前期工作

1975～2009年，先后由加拿大、德國、澳大利亞等國的公司對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行過不同階段的研究。2007年受巴基斯坦ATL公司委托，由澳大利亞雪山公司（SMEC）、巴基斯坦Mirza聯(lián)合工程服務(wù)公司（MAES）及工程總咨詢公司（EGC）組成咨詢聯(lián)合體（以下簡(jiǎn)稱“咨詢聯(lián)合體”）。2009年9月，編制完成《720MW卡洛特水電站可行性研究報(bào)告》，并通過了巴基斯坦相關(guān)部門的審批。

2.2 EPC期間的工作

EPC實(shí)施期間，根據(jù)合同要求，在Level 1階段先后完成了工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)、引水發(fā)電系統(tǒng)、壩型、壩線及樞紐布置、水文泥沙、施工總布置規(guī)劃、機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)、防震抗震研究設(shè)計(jì)、建設(shè)征地與移民安置規(guī)劃、投資概算等多項(xiàng)專題研究工作，相關(guān)研究成果均通過了三峽集團(tuán)巴基斯坦水電工程技術(shù)專家組的評(píng)審。據(jù)此，對(duì)工程原方案廠房型式及大壩壩型、工程布置格局均進(jìn)行了較大調(diào)整并獲得專家組認(rèn)可，認(rèn)為方案合適、技術(shù)可行。在此基礎(chǔ)上編制完成的《巴基斯坦卡洛特水電站可行性研究報(bào)告》，經(jīng)技術(shù)專家組評(píng)審認(rèn)為，可滿足勘測(cè)設(shè)計(jì)工作的范圍和深度的要求。

2016年6月，卡洛特水電站前期工程啟動(dòng)，2018年9月實(shí)現(xiàn)大江截流，目前工程進(jìn)展順利，按進(jìn)度計(jì)劃2021年4月首臺(tái)機(jī)組商業(yè)投運(yùn)，2021年11月工程完建。

3 工程地質(zhì)概況及主要地質(zhì)問題

3.1 地質(zhì)概況

卡洛特水電站區(qū)域北部處于喜馬拉雅山南麓中高山區(qū)，海撥2 000～3 500 m;東側(cè)為克什米爾盆地;西側(cè)為白沙瓦盆地;南部為旁遮普（Punjab）平原區(qū)，高程約200 m。區(qū)域位于印度板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞作用形成的喜馬拉雅造山帶西構(gòu)造結(jié)南側(cè)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)強(qiáng)烈，主要斷裂分別為主地殼斷裂（MMT）、主中央逆沖斷裂帶（MCT）、主邊界逆沖斷裂帶（MBT）和主前緣斷裂帶（MFT）及穆扎法拉巴德斷裂（MZF），其中MBT、MFT及MZF均為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，MBT和MFT為強(qiáng)震構(gòu)造，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。壩址區(qū)無區(qū)域性斷層通過，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期以整體間歇性抬升為主，內(nèi)部差異性活動(dòng)較弱，為構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較好的區(qū)塊，地震活動(dòng)性水平相對(duì)較低。壩址區(qū)50 a超越概率10%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.26 g，100 a超越概率2%及1%的基巖地震動(dòng)峰值加速度分別為0.52 g、0.61 g。壩址地震基本烈度按Ⅷ度考慮。

水庫長(zhǎng)約26 km，庫段內(nèi)河谷深切，多呈“V”型谷，兩岸谷坡基本對(duì)稱。水庫地形及地質(zhì)構(gòu)造封閉條件良好，不存在庫水向鄰谷滲漏問題。水庫岸坡主要為基巖岸坡，岸坡穩(wěn)定條件較好，水庫蓄水后庫岸再造輕微。庫區(qū)右岸發(fā)現(xiàn)變形體1處，距壩址16.1 km，對(duì)水庫正常運(yùn)行影響小;右岸近岸TR2段（1.52～3.23 km）為基巖順向岸坡，該階段勘察時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯滑動(dòng)跡象。水庫不具備誘發(fā)高震級(jí)地震的條件，震級(jí)不大于Ms3.0級(jí)，對(duì)壩址最大影響烈度為Ⅴ度。

卡洛特水電站壩址位于吉拉姆河中上游河段，壩址區(qū)屬中低山地貌，兩岸臨江岸坡山頂?shù)孛娓叱桃话?10～870 m。吉拉姆河呈“幾”字穿越壩址區(qū)，在右岸形成寬約700 m的河灣地塊。吉拉姆河枯水期水面寬30～60 m，水面高程388～391 m，相應(yīng)水深一般為6～8 m。壩址區(qū)地形封閉，左岸山體渾厚;右岸河灣地塊高程461 m處寬380～700 m，不存在地形埡口。

區(qū)內(nèi)出露基巖地層主要為新近系中新統(tǒng)納格利（Nagri）組（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N1dh）地層，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等。不同巖性所占大致比例分別為：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖23.7%，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖32.2%，中粗砂巖38.0%，細(xì)砂巖6.1%，總體呈不等厚互層狀。巖石膠結(jié)成巖較差，較軟弱，屬較軟巖-軟巖。

壩址區(qū)在構(gòu)造上處于左岸卡拉托特（Karatot）向斜SW翼與右岸納灣（Narwan）背斜NE翼之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定，巖層傾角7°～10°。壩址區(qū)斷層、層間剪切帶不發(fā)育，主要構(gòu)造形跡為裂隙，左岸主要發(fā)育兩組裂隙，其中規(guī)模較大的一組與河流方向大致平行，走向NE，傾向NW，陡傾角為主。另一組走向與第1組基本垂直，長(zhǎng)度受第1組控制，多短小。右岸河灣地塊地表發(fā)育兩組裂隙，第一組與陡崖近于平行，走向NE～NEE，河灣上游傾NW、下游傾SE（傾河流一側(cè)），主要為陡傾角，近岸坡部位卸荷影響張開;第二組裂隙與第一組裂隙近于正交，傾角一般70°～85°，延伸一般受第一組裂隙限制，較短小。

區(qū)內(nèi)地下水主要為基巖孔隙裂隙水和第四系松散層孔隙潛水?；鶐r孔隙裂隙水主要賦存于砂巖中，一般為中等-貧含水，由于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等相對(duì)不透水巖層分布，形成多層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過裂隙通道運(yùn)移。巖體總體透水性較弱，中砂巖、細(xì)砂巖相對(duì)于其他巖類透水性稍大。

區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化具有垂直分帶的特點(diǎn)，全風(fēng)化帶厚度一般較薄且分布有限;強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般為0～10.7 m，弱風(fēng)帶厚度為0～28.3 m，總體上巖體風(fēng)化帶厚度不大。壩址區(qū)陡立岸坡強(qiáng)卸荷帶水平深度一般為8～16 m，弱卸荷帶水平深度一般為6～25 m。在垂向上，隨著高程的降低，巖體的卸荷作用逐漸減弱，強(qiáng)、弱卸荷帶寬度也相應(yīng)減小。

3.2 主要工程地質(zhì)問題

（1）軟巖及其工程特性。壩址分布主要為新近系陸源碎屑沉積，由于地質(zhì)時(shí)代較新，巖石總體成巖膠結(jié)程度較差，巖石以較軟巖-軟巖為主，少量極軟巖。因此，軟巖及其工程特性是壩址主要的工程地質(zhì)問題。

（2）可溶鹽巖及膨脹巖。壩址出露地層主要為干旱-半干旱氣候海陸過渡相陸源碎屑沉積，其中的紅色地層可能存在巖鹽、石膏等可溶鹽巖，是壩址需要查明的地質(zhì)問題。

（3）軟弱夾層及層間剪切帶。壩址地層為具磨拉石建造的過渡相陸源碎屑沉積，巖性、巖相變化大，呈交互層狀產(chǎn)出，砂巖層間的粘土巖夾層在褶皺構(gòu)造及地下水的作用下可能形成軟弱夾層或?qū)娱g剪切帶，對(duì)工程設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。

（4）河灣地塊巖體滲透性。壩址河灣地塊巖體滲透特性是河灣地塊防滲的關(guān)鍵，了解河灣地塊巖體滲透特性是選擇防滲方案和評(píng)價(jià)地塊防滲可靠性時(shí)需要重點(diǎn)解決的地質(zhì)問題。

（5）天然建筑材料。壩址區(qū)巖石軟弱，河道無天然砂礫卵石沉積，可利用天然建筑材料缺乏，支流河床狹窄，砂礫石分布有限，因此，天然建筑材料需要進(jìn)行重點(diǎn)勘察研究。

4 主要地質(zhì)問題的勘察研究

在充分分析掌握項(xiàng)目外部環(huán)境條件、基本地質(zhì)條件、工程特殊性等基礎(chǔ)上，遵循準(zhǔn)確把握重、難點(diǎn)，制定完備可操作的關(guān)鍵技術(shù)方案，采用地面地質(zhì)、遙感地質(zhì)、鉆探、硐、井探、工程物探、專門性工程地質(zhì)水文地質(zhì)觀測(cè)、測(cè)試與試驗(yàn)、巖（土）體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究等技術(shù)手段和方法，圍繞與工程建設(shè)關(guān)系密切的關(guān)鍵性地質(zhì)問題開展了卡洛特水電站的工程地質(zhì)勘察研究。

4.1 研究的重難點(diǎn)

根據(jù)原咨詢聯(lián)合體報(bào)告評(píng)估意見及通過現(xiàn)場(chǎng)查勘得出的基本結(jié)論，提出了Level 1階段勘察工作重點(diǎn)。

（1）區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，距離壩址26 km的雷西（Raisi）逆沖斷層在2005年發(fā)生了7.6級(jí)地震，雷西逆沖斷層最有可能誘發(fā)地震。需復(fù)核區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和地震動(dòng)參數(shù)，特別是對(duì)雷西逆沖斷層的活動(dòng)性及對(duì)工程場(chǎng)區(qū)的影響需要進(jìn)行重點(diǎn)研究。

（2）水庫工程地質(zhì)。水庫區(qū)岸坡主要為基巖岸坡，總體穩(wěn)定性較好，局部分布有小型崩滑體。對(duì)于水庫區(qū)分布有崩滑堆積體的重點(diǎn)庫岸，需進(jìn)一步研究其穩(wěn)定性。在右岸近壩庫段大壩軸線上游約1.0～2.5 km的庫岸，為順向結(jié)構(gòu)岸坡，周緣地形呈圈椅狀，外部形態(tài)特征上疑似滑坡。該部位是否存在順層滑動(dòng)需進(jìn)一步地質(zhì)工作論證。吉拉姆斷層是否穿越庫區(qū)需進(jìn)一步研究，以確定水庫是否存在水庫誘發(fā)地震問題。

（3）壩址區(qū)工程地質(zhì)。壩址出露地層為一套新近系中下更新統(tǒng)磨拉石建造的沉積巖，為弱膠結(jié)的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層狀，屬較軟巖-軟巖。對(duì)于壩址基本地質(zhì)條件的勘察研究，需進(jìn)一步查明壩區(qū)各類巖體的分布、巖相變化、巖體風(fēng)化、卸荷特征和緩傾下游的層間剪切帶及軟弱夾層發(fā)育分布情況;查明壩址是否存在可溶鹽巖及膨脹巖;進(jìn)一步查明壩址各類巖石工程特性及可利用壩基巖體力學(xué)特性;查明壩址巖土體透水性，重點(diǎn)查明河灣地塊巖體滲透特性的研究。

在查明基本地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合壩址樞紐建筑物布置方案開展專門工程地質(zhì)問題勘察與研究。在高烈度地震區(qū)，應(yīng)重視大壩安全與抗滑穩(wěn)定問題研究，該工程建壩巖體強(qiáng)度低，可能存在大壩變形穩(wěn)定問題;由于互層狀巖體軟硬相間，層面發(fā)育，巖層產(chǎn)狀平緩傾向下游，對(duì)混凝土重力壩壩基抗滑穩(wěn)定不利，需要重點(diǎn)研究;兩岸卸荷裂隙發(fā)育，巖層層面與側(cè)向裂隙構(gòu)成的岸坡壩段側(cè)向穩(wěn)定存在問題。地下洞室圍巖主要為互層狀的軟巖組成，巖層產(chǎn)狀平緩、近于平鋪洞頂，層理發(fā)育和互層狀巖體不利于頂拱穩(wěn)定，圍巖總體地質(zhì)條件差。對(duì)于地下廠房方案，洞室圍巖穩(wěn)定及開挖支護(hù)措施成為方案選擇的關(guān)鍵，需要重點(diǎn)研究。壩址主要建筑物開挖邊坡主要為軟巖邊坡，部分為平緩順向邊坡，近岸坡巖體卸荷裂隙較發(fā)育，對(duì)軟巖高邊坡穩(wěn)定不利，需加強(qiáng)勘察研究。壩址區(qū)巖體抗沖能力差，存在沖刷問題，混凝土重力壩大壩下游消能區(qū)、溢洪道下游泄槽及消能區(qū)均需加強(qiáng)防沖處理。壩基巖體屬微透水-弱透水巖體，但右岸河灣地塊地形相對(duì)單薄，巖層總體傾向下游一側(cè)，需要加強(qiáng)河灣地塊防滲問題的研究。

（4） 天然建筑材料?？逄厮娬竟こ滩捎闷胀ǖ幕炷敛牧稀Ｔ敳閮?chǔ)量達(dá)到設(shè)計(jì)需要量的1.5～2.0倍。工程區(qū)及鄰近地區(qū)主要分布中～軟質(zhì)巖石，不能用作天然建筑材料料源，同時(shí)缺乏天然砂礫卵石料料源，只有在距壩址以西10km的小支流河床中有沖積卵礫石分布，且厚度不大，集中開采困難，需要開展大量工作研究。該階段進(jìn)行天然建筑材料詳查，重點(diǎn)研究天然砂礫料骨料儲(chǔ)量、質(zhì)量及堿活性。

4.2 技術(shù)線路及工作思路

該階段勘察按以下技術(shù)路線開展工作：進(jìn)一步搜集已有的資料并加以充分分析研究→明確本階段需完成的主要勘察任務(wù)及勘察研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)→了解設(shè)計(jì)意圖及設(shè)計(jì)要求、熟悉樞紐布置方案→進(jìn)行勘察工作總規(guī)劃、部署和布置→編制詳細(xì)的勘察工作大綱、作業(yè)計(jì)劃→按大綱及計(jì)劃實(shí)施、并根據(jù)具體情況進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整。

在原咨詢聯(lián)合體勘察工作和長(zhǎng)江勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司評(píng)估意見的基礎(chǔ)上，結(jié)合該階段勘察要求[1-2]，對(duì)右岸近壩庫段岸坡開展勘察研究工作，評(píng)價(jià)對(duì)壩址的影響;開展區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性補(bǔ)充研究、水庫區(qū)工程地質(zhì)勘察和天然建筑材料詳查等工作。結(jié)合壩址地質(zhì)條件勘察，開展重點(diǎn)地質(zhì)問題勘察研究;對(duì)各樞紐建筑物布置方案開展壩線比較及樞紐布置格局研究勘察工作，選定壩線及推薦樞紐布置方案，隨后對(duì)推薦的樞紐布置方案開展主要建筑物工程地質(zhì)條件的勘察工作。最終完成Level 1階段勘察研究任務(wù)。

4.3 主要工程地質(zhì)問題的研究

4.3.1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和地震活動(dòng)性研究

卡洛特水電站區(qū)域位于印度板塊與歐亞板塊碰撞形成的喜馬拉雅造山帶西構(gòu)造結(jié)南側(cè)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)強(qiáng)烈，分布有MMT、MCT、MBT、MFT及MZF等規(guī)模巨大的深斷裂，且部分為地震活躍的斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。因此，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定及地震研究尤為重要?？紤]到區(qū)域地處巴基斯坦北部中高山區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)研究工作總體不深，可利用的地質(zhì)基礎(chǔ)資料有限，以及地震安評(píng)工作的必要性，同時(shí)必須達(dá)到規(guī)范規(guī)定深度，因此委托了具有資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)開展研究工作。

在區(qū)域地震構(gòu)造研究中，收集區(qū)域范圍內(nèi)的地震地質(zhì)、地震活動(dòng)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等資料及近年來國際上有關(guān)的研究文獻(xiàn)，進(jìn)行了衛(wèi)片解譯;對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的活動(dòng)斷層進(jìn)行重點(diǎn)研究，分析其最新活動(dòng)時(shí)代、性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特征;對(duì)近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行第四紀(jì)地質(zhì)和地貌現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)查，對(duì)主要活動(dòng)斷裂的活動(dòng)性進(jìn)行野外調(diào)查鑒定，特別是對(duì)雷西逆沖斷層的活動(dòng)性進(jìn)行重點(diǎn)研究。編制區(qū)域、近壩區(qū)地震構(gòu)造圖，對(duì)區(qū)域、近壩區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在地震活動(dòng)環(huán)境研究中，收集美國國家地震信息中心（NEIC）、英國國際地震中心（ISC）等歷史地震資料，通過核對(duì)和震級(jí)轉(zhuǎn)換等工作，編制區(qū)域地震目錄、震中分布圖等，分析區(qū)域、近壩區(qū)的地震活動(dòng)特征，分析歷史強(qiáng)震對(duì)本工程場(chǎng)地的影響。采用目前國際上最新的地震活動(dòng)空間掃描結(jié)合斷層離散化的地震活動(dòng)性模型，選用美國NGA給出的衰減關(guān)系，進(jìn)行地震危險(xiǎn)性概率計(jì)算，給出工程場(chǎng)地不同概率水準(zhǔn)的基巖水平峰值加速度及反應(yīng)譜。

通過上述工作，有關(guān)卡洛特水電站庫壩區(qū)的構(gòu)造穩(wěn)定性、地震活動(dòng)性以及地震危險(xiǎn)性分析都得出了明確可信的結(jié)論，并得到巴基斯坦相關(guān)主管部門及項(xiàng)目業(yè)主工程師認(rèn)可。

4.3.2 水庫近壩庫岸穩(wěn)定性研究

卡洛特水電站庫岸穩(wěn)定性是庫區(qū)最主要的地質(zhì)問題。為此，開展了全庫段詳細(xì)的地表地質(zhì)測(cè)繪，對(duì)特殊庫段岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)查和勘察研究。

重點(diǎn)對(duì)右岸近壩庫岸穩(wěn)定性開展勘察研究。對(duì)庫段岸坡進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)測(cè)繪，布置縱向勘探剖面，采用鉆孔、豎井、高密度電法剖面測(cè)試、鉆孔彩色電視錄像、地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)等手段開展勘察研究，并在岸坡前沿選取鉆孔埋設(shè)鉆孔測(cè)斜儀，對(duì)岸坡實(shí)施監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)岸坡的穩(wěn)定性。對(duì)地表測(cè)繪及1號(hào)勘探線鉆孔、鉆孔錄像資料的分析研究表明，該部位兩側(cè)沖溝斷面大部分地段基巖露頭良好，地層基本連續(xù)且完整，無切錯(cuò)現(xiàn)象;鉆孔揭露巖體大部分較完整，鉆孔錄像在軟硬巖交界面附近及軟巖內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)（錯(cuò)動(dòng)）跡象，更無滑帶分布;后部溝谷及圈椅狀地表均屬于巖體差異風(fēng)化及地表流水侵蝕造成。該結(jié)論得到咨詢專家組的認(rèn)可。通過一段時(shí)間岸坡前沿鉆孔測(cè)斜儀的觀測(cè)表明岸坡無任何變形位移的跡象。

4.3.3 壩址主要工程地質(zhì)、水文地質(zhì)專題研究

卡洛特水電站大壩原設(shè)計(jì)為弧形重力壩，壩址地質(zhì)條件是否適應(yīng)興建100 m級(jí)混凝土重力壩，需要進(jìn)一步論證。對(duì)于軟巖大跨度地下洞室的開挖、支護(hù)及變形控制，在原設(shè)計(jì)地下廠房方案對(duì)地質(zhì)勘察提出了特殊要求?；訝钴泿r地基、軟弱夾層及層間剪切（錯(cuò)動(dòng)）帶等不利地質(zhì)缺陷是壩址重要地質(zhì)問題。巖體力學(xué)參數(shù)、邊坡開挖坡比和建基巖面的選擇等都會(huì)給工程量和造價(jià)帶來較大影響。壩址區(qū)地質(zhì)與巖石力學(xué)問題的勘察研究至關(guān)重要。鑒于以上特點(diǎn)，在壩址一般地質(zhì)條件勘察、全面掌握基本地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)重點(diǎn)問題、重點(diǎn)地段和建筑物的重點(diǎn)部位，進(jìn)行更深入的地質(zhì)勘察研究。主要專題研究有以下幾個(gè)方面。

（1）軟弱夾層（含層間剪切帶）發(fā)育分布特征及其對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定影響研究。壩址區(qū)出露地層為新近系中下更新統(tǒng)一套典型的磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖，巖性較復(fù)雜，一般呈交互層狀產(chǎn)出，其間的粉砂巖、黏土巖層在褶皺構(gòu)造及地下水的作用下可以形成軟弱夾層或?qū)娱g剪切帶。壩址區(qū)巖層緩傾向下游，軟弱夾層的發(fā)育對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定起到至關(guān)重要的影響。因此，需要重點(diǎn)研究壩址特別是河床壩基應(yīng)力范圍內(nèi)軟弱夾層的發(fā)育分布及性狀特征，評(píng)價(jià)其對(duì)大壩抗滑穩(wěn)定的影響。在策劃中將對(duì)軟弱夾層的研究作為重點(diǎn)專題，開展勘察工作，并制定了詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃。

在軟弱夾層的研究中，大量借鑒了葛洲壩[3]、亭子口、構(gòu)皮灘等工程的經(jīng)驗(yàn)及前人的大量研究成果[4-5]。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合壩址主要建筑物地質(zhì)條件對(duì)軟弱夾層進(jìn)行勘察研究，開展現(xiàn)場(chǎng)地表露頭地質(zhì)調(diào)查，采用鉆探、平硐、豎井、探槽等對(duì)各類軟弱夾層分布規(guī)律進(jìn)行專項(xiàng)勘察研究，以充分查明在壩基范圍內(nèi)軟弱夾層的空間展布規(guī)律、連續(xù)性及工程性狀，對(duì)軟弱夾層在不同地層、不同水工建筑物區(qū)的分布特征、工程性狀進(jìn)行概括總結(jié)，為工程區(qū)軟弱夾層的概化分類提供依據(jù)。由于壩址區(qū)巖石軟弱，可能存在夾層取芯困難的問題，為提高對(duì)夾層的辨識(shí)，大部分鉆孔均采取了雙管雙動(dòng)繩索取芯的工藝，并對(duì)鉆孔進(jìn)行了高清彩色電視錄像。通過對(duì)大量鉆孔資料、聲波及錄像資料的對(duì)比分析研究，查明了壩址區(qū)夾層分布及延伸情況，對(duì)夾層進(jìn)行了分類和相關(guān)試驗(yàn)研究，為評(píng)價(jià)其對(duì)工程建筑物的影響提供了合理參數(shù)。

（2）軟巖物理力學(xué)特性及其對(duì)大壩變形穩(wěn)定影響研究。壩基巖體由軟硬相間的砂巖、粉砂巖及粘土巖組成，呈不等厚互層，巖體強(qiáng)度低，部分巖石為極軟巖，巖層平緩傾向下游，工程位于高地震區(qū)，在強(qiáng)震作用下存在軟巖地基大壩變形穩(wěn)定問題。因此，需要重點(diǎn)研究壩基巖體中存在的軟巖對(duì)大壩變形穩(wěn)定的影響。

結(jié)合壩基地質(zhì)條件研究，查明大壩壩基應(yīng)力范圍內(nèi)巖體中軟巖的空間分布及性狀特征。在早期試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)補(bǔ)充了大量的室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，著重開展了混凝土與基巖結(jié)合面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)不同類型巖體的變形特性和承載力、不同結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度、不同巖體的圍巖彈性抗力等開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。針對(duì)軟巖的一些特性（如膨脹、流變、軟化等），補(bǔ)充必要的原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)[6]，開展軟巖流變?cè)囼?yàn)，確定軟巖流變特性的相關(guān)參數(shù)。對(duì)不同類型的巖石進(jìn)行了膨脹性測(cè)試。對(duì)軟巖物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，確定各種參數(shù)指標(biāo)，為大壩變形穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算提供依據(jù)。開展大壩變形穩(wěn)定數(shù)值模擬及計(jì)算分析，并分析軟巖流變特性對(duì)大壩長(zhǎng)期變形穩(wěn)定影響，評(píng)價(jià)大壩變形穩(wěn)定性。根據(jù)相關(guān)研究成果提出壩基軟巖地基處理措施建議。

（3）軟巖大型地下洞室圍巖穩(wěn)定研究。對(duì)于地下廠房方案，洞室群圍巖主要由互層的砂巖、粉砂巖、黏土巖組成，巖層產(chǎn)狀平緩、近于平鋪洞頂，層理發(fā)育和互層狀巖體不利于頂拱穩(wěn)定。地下廠房開挖形成軟巖高邊墻，邊墻變形與穩(wěn)定也將直接影響廠房頂拱圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。下部機(jī)窩開挖軟硬相間巖體易于發(fā)生回彈變形。復(fù)雜洞室群的分布導(dǎo)致圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定不利。在地質(zhì)時(shí)代較新的復(fù)雜軟巖中，開挖大跨度地下廠房洞室群尚不多見，需要重點(diǎn)開展相關(guān)研究，以評(píng)價(jià)軟巖大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定性。

結(jié)合地下建筑物地質(zhì)條件研究，查明大型地下洞群圍巖中軟巖空間分布與地下建筑物的關(guān)系。在補(bǔ)充大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展必要的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試，如圍巖彈性抗系數(shù)，巖（石）體彈性縱波速度測(cè)試等;鑒于軟巖所獨(dú)具的流變特性且對(duì)硐室長(zhǎng)期穩(wěn)定影響，開展軟巖的流變?cè)囼?yàn)，確定相關(guān)參數(shù)，以便分析軟巖流變特性對(duì)洞室長(zhǎng)期穩(wěn)定影響。對(duì)物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，確定各種參數(shù)指標(biāo)，為硐室穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算提供依據(jù)。采用水工地下洞室圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圍巖詳細(xì)分類指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分級(jí)，制定適用于該工程的圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)。采取巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類、巖體地質(zhì)力學(xué)分類（RMR分類）等進(jìn)行對(duì)比研究。建立地下洞室群三維可視化模型，開展洞室穩(wěn)定性數(shù)值模擬及計(jì)算分析，并分析圍巖流變特性對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，評(píng)價(jià)洞室圍巖穩(wěn)定性，提出洞室開挖及支護(hù)措施建議及圍巖變形監(jiān)測(cè)方案建議。

（4）壩址河灣地塊巖體滲透性研究。右岸河灣地塊巖體滲透性對(duì)防滲產(chǎn)生重要影響。結(jié)合壩址及建筑物基本地質(zhì)條件勘察，利用在河灣地塊布置的大量鉆孔開展了鉆孔壓水試驗(yàn)，以獲得河灣地塊水文地質(zhì)條件及巖體滲透特性，結(jié)合地下水長(zhǎng)期觀測(cè)，了解河灣地塊基巖裂隙水動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素，評(píng)價(jià)地塊防滲可靠性，為防滲方案的選擇提供地質(zhì)依據(jù)。

（5）軟巖高邊坡穩(wěn)定性研究。壩址建筑物開挖邊坡為軟巖高邊坡，部分邊坡為順向結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定條件較差。勘察中重點(diǎn)針對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)、巖體及結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面的展布及其組合、地下水分布及其動(dòng)力特征等因素開展系統(tǒng)研究，特別是對(duì)邊坡巖體中可能分布的軟弱夾層或?qū)娱g剪切帶開展了深入勘察和分析研究，結(jié)合試驗(yàn)提出了相關(guān)力學(xué)參數(shù);建立邊坡三維地質(zhì)模型，提出邊坡可能的變形破壞模式，采用極限平衡，二維、三維有限元分析等多種方法綜合研究，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，提出開挖坡比及邊坡支護(hù)、排水措施的建議;進(jìn)行邊坡變形因素及變形趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)，提出邊坡系統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)建議。

4.3.4 天然建筑材料勘察

卡洛特水電站所需天然建筑材料種類多、可供料選擇空間有限。天然建筑材料選擇對(duì)設(shè)計(jì)方案影響重大。

（1）混凝土骨料勘察及試驗(yàn)研究?？逄厮娬净炷了璐旨?xì)骨料約120萬m3，合理選擇混凝土骨料的料源及產(chǎn)地，不僅直接影響工程造價(jià)，還涉及到施工總體布置、對(duì)外交通方案選擇等。

在對(duì)前期成果復(fù)核的基礎(chǔ)上，對(duì)壩址及周邊地區(qū)可利用的料源進(jìn)行了大量分析研究及普查。先后勘察研究過吉拉姆河干支流河床、階地以及山崗堆積的天然砂礫石料，以及可利用人工骨料等。通過反復(fù)比較研究，最終選用支流巴得利（Budli）溝河床天然砂礫石料作為混凝土骨料料源。

由于料源分布于狹長(zhǎng)的支流溝谷，具有河段長(zhǎng)、分布范圍有限、厚度極不穩(wěn)定等特性。在勘察手段上，采用物探方法進(jìn)行普查。在加密勘探斷面上，加大投入，采取挖掘機(jī)開挖探坑（井）代替鉆孔的直觀方法，共完成425個(gè)大型探坑（井）開挖及編錄。項(xiàng)目部專門成立了QC小組，對(duì)勘察布置、質(zhì)量、儲(chǔ)量計(jì)算等開展工作，效果較好。此外，為確保用料需求，還進(jìn)行了備用料源和勘察與研究工作。開展了大量混凝土骨料質(zhì)量及性能的試驗(yàn)以及骨料堿活性反應(yīng)試驗(yàn)研究，料源質(zhì)量均滿足規(guī)范要求。

（2）土料的勘察研究。該電站的土料主要用于土石圍堰和可能的黏土心墻堆石壩的防滲。前期研究報(bào)告及專項(xiàng)調(diào)查表明，壩址及周沿40 km范圍內(nèi)，缺乏可用于防滲且可集中開采的土料。勘察期間，通過對(duì)周邊開展大量的詳細(xì)調(diào)查，確定沒有具備開采價(jià)值且可滿足建筑物防滲需要的防滲土料料源。最終對(duì)土石圍堰采用下部混凝土防滲墻、上部土工膜的聯(lián)合防滲方案，對(duì)大壩則采用瀝青混凝土心墻方案。

（3）填筑料的勘察、試驗(yàn)與研究。圍堰及大壩填筑料主要利用壩址建筑物開挖料。開挖料用作圍堰及大壩填筑料的關(guān)鍵是質(zhì)量和填筑特性能否滿足壩（堰）體強(qiáng)度及穩(wěn)定的要求。為此，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，包括可利用料的礦物、化學(xué)成分分析，開挖料顆粒級(jí)配、含泥量、天然容重、天然含水量測(cè)定，在剪、壓、震、沖、浸泡等條件下的級(jí)配穩(wěn)定性試驗(yàn)，以及天然和水下拋填后各種力學(xué)性能、滲透性能的試驗(yàn)研究對(duì)比分析等。根據(jù)試驗(yàn)成果，弱風(fēng)化及微新砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖開挖料可作為填筑料料源利用。采用斷面法，并利用三維地質(zhì)模型，對(duì)可利用料的儲(chǔ)量進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。

5 結(jié) 語

卡洛特水電站為軟巖地區(qū)大（2）型水利水電工程，組織實(shí)施該工程的地質(zhì)勘察研究，得到以下幾點(diǎn)主要體會(huì)。

（1）充分分析研究前期勘察成果并進(jìn)行正確評(píng)估，充分理解和把握國外工程勘察設(shè)計(jì)階段劃分及工作深度上與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的差別，對(duì)涉外水電工程項(xiàng)目具有借鑒意義。

（2）準(zhǔn)確把握重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，制定切實(shí)可行的技術(shù)路線與完備可操作的技術(shù)方案是成功的關(guān)鍵。采用多種技術(shù)手段和方法，圍繞關(guān)鍵性地質(zhì)問題開展深入的勘察研究工作。

（3）應(yīng)充分應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)手段。航天和航空遙感技術(shù)及地理信息系統(tǒng)在庫岸穩(wěn)定性及崩、滑體的調(diào)查研究中起到了重要作用。鉆孔彩色電視錄像技術(shù)日趨成熟，其成像清晰程度完全可以彌補(bǔ)特殊地層取芯困難的缺陷，成為一種不可或缺的技術(shù)手段。新興無人機(jī)技術(shù)、三維地質(zhì)建模技術(shù)、新的試驗(yàn)技術(shù)、數(shù)值分析方法等，對(duì)深化建筑物工程地質(zhì)條件分析和評(píng)價(jià)起到了關(guān)鍵作用。

（4）正確處理好宏觀和微觀、研究重點(diǎn)和工作深度之間的關(guān)系。對(duì)大壩、廠房等主體建筑物安全及布置方案有深刻影響的地質(zhì)問題，必須予以重點(diǎn)查明，提供滿足設(shè)計(jì)要求的成果。

（5）重視施工檢驗(yàn)、總結(jié)和提高。施工地質(zhì)工作不僅是服務(wù)于工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)前期認(rèn)識(shí)、解決施工難題和提高處理實(shí)際問題能力的機(jī)會(huì)。施工期大量良好的開挖露頭，為專題研究的開展提供了良好條件。大量的編錄統(tǒng)計(jì)資料、監(jiān)測(cè)和測(cè)試資料，以及施工信息的反饋資料，對(duì)專題研究取得突破性的認(rèn)識(shí)也大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50287-2006 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[2] 彭土標(biāo). ?水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)[M]. ?北京： 中國水利水電出版社， 2011.

[3] 文伏波，鄭守仁，鄭允中. ?長(zhǎng)江葛洲壩工程關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐[M]. ?武漢： 長(zhǎng)江出版社， 2014.

[4] 任自民，范中原，蔡耀軍，等. ?壩基軟弱層（帶）工程地質(zhì)研究[M]. ?北京： 中國水利水電出版社， 2014.

[5] 徐瑞春，周建軍. ?紅層與大壩（第二版）[M]. ?武漢： 中國地質(zhì)大學(xué)出版社， 2010.

[6] 路景新. ?軟巖/硬土強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)方法研究[M]. ?鄭州： 黃河水利出版社， 2011.

（編輯：唐湘茜）

Overview of geological survey of Karot Hydropower Station in Pakistan

YIN Chunming， CHEN Wenli， HOU Qinli， YANG Anyong

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan ?430010， China）

Abstract： Karot Hydropower Station is located on the Jhelum River in Pakistan， the pre-engineering survey and design work was completed by foreign companies. In the implementation phase of the project， the project survey and design was divided into the detailed design of the level 1 stage and the design of the level 2 stage of the construction drawing according to the overall arrangement of the project owners. According to large amount of detail survey and research in level 1 stage and dam site geological condition， the engineering layout scheme was changed in a large extent and approved， and the decisive role in promotion of the project construction was achieved. Through a brief review of the geological survey of the pre-stage and level 1 dam site projects， this paper comprehensively introduces the research ideas， methods and working contents of the main geological problems of the Karot hydropower station， and summarizes some basic experiences from the geological survey and research of large hydropower projects under this special geological environment.

Key words： engineering geological survey; major geological problems; research ideas; overview; Karot Hydropower Station; Pakistan