巴基斯坦卡洛特水電站軟巖地下洞室圍巖分類及應(yīng)用

尹春明 侯欽禮 沈金剛 潘路遠(yuǎn)

摘要：卡洛特水電站位于巴基斯坦吉拉姆河上，工程區(qū)分布地層為新近系弱膠結(jié)碎屑沉積巖，為較軟巖-軟巖。工程地下洞室圍巖地質(zhì)條件差，圍巖穩(wěn)定問題突出。在項目前期勘察中，對影響圍巖穩(wěn)定的主要地質(zhì)問題進(jìn)行了大量的勘察研究工作，并根據(jù)工程實際情況采用規(guī)范推薦的方法對圍巖進(jìn)行詳細(xì)分類。工程施工期，應(yīng)項目業(yè)主工程師要求采用Q系統(tǒng)進(jìn)行分類，并開展了水電規(guī)范分類與Q系統(tǒng)分類的對比研究。簡要介紹了項目地下洞室圍巖的勘察研究，對圍巖分類方法的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和闡述，以期對類似國外工程的勘察研究提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：圍巖分類;圍巖穩(wěn)定;軟巖;地下洞室;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TU457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.006

1 工程概況

巴基斯坦卡洛特水電站地處巴基斯坦東北部，是吉拉姆河規(guī)劃的5個梯級電站的第四級，上一級為阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站，下一級為已建成的曼格拉（Mangla）水電站。壩址位于巴基斯坦旁遮普省境內(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-科特里路可通往場址，交通較為便利。

壩址控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819m3/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461 m，相應(yīng)庫容1.52億m3，電站裝機(jī)容量720 MW（4臺單機(jī)裝機(jī)180 MW），保證出力116.1 MW，多年平均年發(fā)電量32.1億kW·h，年利用小時數(shù)4 452 h。

1975～2009年，加拿大、德國、澳大利亞等公司先后對卡洛特水電站項目的不同階段進(jìn)行過研究。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。2009年9月，編制完成《720MW Karot水電站可行性研究報告》，并通過了巴基斯坦相關(guān)部門的審批。

2016年6月，電站前期工程啟動，2018年9月實現(xiàn)大江截流，目前工程進(jìn)展順利，按進(jìn)度計劃將于2021年4臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2021年11月工程完建。

2 壩址地質(zhì)概況

卡洛特水電站壩址位于吉拉姆（Jhelum）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”字形穿越壩址區(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。

壩址區(qū)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，總體呈不等厚互層狀，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%。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Karatot向斜SW翼與右岸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，地表露頭主要發(fā)育兩組裂隙，規(guī)模較大的一組走向NE-NEE，傾向NW，陡傾角為主，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70°～85°，延伸一般受第一組裂隙限制，較短小。平硐揭露裂隙主要為NE、NEE、NNE走向3組及少量零散裂隙，中、陡傾角為主，少量緩傾角裂隙發(fā)育。裂隙延伸長度一般小于2 m，少量可達(dá)3～5 m，一般較平直、裂面粗糙，寬度一般小于1 mm，部分裂隙寬度可達(dá)1～3 mm，泥質(zhì)或巖屑充填為主，部分為鈣質(zhì)或方解石充填，部分裂隙見有鐵質(zhì)浸染。

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。基巖孔隙裂隙水主要賦存于砂巖中，一般為中等-貧含水，具多層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過裂隙通道運移、排泄。各類巖石總體透水性較弱，中砂巖、細(xì)砂巖相對于其他巖類透水性稍大。

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

3 前期地下洞室圍巖分類研究

根據(jù)前期咨詢聯(lián)合體可行性研究的樞紐總體布置方案，大壩采用弧形重力壩，布置于河灣上游，采取壩體泄洪。引水發(fā)電系統(tǒng)采用引水式地下廠房方案。導(dǎo)流方案采取穿越河灣地塊的導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流形式。原設(shè)計布置方案有地下廠房及導(dǎo)流洞等規(guī)模較大的地下洞室結(jié)構(gòu)，在軟巖條件下地下洞室的圍巖穩(wěn)定是項目需要研究的重要工程地質(zhì)問題之一。長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司對引水發(fā)電系統(tǒng)的布置方案開展了專題勘察研究，提出了地下廠房及地面廠房方案，并對地下廠房的形式、布置位置開展了大量的勘察研究，以論證廠房布置方案的可行性。在樞紐布置方案專題研究中還對導(dǎo)流隧洞的布置也進(jìn)行了進(jìn)一步勘察研究。根據(jù)綜合比較，樞紐布置格局采取了河床布置瀝青混凝土心墻堆石壩;斜穿右岸河灣地塊山脊布置溢洪道;在溢洪道引水渠左側(cè)布置電站進(jìn)水口的引水式地面廠房;大壩上、下游布置全年擋水土石圍堰，導(dǎo)流洞布置在電站與大壩之間，采用導(dǎo)流洞導(dǎo)流的總體布置方案。

地下洞室圍巖分類方法眾多，初期的圍巖分類多以單一的巖石強度作為分類指標(biāo)，隨著工程實際應(yīng)用的需要及技術(shù)手段的進(jìn)步，圍巖分類走向多指標(biāo)體系定性分類并逐漸從定性分類向定量分類方向發(fā)展。國際上比較流行的分類方法主要有泰沙基分類法、巴頓Q系統(tǒng)分類法、比尼奧斯基RMR分類法、法國隧道協(xié)會（AFTES）分類法等。國內(nèi)主要采用的是現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（BQ分類）、公路隧道圍巖分類、鐵路隧道圍巖分類和水工隧洞圍巖分類等。分類方法各有其優(yōu)缺點，多數(shù)分類仍屬于定性描述或經(jīng)驗判別的定性分類，但能反映圍巖的地質(zhì)構(gòu)造特征、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、風(fēng)化狀況、地下水情況以及洞室埋深等因素，在評價洞室圍巖穩(wěn)定性、確定支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇施工方法等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

該工程主要采用GB 50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[1-2]推薦的方法進(jìn)行圍巖分類[1]，該分類方法吸收了眾多分類體系的優(yōu)點，緊密結(jié)合水電地下工程的特點，通過科技攻關(guān)取得了重要成果，對水電工程地質(zhì)洞室有較好的適應(yīng)性。圍巖詳細(xì)分類以巖石強度、巖體完整程度和結(jié)構(gòu)面狀態(tài)為基本因素，評分均為正值;以地下水狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為修正因素，均為負(fù)值，5項評分累計求出一個多因素復(fù)合指標(biāo)——累計總評分，并以圍巖強度應(yīng)力比為限定因素，最后綜合判定圍巖類別。

工程圍巖主要為膠結(jié)成巖較差的較軟巖、軟巖為主，巖體總體完整，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育且短小，地下水活動相對較微弱。由于工程的特殊性，對圍巖分類指標(biāo)的評分取值有必要進(jìn)行一些本地化調(diào)整，以更符合工程實際。操作中考慮到巖石軟弱，對巖質(zhì)類型及巖體完整性兩項指標(biāo)評分取值采取適當(dāng)向下取值，而對巖體結(jié)構(gòu)面狀態(tài)評分時，對泥質(zhì)充填的結(jié)構(gòu)面也進(jìn)行向下取值操作，以更好地反映實際地質(zhì)條件對圍巖穩(wěn)定的影響。工程地下洞室圍巖分類見表1。

4 施工期Q系統(tǒng)圍巖分類對比研究及應(yīng)用

卡洛特水電站在實施過程中引入了業(yè)主工程師制，并根據(jù)巴基斯坦相關(guān)政策，對于地下洞室等存在不確定因素的情況，可以根據(jù)工程實際情況對投資進(jìn)行調(diào)整并計入電價調(diào)整。因此，在招標(biāo)文件中也進(jìn)行了明確的規(guī)定。根據(jù)巴方及業(yè)主工程師的要求，對圍巖分類采用Q系統(tǒng)分類進(jìn)行圍巖類別界定。根據(jù)招標(biāo)文件，地下洞室圍巖依據(jù)Q值劃分為5類（見表2），該類別與水工隧洞圍巖分類類別大致相當(dāng)。

由于前期設(shè)計、計算及支護(hù)均采用了水電圍巖分類，為避免因圍巖分類方法的改變而導(dǎo)致大量重復(fù)設(shè)計、計算及圖紙的更新工作，結(jié)合前期導(dǎo)流洞施工支洞開挖，開展了2個分類系統(tǒng)的對比研究，找出2種分類間的相對應(yīng)關(guān)系以及在實際操作中應(yīng)注意的重點。

Q系統(tǒng)分類又稱NGI隧道質(zhì)量指標(biāo)分類，該方法是挪威巖土工程研究所的N.Barton[3]等人在1974年根據(jù)對以往地下開挖工程穩(wěn)定性的大量實例分析研究后提出的，后期通過工程實踐進(jìn)行了改進(jìn)[4-5]。Q系統(tǒng)分類方法主要考慮了巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw、以及地應(yīng)力影響因素SRF等6項指標(biāo)，通過查規(guī)范的評分表得到相應(yīng)的評分值，采用商積的形式，即

[Q=RQDJnJrJaJwSRF] （1）

計算圍巖Q值，通過Q值將圍巖分為9個等級。式（1）第一項分式代表了巖體的完整程度;第二項表示控制性結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征;第三項表示地下水及地應(yīng)力的影響。Q系統(tǒng)也屬于多指標(biāo)法，其結(jié)果采用商積的形式，Jn、Ja以及SRF位于分母位置，也體現(xiàn)了其對穩(wěn)定的重要性。該方法獲取指標(biāo)簡便，評分規(guī)范細(xì)化，但操作相對繁瑣，必須依賴有經(jīng)驗的地質(zhì)人員。巖石強度對圍巖穩(wěn)定性具有較大影響，Q系統(tǒng)存在嚴(yán)重不足的原因是未直接考慮巖石強度，而是通過應(yīng)力折減系數(shù)取值間接考慮，尤其對于本工程的軟弱圍巖，該方法弱化了巖石強度的重要程度，可能導(dǎo)致評分結(jié)果偏高。Jn、Ja兩個參數(shù)非常重要，但在實際操作中需要有經(jīng)驗的地質(zhì)人員進(jìn)行細(xì)致鑒別。此外，該方法忽略了結(jié)構(gòu)面不利組合對圍巖穩(wěn)定性的影響，只考慮了最不利的結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性的影響，勢必造成結(jié)果有一定的誤差。

針對其弱點，結(jié)合該工程特點，強化了對結(jié)構(gòu)面性狀、圍巖中軟巖分布等因素對評分影響以及兩種分類方法對比分析。

該工程圍巖主要為一套新近系中新統(tǒng)呈不等厚互層狀的中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等組成，為軟巖-較軟巖，由于處于寬緩向斜翼部單斜巖層部位，巖層近水平，巖石受構(gòu)造擠壓、錯動較弱，巖體完整，裂隙短小。在實際操作中，圍巖中的細(xì)小裂隙容易被忽略，而這類裂隙也可能成局部穩(wěn)定的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，這類短小裂隙成組發(fā)育對Q值評分影響較大，如果被忽略則會造Q值偏高，因此，需要在洞室開挖后進(jìn)行詳細(xì)編錄統(tǒng)計，以準(zhǔn)確給定Jn。而在水電工程圍巖分類中，裂隙發(fā)育的組數(shù)主要體現(xiàn)在巖體完整性，與裂隙發(fā)育密度有關(guān)而不是與裂隙發(fā)育組數(shù)直接相關(guān)。

結(jié)構(gòu)面張開及充填狀態(tài)、充填物類型影響著Ja的評分。該工程微新巖體圍巖中裂隙一般呈閉合狀態(tài)，裂隙寬度多小于5 mm，以泥質(zhì)或巖屑充填為主，部分泥質(zhì)巖在開挖揭露后有軟化或斷續(xù)泥化現(xiàn)象。由于Q系統(tǒng)分類中Ja評分取值范圍及級差較大，因此，對Q值影響較大，需要仔細(xì)進(jìn)行鑒別評定。對于軟弱圍巖更需要考慮充填物質(zhì)對開挖卸荷及地下水等因素的后期影響，進(jìn)行綜合評定。在該因素上，Q系統(tǒng)與水電工程圍巖分類所占的權(quán)重基本相當(dāng)。

在水電工程圍巖分類的基本評分中，軟巖巖質(zhì)類型基本決定了其圍巖類別基本上不會高于Ⅳ類。Q系統(tǒng)分類中未直接考慮巖石強度，雖然可以通過在圍巖應(yīng)力折減系數(shù)一項中按軟弱帶考慮得到一定的體現(xiàn)，但由于圍巖的變形及失穩(wěn)破壞機(jī)理差異性較大，這種考慮缺乏整體性。在應(yīng)力折減系數(shù)一項上，由于該工程圍巖主要為軟巖-較軟巖，中-低地應(yīng)力水平，巖石受構(gòu)造擠壓較弱，因此不屬于堅硬巖石及高應(yīng)力巖石擠壓問題，可以按含黏土或化學(xué)風(fēng)化不完整巖石的單一軟弱帶（開挖深度≤50 m）一項加以考慮。

通過大量對比評分，摸索出了一套更為合理的取值方法和評分細(xì)則，使分類更貼合工程實際情況。表3為調(diào)整后的Q系統(tǒng)圍巖分類評分表，在實際使用中詳細(xì)的評分表操作更為簡便，也便于各方核查。

對比研究表明，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整后的Q系統(tǒng)分類評分計算的Q值范圍及類別與對應(yīng)的水工隧洞圍巖分類評分值范圍與類別具有較好的協(xié)調(diào)性（見表4），相應(yīng)的分類成果也與前期成果較為符合，從而避免了大量修改設(shè)計參數(shù)，Q系統(tǒng)分類的成果得到了業(yè)主工程師的高度認(rèn)可。

該工程各隧洞圍巖在開挖完成后，根據(jù)圍巖地質(zhì)條件評定的Q值對圍巖進(jìn)行了初期支護(hù)，在后期結(jié)構(gòu)混凝土襯砌前，未出現(xiàn)較大的變形及失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，隧洞整體穩(wěn)定性較好，表明圍巖類別及相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)的可靠性。

5 結(jié) 論

通過對卡洛特水電站軟巖地下洞室圍巖工程地質(zhì)勘察研究，得到以下幾點結(jié)論。

（1）對于軟巖地下洞室的勘察研究，應(yīng)側(cè)重于查清圍巖的巖性組成、圍巖結(jié)構(gòu)類型、圍巖完整性以及是否存在控制性的不利軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是對于平緩軟巖地層，選擇相對較好的巖體作為地下洞室圍巖，以最大限度利用有利地質(zhì)條件，降低工程風(fēng)險。

（2）地下洞室圍巖分類方法很多，各有優(yōu)缺點和側(cè)重點，選擇更適合工程實際情況的分類方法至關(guān)重要。在無法選擇的情況下，也要對分類進(jìn)行一些本地化的調(diào)整，突出關(guān)鍵因素的權(quán)重，盡量避免生搬硬套。

（3）采取不同方法進(jìn)行對比研究，使分類結(jié)果更能充分貼合工程實際，避免單一方法造成偏差。

（4）加強施工地質(zhì)工作，不僅是地質(zhì)勘察服務(wù)于工程建設(shè)的重要工序，也是對圍巖類別界定和支護(hù)調(diào)整的重要環(huán)節(jié)。

（5）重視監(jiān)測資料的分析，及時對圍巖開挖、支護(hù)進(jìn)行調(diào)整，防止圍巖產(chǎn)生過大變形是重中之重。

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[M]. ?北京： 中國水利水電出版社， 2011.

[3] Barton ?N ， Lien ?R， Lunde. Engineering classification of rockmasses for the design of tunnel support[J]. ?Rock Mechanics，1974（6）： 789-236.

[4] Barton N ， L？set F ， Lien R， et al. Application of the Q-sysrem in design decisions concerning dimensions and appropriate support for underground installations[C]//Int. Conf. on Sub-surface Space，Rockstore， Stockholm： 1980（2）： 553-561.

[5] Barton N. Geotechnical Design[J]. ?World Tunnelling，1991：4l0-416.

（編輯：李曉濛）

Classification and application of surrounding rock for soft rock underground cave of ?Karot Hydropower Station in Pakistan

YIN Chunming ， HOU Qinli， ?SHEN Jingang， ?PAN Luyuan

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

Abstract： Karot Hydropower Station is located on the Jhelum River in Pakistan. The distribution strata of the dam area is Neogene System of weak glued debris sedimentary rock， and it is under the category of relatively soft rock to soft rock. Poor geological conditions of the underground cave surrounding rock and its stability are the prominent problems. In the preliminary project survey， we carried out a large numbers of surveys and researches on the main geological problems affecting the stability of the surrounding rock， and the surrounding rock was classified in detail according to the method recommended by the specification in the light of the actual situation of the project. During the implementation period of the project， we used Q system at the request of the project owner and made the rock classification comparison between industry specifications and the Q system. We briefly introduced the survey conducted on the surrounding rock， summarized and expounded the application of the classification method in surrounding rock， so as to provide useful reference for the exploration and research of similar foreign projects.

Key words： surrounding rock classification; surrounding rock stability; soft rock; underground cavity; Karot Hydropower Station; Pakistan