巴基斯坦卡洛特水電站軟巖導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)與施工

崔金鵬 李昊 郭鴻俊

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)存在導(dǎo)流流量大、隧洞規(guī)模大、地質(zhì)條件差、施工難度高等難點(diǎn)。根據(jù)開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計(jì)算分析，通過導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)和施工以及施工中動態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整分析，實(shí)現(xiàn)了隧洞安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。目前，卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞已正常運(yùn)行約1 a時間，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為其他類似導(dǎo)流隧洞工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：施工導(dǎo)流;導(dǎo)流隧洞;軟巖;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號： TV551.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.009

卡洛特水電站地處巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河畔，為Ⅱ等大（2）型工程，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720MW（4×180MW）。樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、電站引水及尾水系統(tǒng)、電站廠房等組成，最大壩高95.5 m。

卡洛特水電站壩址處河道地形狹窄，呈“幾”型，河谷為“V”型窄谷，不具備開挖形成明渠導(dǎo)流的條件，無法采用分期導(dǎo)流。同時，由于卡洛特水電站為瀝青混凝土心墻土石壩，施工要求高，工期緊，汛期壩體過水對壩體結(jié)構(gòu)不利，不宜采用過水圍堰方案。因此，根據(jù)水文特性、地形地質(zhì)條件和樞紐建筑物布置特點(diǎn)，卡洛特水電站采用圍堰一次攔斷河床、圍堰全年擋水、導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。根據(jù)DL/T 5397-2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]并綜合各方面因素，確定上、下游圍堰及導(dǎo)流隧洞為4級建筑物，初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇全年洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)最大洪峰流量為6 740 m3/s[2-3]。

卡洛特水電站施工導(dǎo)流主要存在導(dǎo)流流量大、導(dǎo)流隧洞斷面尺寸大、穿越地區(qū)地質(zhì)條件以IV、V類軟巖為主等諸多特點(diǎn)和難點(diǎn)。施工導(dǎo)流直接關(guān)系到工程的施工程序、施工布置以及施工安全性，且對樞紐建筑物布置、工程投資和總工期的影響較大，是影響工程全局的重要問題之一，因此對軟巖條件下導(dǎo)流隧洞的設(shè)計(jì)和施工展開研究十分必要[4-5]。通過對卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞的設(shè)計(jì)和施工以及施工中動態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整的分析，妥善解決了隧洞的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為其他類似導(dǎo)流工程提供參考和借鑒。

1 工程地質(zhì)條件

卡洛特水電站壩址區(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。根據(jù)工程樞紐布置和壩區(qū)的地形、地質(zhì)條件，3條直徑12.5 m的圓形斷面導(dǎo)流隧洞宜布置在右岸，位于廠房與大壩之間，導(dǎo)流隧洞洞身為直線段，洞內(nèi)水力學(xué)條件良好。隧洞洞線短導(dǎo)流隧洞軸線與巖層走向夾角一般68°～73°，設(shè)計(jì)埋深7.5～115.5 m，上覆巖體厚度7.5～106 m。隧洞圍巖為薄-中厚層微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層及厚層-巨厚層微風(fēng)化中砂巖組成，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

導(dǎo)流隧洞洞身具多層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，基巖裂隙水具微承壓性，導(dǎo)流隧洞洞身多位于地下水埋深以下;導(dǎo)流隧洞圍巖總體上強(qiáng)度低，主要以軟類為主，其中IV、V類圍巖所占比例達(dá)到82.7%，見表2。粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層巖體具有失水干裂、遇水崩解，并遇水易軟化、泥化的特性，特別是反復(fù)的干濕交替作用，對其工程特性有較大影響[6]。

2 導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)

2.1 斷面形式

根據(jù)工程樞紐布置和壩區(qū)的地形、地質(zhì)條件，對導(dǎo)流洞洞身3種橫斷面形式（城門洞形、馬蹄形、圓形）進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[7-8]。3種斷面形式中，圓形斷面工程量及投資最省，馬蹄形次之，城門洞形最高。從水力條件來看，圓形斷面稍差，但差別不大;從受力條件、工程量及投資來看，圓形斷面優(yōu)勢較明顯[9-10]。因此，推薦采用圓形斷面，斷面形式見圖1。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程388 m，出口高程385 m，隧洞斷面為圓形直徑12.5 m，1條隧洞過流面積122.73 m2，3條隧洞共368.2 m2。導(dǎo)流隧洞洞身為直線段，3條導(dǎo)流隧洞長度分別為420.7， 447.3 m和473.8 m，總長度1 341.8 m。由于隧洞在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流量情況下，平均流速達(dá)18.3 m/s，因此，隧洞采用全斷面不透水鋼筋混凝土襯砌型式。

2.2 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 隧洞結(jié)構(gòu)

為方便與進(jìn)水塔和出口明渠銜接，每條隧洞進(jìn)口20 m為城門洞形，0+020～0+040段為漸變斷面，由城門洞形漸變?yōu)閳A形，出口20 m為漸變段，由圓形漸變?yōu)橛沙情T洞形，以便于與出口明渠相接。

由于隧洞進(jìn)口40 m范圍山體單薄，開挖及卸荷影響強(qiáng)烈，因此，對襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，樁號0+000～0+020段城門洞形斷面襯砌厚度3 m，樁號0+020～0+040段由城門洞形漸變?yōu)閳A形，襯砌厚度2.5 m。洞身段為圓形，根據(jù)地質(zhì)情況采用不同的支護(hù)及襯砌參數(shù)。

2.2.2 初期支護(hù)及襯砌參數(shù)

根據(jù)導(dǎo)流隧洞穿越地層條件變化及隧洞運(yùn)行條件，初期支護(hù)措施及襯砌型式如下：

（1）Ⅲ類圍巖。初期支護(hù)采用Ф28系統(tǒng)砂漿錨桿進(jìn)行加固，錨桿長為6 m（伸入巖石內(nèi)5.5 m），間、排距均為1.5 m，并掛網(wǎng)噴10 cm厚混凝土?；炷烈r砌厚度為0.7 m。

（2）Ⅳ類圍巖。初期支護(hù)采用Ф28系統(tǒng)砂漿錨桿進(jìn)行加固，錨桿長為6 m（伸入巖石內(nèi)5.5 m），間、排距均為1.25 m，并掛網(wǎng)噴15 cm厚混凝土，全斷面布置鋼拱架支撐加固;對局部失穩(wěn)段，采用超前錨桿、管棚注漿等措施先行加固。混凝土襯砌厚度為0.9 m。

（3）Ⅴ類圍巖。初期支護(hù)采用Ф28系統(tǒng)砂漿錨桿進(jìn)行加固，錨桿長為6 m（伸入巖石內(nèi)5.5 m），間、排距均為1 m，并掛網(wǎng)噴20 cm厚混凝土，全斷面布置鋼拱架支撐加固;對局部失穩(wěn)段，采用超前錨桿、管棚注漿等措施先行加固。混凝土襯砌厚度為1.0 m。

2.2.3 細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對導(dǎo)流隧洞洞身全斷面鋼筋混凝土襯砌的頂部進(jìn)行回填灌漿?；靥罟酀{范圍為頂拱中心角120°以內(nèi)，孔距2 m，排距2 m，梅花形布置，孔深深入圍巖20 cm，灌漿壓力為0.2 MPa，于襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后進(jìn)行施工。

對隧洞進(jìn)口段、Ⅳ類圍巖局部段、Ⅴ類圍巖段和進(jìn)水塔基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，以提高圍巖的整體強(qiáng)度和抗?jié)B性能，固結(jié)灌漿孔排距2.5～3 m，梅花形布置，孔深深入圍巖7 m，局部地質(zhì)缺陷部位適當(dāng)加密或加深灌漿孔，灌漿壓力為0.6～0.8 MPa。

沿隧洞軸線每12 m設(shè)1條伸縮縫，縫寬1～2 cm，為方便施工，減少襯砌混凝土澆筑過程中的干擾，縫間設(shè)BW-Ⅱ型止水條與閉氣泡沫板。

3 導(dǎo)流隧洞施工

卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞于2016年3月1日開工，2018年9月10日正式分流過水，2018年9月18日大江截流成功。

3.1 洞身開挖

綜合考慮各方面因素，導(dǎo)流隧洞共分3層開挖。以開挖洞徑為14.7 m的Ⅳ類圍巖為例，第Ⅰ層為頂拱層，高8 m;第Ⅱ?qū)痈叨葹?.2 m;第Ⅲ層為底板保護(hù)層，厚度1.5 m。

（1）第Ⅰ層開挖。采用中部掏槽、周邊光面爆破，全斷面開挖，循環(huán)進(jìn)尺按不超過3 m進(jìn)行控制。局部圍巖穩(wěn)定性較差段采用短進(jìn)尺、弱爆破的施工方法。初期支護(hù)緊跟掌子面施工，系統(tǒng)錨桿距掌子面不得超過10 m，穩(wěn)定性較差的洞段采用超前錨桿、超前小導(dǎo)管等方式加固。

（2）第Ⅱ?qū)娱_挖。采用中部拉槽、兩側(cè)擴(kuò)挖的方式。循環(huán)進(jìn)尺按不超過5 m進(jìn)行控制;兩側(cè)擴(kuò)挖時，采用YT28氣腿鉆鉆孔，光面爆破，循環(huán)進(jìn)尺按不超過3 m進(jìn)行控制。

（3）第Ⅲ層開挖。采用光面爆破，一次性開挖，循環(huán)進(jìn)尺按不超過3 m進(jìn)行控制。

3.2 初期支護(hù)

（1）錨桿施工。采用先注漿后插錨桿的方式進(jìn)行砂漿錨桿施工。使用LBT2000注漿機(jī)注漿，注漿管插入錨桿孔內(nèi)，邊注漿邊緩慢拔出注漿管?？變?nèi)漿體飽滿后，人工配合8T汽車吊將錨桿緩慢均勻推入，嚴(yán)禁大力擾動桿體，造成孔內(nèi)砂漿外噴，導(dǎo)致砂漿不密實(shí)。

（2）鋼支撐。鋼支撐安裝前，進(jìn)行超欠挖檢查和處理。鋼支撐安裝采用分榀分節(jié)安裝，每一節(jié)之間采用鋼墊板螺栓連接，每榀安裝完成后方可進(jìn)行下一榀安裝施工。鋼支撐支立于可靠的基礎(chǔ)上，與壁面緊密接觸，空隙用噴射混凝土填充。每榀鋼支撐安裝完成后，腳部施加φ25鎖腳錨桿進(jìn)行固定，相鄰鋼支撐之間采用φ20連接鋼筋連接牢固。 鋼支撐施工工藝流程見圖2。

（3）掛網(wǎng)噴混凝土。采用φ4@10×10 cm鋼絲網(wǎng)，與錨桿連接牢固或采用插筋加固，鋼筋網(wǎng)緊貼巖面，網(wǎng)片搭接寬度20 cm。噴射混凝土采用濕噴法，噴射混凝土作業(yè)分段分片依次進(jìn)行，不得存在漏噴部位。噴射順序自下而上，分層噴射;分層噴射時，后一層在前一層混凝土終凝后進(jìn)行。噴射作業(yè)緊跟開挖工作面，混凝土終凝至下一循環(huán)放炮時間不應(yīng)少于3 h。

3.3 襯砌澆筑

3.3.1 混凝土澆筑

卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞襯砌分段長度為12.0 m，分層具體見圖3。底拱混凝土澆筑時，模板預(yù)留有混凝土澆筑窗口，混凝土開始先從底拱中部下料，根據(jù)現(xiàn)場澆筑情況改為從左、右兩側(cè)下料，并采用φ70、φ50插入式軟軸振搗器振搗密實(shí)，在澆筑過程中陸續(xù)關(guān)閉澆筑窗口，直到澆筑完成。

邊墻混凝土澆筑時，采用混凝土拖泵均衡泵送入倉下料。為防止混凝土下料時骨料分離，出料口距澆筑面50～150 cm，人工牽引軟管均勻下料，澆筑速度控制在1 m/h以內(nèi)，攤鋪層厚30～50 cm，φ70、φ50插入式軟軸振搗器振搗密實(shí)。

邊頂拱混凝土澆筑時，邊墻混凝土澆筑直接利用臺車上的預(yù)留混凝土澆筑窗口進(jìn)行澆筑，頂拱頂部最后澆筑時將泵管與臺車模板頂部的注漿口對接，進(jìn)行最后少量頂部空間澆筑，完成后關(guān)閉注漿口。邊頂拱混凝土澆筑過程中兩側(cè)骨料均勻?qū)ΨQ下料，由低到高分層進(jìn)行澆筑，層高不大于50 cm，兩側(cè)混凝土高差不得超過60 cm，且不間斷澆筑，澆筑速度控制在1 m/h以內(nèi)。

底拱混凝土澆筑完成18 h后開始進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于14 d。邊頂拱混凝土達(dá)到脫模強(qiáng)度后，脫模轉(zhuǎn)移臺車后噴灑養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。

3.3.2 施工縫處理

采用高壓風(fēng)槍或人工清除施工縫面上所有浮漿，松散物料及污染體。采用高壓風(fēng)槍或人工清除伸縮縫縫面上所有浮漿，松散物料及污染體。閉孔泡沫防水板鋪設(shè)在混凝土先澆塊混凝土面上，接縫部位連接要嚴(yán)密但不要搭接，采用廠家加工好的榫式嵌固或膠水粘貼，以保證接縫部位的連接嚴(yán)密性。模板安裝前，將包裹在止水條粘結(jié)面的隔離紙撕掉，利用止水條的自粘性，把止水條直接粘貼在施工縫混凝土表面上。必要時可每隔1 000 mm加釘一個水泥鋼釘，加以固定[11-12]。

4 導(dǎo)流隧洞施工中的動態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整

4.1 施工監(jiān)測

導(dǎo)流隧洞洞身布置了2個監(jiān)測斷面，最大累計(jì)位移為11.29 mm，錨桿最大實(shí)測拉應(yīng)力為92.70 MPa，鋼筋應(yīng)力不大于50MPa。同時，在隧洞施工中，為保證工程質(zhì)量，對圍巖松弛深度及圍巖質(zhì)量進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果顯示圍巖最大松弛深度不大于3 m。

由此可見，導(dǎo)流隧洞圍巖變形、錨桿應(yīng)力、襯砌結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)的鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變以及圍巖松弛深度均較小，隧洞施工期穩(wěn)定性較好。

4.2 動態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整

根據(jù)安全監(jiān)測和物探結(jié)果，經(jīng)進(jìn)一步數(shù)值分析后，設(shè)計(jì)調(diào)整如下：

（1）導(dǎo)流隧洞頂拱和邊墻錨桿支護(hù)由9mφ32錨桿和6mφ28錨桿間隔布置調(diào)整為均采用6mφ28錨桿;底板由6mφ28錨桿支護(hù)調(diào)整為4.5mφ28。

（2）導(dǎo)流隧洞洞身掛網(wǎng)由6.5 mm（20 cm×20 cm）鋼筋網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整為4 mm（10 cm×10 cm）鋼筋網(wǎng)。

（3）IV類圍巖鋼支撐間距由1.0 m調(diào)整為1.3 m，V類圍巖鋼支撐由I20a型調(diào)整為I20b型。

（4）V類圍巖襯砌厚度由1.2 m調(diào)整為1.0 m。

5 結(jié) 語

卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)流量6 740 m3/s，最大開挖洞徑達(dá)18.9 m，圍巖以IV、V類軟巖為主，具有導(dǎo)流流量大、隧洞規(guī)模大、地質(zhì)條件差、施工難度高等諸多特點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計(jì)算分析，設(shè)計(jì)動態(tài)跟蹤施工并適時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，保證了導(dǎo)流隧洞的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。目前，卡洛特水電站導(dǎo)流隧洞已正常運(yùn)行約1 a時間，穩(wěn)定性良好，設(shè)計(jì)合理，可為其他類似導(dǎo)流隧洞工程提供參考和借鑒。

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（編輯：李 慧）

Design and construction of soft rock diversion tunnel of Karot Hydropower Station in Pakistan

CUI Jinpeng1， ?LI Hao2， ?GUO Hongjun1

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

2. Yangtze Three Gorges Technology & Economy Development Co.，Ltd.， Beijing 100038 ， China）

Abstract： The design of the diversion tunnel of Karot Hydropower Station in Pakistan is difficult due to its large diversion flow and tunnel size， poor geological conditions and difficult construction. According to the actual geological conditions discovered by excavation， considering the monitoring data and theoretical calculation， the safety and stability of the tunnel and the cost are well balanced through the analysis of the design and construction and the dynamic design adjustment during the construction. The diversion tunnel of Karot Hydropower Station has been operated safely and stably for 1 year， which provides reference for other similar diversion projects.

Key words： construction diversion; diversion tunnel; soft rock; Karot Hydropower Station; ?Pakistan