巴基斯坦卡洛特水电站软岩导流隧洞设计与施工

崔金鹏 李昊 郭鸿俊

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站导流隧洞设计存在导流流量大、隧洞规模大、地质条件差、施工难度高等难点。根据开挖揭露的实际地质情况，结合监测数据和理论计算分析，通过导流隧洞设计和施工以及施工中动态设计调整分析，实现了隧洞安全稳定性和经济性的平衡。目前，卡洛特水电站导流隧洞已正常运行约1 a时间，相关经验可为其他类似导流隧洞工程提供参考和借鉴。

关键词：施工导流;导流隧洞;软岩;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号： TV551.12 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.009

卡洛特水电站地处巴基斯坦境内吉拉姆河畔，为Ⅱ等大（2）型工程，工程为单一发电任务的水电枢纽，水库正常蓄水位461m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，电站装机容量720MW（4×180MW）。枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、电站引水及尾水系统、电站厂房等组成，最大坝高95.5 m。

卡洛特水电站坝址处河道地形狭窄，呈“几”型，河谷为“V”型窄谷，不具备开挖形成明渠导流的条件，无法采用分期导流。同时，由于卡洛特水电站为沥青混凝土心墙土石坝，施工要求高，工期紧，汛期坝体过水对坝体结构不利，不宜采用过水围堰方案。因此，根据水文特性、地形地质条件和枢纽建筑物布置特点，卡洛特水电站采用围堰一次拦断河床、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方式。根据DL/T 5397-2007《水电工程施工组织设计规范》[1]并综合各方面因素，确定上、下游围堰及导流隧洞为4级建筑物，初期导流设计洪水标准采用10 a一遇全年洪水标准，相应最大洪峰流量为6 740 m3/s[2-3]。

卡洛特水电站施工导流主要存在导流流量大、导流隧洞断面尺寸大、穿越地区地质条件以IV、V类软岩为主等诸多特点和难点。施工导流直接关系到工程的施工程序、施工布置以及施工安全性，且对枢纽建筑物布置、工程投资和总工期的影响较大，是影响工程全局的重要问题之一，因此对软岩条件下导流隧洞的设计和施工展开研究十分必要[4-5]。通过对卡洛特水电站导流隧洞的设计和施工以及施工中动态设计调整的分析，妥善解决了隧洞的安全稳定性和经济性之间的平衡，相关经验可为其他类似导流工程提供参考和借鉴。

1 工程地质条件

卡洛特水电站坝址区属中低山地貌，两岸临江岸坡山顶地面高程一般510～870 m。吉拉姆河呈“几”字穿越坝址区，在右岸形成宽约700 m的河湾地块。吉拉姆河枯水期水面宽30～60 m，水面高程388～391 m，相应水深一般为6～8 m。坝址区地形封闭，左岸山体浑厚，右岸河湾地块高程461 m处宽380～700 m，不存在地形垭口。根据工程枢纽布置和坝区的地形、地质条件，3条直径12.5 m的圆形断面导流隧洞宜布置在右岸，位于厂房与大坝之间，导流隧洞洞身为直线段，洞内水力学条件良好。隧洞洞线短导流隧洞轴线与岩层走向夹角一般68°～73°，设计埋深7.5～115.5 m，上覆岩体厚度7.5～106 m。隧洞围岩为薄-中厚层微风化粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层及厚层-巨厚层微风化中砂岩组成，岩体物理力学参数见表1。

导流隧洞洞身具多层水文地质结构，基岩裂隙水具微承压性，导流隧洞洞身多位于地下水埋深以下;导流隧洞围岩总体上强度低，主要以软类为主，其中IV、V类围岩所占比例达到82.7%，见表2。粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层岩体具有失水干裂、遇水崩解，并遇水易软化、泥化的特性，特别是反复的干湿交替作用，对其工程特性有较大影响[6]。

2 导流隧洞设计

2.1 断面形式

根据工程枢纽布置和坝区的地形、地质条件，对导流洞洞身3种横断面形式（城门洞形、马蹄形、圆形）进行结构应力分析和技术经济比较[7-8]。3种断面形式中，圆形断面工程量及投资最省，马蹄形次之，城门洞形最高。从水力条件来看，圆形断面稍差，但差别不大;从受力条件、工程量及投资来看，圆形断面优势较明显[9-10]。因此，推荐采用圆形断面，断面形式见图1。

导流隧洞进口底板高程388 m，出口高程385 m，隧洞断面为圆形直径12.5 m，1条隧洞过流面积122.73 m2，3条隧洞共368.2 m2。导流隧洞洞身为直线段，3条导流隧洞长度分别为420.7， 447.3 m和473.8 m，总长度1 341.8 m。由于隧洞在设计标准流量情况下，平均流速达18.3 m/s，因此，隧洞采用全断面不透水钢筋混凝土衬砌型式。

2.2 隧洞结构设计

2.2.1 隧洞结构

为方便与进水塔和出口明渠衔接，每条隧洞进口20 m为城门洞形，0+020～0+040段为渐变断面，由城门洞形渐变为圆形，出口20 m为渐变段，由圆形渐变为由城门洞形，以便于与出口明渠相接。

由于隧洞进口40 m范圍山体单薄，开挖及卸荷影响强烈，因此，对衬砌进行加强，桩号0+000～0+020段城门洞形断面衬砌厚度3 m，桩号0+020～0+040段由城门洞形渐变为圆形，衬砌厚度2.5 m。洞身段为圆形，根据地质情况采用不同的支护及衬砌参数。

2.2.2 初期支护及衬砌参数

根据导流隧洞穿越地层条件变化及隧洞运行条件，初期支护措施及衬砌型式如下：

（1）Ⅲ类围岩。初期支护采用Ф28系统砂浆锚杆进行加固，锚杆长为6 m（伸入岩石内5.5 m），间、排距均为1.5 m，并挂网喷10 cm厚混凝土。混凝土衬砌厚度为0.7 m。

（2）Ⅳ类围岩。初期支护采用Ф28系统砂浆锚杆进行加固，锚杆长为6 m（伸入岩石内5.5 m），间、排距均为1.25 m，并挂网喷15 cm厚混凝土，全断面布置钢拱架支撑加固;对局部失稳段，采用超前锚杆、管棚注浆等措施先行加固。混凝土衬砌厚度为0.9 m。

（3）Ⅴ类围岩。初期支护采用Ф28系统砂浆锚杆进行加固，锚杆长为6 m（伸入岩石内5.5 m），间、排距均为1 m，并挂网喷20 cm厚混凝土，全断面布置钢拱架支撑加固;对局部失稳段，采用超前锚杆、管棚注浆等措施先行加固。混凝土衬砌厚度为1.0 m。

2.2.3 细部结构设计

对导流隧洞洞身全断面钢筋混凝土衬砌的顶部进行回填灌浆。回填灌浆范围为顶拱中心角120°以内，孔距2 m，排距2 m，梅花形布置，孔深深入围岩20 cm，灌浆压力为0.2 MPa，于衬砌混凝土强度达到设计强度70%后进行施工。

对隧洞进口段、Ⅳ类围岩局部段、Ⅴ类围岩段和进水塔基础进行固结灌浆，以提高围岩的整体强度和抗渗性能，固结灌浆孔排距2.5～3 m，梅花形布置，孔深深入围岩7 m，局部地质缺陷部位适当加密或加深灌浆孔，灌浆压力为0.6～0.8 MPa。

沿隧洞轴线每12 m设1条伸缩缝，缝宽1～2 cm，为方便施工，减少衬砌混凝土浇筑过程中的干扰，缝间设BW-Ⅱ型止水条与闭气泡沫板。

3 导流隧洞施工

卡洛特水电站导流隧洞于2016年3月1日开工，2018年9月10日正式分流过水，2018年9月18日大江截流成功。

3.1 洞身开挖

综合考虑各方面因素，导流隧洞共分3层开挖。以开挖洞径为14.7 m的Ⅳ类围岩为例，第Ⅰ层为顶拱层，高8 m;第Ⅱ层高度为5.2 m;第Ⅲ层为底板保护层，厚度1.5 m。

（1）第Ⅰ层开挖。采用中部掏槽、周边光面爆破，全断面开挖，循环进尺按不超过3 m进行控制。局部围岩稳定性较差段采用短进尺、弱爆破的施工方法。初期支护紧跟掌子面施工，系统锚杆距掌子面不得超过10 m，稳定性较差的洞段采用超前锚杆、超前小导管等方式加固。

（2）第Ⅱ层开挖。采用中部拉槽、两侧扩挖的方式。循环进尺按不超过5 m进行控制;两侧扩挖时，采用YT28气腿钻钻孔，光面爆破，循环进尺按不超过3 m进行控制。

（3）第Ⅲ层开挖。采用光面爆破，一次性开挖，循环进尺按不超过3 m进行控制。

3.2 初期支护

（1）锚杆施工。采用先注浆后插锚杆的方式进行砂浆锚杆施工。使用LBT2000注浆机注浆，注浆管插入锚杆孔内，边注浆边缓慢拔出注浆管。孔内浆体饱满后，人工配合8T汽车吊将锚杆缓慢均匀推入，严禁大力扰动杆体，造成孔内砂浆外喷，导致砂浆不密实。

（2）钢支撑。钢支撑安装前，进行超欠挖检查和处理。钢支撑安装采用分榀分节安装，每一节之间采用钢垫板螺栓连接，每榀安装完成后方可进行下一榀安装施工。钢支撑支立于可靠的基础上，与壁面紧密接触，空隙用喷射混凝土填充。每榀钢支撑安装完成后，脚部施加φ25锁脚锚杆进行固定，相邻钢支撑之间采用φ20连接钢筋连接牢固。 钢支撑施工工艺流程见图2。

（3）挂网喷混凝土。采用φ4@10×10 cm钢丝网，与锚杆连接牢固或采用插筋加固，钢筋网紧贴岩面，网片搭接宽度20 cm。喷射混凝土采用湿喷法，喷射混凝土作业分段分片依次进行，不得存在漏喷部位。喷射顺序自下而上，分层喷射;分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝后进行。喷射作业紧跟开挖工作面，混凝土终凝至下一循环放炮时间不应少于3 h。

3.3 衬砌浇筑

3.3.1 混凝土浇筑

卡洛特水电站导流隧洞衬砌分段长度为12.0 m，分层具体见图3。底拱混凝土浇筑时，模板预留有混凝土浇筑窗口，混凝土开始先从底拱中部下料，根据现场浇筑情况改为从左、右两侧下料，并采用φ70、φ50插入式软轴振捣器振捣密实，在浇筑过程中陆续关闭浇筑窗口，直到浇筑完成。

边墙混凝土浇筑时，采用混凝土拖泵均衡泵送入仓下料。为防止混凝土下料时骨料分离，出料口距浇筑面50～150 cm，人工牵引软管均匀下料，浇筑速度控制在1 m/h以内，摊铺层厚30～50 cm，φ70、φ50插入式软轴振捣器振捣密实。

边顶拱混凝土浇筑时，边墙混凝土浇筑直接利用台车上的预留混凝土浇筑窗口进行浇筑，顶拱顶部最后浇筑时将泵管与台车模板顶部的注浆口对接，进行最后少量顶部空间浇筑，完成后关闭注浆口。边顶拱混凝土浇筑过程中两侧骨料均匀对称下料，由低到高分层进行浇筑，层高不大于50 cm，两侧混凝土高差不得超过60 cm，且不间断浇筑，浇筑速度控制在1 m/h以内。

底拱混凝土浇筑完成18 h后开始进行洒水养护，养护时间不少于14 d。边顶拱混凝土达到脱模强度后，脱模转移台车后喷洒养护剂养护。

3.3.2 施工缝处理

采用高压风枪或人工清除施工缝面上所有浮浆，松散物料及污染体。采用高压风枪或人工清除伸缩缝缝面上所有浮浆，松散物料及污染体。闭孔泡沫防水板铺设在混凝土先浇块混凝土面上，接缝部位连接要严密但不要搭接，采用厂家加工好的榫式嵌固或胶水粘贴，以保证接缝部位的连接严密性。模板安装前，将包裹在止水条粘结面的隔离纸撕掉，利用止水条的自粘性，把止水条直接粘贴在施工缝混凝土表面上。必要时可每隔1 000 mm加钉一个水泥钢钉，加以固定[11-12]。

4 导流隧洞施工中的动态设计调整

4.1 施工监测

导流隧洞洞身布置了2个监测断面，最大累计位移为11.29 mm，锚杆最大实测拉应力为92.70 MPa，钢筋应力不大于50MPa。同时，在隧洞施工中，为保证工程质量，对围岩松弛深度及围岩质量进行了检测，检测结果显示围岩最大松弛深度不大于3 m。

由此可见，导流隧洞围岩变形、锚杆应力、衬砌结构混凝土内的钢筋应力、混凝土应变以及围岩松弛深度均较小，隧洞施工期稳定性较好。

4.2 动态设计调整

根据安全监测和物探结果，经进一步数值分析后，設计调整如下：

（1）導流隧洞顶拱和边墙锚杆支护由9mφ32锚杆和6mφ28锚杆间隔布置调整为均采用6mφ28锚杆;底板由6mφ28锚杆支护调整为4.5mφ28。

（2）导流隧洞洞身挂网由6.5 mm（20 cm×20 cm）钢筋网优化调整为4 mm（10 cm×10 cm）钢筋网。

（3）IV类围岩钢支撑间距由1.0 m调整为1.3 m，V类围岩钢支撑由I20a型调整为I20b型。

（4）V类围岩衬砌厚度由1.2 m调整为1.0 m。

5 结 语

卡洛特水电站导流隧洞设计流量6 740 m3/s，最大开挖洞径达18.9 m，围岩以IV、V类软岩为主，具有导流流量大、隧洞规模大、地质条件差、施工难度高等诸多特点和难点。根据开挖揭露的实际地质情况，结合监测数据和理论计算分析，设计动态跟踪施工并适时调整支护参数，保证了导流隧洞的安全稳定性和经济性。目前，卡洛特水电站导流隧洞已正常运行约1 a时间，稳定性良好，设计合理，可为其他类似导流隧洞工程提供参考和借鉴。

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（编辑：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