巴基斯坦卡洛特水电站工程特点及关键技术

2020-08-13鄢双红

水利水电快报 2020年1期

摘要：介绍了巴基斯坦卡洛特水电站的工程概况，针对该项目软岩筑坝、软岩洞室群稳定、地震烈度高、泥沙含量高等技术难题，通过现场试验研究、室内试验研究及模型分析等手段，以及借鉴类似项目的成功经验，提出了针对卡洛特项目各技术难题的实际解决方案，为工程建设提供了技术支撑。

关键词：沥青混凝土心墙堆石坝;施工导流;泄洪消能;卡洛特水电站

中图法分类号：TV641.4文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.007

文章编号：1006-0081（2020）01-0036-06

1 工程概况

卡洛特水电站是“中巴经济走廊”的首个水电投资项目。电站位于巴基斯坦旁遮普省境内，卡胡达一科特理公路通过坝址区，交通便利。电站距首都伊斯兰堡直线距离55km，是吉拉姆河流域规划5个梯级电站的第四级，坝址处控制流域面积26 700km²，多年平均流量819m³/s，多年平均年径流量258.3亿m³。水库正常蓄水位461m，正常蓄水位以下库容1.52亿m³。工程为单一发电任务的水电站，电站装机容量720MW（4×180MW），保证出力116.1MW，多年平均年发电量32.1亿kW·h，年利用小时数4452h。

卡洛特水电站主要建筑物由沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道和引水发电系统组成。巴基斯坦电监会（NEPRA）原批准方案为混凝土重力坝方案，20巧年2月6日EC+P协议文件正式签订，长江勘测规划设计研究有限责任公司在Level1阶段将原方案改为沥青混凝土心墙堆石坝，同年通过巴基斯坦电监会审查。2016年12月1日，工程正式开工，2017年2月22日项目融资关闭，2018年9月22日实现大江截流，预计2021年12月工程完建。

2 工程布置及主要建筑物

2.1 工程等别和标准

根据EC+P合同约定，卡洛特水电站按照中国标准进行设计，是巴基斯坦首个完全使用中国技术和中国标准建设的水电项目。根据GB50201-2014《防洪标准》[11]和DLT5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》[2]的规定，该工程为Ⅱ等大（二）型工程，永久性主要水工建筑物大坝、溢洪道、引水发电建筑物等为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物，主要和次要水工建筑物结构安全级别均为Ⅱ级。

2.2 枢纽总布置

根据地形地质条件，结合施工及运行要求，经综合比选，最终确定了如图1所示的枢纽布置。挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高95.5m，坝址处的河道呈“几”字形，布置在弯道顶部，坝轴线为直线，方位角NE62.43°，与原河流接近正交;泄洪建筑物布置在右岸（凸岸）山脊上，出口在最下游，其控制段为设置闸门的泄洪表孔和泄洪排沙孔。引水发电建筑物布置在吉拉姆河右岸二级阶地，位于导流洞与溢洪道之间，采用引水式地面厂房，进水口位于溢洪道进水渠左侧岸坡，主厂房位于原卡洛特大桥上游约130m处，主要建筑物包括进水口、引水隧洞、地面厂房、升压站及尾水渠等。导流建筑物由右岸3条导流隧洞组成，布置在右岸电站与沥青混凝土心墙堆石坝之间。上、下游围堰均为土石围堰。

2.3 主要建筑物

2.3.1 沥青混凝土心墙堆石坝

沥青混凝土心墙堆石坝主要由沥青混凝土心墙（底部设混凝土基座）、过渡层、堆石I区、堆石Ⅱ区、堆石Ⅲ区、排水体和上下游护坡等组成。坝顶高程为469.5m，坝顶轴线长460.0m，坝顶宽度12.0m，最大坝高95.5m，坝顶上游设置防浪墙，防浪墙与沥青混凝土心墙形成防渗整体。大坝上游坝坡高程435m以上坡比为1：2.25，高程435m以下坡比为1：2.85，在高程435m设置宽25m的马道，并在高程449.5 ， 415m和395m分别设置宽3.0m的马道。大坝下游坝坡高程410.0m以上坡比为1：2.25，高程410.0m以下坡比为1：2.0，并在下游坝面高程429.5m、449.5m各设置宽3m的马道。下游排水体顶部高程410.0m，平台宽6m。卡洛特瀝青混凝土心墙堆石坝典型剖面见图2。

沥青混凝土心墙顶部高程468.70m，高于水库校核洪水位467.06m，满足规范[3]的超高要求。沥青混凝土心墙断面为梯形，顶部为高度70cm的等厚段，厚度为60cm，以下逐渐加厚，上、下游坡度均为1：0.004;心墙底部为高3m的大放脚，大放脚上、下游坡度均为1：0.3。大放脚与高2.0m的混凝土基座相接，相接部位采用半径为496.7cm的圆弧衔接。

清除大坝坝基范围内覆盖层，对心墙混凝土基座下部基岩进行整体固结灌浆。沥青混凝土心墙坝坝基防渗帷幕线路沿沥青混凝土心墙坝基座轴线向两岸山体内延伸，线路全长约700m。帷幕设计防渗标准为：高程445m以下灌浆后基岩透水率q≤3Lu，高程445m以上灌浆后基岩透水率q≤5Lu。大坝河床坝段帷幕底线为高程335m，两岸帷幕底线逐渐抬升至高程445m。大坝高程445m以下布置双排帷幕灌浆孔，孔距2.5m，高程445m以上布置单排帷幕灌浆孔。

2.3.2 泄洪消能建筑物

卡洛特水电站溢洪道进口布置在“几”字形河湾地块的右岸，穿越河湾地段后，下游出口位于河湾的尾部，呈近SEE向，溢洪道轴线与下游河道夹角约为350。溢洪道轴线选择弧线接直线型式，圆弧段位于进水渠内，直线段长度624.8m，溢洪道轴线总长795.3m。溢洪道建筑物为2级建筑物，由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能区组成。

考虑水流衔接要求，溢洪道进水渠纵轴线采用弧线接直线型式，弧线半径为500m，夹角19.380，弧线长度170.5m，直线长度80m，总长250.5m.进水渠大部分渠底高程为431.00m，泄洪排沙孔前局部渠底高程降低为423.00m。进水渠进口为非对称喇叭形，底宽在顺水流方向逐渐收窄，至控制段前与溢流前缘等宽。进水渠首端底宽约370m，末端底宽150.4m。首末端底宽之比约2.5，在设计洪水工况下进水渠内堰前控制断面平均流速约3m/s，校核洪水工况约4m/s。

溢洪道控制段为常态混凝土重力坝，共设12个坝段，其左侧1号、2号和右侧11号、12号为非溢流坝段，3～10号坝段为溢流坝段，坝顶长度218m.溢流坝段3号坝段宽19.80m，4号坝段宽23.70m，5～9号坝段宽度均为19.00m，10号坝段宽 21.50m。溢流坝段总宽160.00m，共布置2个有压泄洪排沙孔和6个泄洪表孔。溢流坝段上游坝面为铅直面，顺水流向长度53.38m。3号和4号坝段集中布置泄洪排沙孔，排沙孔进口底板高程为423.00m，孔口尺寸为9m×10m（宽x高），两个泄洪排沙孔之间隔墙厚6m，隔墙中部设置横缝。表孔布置在5～10号坝段，表孔堰顶高程439.00m，孔口尺寸为14mx22m（宽×高），采用孔中分缝形式。表孔左边墩厚4.7m，中墩厚5m，右边墩厚4.5m。

泄槽轴线采用直线，与控制段坝轴线垂直，泄槽底板纵坡i=4.5%。考虑到电站运行要求，泄槽由中隔墙分为4个区，即2个泄洪排沙孔成一个泄洪区、6个表孔每2个孔成一个泄洪区。泄洪排沙孔泄洪宽度为18.0m，单个表孔宽度14m，溢流前缘宽度102m。为适应天然地形地质条件，挑流鼻坎在平面上采用差动式布置，泄洪排沙孔区和表孔左区平齐，其他相邻两区平面差动距离均为20m，泄槽段4个区从左至右轴线长度依次为258.43，258.43，278.43m和298.43m。泄槽横断面为矩形。

溢洪道尾部采用挑流消能，和泄槽分区相对应，分为4个挑流鼻坎，表孔右区挑流鼻坎采用连续式，反弧半径60m，挑角300;泄洪排沙孔区、表孔左区及表孔中区挑流鼻坎采用扭鼻坎型式。从左至右挑流鼻坎坎顶高程依次为414.10～418.95m，418.95～414.10m、418.05～413.20m和417.15m。

溢洪道出口下游消能区采用预挖形式。挑流鼻坎末端基础开挖高程404.50m，向下游按1：0.7坡比开挖至消能区防淘墙顶高程381.00～387.00m，高程391.50m设置宽3m马道。消能区工程防护措施采用护岸不护底形式。

2.3.3 引水发电建筑物

电站进水口由引水渠、进水塔、交通桥等建筑物组成。引水渠底宽108m，长12～23m，前缘设拦沙坎，坎顶高程440.00m;进水塔采用岸塔式，由4个独立塔体结构组成，总体尺寸108m×20.9m×41m（长×宽×高），顺水流向依次布置拦污栅、检修闸门和工作闸门各一道，塔顶通过交通桥与边坡马道相接，与上坝公路连通。

引水隧洞紧接进水塔布置，采用一机一洞引水，平面上4条洞轴线按平行直线加弧线布置，弧段转弯20.62°，洞轴线间距为27m，洞径为9.6～7.9m。

发电厂房布置在卡洛特大桥上游约130m处，主厂房建基面高程为358.50m，机组安装高程为382.50m，尾水平台高程419.00m。总尺寸为160.90m×56.5m×60.5m（长×宽×高），由机组段及其右侧安装场段组成，其中机组段长111.40m，单机单段布置，分缝宽度27m，安装场段长49.5m，分两段布置。厂房主机间上、下游侧设有副厂房，与主机一起形成筒体结构。厂区交通由厂前平台、上游副厂房顶部、4号机组左侧平台、尾水平台及进厂交通洞共同组成。进厂公路及进厂交通洞布置于安装场段右侧，地面高程为419.00m，通过宽平台与对外公路相接。

升压站布置在主厂房上游侧边坡回填形成的独立平台上，纵轴线与主厂房轴线平行，分4段布置，平面尺寸为111.4m×16m（长x宽），主变压器、GIS室及出线门构依次布置在高程419.00m、431.00m及444.00m各层。

尾水渠底宽111.40m，尾水管出口以1：3的反坡连接至高程385.80m平底段，并与主河床相接。

3 工程特点

（1）坝址区属中低山地貌，两岸山顶高程一般510～850m。在坝址上游，吉拉姆河先沿SSE向流入，在坝址上游约650m处以124°的大转弯折向NE流，在坝址处形成一个“几”字形弯道。转向SSW之后逐渐转向SEE流，并在右岸（凸岸）形成宽约700m的山块，之后逐渐流向SEE流。坝址河段河谷形态总体为不对称“V”型谷。大坝位于“几”字形河湾的中部。河谷与岩层走向小角度相交，为较为典型的纵向谷。河床高程380～390m。左岸岸坡发育二级河流阶地，均为基座阶地。右岸岸坡地形受岩性控制，高程420m以下地形坡度35°～40°;高程420～440m地形相对较缓，坡度一般12°～25°，高程440～455m为陡崖，高6～9m;高程455m以上地形较陡，一般约40°。在工程枢纽布置中，充分考虑和利用了这些地形地貌特点。

（2）卡洛特水电站坝址位于印度板块与欧亚板块碰撞形成的喜马拉雅造山带西构造结南侧。区域内构造活动及地震活动强烈，分布有MMT、MCT、MBT、MFT及MZF等规模巨大的深断裂，且部分为地震活跃的断裂，区域构造稳定性差。距离坝址26km的Raisi逆冲断层在2005年曾发生过7.6级地震。中国地震局地质研究所确定场址区地震基本烈度为Ⅷ度，50a超越概率为10%的基岩水平峰值加速度值为263.3gal（0.26g）。区内出露地层主要为新近系中新统纳格利（Nagri）组（N_1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N_1dh）地层，岩性主要为中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等。不同岩性所占大致比例分别为：泥岩、粉砂质泥岩占23.8%，泥质粉砂岩、粉砂岩占32.0%，中粗砂岩占38.0%，细砂岩占6.2%，总体呈不等厚互层状。岩石胶结成岩较差，较软弱，属较软岩一软岩。经综合比较，选择了能较好适应坝基工程地质条件，且基础处理工程相对较为简单的沥青混凝土心墙堆石坝坝型。

（3）卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝高95.5m，是目前在建的世界最高全断面沥青混凝土心墙软岩堆石坝。筑坝材料主要为新近系陆源碎屑沉积的砂岩为主，泥质粉砂岩补充。由于地质时代较新，岩石总体成岩胶结程度较差，岩石以软岩一软岩为主。其软化系数较小，浸水饱和后损失强度较大。对环境变化的敏感性很强，现场刚开采的各种软岩料尚有一定强度，但稍经风雨、日晒，其强度就会迅速降低，颗粒加剧破碎。软岩筑坝工程规模大，技术难度高。

（4）卡洛特工程洪水峰高量大。校核洪水标准为5000a一遇，相应洪峰流量为29 600m³/s。设计洪水标准为500a一遇，相应洪峰流量为20700m³/s。消能防冲洪水标准为50a一遇，相应洪峰流量为12200m³/s。最大泄洪落差51.25m。溢洪道建基岩体质量类别均属Ⅲ_C类～Ⅳ_c类，岩性软弱，具微弱透水性，防渗条件较好。微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层抗冲能力差，地基地质条件差，应采取防冲刷和防淘刷措施。

（5）引水发电系统布置在右岸，电站装机720MW。电站额定水头65m，设计引用流量312.1m³/s，安装4台单机180MW混流式机组。卡洛特水电站地面厂房500a一遇校核尾水位418.08m，最低发电尾水位为386.66m，最大尾水变幅31.42m。厂房建基面高程358.5m，下游最大挡水水头约60m，厂房结构挡水压力大。地面厂房抗震设防类别为丙类，设计地震加速度代表值取基准期50a内超越概率10%的地震动峰值加速度，其值为0.26g。副厂房布置在主厂房的上、下游以形成箱体结构。基础采用封闭抽排，解决高尾水和高地震问题。

（6）卡洛特水电站的开发任务为发电，以促进地区经济社会发展。水库正常蓄水位461m，死水位451m，具有日调节性能。电站装机容量720MW，保证出力116.1MW（P=90%），多年平均发电量32.06亿kW·h，装机利用小时数4 452h。

（7）根据水文分析成果，按1970～2010年水沙资料统计，卡洛特水电站坝址以上流域多年平均悬移质输沙量为3315万t，推移质输沙量为497万t，总输沙量为3812万t，多年平均径流量为258.3亿m³，多年平均悬移质含沙量为1.28kg/m³。卡洛特水电站人库泥沙量较大，而库容相对较小，水库正常蓄水位以下的库容仅1.52亿m³，库沙比为5.2。若采用蓄水运用方式，水库泥沙淤积将较为严重，无法保持长期有效库容，危及电站的正常运行。若采用汛期定期放空水库敞泄排沙运用方式，水库排沙效果较好，可以保持较大的长期有效库容，但是对电站发电效益影响较大。因此，卡洛特水库不宜采用蓄水运用方式或汛期定期放空水库敞泄排沙运用方式。为兼顾发电与排沙，卡洛特水库采用汛期相比低水位排沙的运行方式，在汛期的主要来沙期间，当人库流量超过拟定的排沙流量，将水库水位降至排沙水位运行，以增大库区水面比降和水流流速，从而利于水库排沙走沙，以实现电站长期有效运行。

（8）卡洛特水电站水轮机为立轴混流式结构，采用金属蜗壳以及常规的弯肘型尾水管。机组采用两根主轴结构。电站水轮机转轮直径6.177m，转轮采用焊接结构。转轮的上冠、下環、叶片材料采用铸钢04Cr13Ni5Mo。叶片采用五轴数控机床进行加工，再与上冠、下环组焊成整体并进行精加工。在上冠上设间隙式止漏环，以减小顶盖下腔压力，进而减小主轴密封漏水量。在下环上也设置间隙式止漏环。在转轮上冠上采用不开泄水孔的结构型式。电站发电水头不高，但变幅较大，过机泥沙含量较大，因此在机组设计的过程中适当降低了机组的参数水平，采用了成熟、可靠的结构形式，同时机组的主要过流部件也增加了抗磨涂层，这些措施均为机组的安全稳定运行提供了有力保障。

（9）沥青混凝土心墙堆石坝总填筑量410万m³，其中反滤、过渡、排水料40万m³，堆石料约370万m³。工程填筑量大，施工强度高。填筑坝料种类多，且要与沥青混凝土心墙同步上升，施工工艺复杂。坝体填筑最高月平均强度为约27万m³，高峰月强度为35万m³。由于枢纽区河谷狭窄，上坝道路的布置采用岸坡与坝坡相结合的布置方式，保证上坝强度及满足各料源和沥青混凝土的上坝运输要求。

4 关键技术研究

4.1 泥沙问题

卡洛特水电站坝址以上流域多年平均悬移质输沙量约3315万t，多年平均悬移质含沙量为1.28kg/m³，属中等含沙河流，但相对于库容而言，入库沙量较大，水库库沙比约为5.2，且级配较粗。根据类似工程经验和前期相关研究成果[4-5]，成库后库区泥沙淤积较为严重。卡洛特水电站为该流域的第四级电站，上游NJ水电站已经建成发电，上游其他电站也将陆续开发，综合考虑电站开发时序，开展了一维、三维泥沙淤积计算和坝区1：100泥沙物理模型试验研究。借鉴我国在多沙河流上的长期研究成果[5]，结合工程特点，选择“蓄清排浑”的运用方式处理该站水库泥沙问题。研究结果表明：对于选定的排沙水位451m方案，水库运行20a后，坝区河段泥沙基本达到动态平衡，电站取水口和排沙中孔口门前仅有少量淤积，能满足坝前冲沙和电站进水口“门前清”，基本可保证电站正常取水。

4.2 高沥青混凝土心墙软岩堆石坝设计技术

卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝是世界最高的全断面软岩堆石坝。世界范围内百米级高度的沥青混凝土心墙软岩堆石坝建设经验不多。研究的主要关键技术问题有：通过大量的室内击实、压缩、剪切、渗透试验及对试验资料的系统整理分析深入研究了沥青混凝土心墙软岩堆石坝的各种坝料特性;高沥青混凝土心墙软岩堆石坝的静动力应力应变分析[6]，坝坡稳定分析，心墙的拱效应作用及心墙发生水力劈裂的可能性研究;根据枢纽建筑物软岩开挖料和转存料的数量、岩石特性及料物平衡规划进行坝料分区及坝体结构优化研究，特别是对坝体变形的影响引起心墙开裂的可能性以及其对坝料分区的要求，不均匀基础变形对坝体变形的影响;枢纽区地震烈度较高，需进行高坝动力反应特性抗震研究，提出有效提高坝体抗震性能的坝体设计及抗震措施;研究坝体及坝基岩体的渗流特性，分析坝体及坝基内的渗流场分布，研究设置专门的排水通道及针对保护细颗粒稳定的反滤料合理级配和结构设计。

4.3 泄洪消能及防冲设计

该工程校核洪水标准时总泄洪流量为29600m³/s，全部由溢洪道下泄。溢洪道上下游水头差为42.31～51.45m，表孔和泄洪排沙孔的最大单宽流量分别为302m²/s和233m²/s，下游消能区基岩主要为砂岩、粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层。表孔和泄洪排沙孔均推荐采用挑流消能，设计工况下表孔和泄洪排沙孔下游的最大冲坑深度分别为32.84m和40.06m。因此，需重点研究溢洪道泄流能力、高速水流掺气减蚀、下游消能防冲等问题。同时，还需研究泄洪时消力塘的支护型式和消能效果，泄洪雾化对建筑物边坡、下游卡洛特复建大桥和环境的影响，以及应采取的防护措施。

4.4 引水隧洞洞室群围岩稳定分析及支护措施

隧洞的围岩由N_dh¹组及N_na¹组弱风化～微风化泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层及砂岩组成，完整性总体较好。砂岩一般为较软岩，泥质粉砂岩与粉砂质泥岩一般为软岩，岩体以Ⅲ、Ⅳ类为主，局部Ⅴ类。

根据巴方及业主工程师的要求，采用其熟悉的Q系统分类[7-8]，对围岩分类并进行围岩级别的界定研究。Q系统分类方法中，主要考虑了岩体质量指标RQD、节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理蚀变程度Ja、裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素SRF等6项指标;研究3条引水隧洞洞室最小覆盖层厚度、隧洞之间最小距离;地下洞室规模大、地质条件复杂，受软岩地层层面和结构面影响较大，需通过有限元方法分析地应力、渗流、岩体力学特性及断层等结构面对围岩稳定的影响。根据计算得出的围岩应力、位移等数值，提出相应的支护措施。

4.5 安全监测设计

根据高沥青混凝土心墙堆石坝的应力变形特点，结合国内外土工观测仪器的特点，重点研究高沥青混凝土心墙堆石坝位移变形及应力的监测技术、对仪器性能指标的影响、仪器埋设及安装技术以及资料分析处理系统等，提出合理的安全监测设计方案。这样既可有效避免仪器埋设时的施工干扰，提高仪器埋设成活率，又能获取反映高沥青混凝土心墙堆石坝各阶段实际工作性态的可靠观测资料，还可提供能及时对观测资料进行整理分析的手段，以便验证设计，指导施工，为卡洛特大坝的施工质量及安全运行提供技术支持和保证，为高沥青混凝土心墙堆石坝的设计施工及运行管理积累经验。

4.6 施工系统仿真与快速施工措施

结合卡洛特高沥青混凝土心墙堆石坝施工特点，分析和模拟该坝施工的动态过程[9，。研究其坝基开挖、坝体填筑等各个施工環节之间的相互影响和作用机制，确定施工模拟模型的耦合机制，为施工全过程动态仿真模型的建立和方案优化奠定理论基础。研究了高沥青混凝土心墙堆石坝施工有关施工道路布置、料物平衡、料物流向、土石方开挖、土石方运输、施工机械合理配套及坝体填筑方案的综合优化模型，提出该坝快速施工的有效措施。

4.7 施工导流及河道水流控制措施

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。根据规范并综合考虑各方面因素，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10a一遇洪水，相应最大洪峰流量为6740m³/s。后期导流标准为200a一遇洪水，相应的流量为17300m³/s。由于工程施工期洪水流量大，而河谷较狭窄、岩性软弱，因此设计布置了3条直径12.5m的圆形断面导流隧洞。洞径大、闸门下闸水头高、出口消能防冲问题解决难度大是该工程的主要特点，为此进行了1：100导流水工模型试验研究，从水力学角度分析论证导流方案的可行性与合理性，并提出了有效的解决措施。

参考文献：

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（编辑：唐湘茜）

收稿日期：2019-09-30