巴基斯坦卡洛特水电站引水隧洞布置及结构设计

孙海清 冯敏 刘咏弟 张志坚

摘要：为了合理设计巴基斯坦卡洛特水电站引水隧洞布置线路与结构，根据工程总体枢纽布置结合地形地质条件，将大部分洞段布置于厚层砂岩中以改善隧洞围岩条件。开展了洞径比选工作，确定了合适的隧洞洞径，优化了引水发电系统流道布置，避免了上游调压室的设置。针对红层软岩地质条件，开展了引水隧洞支护系统设计。结果表明：卡洛特水电站引水隧洞洞室满足稳定性要求。

关键词：引水隧洞;围岩稳定;支护设计;红层软岩隧洞;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.008

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0035 - 04

巴基斯坦卡洛特水电站发电厂房安装4台单机容量18万kW（180 MW）的混流式水轮发电机组，电站额定发电水头65 m，单机引用流量312.1 m3/s。坝址区属中低山地貌，吉拉姆河在坝址区内呈“几”字形展布，在右岸形成宽约700 m的河湾地块，发电引水隧洞横穿右岸山脊可获得下游河段约4 m水头[1-4]。本文综合考虑地形地质条件、枢纽建筑物布置、洞室围岩稳定条件、机组运行要求等方面因素开展引水隧洞布置及结构设计。

1 引水隧洞线路布置

1.1 地形地质条件

河湾地块中部为吉拉姆河Ⅱ级阶地，地形较完整，地面高程485～460 m，两侧高，中间低，上游侧斜坡地形坡度12°～22°，下游侧地形总体平坦，坡度5°左右，局部达15°。覆盖层主要为残坡积（Qedl）黏土夹碎石，（Q2～3all+pl）砂壤土、砂砾卵石层，厚约1 ～13 m，下伏基岩由N1dh组及N1na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，岩层走向N5°E～N10°E，倾向SEE，倾角9°～10°，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，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩强度低，具有失水干裂遇水崩解的特性。岩体以Ⅲ，Ⅳ类为主，局部为Ⅴ类。

1.2 水电站进、出口位置

选择水电站进水口位置时需要遵循的主要原则包括：①在不影响泄洪和水电站正常引水的条件下，为适应枢纽排沙设施布置，电站进水口尽量靠近溢洪道中孔，位于泄洪孔排沙漏斗范围内;②满足引水隧洞上斜段上覆岩体厚度要求，保证隧洞成洞条件，并不致发生水力劈裂;③使引水隧洞布置尽量顺畅，缩短引水隧洞的长度，利于水电站厂房位置选择。根据上述原则并结合地形地质条件，卡洛特水电站进水口布置在溢洪道控制段前沿左侧边坡，纵轴线与溢洪道控制段轴线夹角为84°，塔体与溢洪道控制段最小距离约20 m，与溢洪道引渠边线相距约14～25 m。

选择电站厂房及尾水出口位置遵循的主要原则包括：①协调好水电站建筑物与溢洪道及导流建筑物之間的关系，避开泄洪雾雨区，避免泄洪尾水波动影响机组正常运行，并防止尾水渠泥沙淤积;②厂房纵轴线尽量顺地形线布置，减小顺河向卸荷带带来的不利影响，同时减小边坡高度及开挖工程量;③应协调引水线路和尾部独立围堰的布置，在预留足够厚度挡水岩埂的同时，避免设置上游调压室;④水电站尾水渠与导流洞出口明渠留有足够厚度的岩埂，保证施工导流期间厂房基坑的安全;⑤地基应具有一定的抗震性、足够强度及承载力，能满足长期稳定性要求;⑥与卡洛特大桥留有一定的安全距离，保证施工前期桥面的正常通行。根据选定的枢纽布置格局及主厂房位置选择原则，发电厂房顺地形线布置于卡洛特大桥上游约130 m处，纵轴线方向为北偏东9.84°。

1.3 引水隧洞线路布置

水电站机组单机引用流量312.1 m3/s，根据选定的进水口及水电站厂房位置，引水线路不长，为避免较大洞径，保证机组运行的灵活性，并参照国内同规模电站工程实例，本电站引水隧洞采用一机一洞布置，共4条，平面布置如图1所示。

引水线路的选择主要取决于主厂房、进水口的位置及其轴线方向。引水隧洞洞轴线垂直于进水口及主厂房轴线，水电站进水塔与主厂房纵轴线夹角为20.6°。平面上，4条隧洞平行布置，采用直线—弧线—直线连接方式，洞轴线间距27 m，弧段半径依次为60 ，87 ，114 m和141 m，中心角均为20.6°。立面上，引水隧洞进口中心线高程为436.30 m，考虑岩层分布情况及岩层倾角，引水隧洞起始段不采用平段，调整为坡度14%的斜段，目的是将绝大部分洞段布置于[N4-11na]厚层砂岩中，大幅改善引水隧洞围岩条件，同时可适当缩短隧洞长度。调整后，上斜段末端与隧洞下平段之间高差较小，为避免竖井连接造成转弯半径小、衔接困难、水流条件差等不利影响，两者间采用斜井连接。根据水力学条件、施工条件及隧洞与厂房边坡的关系，斜井倾角为50°，上、下弯段转弯半径均为25 m，转角分别为42°和50°，引水隧洞下平段中心高程为382.50 m。

1～4号机组引水隧洞总长度分别为303.19 ，312.30 ，321.41 m和330.52 m。

2 引水隧洞洞径选择

卡洛特水电站坝址区地层岩性总体为红层软岩，引水隧洞围岩强度相对较低，因此隧洞断面优先考虑受力及水力条件均较好的圆形断面。参考表1中统计的国内部分电站引水隧洞的参数[5-7]，发电引水隧洞流速取值范围一般为4～6 m/s，由于本电站为大流量、中低水头电站，流速取较低值。

方案论证阶段综合上述调研成果，并考虑洞室围岩以Ⅲ，Ⅳ类为主的地质条件，拟定9.6 ，9.0 m两个引水隧洞洞径方案进行比选，两方案相关特征参数详见表2。为确定技术经济合理的洞径，从调保设计、经济性及洞室安全性等方面对上述洞径方案进行比较。

2.1 调保设计

从表2可知，经调保计算，洞径9.6 m时各项指标可满足机组稳定运行要求;洞径9.0 m时流道水流惯性时间常数Tw为3.940 s，为保证机组稳定运行，需设置上游调压室，经调保计算，调压室面积约为500 m2。

2.2 经济性指标

两种方案经济指标详见表3。由于方案二引水隧洞需要增设调压室，土建投资增加，同时流道水头损失增加引起电量损失，方案一相比方案二经济性更优。

2.3 洞室安全性

方案一洞径为9.6 m，其洞间岩柱厚度为开挖跨度的1.37倍;方案二洞径为9.0 m，其洞间岩柱厚度为开挖跨度的1.48倍。两种方案引水隧洞通过采取相应支护措施，经数值计算分析验证，均能保证洞室安全。

方案一经济性更优，不仅无需设置上游调压室，节约工程投资，而且能有效降低水头损失，增加发电量，综合上述因素选定引水隧洞洞径为9.6 m。

3 引水隧洞支护系统

发电引水隧洞所在地层为红层软岩，围岩由弱风化-微风化泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层及砂岩组成，岩层走向N5°E～N10°E，倾向SEE，倾角9°～10°，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，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩强度低，具有失水干裂遇水崩解的特性。

引水隧洞最大开挖洞径11.4 m，采用系统喷锚作为初期支护，隧洞进、出口及Ⅳ，Ⅴ类段洞段采用1 m间距I16工字钢加固。喷混凝土厚10 ～20 cm;系统锚杆采用Φ25长6 m的螺纹钢筋，间、排距均为1.25～1.50 m。隧洞二次衬砌，上斜段承受的水头相对较小，且围岩以Ⅲ类为主，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为0.8 m;上弯段、斜直段、下弯段和下平段承受的水头较高，且距离地面厂房开挖边坡距离较近，防渗要求高，围岩以Ⅳ类为主，采用钢管衬砌，钢管与围岩之间采用混凝土回填，厚0.8 m。

引水隧洞衬砌及回填混凝土实施后对顶部90°范围进行回填灌浆，隧洞围岩全断面进行固结灌浆，灌浆孔间、排距均为3.0 m，孔深6.0 m，钢衬段灌浆压力0.2 MPa，其他部位灌浆压力取1.0～1.2倍内水水头。钢衬段底部120°范围内进行接触灌浆。

4 引水隧洞结构安全性评价

4.1 数值分析计算条件

卡洛特水电站引水隧洞埋深一般为30～55 m，埋深相对较浅，围岩强度较低（饱和抗压强度8～30 MPa），最大水平主应力为2.5～7.9 MPa，岩石强度应力比相对较低。采用数值分析方法对引水隧洞进行施工期、正常运行、检修及地震各工况下整体稳定计算，计算荷载主要包括结构自重、内水压力、外水压力、地震作用等，其中地震工况采用时程分析法对引水隧洞在地震荷载作用下动力响应和稳定性进行计算。该工程引水隧洞为2级非壅水建筑物，地震设防类别为丙类，采用基本烈度作为设计烈度，设计地震加速度代表值为0.26g。

数值计算分析在垂直隧洞轴线上选取一定范围建立准三维模型，其有限差分网格模型见图2，水平方向上跨度为210 m，铅直向跨度为130 m，共剖分了8 454个单元和17 240个节点，岩体本构模型采用带拉伸截止限的Mohr-Coulomb强度准则为屈服函数的理想弹塑性模型，岩石力学参数详见表4，混凝土衬砌结构采用弹性单元，弹性模量取为28 GPa，泊松比取为0.167。计算中，根据地应力测试结果，考虑构造应力的影响。计算模型边界条件按地表自由、底部为固定约束、其他各面法向约束进行施加。

4.2 结果分析

（1）引水隧洞开挖、支护完成后，围岩变形均指向洞室内部，最大位移为13.7 mm，出现在引水隧洞边墙。运行期引水隧洞在内外水压力作用下，围岩的增量变形矢量指向洞外，量值在1.5 mm以内。检修期的围岩增量变形主要发生在未放空隧洞，量值在1.2 mm以内。在地震荷载作用下，隧洞围岩均按照激振地震动的振动形式做受迫振动，围岩的相对动位移幅值较小，分布在0.8 mm以内。

（2）围岩的塑性区总体较小，塑性区深度均在锚杆支护范围内，运行期和检修期的围岩塑性区分布特征变化较小。考虑地震动作用后，引水隧洞围岩的塑性区分布比地震前有所增加，但塑性区深度增幅有限。围岩应力在静动力各种工况条件下，均未出现拉应力分布，压应力量值也较小。

（3）在静动力的各种工况条件下，锚杆应力量值均较小，一般分布在30～55 MPa以内，局部超过100 MPa，但均未达到屈服值。

（4）受引水隧洞内水压力作用，运行期衬砌的拉应力量值较大，已超过混凝土抗拉强度，通过适当加强配筋可以保证各工况下隧洞结构的正常运行。

4.3 引水隧洞施工期监测成果

在2号和4号引水隧洞布置有监测断面，每条引水洞各布置3个监测断面，通过收敛标点、多点位移计、锚杆应力计、渗压计等监测仪器监测引水隧洞洞身岩体开挖断面松动圈的收敛、岩体深层位移、岩体与衬砌结构间的缝面开度和渗透压力，同时监测支护锚杆和结构钢筋的应力。

引水隧洞开挖、支护完成后，大部分锚杆应力计均表现为受拉状态，拉应力值均在214.58 MPa內，低于锚杆的屈服强度400 MPa;顶拱的部分锚杆应力计表现为受压状态，压应力值在3.21～46.03 MPa之间，应力值较小;多点位移计的最大累计位移量为7.09 mm，隧洞围岩变形量略小于计算值，引水洞洞身监测发现岩体深层位移量较小，变化幅度也较小，变形趋于平稳;钢筋计的应力变幅较小，钢筋计的最大拉应力为34.36 MPa，大部分钢筋计均表现为压应力。

4.4 引水隧洞结构安全性评价

卡洛特水电站引水隧洞围岩为软岩或较软岩，总体为水平缓倾角岩层，岩体完整性相对较好。经数值计算分析，在设计洞径下，引水隧洞在施工期和运行期的变形及塑性区范围较小，锚杆受力有一定安全裕度，围岩总体稳定。运行期衬砌受拉应力较大，通过加强结构配筋可以保证引水隧洞的正常使用。施工期监测数据表明，隧洞开挖支护完成后，洞周变形及塑性区均较小，支护系统受力均在正常范围内，引水隧洞整体安全性可以保证。

5 結 语

巴基斯坦卡洛特水电站引水隧洞采用单机单洞布置方案，隧洞内径9.6～7.9 m，单洞长度303.19 ～330.52 m。根据工程总体枢纽布置，选取合适的水电站进水口、地面厂房及尾水出口位置，结合地形地质条件，确定合理的引水隧洞布置线路，将大部分洞段置于厚层砂岩中，改善隧洞围岩条件;开展洞径比选工作，确定合适的隧洞洞径，避免设置调压室，优化流道结构布置;针对红层软岩地质条件，开展针对性支护系统设计，数值计算分析成果及开挖施工期监测资料表明，引水隧洞洞室稳定，支护系统安全稳定性可以得到保证。

参考文献：

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（编辑：江 文）

Layout and structural design of water diversion tunnel of Karot Hydropower Station in Pakistan

SUN Haiqing， FENG Min，LIU Yongdi， ZHANG Zhijian

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

Abstract：In order to reasonably design the layout and structure of water diversion tunnel of Karot Hydropower Station in Pakistan， according to the overall layout of project and topographic and geological conditions，most of the tunnel sections were arranged in thick sandstone to improve the surrounding rock conditions of tunnel.We compared different diameter of tunnel and determined the appropriate tunnel diameter. Through optimizing the flow channel layout of water diversion power generation system， the setting of upstream surge chamber was avoided. Also， in view of the geological conditions of red stratum soft rock，the design of diversion tunnel reinforcement support system was carried out. The results showed that the water diversion tunnel met the requirement of stability.

Key words：water diversion tunnel; surrounding rock stability; reinforcement support design; red stratum soft rock tunnel; Karot Hydropower Station; Pakistan