崔金鵬 李昊 郭鴻俊

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

關(guān)鍵詞：施工導流;導流隧洞;軟巖;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號： TV551.12 文獻標志碼：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流的條件，無法采用分期導流。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，卡洛特水電站采用圍堰一次攔斷河床、圍堰全年擋水、導流隧洞泄流的導流方式。根據(jù)DL/T 5397-2007《水電工程施工組織設計規(guī)范》[1]并綜合各方面因素，確定上、下游圍堰及導流隧洞為4級建筑物，初期導流設計洪水標準采用10 a一遇全年洪水標準，相應最大洪峰流量為6 740 m3/s[2-3]。

卡洛特水電站施工導流主要存在導流流量大、導流隧洞斷面尺寸大、穿越地區(qū)地質(zhì)條件以IV、V類軟巖為主等諸多特點和難點。施工導流直接關(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流隧洞的設計和施工展開研究十分必要[4-5]。通過對卡洛特水電站導流隧洞的設計和施工以及施工中動態(tài)設計調(diào)整的分析，妥善解決了隧洞的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性之間的平衡，相關(guān)經(jīng)驗可為其他類似導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的圓形斷面導流隧洞宜布置在右岸，位于廠房與大壩之間，導流隧洞洞身為直線段，洞內(nèi)水力學條件良好。隧洞洞線短導流隧洞軸線與巖層走向夾角一般68°～73°，設計埋深7.5～115.5 m，上覆巖體厚度7.5～106 m。隧洞圍巖為薄-中厚層微風化粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層及厚層-巨厚層微風化中砂巖組成，巖體物理力學參數(shù)見表1。

導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，導流隧洞洞身多位于地下水埋深以下;導流隧洞圍巖總體上強度低，主要以軟類為主，其中IV、V類圍巖所占比例達到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，特別是反復的干濕交替作用，對其工程特性有較大影響[6]。

2 導流隧洞設計

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，對導流洞洞身3種橫斷面形式（城門洞形、馬蹄形、圓形）進行結(jié)構(gòu)應力分析和技術(shù)經(jīng)濟比較[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。

導流隧洞進口底板高程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。導流隧洞洞身為直線段，3條導流隧洞長度分別為420.7， 447.3 m和473.8 m，總長度1 341.8 m。由于隧洞在設計標準流量情況下，平均流速達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)設計

2.2.1 隧洞結(jié)構(gòu)

為方便與進水塔和出口明渠銜接，每條隧洞進口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。

由于隧洞進口40 m范圍山體單薄，開挖及卸荷影響強烈，因此，對襯砌進行加強，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及襯砌參數(shù)。

2.2.2 初期支護及襯砌參數(shù)

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

（1）Ⅲ類圍巖。初期支護采用Ф28系統(tǒng)砂漿錨桿進行加固，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。初期支護采用Ф28系統(tǒng)砂漿錨桿進行加固，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。初期支護采用Ф28系統(tǒng)砂漿錨桿進行加固，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 細部結(jié)構(gòu)設計

對導流隧洞洞身全斷面鋼筋混凝土襯砌的頂部進行回填灌漿?；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，于襯砌混凝土強度達到設計強度70%后進行施工。

對隧洞進口段、Ⅳ類圍巖局部段、Ⅴ類圍巖段和進水塔基礎(chǔ)進行固結(jié)灌漿，以提高圍巖的整體強度和抗?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BW-Ⅱ型止水條與閉氣泡沫板。

3 導流隧洞施工

卡洛特水電站導流隧洞于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)進尺按不超過3 m進行控制。局部圍巖穩(wěn)定性較差段采用短進尺、弱爆破的施工方法。初期支護緊跟掌子面施工，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、超前小導管等方式加固。

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

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

3.2 初期支護

（1）錨桿施工。采用先注漿后插錨桿的方式進行砂漿錨桿施工。使用LBT2000注漿機注漿，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，嚴禁大力擾動桿體，造成孔內(nèi)砂漿外噴，導致砂漿不密實。

（2）鋼支撐。鋼支撐安裝前，進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，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。

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留混凝土澆筑窗口進行澆筑，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后開始進行灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14 d。邊頂拱混凝土達到脫模強度后，脫模轉(zhuǎn)移臺車后噴灑養(yǎng)護劑養(yǎng)護。

3.3.2 施工縫處理

采用高壓風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在混凝土先澆塊混凝土面上，接縫部位連接要嚴密但不要搭接，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 導流隧洞施工中的動態(tài)設計調(diào)整

4.1 施工監(jiān)測

導流隧洞洞身布置了2個監(jiān)測斷面，最大累計位移為11.29 mm，錨桿最大實測拉應力為92.70 MPa，鋼筋應力不大于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，導流隧洞圍巖變形、錨桿應力、襯砌結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)的鋼筋應力、混凝土應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)設計調(diào)整

根據(jù)安全監(jiān)測和物探結(jié)果，經(jīng)進一步數(shù)值分析后，設計調(diào)整如下：

（1）導流隧洞頂拱和邊墻錨桿支護由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錨桿支護調(diào)整為4.5mφ28。

（2）導流隧洞洞身掛網(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

卡洛特水電站導流隧洞設計流量6 740 m3/s，最大開挖洞徑達18.9 m，圍巖以IV、V類軟巖為主，具有導流流量大、隧洞規(guī)模大、地質(zhì)條件差、施工難度高等諸多特點和難點。根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算分析，設計動態(tài)跟蹤施工并適時調(diào)整支護參數(shù)，保證了導流隧洞的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。目前，卡洛特水電站導流隧洞已正常運行約1 a時間，穩(wěn)定性良好，設計合理，可為其他類似導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