孫海清 馮敏 劉詠弟 張志堅

摘要：為了合理設(shè)計巴基斯坦卡洛特水電站引水隧洞布置線路與結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程總體樞紐布置結(jié)合地形地質(zhì)條件，將大部分洞段布置于厚層砂巖中以改善隧洞圍巖條件。開展了洞徑比選工作，確定了合適的隧洞洞徑，優(yōu)化了引水發(fā)電系統(tǒng)流道布置，避免了上游調(diào)壓室的設(shè)置。針對紅層軟巖地質(zhì)條件，開展了引水隧洞支護系統(tǒng)設(shè)計。結(jié)果表明：卡洛特水電站引水隧洞洞室滿足穩(wěn)定性要求。

關(guān)鍵詞：引水隧洞;圍巖穩(wěn)定;支護設(shè)計;紅層軟巖隧洞;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV554文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.008

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0035 - 04

巴基斯坦卡洛特水電站發(fā)電廠房安裝4臺單機容量18萬kW（180 MW）的混流式水輪發(fā)電機組，電站額定發(fā)電水頭65 m，單機引用流量312.1 m3/s。壩址區(qū)屬中低山地貌，吉拉姆河在壩址區(qū)內(nèi)呈“幾”字形展布，在右岸形成寬約700 m的河灣地塊，發(fā)電引水隧洞橫穿右岸山脊可獲得下游河段約4 m水頭[1-4]。本文綜合考慮地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置、洞室圍巖穩(wěn)定條件、機組運行要求等方面因素開展引水隧洞布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 引水隧洞線路布置

1.1 地形地質(zhì)條件

河灣地塊中部為吉拉姆河Ⅱ級階地，地形較完整，地面高程485～460 m，兩側(cè)高，中間低，上游側(cè)斜坡地形坡度12°～22°，下游側(cè)地形總體平坦，坡度5°左右，局部達15°。覆蓋層主要為殘坡積（Qedl）黏土夾碎石，（Q2～3all+pl）砂壤土、砂礫卵石層，厚約1 ～13 m，下伏基巖由N1dh組及N1na組弱風(fēng)化-微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層及砂巖組成，巖層走向N5°E～N10°E，傾向SEE，傾角9°～10°，完整性總體較好。砂巖一般為較軟巖，泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖一般為軟巖，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖強度低，具有失水干裂遇水崩解的特性。巖體以Ⅲ，Ⅳ類為主，局部為Ⅴ類。

1.2 水電站進、出口位置

選擇水電站進水口位置時需要遵循的主要原則包括：①在不影響泄洪和水電站正常引水的條件下，為適應(yīng)樞紐排沙設(shè)施布置，電站進水口盡量靠近溢洪道中孔，位于泄洪孔排沙漏斗范圍內(nèi);②滿足引水隧洞上斜段上覆巖體厚度要求，保證隧洞成洞條件，并不致發(fā)生水力劈裂;③使引水隧洞布置盡量順暢，縮短引水隧洞的長度，利于水電站廠房位置選擇。根據(jù)上述原則并結(jié)合地形地質(zhì)條件，卡洛特水電站進水口布置在溢洪道控制段前沿左側(cè)邊坡，縱軸線與溢洪道控制段軸線夾角為84°，塔體與溢洪道控制段最小距離約20 m，與溢洪道引渠邊線相距約14～25 m。

選擇電站廠房及尾水出口位置遵循的主要原則包括：①協(xié)調(diào)好水電站建筑物與溢洪道及導(dǎo)流建筑物之間的關(guān)系，避開泄洪霧雨區(qū)，避免泄洪尾水波動影響機組正常運行，并防止尾水渠泥沙淤積;②廠房縱軸線盡量順地形線布置，減小順河向卸荷帶帶來的不利影響，同時減小邊坡高度及開挖工程量;③應(yīng)協(xié)調(diào)引水線路和尾部獨立圍堰的布置，在預(yù)留足夠厚度擋水巖埂的同時，避免設(shè)置上游調(diào)壓室;④水電站尾水渠與導(dǎo)流洞出口明渠留有足夠厚度的巖埂，保證施工導(dǎo)流期間廠房基坑的安全;⑤地基應(yīng)具有一定的抗震性、足夠強度及承載力，能滿足長期穩(wěn)定性要求;⑥與卡洛特大橋留有一定的安全距離，保證施工前期橋面的正常通行。根據(jù)選定的樞紐布置格局及主廠房位置選擇原則，發(fā)電廠房順地形線布置于卡洛特大橋上游約130 m處，縱軸線方向為北偏東9.84°。

1.3 引水隧洞線路布置

水電站機組單機引用流量312.1 m3/s，根據(jù)選定的進水口及水電站廠房位置，引水線路不長，為避免較大洞徑，保證機組運行的靈活性，并參照國內(nèi)同規(guī)模電站工程實例，本電站引水隧洞采用一機一洞布置，共4條，平面布置如圖1所示。

引水線路的選擇主要取決于主廠房、進水口的位置及其軸線方向。引水隧洞洞軸線垂直于進水口及主廠房軸線，水電站進水塔與主廠房縱軸線夾角為20.6°。平面上，4條隧洞平行布置，采用直線—弧線—直線連接方式，洞軸線間距27 m，弧段半徑依次為60 ，87 ，114 m和141 m，中心角均為20.6°。立面上，引水隧洞進口中心線高程為436.30 m，考慮巖層分布情況及巖層傾角，引水隧洞起始段不采用平段，調(diào)整為坡度14%的斜段，目的是將絕大部分洞段布置于[N4-11na]厚層砂巖中，大幅改善引水隧洞圍巖條件，同時可適當(dāng)縮短隧洞長度。調(diào)整后，上斜段末端與隧洞下平段之間高差較小，為避免豎井連接造成轉(zhuǎn)彎半徑小、銜接困難、水流條件差等不利影響，兩者間采用斜井連接。根據(jù)水力學(xué)條件、施工條件及隧洞與廠房邊坡的關(guān)系，斜井傾角為50°，上、下彎段轉(zhuǎn)彎半徑均為25 m，轉(zhuǎn)角分別為42°和50°，引水隧洞下平段中心高程為382.50 m。

1～4號機組引水隧洞總長度分別為303.19 ，312.30 ，321.41 m和330.52 m。

2 引水隧洞洞徑選擇

卡洛特水電站壩址區(qū)地層巖性總體為紅層軟巖，引水隧洞圍巖強度相對較低，因此隧洞斷面優(yōu)先考慮受力及水力條件均較好的圓形斷面。參考表1中統(tǒng)計的國內(nèi)部分電站引水隧洞的參數(shù)[5-7]，發(fā)電引水隧洞流速取值范圍一般為4～6 m/s，由于本電站為大流量、中低水頭電站，流速取較低值。

方案論證階段綜合上述調(diào)研成果，并考慮洞室圍巖以Ⅲ，Ⅳ類為主的地質(zhì)條件，擬定9.6 ，9.0 m兩個引水隧洞洞徑方案進行比選，兩方案相關(guān)特征參數(shù)詳見表2。為確定技術(shù)經(jīng)濟合理的洞徑，從調(diào)保設(shè)計、經(jīng)濟性及洞室安全性等方面對上述洞徑方案進行比較。

2.1 調(diào)保設(shè)計

從表2可知，經(jīng)調(diào)保計算，洞徑9.6 m時各項指標(biāo)可滿足機組穩(wěn)定運行要求;洞徑9.0 m時流道水流慣性時間常數(shù)Tw為3.940 s，為保證機組穩(wěn)定運行，需設(shè)置上游調(diào)壓室，經(jīng)調(diào)保計算，調(diào)壓室面積約為500 m2。

2.2 經(jīng)濟性指標(biāo)

兩種方案經(jīng)濟指標(biāo)詳見表3。由于方案二引水隧洞需要增設(shè)調(diào)壓室，土建投資增加，同時流道水頭損失增加引起電量損失，方案一相比方案二經(jīng)濟性更優(yōu)。

2.3 洞室安全性

方案一洞徑為9.6 m，其洞間巖柱厚度為開挖跨度的1.37倍;方案二洞徑為9.0 m，其洞間巖柱厚度為開挖跨度的1.48倍。兩種方案引水隧洞通過采取相應(yīng)支護措施，經(jīng)數(shù)值計算分析驗證，均能保證洞室安全。

方案一經(jīng)濟性更優(yōu)，不僅無需設(shè)置上游調(diào)壓室，節(jié)約工程投資，而且能有效降低水頭損失，增加發(fā)電量，綜合上述因素選定引水隧洞洞徑為9.6 m。

3 引水隧洞支護系統(tǒng)

發(fā)電引水隧洞所在地層為紅層軟巖，圍巖由弱風(fēng)化-微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層及砂巖組成，巖層走向N5°E～N10°E，傾向SEE，傾角9°～10°，完整性總體較好，砂巖一般為較軟巖，泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖一般為軟巖，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖強度低，具有失水干裂遇水崩解的特性。

引水隧洞最大開挖洞徑11.4 m，采用系統(tǒng)噴錨作為初期支護，隧洞進、出口及Ⅳ，Ⅴ類段洞段采用1 m間距I16工字鋼加固。噴混凝土厚10 ～20 cm;系統(tǒng)錨桿采用Φ25長6 m的螺紋鋼筋，間、排距均為1.25～1.50 m。隧洞二次襯砌，上斜段承受的水頭相對較小，且圍巖以Ⅲ類為主，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.8 m;上彎段、斜直段、下彎段和下平段承受的水頭較高，且距離地面廠房開挖邊坡距離較近，防滲要求高，圍巖以Ⅳ類為主，采用鋼管襯砌，鋼管與圍巖之間采用混凝土回填，厚0.8 m。

引水隧洞襯砌及回填混凝土實施后對頂部90°范圍進行回填灌漿，隧洞圍巖全斷面進行固結(jié)灌漿，灌漿孔間、排距均為3.0 m，孔深6.0 m，鋼襯段灌漿壓力0.2 MPa，其他部位灌漿壓力取1.0～1.2倍內(nèi)水水頭。鋼襯段底部120°范圍內(nèi)進行接觸灌漿。

4 引水隧洞結(jié)構(gòu)安全性評價

4.1 數(shù)值分析計算條件

卡洛特水電站引水隧洞埋深一般為30～55 m，埋深相對較淺，圍巖強度較低（飽和抗壓強度8～30 MPa），最大水平主應(yīng)力為2.5～7.9 MPa，巖石強度應(yīng)力比相對較低。采用數(shù)值分析方法對引水隧洞進行施工期、正常運行、檢修及地震各工況下整體穩(wěn)定計算，計算荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、地震作用等，其中地震工況采用時程分析法對引水隧洞在地震荷載作用下動力響應(yīng)和穩(wěn)定性進行計算。該工程引水隧洞為2級非壅水建筑物，地震設(shè)防類別為丙類，采用基本烈度作為設(shè)計烈度，設(shè)計地震加速度代表值為0.26g。

數(shù)值計算分析在垂直隧洞軸線上選取一定范圍建立準(zhǔn)三維模型，其有限差分網(wǎng)格模型見圖2，水平方向上跨度為210 m，鉛直向跨度為130 m，共剖分了8 454個單元和17 240個節(jié)點，巖體本構(gòu)模型采用帶拉伸截止限的Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則為屈服函數(shù)的理想彈塑性模型，巖石力學(xué)參數(shù)詳見表4，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性單元，彈性模量取為28 GPa，泊松比取為0.167。計算中，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。計算模型邊界條件按地表自由、底部為固定約束、其他各面法向約束進行施加。

4.2 結(jié)果分析

（1）引水隧洞開挖、支護完成后，圍巖變形均指向洞室內(nèi)部，最大位移為13.7 mm，出現(xiàn)在引水隧洞邊墻。運行期引水隧洞在內(nèi)外水壓力作用下，圍巖的增量變形矢量指向洞外，量值在1.5 mm以內(nèi)。檢修期的圍巖增量變形主要發(fā)生在未放空隧洞，量值在1.2 mm以內(nèi)。在地震荷載作用下，隧洞圍巖均按照激振地震動的振動形式做受迫振動，圍巖的相對動位移幅值較小，分布在0.8 mm以內(nèi)。

（2）圍巖的塑性區(qū)總體較小，塑性區(qū)深度均在錨桿支護范圍內(nèi)，運行期和檢修期的圍巖塑性區(qū)分布特征變化較小。考慮地震動作用后，引水隧洞圍巖的塑性區(qū)分布比地震前有所增加，但塑性區(qū)深度增幅有限。圍巖應(yīng)力在靜動力各種工況條件下，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力分布，壓應(yīng)力量值也較小。

（3）在靜動力的各種工況條件下，錨桿應(yīng)力量值均較小，一般分布在30～55 MPa以內(nèi)，局部超過100 MPa，但均未達到屈服值。

（4）受引水隧洞內(nèi)水壓力作用，運行期襯砌的拉應(yīng)力量值較大，已超過混凝土抗拉強度，通過適當(dāng)加強配筋可以保證各工況下隧洞結(jié)構(gòu)的正常運行。

4.3 引水隧洞施工期監(jiān)測成果

在2號和4號引水隧洞布置有監(jiān)測斷面，每條引水洞各布置3個監(jiān)測斷面，通過收斂標(biāo)點、多點位移計、錨桿應(yīng)力計、滲壓計等監(jiān)測儀器監(jiān)測引水隧洞洞身巖體開挖斷面松動圈的收斂、巖體深層位移、巖體與襯砌結(jié)構(gòu)間的縫面開度和滲透壓力，同時監(jiān)測支護錨桿和結(jié)構(gòu)鋼筋的應(yīng)力。

引水隧洞開挖、支護完成后，大部分錨桿應(yīng)力計均表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力值均在214.58 MPa內(nèi)，低于錨桿的屈服強度400 MPa;頂拱的部分錨桿應(yīng)力計表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力值在3.21～46.03 MPa之間，應(yīng)力值較小;多點位移計的最大累計位移量為7.09 mm，隧洞圍巖變形量略小于計算值，引水洞洞身監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巖體深層位移量較小，變化幅度也較小，變形趨于平穩(wěn);鋼筋計的應(yīng)力變幅較小，鋼筋計的最大拉應(yīng)力為34.36 MPa，大部分鋼筋計均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

4.4 引水隧洞結(jié)構(gòu)安全性評價

卡洛特水電站引水隧洞圍巖為軟巖或較軟巖，總體為水平緩傾角巖層，巖體完整性相對較好。經(jīng)數(shù)值計算分析，在設(shè)計洞徑下，引水隧洞在施工期和運行期的變形及塑性區(qū)范圍較小，錨桿受力有一定安全裕度，圍巖總體穩(wěn)定。運行期襯砌受拉應(yīng)力較大，通過加強結(jié)構(gòu)配筋可以保證引水隧洞的正常使用。施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隧洞開挖支護完成后，洞周變形及塑性區(qū)均較小，支護系統(tǒng)受力均在正常范圍內(nèi)，引水隧洞整體安全性可以保證。

5 結(jié) 語

巴基斯坦卡洛特水電站引水隧洞采用單機單洞布置方案，隧洞內(nèi)徑9.6～7.9 m，單洞長度303.19 ～330.52 m。根據(jù)工程總體樞紐布置，選取合適的水電站進水口、地面廠房及尾水出口位置，結(jié)合地形地質(zhì)條件，確定合理的引水隧洞布置線路，將大部分洞段置于厚層砂巖中，改善隧洞圍巖條件;開展洞徑比選工作，確定合適的隧洞洞徑，避免設(shè)置調(diào)壓室，優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)布置;針對紅層軟巖地質(zhì)條件，開展針對性支護系統(tǒng)設(shè)計，數(shù)值計算分析成果及開挖施工期監(jiān)測資料表明，引水隧洞洞室穩(wěn)定，支護系統(tǒng)安全穩(wěn)定性可以得到保證。

參考文獻：

[1] 孫海清， 陳銳， 李嬌娜， 等. 卡洛特水電站引水發(fā)電建筑物布置設(shè)計[J]. 人民長江， 2020， 51（2）： 131-137.

[2] 杜申偉， 張存慧， 劉惟， 等. 烏東德水電站引水發(fā)電建筑物布置設(shè)計[J]. 人民長江， 2014， 45（20）： 24-27.

[3] 鈕新強， 王猶揚， 胡中平. 烏江構(gòu)皮灘水電站設(shè)計若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[J]. 人民長江， 2010， 41（22）： 1-4，36.

[4] 張風(fēng)， 韓前龍， 王津， 等. 沫若水電站引水發(fā)電建筑物布置[J]. 人民長江， 2013， 44（8）： 23-26，33.

[5] 馮樹榮. 龍灘水電站樞紐布置及重大問題研究[J]. 水力發(fā)電， 2003 （10）： 37-40.

[6] 楊啟貴， 廖仁強， 陳代華. 水布埡水利樞紐設(shè)計創(chuàng)新與實踐[J]. 人民長江， 2007， 38（7）： 16-18，138.

[7] 劉惟，丁鋼，牛勇. 構(gòu)皮灘水電站引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J]. 人民長江， 2006， 37（3）： 33-35.

（編輯：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