巴基斯坦卡洛特水電站工程特點及關鍵技術

摘要：介紹了巴基斯坦卡洛特水電站的工程概況，針對該項目軟巖筑壩、軟巖洞室群穩定、地震烈度高、泥沙含量高等技術難題，通過現場試驗研究、室內試驗研究及模型分析等手段，以及借鑒類似項目的成功經驗，提出了針對卡洛特項目各技術難題的實際解決方案，為工程建設提供了技術支撐。

關鍵詞：瀝青混凝土心墻堆石壩;施工導流;泄洪消能;卡洛特水電站

中圖法分類號：TV641.4文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.007

文章編號：1006-0081（2020）01-0036-06

1 工程概況

卡洛特水電站是“中巴經濟走廊”的首個水電投資項目。電站位于巴基斯坦旁遮普省境內，卡胡達一科特理公路通過壩址區，交通便利。電站距首都伊斯蘭堡直線距離55km，是吉拉姆河流域規劃5個梯級電站的第四級，壩址處控制流域面積26 700km²，多年平均流量819m³/s，多年平均年徑流量258.3億m³。水庫正常蓄水位461m，正常蓄水位以下庫容1.52億m³。工程為單一發電任務的水電站，電站裝機容量720MW（4×180MW），保證出力116.1MW，多年平均年發電量32.1億kW·h，年利用小時數4452h。

卡洛特水電站主要建筑物由瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道和引水發電系統組成。巴基斯坦電監會（NEPRA）原批準方案為混凝土重力壩方案，20巧年2月6日EC+P協議文件正式簽訂，長江勘測規劃設計研究有限責任公司在Level1階段將原方案改為瀝青混凝土心墻堆石壩，同年通過巴基斯坦電監會審查。2016年12月1日，工程正式開工，2017年2月22日項目融資關閉，2018年9月22日實現大江截流，預計2021年12月工程完建。

2 工程布置及主要建筑物

2.1 工程等別和標準

根據EC+P合同約定，卡洛特水電站按照中國標準進行設計，是巴基斯坦首個完全使用中國技術和中國標準建設的水電項目。根據GB50201-2014《防洪標準》[11]和DLT5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》[2]的規定，該工程為Ⅱ等大（二）型工程，永久性主要水工建筑物大壩、溢洪道、引水發電建筑物等為2級建筑物，次要建筑物為3級建筑物，主要和次要水工建筑物結構安全級別均為Ⅱ級。

2.2 樞紐總布置

根據地形地質條件，結合施工及運行要求，經綜合比選，最終確定了如圖1所示的樞紐布置。擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高95.5m，壩址處的河道呈“幾”字形，布置在彎道頂部，壩軸線為直線，方位角NE62.43°，與原河流接近正交;泄洪建筑物布置在右岸（凸岸）山脊上，出口在最下游，其控制段為設置閘門的泄洪表孔和泄洪排沙孔。引水發電建筑物布置在吉拉姆河右岸二級階地，位于導流洞與溢洪道之間，采用引水式地面廠房，進水口位于溢洪道進水渠左側岸坡，主廠房位于原卡洛特大橋上游約130m處，主要建筑物包括進水口、引水隧洞、地面廠房、升壓站及尾水渠等。導流建筑物由右岸3條導流隧洞組成，布置在右岸電站與瀝青混凝土心墻堆石壩之間。上、下游圍堰均為土石圍堰。

2.3 主要建筑物

2.3.1 瀝青混凝土心墻堆石壩

瀝青混凝土心墻堆石壩主要由瀝青混凝土心墻（底部設混凝土基座）、過渡層、堆石I區、堆石Ⅱ區、堆石Ⅲ區、排水體和上下游護坡等組成。壩頂高程為469.5m，壩頂軸線長460.0m，壩頂寬度12.0m，最大壩高95.5m，壩頂上游設置防浪墻，防浪墻與瀝青混凝土心墻形成防滲整體。大壩上游壩坡高程435m以上坡比為1：2.25，高程435m以下坡比為1：2.85，在高程435m設置寬25m的馬道，并在高程449.5 ， 415m和395m分別設置寬3.0m的馬道。大壩下游壩坡高程410.0m以上坡比為1：2.25，高程410.0m以下坡比為1：2.0，并在下游壩面高程429.5m、449.5m各設置寬3m的馬道。下游排水體頂部高程410.0m，平臺寬6m。卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩典型剖面見圖2。

瀝青混凝土心墻頂部高程468.70m，高于水庫校核洪水位467.06m，滿足規范[3]的超高要求。瀝青混凝土心墻斷面為梯形，頂部為高度70cm的等厚段，厚度為60cm，以下逐漸加厚，上、下游坡度均為1：0.004;心墻底部為高3m的大放腳，大放腳上、下游坡度均為1：0.3。大放腳與高2.0m的混凝土基座相接，相接部位采用半徑為496.7cm的圓弧銜接。

清除大壩壩基范圍內覆蓋層，對心墻混凝土基座下部基巖進行整體固結灌漿。瀝青混凝土心墻壩壩基防滲帷幕線路沿瀝青混凝土心墻壩基座軸線向兩岸山體內延伸，線路全長約700m。帷幕設計防滲標準為：高程445m以下灌漿后基巖透水率q≤3Lu，高程445m以上灌漿后基巖透水率q≤5Lu。大壩河床壩段帷幕底線為高程335m，兩岸帷幕底線逐漸抬升至高程445m。大壩高程445m以下布置雙排帷幕灌漿孔，孔距2.5m，高程445m以上布置單排帷幕灌漿孔。

2.3.2 泄洪消能建筑物

卡洛特水電站溢洪道進口布置在“幾”字形河灣地塊的右岸，穿越河灣地段后，下游出口位于河灣的尾部，呈近SEE向，溢洪道軸線與下游河道夾角約為350。溢洪道軸線選擇弧線接直線型式，圓弧段位于進水渠內，直線段長度624.8m，溢洪道軸線總長795.3m。溢洪道建筑物為2級建筑物，由進水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能區組成。

考慮水流銜接要求，溢洪道進水渠縱軸線采用弧線接直線型式，弧線半徑為500m，夾角19.380，弧線長度170.5m，直線長度80m，總長250.5m.進水渠大部分渠底高程為431.00m，泄洪排沙孔前局部渠底高程降低為423.00m。進水渠進口為非對稱喇叭形，底寬在順水流方向逐漸收窄，至控制段前與溢流前緣等寬。進水渠首端底寬約370m，末端底寬150.4m。首末端底寬之比約2.5，在設計洪水工況下進水渠內堰前控制斷面平均流速約3m/s，校核洪水工況約4m/s。

溢洪道控制段為常態混凝土重力壩，共設12個壩段，其左側1號、2號和右側11號、12號為非溢流壩段，3～10號壩段為溢流壩段，壩頂長度218m.溢流壩段3號壩段寬19.80m，4號壩段寬23.70m，5～9號壩段寬度均為19.00m，10號壩段寬 21.50m。溢流壩段總寬160.00m，共布置2個有壓泄洪排沙孔和6個泄洪表孔。溢流壩段上游壩面為鉛直面，順水流向長度53.38m。3號和4號壩段集中布置泄洪排沙孔，排沙孔進口底板高程為423.00m，孔口尺寸為9m×10m（寬x高），兩個泄洪排沙孔之間隔墻厚6m，隔墻中部設置橫縫。表孔布置在5～10號壩段，表孔堰頂高程439.00m，孔口尺寸為14mx22m（寬×高），采用孔中分縫形式。表孔左邊墩厚4.7m，中墩厚5m，右邊墩厚4.5m。

泄槽軸線采用直線，與控制段壩軸線垂直，泄槽底板縱坡i=4.5%。考慮到電站運行要求，泄槽由中隔墻分為4個區，即2個泄洪排沙孔成一個泄洪區、6個表孔每2個孔成一個泄洪區。泄洪排沙孔泄洪寬度為18.0m，單個表孔寬度14m，溢流前緣寬度102m。為適應天然地形地質條件，挑流鼻坎在平面上采用差動式布置，泄洪排沙孔區和表孔左區平齊，其他相鄰兩區平面差動距離均為20m，泄槽段4個區從左至右軸線長度依次為258.43，258.43，278.43m和298.43m。泄槽橫斷面為矩形。

溢洪道尾部采用挑流消能，和泄槽分區相對應，分為4個挑流鼻坎，表孔右區挑流鼻坎采用連續式，反弧半徑60m，挑角300;泄洪排沙孔區、表孔左區及表孔中區挑流鼻坎采用扭鼻坎型式。從左至右挑流鼻坎坎頂高程依次為414.10～418.95m，418.95～414.10m、418.05～413.20m和417.15m。

溢洪道出口下游消能區采用預挖形式。挑流鼻坎末端基礎開挖高程404.50m，向下游按1：0.7坡比開挖至消能區防淘墻頂高程381.00～387.00m，高程391.50m設置寬3m馬道。消能區工程防護措施采用護岸不護底形式。

2.3.3 引水發電建筑物

電站進水口由引水渠、進水塔、交通橋等建筑物組成。引水渠底寬108m，長12～23m，前緣設攔沙坎，坎頂高程440.00m;進水塔采用岸塔式，由4個獨立塔體結構組成，總體尺寸108m×20.9m×41m（長×寬×高），順水流向依次布置攔污柵、檢修閘門和工作閘門各一道，塔頂通過交通橋與邊坡馬道相接，與上壩公路連通。

引水隧洞緊接進水塔布置，采用一機一洞引水，平面上4條洞軸線按平行直線加弧線布置，弧段轉彎20.62°，洞軸線間距為27m，洞徑為9.6～7.9m。

發電廠房布置在卡洛特大橋上游約130m處，主廠房建基面高程為358.50m，機組安裝高程為382.50m，尾水平臺高程419.00m。總尺寸為160.90m×56.5m×60.5m（長×寬×高），由機組段及其右側安裝場段組成，其中機組段長111.40m，單機單段布置，分縫寬度27m，安裝場段長49.5m，分兩段布置。廠房主機間上、下游側設有副廠房，與主機一起形成筒體結構。廠區交通由廠前平臺、上游副廠房頂部、4號機組左側平臺、尾水平臺及進廠交通洞共同組成。進廠公路及進廠交通洞布置于安裝場段右側，地面高程為419.00m，通過寬平臺與對外公路相接。

升壓站布置在主廠房上游側邊坡回填形成的獨立平臺上，縱軸線與主廠房軸線平行，分4段布置，平面尺寸為111.4m×16m（長x寬），主變壓器、GIS室及出線門構依次布置在高程419.00m、431.00m及444.00m各層。

尾水渠底寬111.40m，尾水管出口以1：3的反坡連接至高程385.80m平底段，并與主河床相接。

3 工程特點

（1）壩址區屬中低山地貌，兩岸山頂高程一般510～850m。在壩址上游，吉拉姆河先沿SSE向流入，在壩址上游約650m處以124°的大轉彎折向NE流，在壩址處形成一個“幾”字形彎道。轉向SSW之后逐漸轉向SEE流，并在右岸（凸岸）形成寬約700m的山塊，之后逐漸流向SEE流。壩址河段河谷形態總體為不對稱“V”型谷。大壩位于“幾”字形河灣的中部。河谷與巖層走向小角度相交，為較為典型的縱向谷。河床高程380～390m。左岸岸坡發育二級河流階地，均為基座階地。右岸岸坡地形受巖性控制，高程420m以下地形坡度35°～40°;高程420～440m地形相對較緩，坡度一般12°～25°，高程440～455m為陡崖，高6～9m;高程455m以上地形較陡，一般約40°。在工程樞紐布置中，充分考慮和利用了這些地形地貌特點。

（2）卡洛特水電站壩址位于印度板塊與歐亞板塊碰撞形成的喜馬拉雅造山帶西構造結南側。區域內構造活動及地震活動強烈，分布有MMT、MCT、MBT、MFT及MZF等規模巨大的深斷裂，且部分為地震活躍的斷裂，區域構造穩定性差。距離壩址26km的Raisi逆沖斷層在2005年曾發生過7.6級地震。中國地震局地質研究所確定場址區地震基本烈度為Ⅷ度，50a超越概率為10%的基巖水平峰值加速度值為263.3gal（0.26g）。區內出露地層主要為新近系中新統納格利（Nagri）組（N_1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N_1dh）地層，巖性主要為中砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖及粉砂質泥巖等。不同巖性所占大致比例分別為：泥巖、粉砂質泥巖占23.8%，泥質粉砂巖、粉砂巖占32.0%，中粗砂巖占38.0%，細砂巖占6.2%，總體呈不等厚互層狀。巖石膠結成巖較差，較軟弱，屬較軟巖一軟巖。經綜合比較，選擇了能較好適應壩基工程地質條件，且基礎處理工程相對較為簡單的瀝青混凝土心墻堆石壩壩型。

（3）卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩高95.5m，是目前在建的世界最高全斷面瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩。筑壩材料主要為新近系陸源碎屑沉積的砂巖為主，泥質粉砂巖補充。由于地質時代較新，巖石總體成巖膠結程度較差，巖石以軟巖一軟巖為主。其軟化系數較小，浸水飽和后損失強度較大。對環境變化的敏感性很強，現場剛開采的各種軟巖料尚有一定強度，但稍經風雨、日曬，其強度就會迅速降低，顆粒加劇破碎。軟巖筑壩工程規模大，技術難度高。

（4）卡洛特工程洪水峰高量大。校核洪水標準為5000a一遇，相應洪峰流量為29 600m³/s。設計洪水標準為500a一遇，相應洪峰流量為20700m³/s。消能防沖洪水標準為50a一遇，相應洪峰流量為12200m³/s。最大泄洪落差51.25m。溢洪道建基巖體質量類別均屬Ⅲ_C類～Ⅳ_c類，巖性軟弱，具微弱透水性，防滲條件較好。微風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層抗沖能力差，地基地質條件差，應采取防沖刷和防淘刷措施。

（5）引水發電系統布置在右岸，電站裝機720MW。電站額定水頭65m，設計引用流量312.1m³/s，安裝4臺單機180MW混流式機組。卡洛特水電站地面廠房500a一遇校核尾水位418.08m，最低發電尾水位為386.66m，最大尾水變幅31.42m。廠房建基面高程358.5m，下游最大擋水水頭約60m，廠房結構擋水壓力大。地面廠房抗震設防類別為丙類，設計地震加速度代表值取基準期50a內超越概率10%的地震動峰值加速度，其值為0.26g。副廠房布置在主廠房的上、下游以形成箱體結構。基礎采用封閉抽排，解決高尾水和高地震問題。

（6）卡洛特水電站的開發任務為發電，以促進地區經濟社會發展。水庫正常蓄水位461m，死水位451m，具有日調節性能。電站裝機容量720MW，保證出力116.1MW（P=90%），多年平均發電量32.06億kW·h，裝機利用小時數4 452h。

（7）根據水文分析成果，按1970～2010年水沙資料統計，卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質輸沙量為3315萬t，推移質輸沙量為497萬t，總輸沙量為3812萬t，多年平均徑流量為258.3億m³，多年平均懸移質含沙量為1.28kg/m³。卡洛特水電站人庫泥沙量較大，而庫容相對較小，水庫正常蓄水位以下的庫容僅1.52億m³，庫沙比為5.2。若采用蓄水運用方式，水庫泥沙淤積將較為嚴重，無法保持長期有效庫容，危及電站的正常運行。若采用汛期定期放空水庫敞泄排沙運用方式，水庫排沙效果較好，可以保持較大的長期有效庫容，但是對電站發電效益影響較大。因此，卡洛特水庫不宜采用蓄水運用方式或汛期定期放空水庫敞泄排沙運用方式。為兼顧發電與排沙，卡洛特水庫采用汛期相比低水位排沙的運行方式，在汛期的主要來沙期間，當人庫流量超過擬定的排沙流量，將水庫水位降至排沙水位運行，以增大庫區水面比降和水流流速，從而利于水庫排沙走沙，以實現電站長期有效運行。

（8）卡洛特水電站水輪機為立軸混流式結構，采用金屬蝸殼以及常規的彎肘型尾水管。機組采用兩根主軸結構。電站水輪機轉輪直徑6.177m，轉輪采用焊接結構。轉輪的上冠、下環、葉片材料采用鑄鋼04Cr13Ni5Mo。葉片采用五軸數控機床進行加工，再與上冠、下環組焊成整體并進行精加工。在上冠上設間隙式止漏環，以減小頂蓋下腔壓力，進而減小主軸密封漏水量。在下環上也設置間隙式止漏環。在轉輪上冠上采用不開泄水孔的結構型式。電站發電水頭不高，但變幅較大，過機泥沙含量較大，因此在機組設計的過程中適當降低了機組的參數水平，采用了成熟、可靠的結構形式，同時機組的主要過流部件也增加了抗磨涂層，這些措施均為機組的安全穩定運行提供了有力保障。

（9）瀝青混凝土心墻堆石壩總填筑量410萬m³，其中反濾、過渡、排水料40萬m³，堆石料約370萬m³。工程填筑量大，施工強度高。填筑壩料種類多，且要與瀝青混凝土心墻同步上升，施工工藝復雜。壩體填筑最高月平均強度為約27萬m³，高峰月強度為35萬m³。由于樞紐區河谷狹窄，上壩道路的布置采用岸坡與壩坡相結合的布置方式，保證上壩強度及滿足各料源和瀝青混凝土的上壩運輸要求。

4 關鍵技術研究

4.1 泥沙問題

卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質輸沙量約3315萬t，多年平均懸移質含沙量為1.28kg/m³，屬中等含沙河流，但相對于庫容而言，入庫沙量較大，水庫庫沙比約為5.2，且級配較粗。根據類似工程經驗和前期相關研究成果[4-5]，成庫后庫區泥沙淤積較為嚴重。卡洛特水電站為該流域的第四級電站，上游NJ水電站已經建成發電，上游其他電站也將陸續開發，綜合考慮電站開發時序，開展了一維、三維泥沙淤積計算和壩區1：100泥沙物理模型試驗研究。借鑒我國在多沙河流上的長期研究成果[5]，結合工程特點，選擇“蓄清排渾”的運用方式處理該站水庫泥沙問題。研究結果表明：對于選定的排沙水位451m方案，水庫運行20a后，壩區河段泥沙基本達到動態平衡，電站取水口和排沙中孔口門前僅有少量淤積，能滿足壩前沖沙和電站進水口“門前清”，基本可保證電站正常取水。

4.2 高瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩設計技術

卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩是世界最高的全斷面軟巖堆石壩。世界范圍內百米級高度的瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩建設經驗不多。研究的主要關鍵技術問題有：通過大量的室內擊實、壓縮、剪切、滲透試驗及對試驗資料的系統整理分析深入研究了瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩的各種壩料特性;高瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩的靜動力應力應變分析[6]，壩坡穩定分析，心墻的拱效應作用及心墻發生水力劈裂的可能性研究;根據樞紐建筑物軟巖開挖料和轉存料的數量、巖石特性及料物平衡規劃進行壩料分區及壩體結構優化研究，特別是對壩體變形的影響引起心墻開裂的可能性以及其對壩料分區的要求，不均勻基礎變形對壩體變形的影響;樞紐區地震烈度較高，需進行高壩動力反應特性抗震研究，提出有效提高壩體抗震性能的壩體設計及抗震措施;研究壩體及壩基巖體的滲流特性，分析壩體及壩基內的滲流場分布，研究設置專門的排水通道及針對保護細顆粒穩定的反濾料合理級配和結構設計。

4.3 泄洪消能及防沖設計

該工程校核洪水標準時總泄洪流量為29600m³/s，全部由溢洪道下泄。溢洪道上下游水頭差為42.31～51.45m，表孔和泄洪排沙孔的最大單寬流量分別為302m²/s和233m²/s，下游消能區基巖主要為砂巖、粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層。表孔和泄洪排沙孔均推薦采用挑流消能，設計工況下表孔和泄洪排沙孔下游的最大沖坑深度分別為32.84m和40.06m。因此，需重點研究溢洪道泄流能力、高速水流摻氣減蝕、下游消能防沖等問題。同時，還需研究泄洪時消力塘的支護型式和消能效果，泄洪霧化對建筑物邊坡、下游卡洛特復建大橋和環境的影響，以及應采取的防護措施。

4.4 引水隧洞洞室群圍巖穩定分析及支護措施

隧洞的圍巖由N_dh¹組及N_na¹組弱風化～微風化泥質粉砂巖與粉砂質泥巖互層及砂巖組成，完整性總體較好。砂巖一般為較軟巖，泥質粉砂巖與粉砂質泥巖一般為軟巖，巖體以Ⅲ、Ⅳ類為主，局部Ⅴ類。

根據巴方及業主工程師的要求，采用其熟悉的Q系統分類[7-8]，對圍巖分類并進行圍巖級別的界定研究。Q系統分類方法中，主要考慮了巖體質量指標RQD、節理組數Jn、節理面粗糙度Jr、節理蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應力影響因素SRF等6項指標;研究3條引水隧洞洞室最小覆蓋層厚度、隧洞之間最小距離;地下洞室規模大、地質條件復雜，受軟巖地層層面和結構面影響較大，需通過有限元方法分析地應力、滲流、巖體力學特性及斷層等結構面對圍巖穩定的影響。根據計算得出的圍巖應力、位移等數值，提出相應的支護措施。

4.5 安全監測設計

根據高瀝青混凝土心墻堆石壩的應力變形特點，結合國內外土工觀測儀器的特點，重點研究高瀝青混凝土心墻堆石壩位移變形及應力的監測技術、對儀器性能指標的影響、儀器埋設及安裝技術以及資料分析處理系統等，提出合理的安全監測設計方案。這樣既可有效避免儀器埋設時的施工干擾，提高儀器埋設成活率，又能獲取反映高瀝青混凝土心墻堆石壩各階段實際工作性態的可靠觀測資料，還可提供能及時對觀測資料進行整理分析的手段，以便驗證設計，指導施工，為卡洛特大壩的施工質量及安全運行提供技術支持和保證，為高瀝青混凝土心墻堆石壩的設計施工及運行管理積累經驗。

4.6 施工系統仿真與快速施工措施

結合卡洛特高瀝青混凝土心墻堆石壩施工特點，分析和模擬該壩施工的動態過程[9，。研究其壩基開挖、壩體填筑等各個施工環節之間的相互影響和作用機制，確定施工模擬模型的耦合機制，為施工全過程動態仿真模型的建立和方案優化奠定理論基礎。研究了高瀝青混凝土心墻堆石壩施工有關施工道路布置、料物平衡、料物流向、土石方開挖、土石方運輸、施工機械合理配套及壩體填筑方案的綜合優化模型，提出該壩快速施工的有效措施。

4.7 施工導流及河道水流控制措施

根據水文特性、地形地質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。根據規范并綜合考慮各方面因素，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10a一遇洪水，相應最大洪峰流量為6740m³/s。后期導流標準為200a一遇洪水，相應的流量為17300m³/s。由于工程施工期洪水流量大，而河谷較狹窄、巖性軟弱，因此設計布置了3條直徑12.5m的圓形斷面導流隧洞。洞徑大、閘門下閘水頭高、出口消能防沖問題解決難度大是該工程的主要特點，為此進行了1：100導流水工模型試驗研究，從水力學角度分析論證導流方案的可行性與合理性，并提出了有效的解決措施。

參考文獻：

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（編輯：唐湘茜）

收稿日期：2019-09-30

作者簡介：鄢雙紅，男，教授級高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程設計與咨詢工作。E-mail：yanshuanghong@cjwsjy.com.cn