巴基斯坦卡洛特水電站工程特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

摘要：介紹了巴基斯坦卡洛特水電站的工程概況，針對(duì)該項(xiàng)目軟巖筑壩、軟巖洞室群穩(wěn)定、地震烈度高、泥沙含量高等技術(shù)難題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究、室內(nèi)試驗(yàn)研究及模型分析等手段，以及借鑒類似項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了針對(duì)卡洛特項(xiàng)目各技術(shù)難題的實(shí)際解決方案，為工程建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土心墻堆石壩;施工導(dǎo)流;泄洪消能;卡洛特水電站

中圖法分類號(hào)：TV641.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.007

文章編號(hào)：1006-0081（2020）01-0036-06

1 工程概況

卡洛特水電站是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”的首個(gè)水電投資項(xiàng)目。電站位于巴基斯坦旁遮普省境內(nèi)，卡胡達(dá)一科特理公路通過(guò)壩址區(qū)，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(guī)劃5個(gè)梯級(jí)電站的第四級(jí)，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(kù)正常蓄水位461m，正常蓄水位以下庫(kù)容1.52億m³。工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電站，電站裝機(jī)容量720MW（4×180MW），保證出力116.1MW，多年平均年發(fā)電量32.1億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)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(fā)電系統(tǒng)組成。巴基斯坦電監(jiān)會(huì)（NEPRA）原批準(zhǔn)方案為混凝土重力壩方案，20巧年2月6日EC+P協(xié)議文件正式簽訂，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)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(guò)巴基斯坦電監(jiān)會(huì)審查。2016年12月1日，工程正式開(kāi)工，2017年2月22日項(xiàng)目融資關(guān)閉，2018年9月22日實(shí)現(xiàn)大江截流，預(yù)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)EC+P合同約定，卡洛特水電站按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是巴基斯坦首個(gè)完全使用中國(guó)技術(shù)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的水電項(xiàng)目。根據(jù)GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[11]和DLT5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》[2]的規(guī)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(fā)電建筑物等為2級(jí)建筑物，次要建筑物為3級(jí)建筑物，主要和次要水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別均為Ⅱ級(jí)。

2.2 樞紐總布置

根據(jù)地形地質(zhì)條件，結(jié)合施工及運(yùn)行要求，經(jīng)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(shè)置閘門的泄洪表孔和泄洪排沙孔。引水發(fā)電建筑物布置在吉拉姆河右岸二級(jí)階地，位于導(dǎo)流洞與溢洪道之間，采用引水式地面廠房，進(jìn)水口位于溢洪道進(jìn)水渠左側(cè)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(jìn)水口、引水隧洞、地面廠房、升壓站及尾水渠等。導(dǎo)流建筑物由右岸3條導(dǎo)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(shè)混凝土基座）、過(guò)渡層、堆石I區(qū)、堆石Ⅱ區(qū)、堆石Ⅲ區(qū)、排水體和上下游護(hù)坡等組成。壩頂高程為469.5m，壩頂軸線長(zhǎng)460.0m，壩頂寬度12.0m，最大壩高95.5m，壩頂上游設(shè)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(shè)置寬25m的馬道，并在高程449.5 ， 415m和395m分別設(shè)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(shè)置寬3m的馬道。下游排水體頂部高程410.0m，平臺(tái)寬6m?？逄貫r青混凝土心墻堆石壩典型剖面見(jiàn)圖2。

瀝青混凝土心墻頂部高程468.70m，高于水庫(kù)校核洪水位467.06m，滿足規(guī)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(nèi)覆蓋層，對(duì)心墻混凝土基座下部基巖進(jìn)行整體固結(jié)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(nèi)延伸，線路全長(zhǎng)約700m。帷幕設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)水渠內(nèi)，直線段長(zhǎng)度624.8m，溢洪道軸線總長(zhǎng)795.3m。溢洪道建筑物為2級(jí)建筑物，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及下游消能區(qū)組成。

考慮水流銜接要求，溢洪道進(jìn)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(zhǎng)度170.5m，直線長(zhǎng)度80m，總長(zhǎng)250.5m.進(jìn)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(jìn)水渠進(jìn)口為非對(duì)稱喇叭形，底寬在順?biāo)鞣较蛑饾u收窄，至控制段前與溢流前緣等寬。進(jìn)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(shè)計(jì)洪水工況下進(jìn)水渠內(nèi)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(tài)混凝土重力壩，共設(shè)12個(gè)壩段，其左側(cè)1號(hào)、2號(hào)和右側(cè)11號(hào)、12號(hào)為非溢流壩段，3～10號(hào)壩段為溢流壩段，壩頂長(zhǎng)度218m.溢流壩段3號(hào)壩段寬19.80m，4號(hào)壩段寬23.70m，5～9號(hào)壩段寬度均為19.00m，10號(hào)壩段寬 21.50m。溢流壩段總寬160.00m，共布置2個(gè)有壓泄洪排沙孔和6個(gè)泄洪表孔。溢流壩段上游壩面為鉛直面，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度53.38m。3號(hào)和4號(hào)壩段集中布置泄洪排沙孔，排沙孔進(jìn)口底板高程為423.00m，孔口尺寸為9m×10m（寬x高），兩個(gè)泄洪排沙孔之間隔墻厚6m，隔墻中部設(shè)置橫縫。表孔布置在5～10號(hào)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%?？紤]到電站運(yùn)行要求，泄槽由中隔墻分為4個(gè)區(qū)，即2個(gè)泄洪排沙孔成一個(gè)泄洪區(qū)、6個(gè)表孔每2個(gè)孔成一個(gè)泄洪區(qū)。泄洪排沙孔泄洪寬度為18.0m，單個(gè)表孔寬度14m，溢流前緣寬度102m。為適應(yīng)天然地形地質(zhì)條件，挑流鼻坎在平面上采用差動(dòng)式布置，泄洪排沙孔區(qū)和表孔左區(qū)平齊，其他相鄰兩區(qū)平面差動(dòng)距離均為20m，泄槽段4個(gè)區(qū)從左至右軸線長(zhǎng)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(qū)相對(duì)應(yīng)，分為4個(gè)挑流鼻坎，表孔右區(qū)挑流鼻坎采用連續(xù)式，反弧半徑60m，挑角300;泄洪排沙孔區(qū)、表孔左區(qū)及表孔中區(qū)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(qū)采用預(yù)挖形式。挑流鼻坎末端基礎(chǔ)開(kāi)挖高程404.50m，向下游按1：0.7坡比開(kāi)挖至消能區(qū)防淘墻頂高程381.00～387.00m，高程391.50m設(shè)置寬3m馬道。消能區(qū)工程防護(hù)措施采用護(hù)岸不護(hù)底形式。

2.3.3 引水發(fā)電建筑物

電站進(jìn)水口由引水渠、進(jìn)水塔、交通橋等建筑物組成。引水渠底寬108m，長(zhǎng)12～23m，前緣設(shè)攔沙坎，坎頂高程440.00m;進(jìn)水塔采用岸塔式，由4個(gè)獨(dú)立塔體結(jié)構(gòu)組成，總體尺寸108m×20.9m×41m（長(zhǎng)×寬×高），順?biāo)飨蛞来尾贾脭r污柵、檢修閘門和工作閘門各一道，塔頂通過(guò)交通橋與邊坡馬道相接，與上壩公路連通。

引水隧洞緊接進(jìn)水塔布置，采用一機(jī)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(zhuǎn)彎20.62°，洞軸線間距為27m，洞徑為9.6～7.9m。

發(fā)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(jī)組安裝高程為382.50m，尾水平臺(tái)高程419.00m?？偝叽鐬?60.90m×56.5m×60.5m（長(zhǎng)×寬×高），由機(jī)組段及其右側(cè)安裝場(chǎng)段組成，其中機(jī)組段長(zhǎng)111.40m，單機(jī)單段布置，分縫寬度27m，安裝場(chǎng)段長(zhǎng)49.5m，分兩段布置。廠房主機(jī)間上、下游側(cè)設(shè)有副廠房，與主機(jī)一起形成筒體結(jié)構(gòu)。廠區(qū)交通由廠前平臺(tái)、上游副廠房頂部、4號(hào)機(jī)組左側(cè)平臺(tái)、尾水平臺(tái)及進(jìn)廠交通洞共同組成。進(jìn)廠公路及進(jìn)廠交通洞布置于安裝場(chǎng)段右側(cè)，地面高程為419.00m，通過(guò)寬平臺(tái)與對(duì)外公路相接。

升壓站布置在主廠房上游側(cè)邊坡回填形成的獨(dú)立平臺(tái)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(zhǎng)x寬），主變壓器、GIS室及出線門構(gòu)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(diǎn)

（1）壩址區(qū)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(zhuǎn)彎折向NE流，在壩址處形成一個(gè)“幾”字形彎道。轉(zhuǎn)向SSW之后逐漸轉(zhuǎn)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(tài)總體為不對(duì)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(fā)育二級(jí)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(duì)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(diǎn)。

（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(gòu)造結(jié)南側(cè)。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)強(qiáng)烈，分布有MMT、MCT、MBT、MFT及MZF等規(guī)模巨大的深斷裂，且部分為地震活躍的斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。距離壩址26km的Raisi逆沖斷層在2005年曾發(fā)生過(guò)7.6級(jí)地震。中國(guó)地震局地質(zhì)研究所確定場(chǎng)址區(qū)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(qū)內(nèi)出露地層主要為新近系中新統(tǒng)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(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等。不同巖性所占大致比例分別為：泥巖、粉砂質(zhì)泥巖占23.8%，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖占32.0%，中粗砂巖占38.0%，細(xì)砂巖占6.2%，總體呈不等厚互層狀。巖石膠結(jié)成巖較差，較軟弱，屬較軟巖一軟巖。經(jīng)綜合比較，選擇了能較好適應(yīng)壩基工程地質(zhì)條件，且基礎(chǔ)處理工程相對(duì)較為簡(jiǎn)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(zhì)粉砂巖補(bǔ)充。由于地質(zhì)時(shí)代較新，巖石總體成巖膠結(jié)程度較差，巖石以軟巖一軟巖為主。其軟化系數(shù)較小，浸水飽和后損失強(qiáng)度較大。對(duì)環(huán)境變化的敏感性很強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)剛開(kāi)采的各種軟巖料尚有一定強(qiáng)度，但稍經(jīng)風(fēng)雨、日曬，其強(qiáng)度就會(huì)迅速降低，顆粒加劇破碎。軟巖筑壩工程規(guī)模大，技術(shù)難度高。

（4）卡洛特工程洪水峰高量大。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5000a一遇，相應(yīng)洪峰流量為29 600m³/s。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500a一遇，相應(yīng)洪峰流量為20700m³/s。消能防沖洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，相應(yīng)洪峰流量為12200m³/s。最大泄洪落差51.25m。溢洪道建基巖體質(zhì)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(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層抗沖能力差，地基地質(zhì)條件差，應(yīng)采取防沖刷和防淘刷措施。

（5）引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，電站裝機(jī)720MW。電站額定水頭65m，設(shè)計(jì)引用流量312.1m³/s，安裝4臺(tái)單機(jī)180MW混流式機(jī)組?？逄厮娬镜孛鎻S房500a一遇校核尾水位418.08m，最低發(fā)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(jié)構(gòu)擋水壓力大。地面廠房抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震加速度代表值取基準(zhǔn)期50a內(nèi)超越概率10%的地震動(dòng)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(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用封閉抽排，解決高尾水和高地震問(wèn)題。

（6）卡洛特水電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電，以促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。水庫(kù)正常蓄水位461m，死水位451m，具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量720MW，保證出力116.1MW（P=90%），多年平均發(fā)電量32.06億kW·h，裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)4 452h。

（7）根據(jù)水文分析成果，按1970～2010年水沙資料統(tǒng)計(jì)，卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量為3315萬(wàn)t，推移質(zhì)輸沙量為497萬(wàn)t，總輸沙量為3812萬(wàn)t，多年平均徑流量為258.3億m³，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.28kg/m³?？逄厮娬救藥?kù)泥沙量較大，而庫(kù)容相對(duì)較小，水庫(kù)正常蓄水位以下的庫(kù)容僅1.52億m³，庫(kù)沙比為5.2。若采用蓄水運(yùn)用方式，水庫(kù)泥沙淤積將較為嚴(yán)重，無(wú)法保持長(zhǎng)期有效庫(kù)容，危及電站的正常運(yùn)行。若采用汛期定期放空水庫(kù)敞泄排沙運(yùn)用方式，水庫(kù)排沙效果較好，可以保持較大的長(zhǎng)期有效庫(kù)容，但是對(duì)電站發(fā)電效益影響較大。因此，卡洛特水庫(kù)不宜采用蓄水運(yùn)用方式或汛期定期放空水庫(kù)敞泄排沙運(yùn)用方式。為兼顧發(fā)電與排沙，卡洛特水庫(kù)采用汛期相比低水位排沙的運(yùn)行方式，在汛期的主要來(lái)沙期間，當(dāng)人庫(kù)流量超過(guò)擬定的排沙流量，將水庫(kù)水位降至排沙水位運(yùn)行，以增大庫(kù)區(qū)水面比降和水流流速，從而利于水庫(kù)排沙走沙，以實(shí)現(xiàn)電站長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

（8）卡洛特水電站水輪機(jī)為立軸混流式結(jié)構(gòu)，采用金屬蝸殼以及常規(guī)的彎肘型尾水管。機(jī)組采用兩根主軸結(jié)構(gòu)。電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑6.177m，轉(zhuǎn)輪采用焊接結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)、葉片材料采用鑄鋼04Cr13Ni5Mo。葉片采用五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，再與上冠、下環(huán)組焊成整體并進(jìn)行精加工。在上冠上設(shè)間隙式止漏環(huán)，以減小頂蓋下腔壓力，進(jìn)而減小主軸密封漏水量。在下環(huán)上也設(shè)置間隙式止漏環(huán)。在轉(zhuǎn)輪上冠上采用不開(kāi)泄水孔的結(jié)構(gòu)型式。電站發(fā)電水頭不高，但變幅較大，過(guò)機(jī)泥沙含量較大，因此在機(jī)組設(shè)計(jì)的過(guò)程中適當(dāng)降低了機(jī)組的參數(shù)水平，采用了成熟、可靠的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)機(jī)組的主要過(guò)流部件也增加了抗磨涂層，這些措施均為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)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(wàn)m³，其中反濾、過(guò)渡、排水料40萬(wàn)m³，堆石料約370萬(wàn)m³。工程填筑量大，施工強(qiáng)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(fù)雜。壩體填筑最高月平均強(qiáng)度為約27萬(wàn)m³，高峰月強(qiáng)度為35萬(wàn)m³。由于樞紐區(qū)河谷狹窄，上壩道路的布置采用岸坡與壩坡相結(jié)合的布置方式，保證上壩強(qiáng)度及滿足各料源和瀝青混凝土的上壩運(yùn)輸要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 泥沙問(wèn)題

卡洛特水電站壩址以上流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量約3315萬(wàn)t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.28kg/m³，屬中等含沙河流，但相對(duì)于庫(kù)容而言，入庫(kù)沙量較大，水庫(kù)庫(kù)沙比約為5.2，且級(jí)配較粗。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)和前期相關(guān)研究成果[4-5]，成庫(kù)后庫(kù)區(qū)泥沙淤積較為嚴(yán)重?？逄厮娬緸樵摿饔虻牡谒募?jí)電站，上游NJ水電站已經(jīng)建成發(fā)電，上游其他電站也將陸續(xù)開(kāi)發(fā)，綜合考慮電站開(kāi)發(fā)時(shí)序，開(kāi)展了一維、三維泥沙淤積計(jì)算和壩區(qū)1：100泥沙物理模型試驗(yàn)研究。借鑒我國(guó)在多沙河流上的長(zhǎng)期研究成果[5]，結(jié)合工程特點(diǎn)，選擇“蓄清排渾”的運(yùn)用方式處理該站水庫(kù)泥沙問(wèn)題。研究結(jié)果表明：對(duì)于選定的排沙水位451m方案，水庫(kù)運(yùn)行20a后，壩區(qū)河段泥沙基本達(dá)到動(dòng)態(tài)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(jìn)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(shè)計(jì)技術(shù)

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(nèi)百米級(jí)高度的瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不多。研究的主要關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有：通過(guò)大量的室內(nèi)擊實(shí)、壓縮、剪切、滲透試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)資料的系統(tǒng)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(dòng)力應(yīng)力應(yīng)變分析[6]，壩坡穩(wěn)定分析，心墻的拱效應(yīng)作用及心墻發(fā)生水力劈裂的可能性研究;根據(jù)樞紐建筑物軟巖開(kāi)挖料和轉(zhuǎn)存料的數(shù)量、巖石特性及料物平衡規(guī)劃進(jìn)行壩料分區(qū)及壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，特別是對(duì)壩體變形的影響引起心墻開(kāi)裂的可能性以及其對(duì)壩料分區(qū)的要求，不均勻基礎(chǔ)變形對(duì)壩體變形的影響;樞紐區(qū)地震烈度較高，需進(jìn)行高壩動(dòng)力反應(yīng)特性抗震研究，提出有效提高壩體抗震性能的壩體設(shè)計(jì)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(nèi)的滲流場(chǎng)分布，研究設(shè)置專門的排水通道及針對(duì)保護(hù)細(xì)顆粒穩(wěn)定的反濾料合理級(jí)配和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.3 泄洪消能及防沖設(shè)計(jì)

該工程校核洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(qū)基巖主要為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層。表孔和泄洪排沙孔均推薦采用挑流消能，設(shè)計(jì)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(diǎn)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(wèn)題。同時(shí)，還需研究泄洪時(shí)消力塘的支護(hù)型式和消能效果，泄洪霧化對(duì)建筑物邊坡、下游卡洛特復(fù)建大橋和環(huán)境的影響，以及應(yīng)采取的防護(hù)措施。

4.4 引水隧洞洞室群圍巖穩(wěn)定分析及支護(hù)措施

隧洞的圍巖由N_dh¹組及N_na¹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，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，巖體以Ⅲ、Ⅳ類為主，局部Ⅴ類。

根據(jù)巴方及業(yè)主工程師的要求，采用其熟悉的Q系統(tǒng)分類[7-8]，對(duì)圍巖分類并進(jìn)行圍巖級(jí)別的界定研究。Q系統(tǒng)分類方法中，主要考慮了巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應(yīng)力影響因素SRF等6項(xiàng)指標(biāo);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(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜，受軟巖地層層面和結(jié)構(gòu)面影響較大，需通過(guò)有限元方法分析地應(yīng)力、滲流、巖體力學(xué)特性及斷層等結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。根據(jù)計(jì)算得出的圍巖應(yīng)力、位移等數(shù)值，提出相應(yīng)的支護(hù)措施。

4.5 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)高瀝青混凝土心墻堆石壩的應(yīng)力變形特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外土工觀測(cè)儀器的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究高瀝青混凝土心墻堆石壩位移變形及應(yīng)力的監(jiān)測(cè)技術(shù)、對(duì)儀器性能指標(biāo)的影響、儀器埋設(shè)及安裝技術(shù)以及資料分析處理系統(tǒng)等，提出合理的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案。這樣既可有效避免儀器埋設(shè)時(shí)的施工干擾，提高儀器埋設(shè)成活率，又能獲取反映高瀝青混凝土心墻堆石壩各階段實(shí)際工作性態(tài)的可靠觀測(cè)資料，還可提供能及時(shí)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行整理分析的手段，以便驗(yàn)證設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工，為卡洛特大壩的施工質(zhì)量及安全運(yùn)行提供技術(shù)支持和保證，為高瀝青混凝土心墻堆石壩的設(shè)計(jì)施工及運(yùn)行管理積累經(jīng)驗(yàn)。

4.6 施工系統(tǒng)仿真與快速施工措施

結(jié)合卡洛特高瀝青混凝土心墻堆石壩施工特點(diǎn)，分析和模擬該壩施工的動(dòng)態(tài)過(guò)程[9，。研究其壩基開(kāi)挖、壩體填筑等各個(gè)施工環(huán)節(jié)之間的相互影響和作用機(jī)制，確定施工模擬模型的耦合機(jī)制，為施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型的建立和方案優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。研究了高瀝青混凝土心墻堆石壩施工有關(guān)施工道路布置、料物平衡、料物流向、土石方開(kāi)挖、土石方運(yùn)輸、施工機(jī)械合理配套及壩體填筑方案的綜合優(yōu)化模型，提出該壩快速施工的有效措施。

4.7 施工導(dǎo)流及河道水流控制措施

根據(jù)水文特性、地形地質(zhì)條件和樞紐建筑物布置特點(diǎn)，卡洛特水電站采用圍堰一次攔斷河床、圍堰全年擋水、導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。根據(jù)規(guī)范并綜合考慮各方面因素，確定上、下游圍堰及導(dǎo)流隧洞為4級(jí)建筑物，初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10a一遇洪水，相應(yīng)最大洪峰流量為6740m³/s。后期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇洪水，相應(yīng)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(shè)計(jì)布置了3條直徑12.5m的圓形斷面導(dǎo)流隧洞。洞徑大、閘門下閘水頭高、出口消能防沖問(wèn)題解決難度大是該工程的主要特點(diǎn)，為此進(jìn)行了1：100導(dǎo)流水工模型試驗(yàn)研究，從水力學(xué)角度分析論證導(dǎo)流方案的可行性與合理性，并提出了有效的解決措施。

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（編輯：唐湘茜）

收稿日期：2019-09-30

作者簡(jiǎn)介：鄢雙紅，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)與咨詢工作。E-mail：yanshuanghong@cjwsjy.com.cn