巴基斯坦卡洛特水电站软岩地下洞室围岩分类及应用

尹春明 侯钦礼 沈金刚 潘路远

摘要：卡洛特水电站位于巴基斯坦吉拉姆河上，工程区分布地层为新近系弱胶结碎屑沉积岩，为较软岩-软岩。工程地下洞室围岩地质条件差，围岩稳定问题突出。在项目前期勘察中，对影响围岩稳定的主要地质问题进行了大量的勘察研究工作，并根据工程实际情况采用规范推荐的方法对围岩进行详细分类。工程施工期，应项目业主工程师要求采用Q系统进行分类，并开展了水电规范分类与Q系统分类的对比研究。简要介绍了项目地下洞室围岩的勘察研究，对围岩分类方法的应用进行了总结和阐述，以期对类似国外工程的勘察研究提供有益的借鉴。

关键词：围岩分类;围岩稳定;软岩;地下洞室;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TU457文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.006

1 工程概况

巴基斯坦卡洛特水电站地处巴基斯坦东北部，是吉拉姆河规划的5个梯级电站的第四级，上一级为阿扎德帕坦（Azad Pattan）水电站，下一级为已建成的曼格拉（Mangla）水电站。坝址位于巴基斯坦旁遮普省境内卡洛特桥上游1.75 km，下距曼格拉大坝74 km，西距首都伊斯兰堡直线距离约55 km。从伊斯兰堡-卡胡塔-科特里路可通往场址，交通较为便利。

坝址控制流域面积26 700 km2，多年平均流量819m3/s，多年平均年径流量258.3亿m3。工程为单一发电任务的水电枢纽。水库正常蓄水位461 m，相应库容1.52亿m3，电站装机容量720 MW（4台单机装机180 MW），保证出力116.1 MW，多年平均年发电量32.1亿kW·h，年利用小时数4 452 h。

1975～2009年，加拿大、德国、澳大利亚等公司先后对卡洛特水电站项目的不同阶段进行过研究。2007年受巴基斯坦ATL公司委托，由澳大利亚雪山公司（SMEC）、巴基斯坦Mirza联合工程服务公司（MAES）及工程总咨询公司（EGC）组成咨询联合体。2009年9月，编制完成《720MW Karot水电站可行性研究报告》，并通过了巴基斯坦相关部门的审批。

2016年6月，电站前期工程启动，2018年9月实现大江截流，目前工程进展顺利，按进度计划将于2021年4台机组并网发电，2021年11月工程完建。

2 坝址地质概况

卡洛特水电站坝址位于吉拉姆（Jhelum）河中上游河段，坝址区属中低山地貌，两岸临江岸坡山顶地面高程一般510～870 m。吉拉姆河呈“几”字形穿越坝址区，在右岸形成宽约700 m的河湾地块。吉拉姆河枯水期水面宽30～60 m，水面高程388～391 m，相应水深一般为6～8 m。坝址区地形封闭，左岸山体浑厚;右岸河湾地块高程461 m处宽380～700 m，不存在地形垭口。

坝址区出露基岩地层主要为新近系中新统纳格利（Nagri）组（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）组（N1dh）地层，岩性主要为中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等，总体呈不等厚互层状，不同岩性所占大致比例分别为：泥岩、粉砂质泥岩23.7%，泥质粉砂岩、粉砂岩32.2%，中粗砂岩38.0%，细砂岩6.1%。岩石胶结成岩较差，较软弱，属较软岩-软岩。

坝址区在构造上处于左岸Karatot向斜SW翼与右岸Narwan背斜NE翼之间的宽缓单斜岩层部位，岩层产状平缓且较稳定，岩层倾角7°～10°。坝址区断层、层间剪切带不发育，主要构造形迹为裂隙，地表露头主要发育两组裂隙，规模较大的一组走向NE-NEE，倾向NW，陡倾角为主，近岸坡部位卸荷影响张开。第二组裂隙与第一组裂隙近于正交，倾角70°～85°，延伸一般受第一组裂隙限制，较短小。平硐揭露裂隙主要为NE、NEE、NNE走向3组及少量零散裂隙，中、陡倾角为主，少量缓倾角裂隙发育。裂隙延伸长度一般小于2 m，少量可达3～5 m，一般较平直、裂面粗糙，宽度一般小于1 mm，部分裂隙宽度可达1～3 mm，泥质或岩屑充填为主，部分为钙质或方解石充填，部分裂隙见有铁质浸染。

区内地下水主要为基岩孔隙裂隙水和第四系松散层孔隙潜水。基岩孔隙裂隙水主要赋存于砂岩中，一般为中等-贫含水，具多层状水文地质结构，通过裂隙通道运移、排泄。各类岩石总体透水性较弱，中砂岩、细砂岩相对于其他岩类透水性稍大。

区内岩体全风化带厚度一般较薄且分布有限;强风化带厚度一般为0～10.7 m，弱风带厚度为0～28.3m，总体上岩体风化带厚度不大。坝址区陡立岸坡强、弱卸荷带水平深度一般为8～16 m、6～25 m，随着高程的降低，卸荷作用逐渐减弱，强、弱卸荷带宽度也相应减小。

3 前期地下洞室围岩分类研究

根据前期咨询联合体可行性研究的枢纽总体布置方案，大坝采用弧形重力坝，布置于河湾上游，采取坝体泄洪。引水发电系统采用引水式地下厂房方案。导流方案采取穿越河湾地块的导流隧洞导流形式。原设计布置方案有地下厂房及导流洞等规模较大的地下洞室结构，在软岩条件下地下洞室的围岩稳定是项目需要研究的重要工程地质问题之一。长江勘测规划设计研究有限责任公司对引水发电系统的布置方案开展了专题勘察研究，提出了地下厂房及地面厂房方案，并对地下厂房的形式、布置位置开展了大量的勘察研究，以论证厂房布置方案的可行性。在枢纽布置方案专题研究中还对导流隧洞的布置也进行了进一步勘察研究。根据综合比较，枢纽布置格局采取了河床布置沥青混凝土心墙堆石坝;斜穿右岸河湾地块山脊布置溢洪道;在溢洪道引水渠左侧布置电站进水口的引水式地面厂房;大坝上、下游布置全年挡水土石围堰，导流洞布置在电站与大坝之间，采用导流洞导流的总体布置方案。

地下洞室围岩分类方法众多，初期的围岩分类多以单一的岩石强度作为分类指标，随着工程实际应用的需要及技术手段的进步，围巖分类走向多指标体系定性分类并逐渐从定性分类向定量分类方向发展。国际上比较流行的分类方法主要有泰沙基分类法、巴顿Q系统分类法、比尼奥斯基RMR分类法、法国隧道协会（AFTES）分类法等。国内主要采用的是现行国家标准《工程岩体分级标准》（BQ分类）、公路隧道围岩分类、铁路隧道围岩分类和水工隧洞围岩分类等。分类方法各有其优缺点，多数分类仍属于定性描述或经验判别的定性分类，但能反映围岩的地质构造特征、结构面状态、风化状况、地下水情况以及洞室埋深等因素，在评价洞室围岩稳定性、确定支护结构参数和选择施工方法等方面得到了广泛的应用。

该工程主要采用GB 50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》[1-2]推荐的方法进行围岩分类[1]，该分类方法吸收了众多分类体系的优点，紧密结合水电地下工程的特点，通过科技攻关取得了重要成果，对水电工程地质洞室有较好的适应性。围岩详细分类以岩石强度、岩体完整程度和结构面状态为基本因素，评分均为正值;以地下水状态和主要结构面产状为修正因素，均为负值，5项评分累计求出一个多因素复合指标——累计总评分，并以围岩强度应力比为限定因素，最后综合判定围岩类别。

工程围岩主要为胶结成岩较差的较软岩、软岩为主，岩体总体完整，结构面不发育且短小，地下水活动相对较微弱。由于工程的特殊性，对围岩分类指标的评分取值有必要进行一些本地化调整，以更符合工程实际。操作中考虑到岩石软弱，对岩质类型及岩体完整性两项指标评分取值采取适当向下取值，而对岩体结构面状态评分时，对泥质充填的结构面也进行向下取值操作，以更好地反映实际地质条件对围岩稳定的影响。工程地下洞室围岩分类见表1。

4 施工期Q系统围岩分类对比研究及应用

卡洛特水电站在实施过程中引入了业主工程师制，并根据巴基斯坦相关政策，对于地下洞室等存在不确定因素的情况，可以根据工程实际情况对投资进行调整并计入电价调整。因此，在招标文件中也进行了明确的规定。根据巴方及业主工程师的要求，对围岩分类采用Q系统分类进行围岩类别界定。根据招标文件，地下洞室围岩依据Q值划分为5类（见表2），该类别与水工隧洞围岩分类类别大致相当。

由于前期设计、计算及支护均采用了水电围岩分类，为避免因围岩分类方法的改变而导致大量重复设计、计算及图纸的更新工作，结合前期导流洞施工支洞开挖，开展了2个分类系统的对比研究，找出2种分类间的相对应关系以及在实际操作中应注意的重点。

Q系统分类又称NGI隧道质量指标分类，该方法是挪威岩土工程研究所的N.Barton[3]等人在1974年根据对以往地下开挖工程稳定性的大量实例分析研究后提出的，后期通过工程实践进行了改进[4-5]。Q系统分类方法主要考虑了岩体质量指标RQD、节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理蚀变程度Ja、裂隙水影响因素Jw、以及地应力影响因素SRF等6项指标，通过查规范的评分表得到相应的评分值，采用商积的形式，即

[Q=RQDJnJrJaJwSRF] （1）

计算围岩Q值，通过Q值将围岩分为9个等级。式（1）第一项分式代表了岩体的完整程度;第二项表示控制性结构面的力学特征;第三项表示地下水及地应力的影响。Q系统也属于多指标法，其结果采用商积的形式，Jn、Ja以及SRF位于分母位置，也体现了其对稳定的重要性。该方法获取指标简便，评分规范细化，但操作相对繁琐，必须依赖有经验的地质人员。岩石强度对围岩稳定性具有较大影响，Q系统存在严重不足的原因是未直接考虑岩石强度，而是通过应力折减系数取值间接考虑，尤其对于本工程的软弱围岩，该方法弱化了岩石强度的重要程度，可能导致评分结果偏高。Jn、Ja两个参数非常重要，但在实际操作中需要有经验的地质人员进行细致鉴别。此外，该方法忽略了结构面不利组合对围岩稳定性的影响，只考虑了最不利的结构面对围岩稳定性的影响，势必造成结果有一定的误差。

针对其弱点，结合该工程特点，强化了对结构面性状、围岩中软岩分布等因素对评分影响以及两种分类方法对比分析。

该工程围岩主要为一套新近系中新统呈不等厚互层状的中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等组成，为软岩-较软岩，由于处于宽缓向斜翼部单斜岩层部位，岩层近水平，岩石受构造挤压、错动较弱，岩体完整，裂隙短小。在实际操作中，围岩中的细小裂隙容易被忽略，而这类裂隙也可能成局部稳定的关键。研究发现，这类短小裂隙成组发育对Q值评分影响较大，如果被忽略则会造Q值偏高，因此，需要在洞室开挖后进行详细编录统计，以准确给定Jn。而在水电工程围岩分类中，裂隙发育的组数主要体现在岩体完整性，与裂隙发育密度有关而不是与裂隙发育组数直接相关。

结构面张开及充填状态、充填物类型影响着Ja的评分。该工程微新岩体围岩中裂隙一般呈闭合状态，裂隙宽度多小于5 mm，以泥质或岩屑充填为主，部分泥质岩在开挖揭露后有软化或断续泥化现象。由于Q系统分类中Ja评分取值范围及级差较大，因此，对Q值影响较大，需要仔细进行鉴别评定。对于软弱围岩更需要考虑充填物质对开挖卸荷及地下水等因素的后期影响，进行综合评定。在该因素上，Q系统与水电工程围岩分类所占的权重基本相当。

在水电工程围岩分类的基本评分中，软岩岩质类型基本决定了其围岩类别基本上不会高于Ⅳ类。Q系统分类中未直接考虑岩石强度，虽然可以通过在围岩应力折减系数一项中按软弱带考虑得到一定的体现，但由于围岩的变形及失稳破坏机理差异性较大，这种考虑缺乏整体性。在应力折减系数一项上，由于该工程围岩主要为软岩-较软岩，中-低地应力水平，岩石受构造挤压较弱，因此不属于坚硬岩石及高应力岩石挤压问题，可以按含黏土或化学风化不完整岩石的单一软弱带（开挖深度≤50 m）一项加以考虑。

通过大量对比评分，摸索出了一套更为合理的取值方法和评分细则，使分类更贴合工程实际情况。表3为调整后的Q系统围岩分类评分表，在实际使用中详细的评分表操作更为简便，也便于各方核查。

對比研究表明，经过适当调整后的Q系统分类评分计算的Q值范围及类别与对应的水工隧洞围岩分类评分值范围与类别具有较好的协调性（见表4），相应的分类成果也与前期成果较为符合，从而避免了大量修改设计参数，Q系统分类的成果得到了业主工程师的高度认可。

该工程各隧洞围岩在开挖完成后，根据围岩地质条件评定的Q值对围岩进行了初期支护，在后期结构混凝土衬砌前，未出现较大的变形及失稳破坏现象，隧洞整体稳定性较好，表明围岩类别及相应的支护参数的可靠性。

5 結 论

通过对卡洛特水电站软岩地下洞室围岩工程地质勘察研究，得到以下几点结论。

（1）对于软岩地下洞室的勘察研究，应侧重于查清围岩的岩性组成、围岩结构类型、围岩完整性以及是否存在控制性的不利软弱结构面，特别是对于平缓软岩地层，选择相对较好的岩体作为地下洞室围岩，以最大限度利用有利地质条件，降低工程风险。

（2）地下洞室围岩分类方法很多，各有优缺点和侧重点，选择更适合工程实际情况的分类方法至关重要。在无法选择的情况下，也要对分类进行一些本地化的调整，突出关键因素的权重，尽量避免生搬硬套。

（3）采取不同方法进行对比研究，使分类结果更能充分贴合工程实际，避免单一方法造成偏差。

（4）加强施工地质工作，不仅是地质勘察服务于工程建设的重要工序，也是对围岩类别界定和支护调整的重要环节。

（5）重视监测资料的分析，及时对围岩开挖、支护进行调整，防止围岩产生过大变形是重中之重。

参考文献：

[1] GB 50287-2006 水力发电工程地质勘察规范[S].

[2] 彭土标.  水力发电工程地质手册[M].  北京： 中国水利水电出版社， 2011.

[3] Barton  N ， Lien  R， Lunde. Engineering classification of rockmasses for the design of tunnel support[J].  Rock Mechanics，1974（6）： 789-236.

[4] Barton N ， L？set F ， Lien R， et al. Application of the Q-sysrem in design decisions concerning dimensions and appropriate support for underground installations[C]//Int. Conf. on Sub-surface Space，Rockstore， Stockholm： 1980（2）： 553-561.

[5] Barton N. Geotechnical Design[J].  World Tunnelling，1991：4l0-416.

（编辑：李晓濛）

Classification and application of surrounding rock for soft rock underground cave of  Karot Hydropower Station in Pakistan

YIN Chunming ， HOU Qinli，  SHEN Jingang，  PAN Luyuan

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

Abstract： Karot Hydropower Station is located on the Jhelum River in Pakistan. The distribution strata of the dam area is Neogene System of weak glued debris sedimentary rock， and it is under the category of relatively soft rock to soft rock. Poor geological conditions of the underground cave surrounding rock and its stability are the prominent problems. In the preliminary project survey， we carried out a large numbers of surveys and researches on the main geological problems affecting the stability of the surrounding rock， and the surrounding rock was classified in detail according to the method recommended by the specification in the light of the actual situation of the project. During the implementation period of the project， we used Q system at the request of the project owner and made the rock classification comparison between industry specifications and the Q system. We briefly introduced the survey conducted on the surrounding rock， summarized and expounded the application of the classification method in surrounding rock， so as to provide useful reference for the exploration and research of similar foreign projects.

Key words： surrounding rock classification; surrounding rock stability; soft rock; underground cavity; Karot Hydropower Station; Pakistan