卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩設計研究

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

中巴經濟走廊首個水電投資項目卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省境內。該電站是吉拉姆河流域規劃5個梯級電站的第4級，壩址處控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3。工程為單一發電任務的水電樞紐，水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機容量720 MW(4×180 MW)，保證出力116.1 MW，多年平均年發電量32.06億kW·h，年利用小時數4 452 h。卡洛特水電站大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高95.5 m，為目前世界上高震區已建和在建最高的全軟巖填筑堆石壩。本文主要從樞紐布置、工程地質條件、合理利用開挖軟巖料、壩坡穩定、壩體變形控制、滲流控制及抗震措施等方面介紹卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩的設計情況，以供類似地質條件下堆石壩設計參考。

1 樞紐布置方案

按GB50201-2014《防洪標準》[1],卡洛特水電站工程為Ⅱ等大(二)型工程，大壩、溢洪道、引水發電建筑物等主要永久性水工建筑物為2級，次要建筑物為3級，主要和次要水工建筑物結構安全級別均為Ⅱ級。可研階段經多組樞紐布置方案比選，確定了如圖1所示的樞紐布置型式。瀝青混凝土心墻堆石壩布置在河道灣頭，壩軸線為直線，方位角NE，與原河流接近正交，溢洪道斜穿河灣地塊山脊布置，出口在最下游，其控制段布置泄洪表孔和泄洪排沙孔；電站進水口布置在溢洪道引水渠左側靠近控制段，廠房布置在卡洛特大橋上游；導流洞布置在電站與瀝青混凝土心墻堆石壩之間。

2 工程地質條件

2.1 區域構造和地震

卡洛特水電站區域位于喜馬拉雅造山帶及新生帶前緣坳陷等兩大構造單元內，次級構造單元位于次喜馬拉雅哈扎拉-克什米爾共軸褶皺體，近場區無大的區域性斷層通過，距離壩址最近的發震構造為穆扎法拉巴德斷裂(MZF)。根據中國地震局地質研究所咨詢報告，卡洛特場區50 a超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.26g，100 a超越概率2%的基巖地震動峰值加速度為0.52g，100 a超越概率1%的基巖地震動峰值加速度為0.61g。根據NB35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》[2]，壩址區地震基本烈度按Ⅷ度設計。

圖1 卡洛特水電站樞紐布置Fig.1 Layout of Karot HPP

2.2 壩址區地形地質條件

3 瀝青混凝土心墻堆石壩設計

3.1 大壩斷面設計

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， 從瀝青混凝土心墻往上、下游均滿足水力過渡的要求。瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程為469.5 m，壩頂軸線長460.0 m，壩頂寬度12.0 m，最大壩高95.5 m。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。為避免壩體堆石料風化、保證壩坡穩定和增強大壩的抗震能力，在大壩上游壩坡表面設置厚1.2 m的塊石護坡，下游坡面高程449.5 m以上采用厚1.2 m漿砌石護坡，高程449.5 m以下采用厚1.2 m的干砌石護坡；護坡下設置厚0.8 m的砂礫石墊層，護坡塊石采用微新砂巖料，壩體典型剖面及材料分區如圖2所示。大壩上游壩坡高程435 m以上坡比為1∶2.25，高程435 m以下坡比為1∶2.85，在高程435 m設置寬2.5 m的馬道，并在高程449.5，415 m和395 m分別設置寬3.0 m的馬道。大壩下游壩坡采用上緩下陡型式，高程410.0 m以上壩坡坡比為1∶2.25，高程410.0 m以下壩坡坡比為1∶2.0，并在下游壩面高程429.5，449.5 m設置寬3 m的馬道，下游排水體頂部高程410.0 m，平臺寬6 m。

瀝青混凝土心墻頂部高程468.70 m，高于水庫校核洪水位467.06 m，滿足超高要求。結合類似工程瀝青心墻的設計經驗，瀝青混凝土心墻采用梯形結構，頂部為高度70 cm的等厚段，厚度為60 cm，向下逐漸加厚，心墻變厚段上、下游坡度均為1∶0.004；心墻底部為3 m高的大放腳，大放腳上、下游坡度均為1∶0.3。大放腳與高2.0 m的混凝土基座相接，相接部位采用半徑為496.7 cm的圓弧設計，如圖3所示。

3.2 壩基處理

推薦設計方案中，要求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全面積固結灌漿。固結灌漿孔布置雙排，孔排距為2.5 m×2.5 m，梅花形布置，兩排固結灌漿孔入巖深度分別為10 m和6 m。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700 m。帷幕設計防滲標準為：高程445 m以下灌后基巖透水率q≤3 Lu，高程445 m以上灌后基巖透水率q≤5 Lu。大壩河床壩段帷幕底線為高程335 m，兩岸帷幕底線逐漸抬升至高程445 m。大壩高程445 m以下布置雙排帷幕灌漿孔，孔距2.5 m，高程445 m以上布置單排帷幕灌漿孔，孔距2 m。

圖2 瀝青混凝土心墻堆石壩典型剖面及填料分區Fig.2 Typical section of Karot asphalt concrete core rockfill dam

圖3 瀝青混凝土心墻大放腳設計(單位：cm)Fig.3 Design of asphalt concrete core base

3.3 筑壩材料

壩體材料分區主要是在保證大壩安全運行的前提條件下，根據壩體各部位工作和受力條件、填料來源及其強度、滲透性、壓縮性等特性，分別提出不同的要求，以充分利用建筑物開挖料，力爭降低工程造價，簡化施工，縮短施工工期。壩體堆石料主要采用開挖有用料中的微新砂巖和微新泥質粉砂巖料。堆石Ⅰ區主要采用渣場轉存的微新砂巖料，以及溢洪道直接開挖的微新砂巖與微新泥質粉砂巖料混合料；堆石Ⅱ區和堆石III區采用溢洪道開挖有用料中的微新砂巖料直接上壩。微新砂巖的天然塊體平均密度為2.38 g/cm3，飽和抗壓強度12.0～30.0 MPa；微新泥質粉砂巖的天然塊體平均密度為2.35 g/cm3，飽和抗壓強度13.0～15.0 MPa。微新砂巖按照最大干密度的96%控制試驗密度時，飽和狀態條件下，0.1～0.2 MPa壓力范圍內的壓縮模量值為20.9 MPa，壓縮系數為0.062 MPa-1，具有低壓縮性。過渡料、排水料、反濾料和砂礫石墊層料均采用質地致密，具有較高抗壓強度、抗水性和抗風化能力的河床砂礫石料，料源從Beor料場開采。

4 壩體計算

4.1 壩體滲流計算

根據壩體斷面，建立了大壩典型斷面的二維滲流模型，分析各工況下滲流場特性。壩體材料滲透參數依據地質及試驗建議取值，材料分區及滲透系數如圖4和表1所示。根據瀝青混凝土心墻壩防滲要求，高程445 m以下的大壩帷幕防滲標準為灌后基巖透水率q≤3 Lu，高程445 m以上的大壩帷幕及兩岸山體段帷幕防滲標準為灌后基巖透水率q≤5 Lu。滲流計算成果如表2所示。

計算結果表明，不同工況條件下，瀝青混凝土心墻承擔了絕大部分水頭損失。心墻下游堆石區和排水墊層滲透比降均小于室內試驗臨界滲透比降，滿足滲透穩定要求，壩體滲流出逸點較低，對壩體穩定較有利。設計采取的滲控措施是合理的，庫水入滲流量較小，處于可接受水平。

圖4 滲流計算模型和壩體材料分區Fig.4 Seepage calculation model and material partition

cm/s

表2 壩體滲流計算成果Tab.2 Calculation results of dam seepage

4.2 壩坡穩定計算

大壩壩坡的確定原則：① 由于壩體填筑料主要來源于建筑物開挖料中的砂巖和泥質粉砂巖，巖石強度較低，大壩壩坡宜采用相對較緩的坡比以保證壩坡穩定；② 滿足建筑物的抗震要求；③ 根據壩體填筑料物理力學試驗確定的抗剪強度參數，通過抗滑穩定計算，確定滿足抗滑穩定需要的壩體斷面和壩坡。

壩坡穩定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，地震荷載采用擬靜力法計算。根據卡洛特水電站壩體填料的巖土室內物理力學試驗，并參考類似工程經驗，確定大壩堆石料的物理力學參數見表3。根據滲流計算成果，壩坡穩定計算時壩體浸潤線確定原則為：上、下游壩體浸潤線水位與對應工況上、下游水位齊平；下游邊坡水位驟降工況的浸潤線采用非穩定滲流計算成果。大壩壩坡抗滑穩定計算工況和計算成果見表4，計算成果如圖5～6所示。

從計算成果可以看出，大壩上、下游壩坡抗滑穩定計算的控制工況均為正常蓄水位遇地震的工況，上、下游壩坡抗滑穩定安全系數分別1.26和1.30，能滿足要求。經采用0.31g地震加速度復核，大壩上、下游壩坡抗滑穩定安全系數分別為1.17和1.24，仍能滿足壩坡穩定要求。大壩壩坡各工況下的抗滑穩定安全系數均大于設計規范允許的最小安全系數，大壩壩坡是穩定的。

表3 壩坡穩定計算材料物理力學參數Tab.3 Physical and mechanical parameters for calculating of dam slope stability

圖5 正常蓄水位+設計地震(0.26g)上游壩坡穩定計算Fig.5 Calculated upstream dam slope stability under normal water level +design earthquake(0.26g)

4.3 三維靜動力計算

為深入分析大壩在地震作用下壩體的應力與變形情況，對壩體進行了三維靜、動力有限元應力應變分析。計算時對于瀝青混凝土心墻與上下游過渡區接觸面，采用接觸面單元進行模擬，接觸單元采用Mohr-Coulomb接觸模型[3]。靜力計算中，堆石材料采用DuncanE-B模型[4]，瀝青混凝土心墻采用Duncan-ChangE-μ模型。動力計算中，考慮到壩體堆石體的非線性特性，筑壩材料采用等效線性黏彈性模型，筑壩材料的最大動剪切模量用式(1)計算：

(1)

表4 大壩壩坡抗滑穩定計算最小安全系數Tab.4 Calculated safety factors of dam slope stability

圖6 正常蓄水位+設計地震(0.26g)下游壩坡穩定計算Fig.6 Calculated downstream dam slope stability under normal water level +design earthquake(0.26 g)

三維靜力計算成果如表5，6和圖7～10所示。蓄水期，壩體的豎向位移最大值為101cm，占壩高的1.06%，符合一般土石壩沉降規律，說明壩體的分區和填筑設計是合理的。蓄水期心墻沿順河向位移最大值為14.8cm，其最大撓跨比約為0.15%，心墻不會發生撓曲破壞；心墻應力水平最大值為0.63，整體受力狀態良好，未發現剪切破壞單元。心墻應力變形狀態較好，不會發生剪切破壞，瀝青混凝土心墻處于安全狀態。

在三維靜力有限元計算結果的基礎上進行動力有限元計算。采用時程分析法對大壩進行三維動力有限元分析，動力輸入采用無質量彈性地基，地震波分別采用規范譜人工地震波(規范波)、場地譜人工地震波(場地波)、印度Koyna地震實測波，豎向加速度分量取水平向加速度分量的2/3。3種地震波作用下瀝青混凝土心墻壩應力與該位置的靜應力疊加后的計算成果見表7，地震波作用下的瀝青混凝土心墻最大拉應力與靜應力疊加后的拉應力極值等值線圖如圖11所示。

表5 瀝青混凝土心墻壩壩體主應力、變形最大值Tab.5 Principal stress and deformation of ACCRD

表6 瀝青混凝土心墻主應力、變形最大值Tab.6 Principal stress and deformation of ACCRD

圖7 蓄水期壩體沉降等值線(單位：cm)Fig.7 Settlement of dam in storage period

圖8 蓄水期壩體最大主應力等值線(單位：MPa)Fig.8 The maximum major principal stress of dam in storage period

在規范波作用下壩體反應最小，Koyna波作用下與場地波作用下的反應較為接近。壩體加速度反應和動位移最大值均出現在壩體頂部。地震波作用下的動拉應力最大值和靜應力疊加后，心墻3個方向上幾乎全部受壓，僅在局部區域有少許拉應力存在，其最大值約為0.11 MPa，小于瀝青混凝土的抗拉強度。

圖9 蓄水期心墻最大主應力等值線(單位：MPa)Fig.9 The maximum major principal stress of ACC in storage period

圖10 蓄水期心墻應力水平沿高程的分布Fig.10 The stress level distribution contour of ACC in storage period

MPa

表8給出了大壩在地震作用下的永久變形極值。圖12分別給出了場地波設計地震作用下壩體永久變形極值。壩體震陷位移隨壩高增加而增大，在壩頂部達到最大。壩體主要發生向下游的水平永久位移，最大值發生在下游坡面的2/3以上部位。場地波設計地震作用下壩體震陷位移最大值32.4 cm，永久水平位移最大值為18.4 cm，大壩在遭遇8度設計地震時，壩體是安全的。

5 抗震措施

卡洛特大壩壩頂高程高于正常蓄水位8.5 m，壩頂超高遠大于發生地震時可能產生的地震涌浪和壩體震陷。根據壩體三維動力計算成果，大壩下游壩頂以下約1/4最大壩高范圍內的壩坡在遭遇設防地震時，有產生局部滑移失穩的可能，因此，對于高程449.5 m以上的大壩下游壩坡采取漿砌塊石保護，以增強整體性。并在壩體內部高程445.0 m以上布置聚丙烯單拉塑料格柵，豎直方向間距1.6 m，增強壩體堆石料的整體性，提高壩體抗震性能。

圖11 場地波設計地震心墻最大動拉應力與靜應力疊加后的應力等值線分布(單位：MPa)Fig.11 Stress in ACC caused by dynamic and static load at site seismic wave under designed earthquake

cm

圖12 場地波設計地震最大斷面永久變形(單位：cm)Fig.12 The permanent deformation on typical section under the action of site seismic wave in condition of designed earthquake

6 結 語

卡洛特水電站大壩為目前高地震區在建的全斷面由軟巖填筑的最高的瀝青混凝土心墻堆石壩。根據開挖料的物理力學特性和壩體各部位對壩料的不同要求，為充分合理利用建筑物開挖有用軟巖料，通過計算各種可能工況下大壩上、下游壩坡的抗滑穩定，深入分析大壩在施工期、運行期和地震作用下的應力和變形，以及大壩的滲流場特性，科學合理地確定了大壩的斷面、壩體材料分區和設計指標，可供同類工程借鑒。