卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩設計研究

鄢雙紅 萬云輝 孔凡輝 張超

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站擋水建筑物為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高95.5 m，工程區地震基本烈度為Ⅷ度，為目前世界上高地震區在建的最高全斷面軟巖填筑堆石壩，工程建設條件和涉及的技術問題較為復雜。針對瀝青混凝土心墻堆石壩面臨的“地震烈度高、地基巖性軟弱、全斷面軟巖筑壩、合理利用建筑物開挖的軟巖料”等關鍵技術問題，在總結和分析國內外已有類似軟巖填筑堆石壩的基礎上，結合工程的實際特點，科學分析和研究，就壩基處理、壩體分區、軟巖料利用、板結層處理、壩坡設計、心墻與基座連接、抗震設計等方面提出了一些新的設計解決方案和工程解決措施。這些措施的應用確保了工程建設的成功實施，相關設計成果可為今后類似工程提供借鑒。

關 鍵 詞：軟巖; 高地震區; 瀝青混凝土; 心墻堆石壩; 卡洛特水電站

中圖法分類號： TV651

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.021

0 引 言

卡洛特水電站是中巴經濟走廊首個大型水電投資項目，項目位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡東北部卡洛特村。該水電站是吉拉姆河流域5座規劃裝機容量超過500 MW的水電站的第4級，水庫正常蓄水位461 m，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720 MW（4×180 MW），多年平均年發電量32.06億kW·h。按照合同約定，卡洛特水電站按照中國規范進行設計和建造，但設計和施工過程均需經國際工程咨詢公司的審查同意后方可實施。按中國規范[1]，卡洛特水電站大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，為2級水工建筑物，結構安全級別為Ⅱ級。本文主要介紹了卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩在大壩壩基處理、筑壩材料分區、開挖軟巖料利用、軟巖料板結層處理、壩體排水、瀝青混凝土心墻與基座連接、抗震設計等關鍵技術問題及設計應對措施，可為高地震區軟巖筑瀝青混凝土心墻堆石壩提供設計經驗借鑒。

如圖1所示，卡洛特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。壩頂上游側設置有防浪墻，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，護坡塊石均采用強度較高的微新砂巖料。卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩設計過程中，系統分析和借鑒了國內外軟巖筑壩的工程經驗，特別是國外哥倫比亞契伏軟巖筑斜心墻堆石壩[2]、國內魚跳軟巖筑面板堆石壩[3]的成功經驗。

1 壩基處理

根據國內類似工程經驗，在前期設計中，卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩壩體采用與上游全年圍堰相結合、且保留部分河床覆蓋層的設計方案，該設計滿足合同和中國規范的要求，可節省工程投資。但由于卡洛特水電站工程是國際工程，項目業主聘請了澳大利亞雪山咨詢公司擔任項目業主工程師，項目執行過程中，巴基斯坦電監會還聘請了獨立工程師對設計成果開展審查工作，國外咨詢公司不能接受大壩與上游全年圍堰結合及保留部分河床覆蓋層的方案，要求將壩基覆蓋層全部挖除。按照上述要求，卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩清除了大壩壩基范圍內所有覆蓋層，對心墻混凝土基座下部基巖進行全面積固結灌漿，固結灌漿孔雙排布置，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。瀝青混凝土心墻堆石壩壩基防滲帷幕線路沿瀝青混凝土心墻堆石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2.0 m。

2 壩體分區

瀝青混凝土心墻堆石壩筑壩材料分區的目的是在保證大壩安全運行前提下，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，降低工程造價，縮短施工工期。根據一般工程經驗，卡洛特大壩主要由瀝青混凝土心墻（底部設混凝土基座）、過渡層、排水層、堆石Ⅰ區、堆石Ⅱ區、堆石Ⅲ區、排水墊層、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。

大壩壩殼堆石料主要來源于壩址附近的開挖料，其相關設計參數見表1。結合現場碾壓試驗和室內試驗成果，位于上、下游水位變幅區的壩殼堆石Ⅱ區要求最高，要求采用建筑物開挖的微新砂巖料，小于5 mm顆粒含量小于35%，小于0.075 mm顆粒的含量小于5%，級配連續，設計孔隙率為19%，壓實后滲透系數需達到i×10-3 cm/s以上。位于下游干燥區的Ⅲ區要求其次，要求采用微新砂巖料，小于5 mm顆粒含量小于42%，小于0.075 mm顆粒的含量小于5%，級配連續，壓實后滲透系數需達到i×10-3 cm/s以上。位于上游水位以下的堆石Ⅰ區在心墻上游側，且被上游2號渣場覆蓋，壩坡穩定和滲透穩定安全有保障，要求相對較低，采用建筑物開挖的微新砂巖與微新泥質粉砂巖混合料，以及渣場存儲的微新砂巖料，設計要求小于0.075 mm顆粒的含量小于5%，小于5 mm顆粒含量小于42%，級配連續，對滲透系數不做要求。

心墻上游側設置兩層過渡層，下游側設置一層過渡層與一層豎向排水層（兼做過渡層的作用），協調瀝青混凝土心墻與堆石料之間的變形，避免心墻產生裂縫，同時對瀝青混凝土心墻起支撐作用。考慮到方便機械化施工的需要，確定心墻上游過渡層Ⅰ和過渡層Ⅱ水平寬度分別為1.5 m和2.0 m，下游過渡層Ⅰ和豎向排水層水平寬度分別為1.5 m和3.5 m，均采用等寬布置。過渡料和排水料均采用質地致密、具有較高的抗壓強度、抗水性和抗風化能力的砂礫石料，來源于壩址附近的Beor料場和Nara料場。過渡料Ⅰ采用顆粒級配連續的砂礫石料，最大粒徑不超過80 mm，小于5 mm粒徑的含量為25%～35%，小于0.075 mm粒徑含量小于5%，設計相對密度為0.85。過渡料Ⅱ采用顆粒級配連續的砂礫石料，最大粒徑不超過150 mm，小于5 mm粒徑的含量為10%～20%，小于0.075 mm粒徑含量小于5%，設計相對密度為0.85。過渡料壓實后滲透系數需達到i×10-3 cm/s以上。排水料最大粒徑不超過150 mm，篩除粒徑小于5 mm的細顆粒，壓實后滲透系數需達到i×10-1cm/s以上，設計相對密度為0.85。

3 軟巖料利用

卡洛特水電站壩址附近地層主要為N1na2～N1dh1層砂巖及泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層，巖體單軸飽和抗壓強度8～25 MPa，按中國規范[4]，屬較軟巖、軟巖類。與硬巖相比，軟巖往往具有易風化、含泥量高、抗壓強度低和軟化系數小的特點。壩殼堆石料為大壩的主要支撐體，為保證排水通暢和減小壩體的變形，要求堆石料具有低壓縮性、較高的抗剪強度和良好的透水性。利用軟巖料筑堆石壩，通常會帶來不利的影響[5]。如何合理利用壩址區的軟巖堆石料，降低工程造價是瀝青混凝土心墻堆石壩設計的重點。為合理利用軟巖料，設計過程中開展了大量室內試驗，包括壓縮試驗、擊實試驗、滲透試驗和大三軸試驗，獲得了不同巖料詳細的巖土力學參數。

試驗研究成果表明：壩殼堆石料Ⅰ區微新砂巖與泥質粉砂巖混合料（7∶3）在壓實度94%～96%、飽和狀態條件下，0.1～0.2 MPa下的壓縮模量在8.7～15.6 MPa的范圍內，壓縮系數在0.083～0.151 MPa-1范圍內，屬于中等低壓縮性土。堆石料Ⅱ區微新砂巖在同樣條件下的壓縮模量在21.6～26.1 MPa范圍內，壓縮系數在0.061～0.087 MPa-1范圍內，壓縮性有所降低。堆石Ⅲ區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。對壩殼料合理分區，可充分利用軟巖料上壩填筑。

為避免瀝青心墻填筑碾壓過程中的“拱效應”問題，對軟巖堆石壩殼料加強變形控制，采用較高的碾壓密實設計指標，要求堆石Ⅰ區混合料和砂巖料的設計孔隙率分別為21%和19%，堆石Ⅱ區和堆石Ⅲ區設計孔隙率均為19%。

4 板結層處理

軟巖由于本身強度較低，在外荷載作用下容易發生破碎，要控制其細化、板結是非常困難的，極易在填筑碾壓層面形成細化板結層[6]。板結層會造成軟巖堆石料垂直滲透系數小，不利于壩殼堆石料排水。目前施工中主要的方法是挖除，這樣做既不經濟，還影響工期。

卡洛特軟巖堆石料碾壓后板結層厚度為8～15 cm，實測小于5 mm顆粒含量通常超過40%，細顆粒含量高，滲透系數在10-4～10-5 cm/s之間，滲透性差。為此，經綜合研究后決定，采用推土耙處理軟巖料板結層。如圖2所示，推土耙在板結層表面行走，使層面翻起和錯位，以改善板結層滲透性能，同時對表面有一定的翻松作用，有利于與下一填筑層的層面結合，也可使用功能相同的專用工具進行處理。

5 壩坡設計

大壩壩坡的確定原則為：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。

根據壩坡壩料的填筑要求，經多種工況下壩坡穩定計算并參照其他類似工程經驗，確定大壩上游壩坡采用上陡下緩型式，高程435.00 m以上坡比為1∶2.25，高程435.00 m以下坡比為1∶2.85，在高程435.00 m設置寬25 m的平臺，并在高程449.50，415.00 m和395.00 m分別設置寬3.0 m的馬道。下游壩坡采用上緩下陡型式，高程410.00 m以上壩坡比為1∶2.25，高程410.00 m以下壩坡比為1∶2.0，并在下游壩面高程429.50，449.50 m設置寬3.0 m的馬道。下游排水體頂部高程410.00 m平臺寬6.0 m。

6 壩體排水

考慮到軟巖堆石料板結層可能造成壩殼料垂直向滲透性能下降，為及時排出通過瀝青混凝土心墻和壩基滲透進入下游壩體的滲水，在瀝青混凝土心墻下游設置豎向排水層，在壩體下游高程395.90 m及以上兩岸部位設置3.0 m厚水平排水墊層，在水平排水墊層后部壩體設置排水體，排水體頂高程410.00 m，形成“L”形排水系統，以保持下游區壩殼料干燥，及時排出滲水。豎向排水層厚3.5 m，兼做心墻下游過渡層Ⅱ。水平排水墊層厚3.0 m，底部高程395.90 m，上游與心墻下游側排水層相接，下游與排水體相接，排水墊層與下游壩體堆石料接觸面設置0.9 m厚反濾層，以保護排水區不被淤堵。下游排水體頂部高程410.00 m，頂部寬9.0 m，排水體底部高程395.90 m，上游坡比為1∶1.5，下游坡比為1∶2.0，排水體上游和底部分別設置1.5 m和0.9 m厚反濾層。

7 瀝青混凝土心墻與基座連接

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，滿足規范的超高要求[7]。瀝青混凝土心墻為梯形結構，頂部為高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（見圖3）。

工程實際應用中，瀝青混凝土心墻與基巖通過擴大的混凝土基座連接，混凝土基座可設置廊道。瀝青混凝土心墻與基座連接通常采用平面連接和弧形連接兩種結構型式。平面連接結構型式施工簡單，但運行期承受較大上下游水頭差作用時，瀝青混凝土心墻與混凝土基座之間易發生較大的相對位移，從而導致兩者的結合面易發生滲漏。混凝土基座與上部瀝青混凝土心墻之間采用弧形連接結構型式時，瀝青混凝土心墻在垂直壓力作用下，在與混凝土基座的接觸面產生徑向擠壓作用，可減少心墻與混凝土基座之間的上下游錯動，提高防滲體系的可靠性。卡洛特瀝青混凝土心墻與混凝土基座之間采用弧形連接，基座內不設置廊道，相接部位采用半徑為496.7 cm的圓弧設計，為便于施工考慮，弧形面在心墻軸線方向任意位置處均具有相同半徑和相同弦長。

8 抗震設計

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南側，區域內構造活動及地震活動強烈，區域構造穩定性差。中國地震局地質研究所確定的場址區地震基本烈度為Ⅷ度，50 a超越概率10%的基巖水平峰值加速度為0.26g，壩址地震基本烈度按Ⅷ度設計。瀝青混凝土心墻堆石壩設計地震烈度高，設計過程中進行了高壩動力反應特性專題研究，提出有效提高壩體抗震性能的設計及抗震措施，主要包括以下幾個方面：

（1） 預留足夠的壩頂超高。卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩正常蓄水位至壩頂有7.5 m超高，至壩頂防浪墻頂超高有8.7 m，在設計地震作用下，地震涌浪高度按1.5 m計，計算壩頂地震永久沉陷最大值為40.8 cm。壩頂超高可抵御發生地震時可能的地震涌浪和壩體震陷。

（2） 足夠的壩頂寬度和較緩的壩坡。參照中國吉林臺、紫坪鋪[8-9]等強震區已建和在建工程經驗，卡洛特水電站大壩壩頂寬度設計為12.0 m。壩體上游壩坡上陡下緩，坡比為1∶2.25～1∶2.85，下游壩坡上緩下陡，坡比為1∶2.00～1∶2.25，可保證大壩在遭遇設計地震時，堆石體對上游防浪墻的支撐以及大壩壩坡的穩定。

（3） 加強壩面保護。根據壩體三維動力計算成果，大壩下游頂部以下約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，其余上下游壩坡采用干砌塊石保護。

（4） 堆石壩壩體頂部鋪設土工格柵以提高抗震性能。根據類似工程的成功經驗[10-12]，如圖4所示，采用壩體內部鋪設土工格柵，作為抗震措施，取得了較好的效果。土工格柵作為新型土工合成材料，具有施工方便、抗拉強度高、造價低、對堆石體填筑施工影響小等優點。卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩壩體內部上游堆石體455.40 m以上，下游堆石體447.60 m以上設置聚丙烯單拉塑料土工格柵，豎直方向間距1.6 m，以增強壩體堆石料整體性，從而提高大壩的抗震性能。

（5） 卡洛特水電站溢洪道布置6個堰頂高程為439.0 m、孔口尺寸為14 m×22 m的泄洪表孔，以及2個進口底板高程423.0 m、孔口尺寸為9 m×10 m的泄洪排沙孔。按照枯期10月份10 a一遇月平均流量（462 m3/s）計算，庫水位可在8 d內降低至430 m，庫水位從10月上旬至第2年2月底均可維持在431 m以下，大壩具備低水位檢修的條件。

9 結 語

卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩為目前高地震區在建的全斷面軟巖填筑的最高瀝青混凝土心墻堆石壩。瀝青混凝土心墻堆石壩設計過程中面臨“壩址區地震烈度高、地基巖性軟弱、全斷面軟巖筑壩、盡量利用建筑物開挖料”等諸多技術難題，為確保大壩建成后的安全運行，在壩基處理、軟巖料利用、板結層處理、壩體排水、瀝青混凝土心墻與基座連接、抗震措施等方面開展了多項創新設計，可供同類工程借鑒。

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（編輯：鄭 毅）

Design of asphalt concrete core rockfill dam of Karot Hydropower Station

YAN Shuanghong，WAN Yunhui，KONG Fanhui，ZHANG Chao

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

Abstract：

Karot Hydropower Station in Pakistan has asphalt concrete core rockfill dam with maximum dam height of 95.5m and basic seismic intensity of grade Ⅷ，so it is now the highest rockfill dam built with all section soft rock at high seismic area in the world.Its construction conditions and engineering technical problems are complicated，facing key technical issues such as high seismic intensity，weak foundation lithology，full section built by soft rock，appropriately use of excavation materials.Based on the summary and analysis of similar soft rockfill dams at home and abroad and combined with the actual characteristics of this project，we gave some new design solutions and engineering treatments such as dam foundation treatment，dam body division，utilization of soft rock material，treatment of harden layer，dam slope design，connection design between core wall and foundation bed，anti-seismic design.These solutions have been applied in the project and ensured the successful construction，which can provide reference for future similar projects.

Key words：

soft rock;high seismic intensity area;asphalt concrete;core rock fill dam;Karot Hydropower Station