巴基斯坦卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩反濾料設計

張超 岳朝俊 吳超 肖天奇

摘要：軟巖填筑堆石壩的壩殼料細顆粒含量多，通常需要進行反濾保護。以卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩反濾料設計為例，詳細介紹了軟巖填筑堆石壩反濾料設計原理、設計過程和設計步驟，并通過反濾試驗驗證了設計成果的合理性。該反濾料設計能夠有效保護軟巖堆石料細顆料，可為其他軟巖填筑堆石壩工程反濾設計提供參考。

關鍵詞：瀝青混凝土心墻堆石壩;反濾料;軟巖;反濾試驗;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV41文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.009

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0039 - 04

0 引 言

卡洛特水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡東北部旁遮普省境內。水庫庫容1.52億m3，為單一發電任務的水電站，電站裝機容量72萬kW（4×180 MW），多年平均年發電量32.06億kW·h。卡洛特水電站樞紐工程主要包括攔河壩、溢洪道、引水發電系統和導流洞等。該電站攔河壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程469.50 m，壩頂軸線長460.0 m，壩頂寬度12.0 m，最大壩高95.5 m，是目前世界上高地震區在建的最高全斷面軟巖填筑心墻堆石壩。大壩筑壩堆石料主要來源于溢洪道和引水發電系統的開挖料，巖性為砂巖及泥質粉砂巖等，巖石單軸飽和抗壓強度為8～25 MPa，屬于較軟巖-軟巖類。

由于軟巖料本身強度較低，在外荷載作用下易發生破碎而在碾壓層面形成細化板結層[1-2]。板結層的存在導致軟巖堆石料垂直滲透系數小，不利于壩殼堆石料排水。如圖1所示，為及時排出通過瀝青混凝土心墻和壩基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395.9 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，形成L型排水系統，以保持下游壩體干燥。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厚的反濾層，以保護排水區不被淤堵。下游排水體頂部高程410.0 m，頂部寬9.0 m，底部高程395.9 m。上游坡比為1∶1.5，下游坡比為1：2，排水體上游和底部分別設置1.5 m和0.9 m厚反濾層。排水體與反濾料均要求采用質地致密、抗水性和抗風化性好的材料。卡洛特水電站大壩反濾料采用料場開采并經人工加工生產的砂礫石料。

反濾層的設計主要包括確定反濾層的被保護對象、計算選定反濾層的顆粒級配組成，保證被保護土料不會流失且自身不被被保護土料細顆粒淤堵，反濾料本身應具有足夠的透水性和自身穩定性，能使滲透水順暢排出。

1 保護對象

卡洛特水電站大壩壩殼堆石料主要來源于廠房引水發電隧洞和溢洪道等部位開挖的微新砂巖料，巖性軟弱，如圖2和圖3所示，軟巖料經碾壓后，細顆粒（小于5 mm）含量普遍超過30%。特別是經碾壓后，軟巖料在碾壓層面形成致密的板結層，經現場試坑檢測，軟巖堆石料碾壓后板結層為8～15 cm，板結層內實測小于5 mm的顆粒含量通常超過40%，細顆粒含量高，滲透系數在10-4～10-5 cm/s之間，滲透性差，需在壩殼堆石料和排水體之間設置反濾料：①防止壩殼堆石料被滲透水流帶走，造成大壩的滲透破壞;②防止軟巖堆石料細顆粒被滲透水流帶入排水體中，導致大壩下游排水系統淤塞，危及大壩安全。由此確定，反濾料的保護對象主要為軟巖堆石料的細顆粒部分，需保證其不被滲透水流帶走，且不淤堵排水體。

2 反濾料顆粒級配設計

大壩反濾料采用經料場加工的天然砂礫石料，主要用來保護堆石II區的細顆粒以防被滲透水流帶走。根據DL/T 5395-2007《碾壓式土石壩設計規范》[3]（以下簡稱“規范”）要求，當反濾料保護的土為無黏性土，且不均勻系數Cu≤5～8時，反濾料的級配按太沙基準則確定：

保土準則

D15/d85≤4～5

透水準則

D15/d15≥5

式中：D15為反濾料的粒徑，mm，小于該粒徑的土占總土重的15%。d85和d15為被保護土的特征粒徑，mm。對于不均勻系數Cu>8的被保護土，宜取Cu≤5～8的細粒部分d85和d15作為計算粒徑。對不連續級配的土，應取級配曲線平段以下粒組的d85、d15作為計算的控制粒徑進行反濾設計。擬定的堆石II區用于反濾計算的顆粒級配曲線平段部分（<2 mm）組成如表1所示。

根據反濾準則，確定反濾料顆粒粒徑D15的取值范圍為

D15≤min{4d85}=2.14 mm

D15≥max{5d15}=0.45 mm

反濾層需排出壩體滲水，即反濾層須同時起到排水作用。以最大D15確定反濾料的計算粒徑，取反濾料計算粒徑D15=2.0 mm。寬級配的反濾料在鋪填時容易產生骨料分析現象，分離嚴重的反濾料將失去保護被保護土的功能，因而反濾料設計需要滿足防止骨料分離的準則[3-5]。反濾料D15最大為2.0 mm，最小為0.48 mm，可知反濾料上包線D10<0.5 mm;根據表1確定反粒料最大粒徑為20 mm。確定反濾料上包線D15=2.0 mm后，按規范[3]推薦的方法，依次確定D10、D60粒徑;根據反濾料級配良好所對應的要求，依次確定反濾料的D30和D85，從而可確定設計的反濾料級配組成，如表2和圖4所示。

3 反濾料生產

一般反濾料的來源可以是天然的砂礫石料，也可以是通過機械加工后的其他材料。卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩反濾料設計粒徑范圍為0～20 mm。

可利用混凝土生產系統進行反濾料生產制備。現場采用混凝土骨料生產系統用的小石（粒徑范圍0～20 mm）和人工砂或天然砂配制反濾料。前期料場勘察過程揭示，當地天然砂缺少0.5～2.5 mm這一級范圍的顆粒，生產的反濾料存在級配間斷的情況，級配曲線難以連續;人工砂采用混凝土骨料用砂，生產方法為干法生產，經實際檢測，現場生產用人工砂石粉含量超標，尤其是0.1～0.2 mm這一粒徑范圍，含量偏高，不利于反濾料排水，現場配制的反濾料難以滿足設計級配曲線包絡范圍，如圖5所示。采用人工砂和天然砂均難以生產出滿足設計級配組成要求的反濾料。為解決上述問題，詳細分析了不同材料用量條件下反濾料的級配組成情況，經綜合分析后，選用了50∶50的小石∶天然砂生產反濾料，并要求通過反濾試驗驗證反濾性能。

4 反濾試驗

為論證推薦的反濾料生產組合能滿足大壩堆石料的反濾保護要求，通過反濾試驗進行驗證。反濾試驗主要包含兩部分內容：①試驗反濾料自身的滲透穩定性;②試驗反濾料對被保護土的反濾保護性能。

反濾料滲透變形試驗采用300 mm直徑的垂直滲透儀進行試驗，試驗樣品為現場取樣，采用50：50的小石：天然砂配制而成;共取2組反濾料樣品，現場取樣的試樣中小于5 mm的顆粒含量為52.5%，按2.02 g/cm3控制裝樣，滲透系數為（2.04～2.83）×10-3 cm/s，反濾料滲透變形試驗成果曲線如圖6所示。試驗成果表明，起始時刻，下游水面澄清，無明顯可見細粒流失。在水力比降J=3.0時，試樣翻涌破壞，取前一級比降2.0為反濾料自身臨界破壞比降，破壞類型為流土，反濾料自身滲透穩定性較好。

反濾保護試驗裝樣模式和水流方向如圖7所示。反濾試驗中水流方向自下向上，下游面排水料為臨空面。試驗過程中，分別測量不同位置的水頭，分析各層承擔的比降，監測細顆粒的遷移，監測局部滲透比降的變化過程，同時觀察下游面排水料的樣面狀態。試驗初期，在較低的穩定供水水位條件下，流量較小，滲透較難穩定;隨著上下游水頭差逐級增大，由于堆石II料滲透系數顯著小于反濾料，滲透比降集中在堆石II料，反濾料承擔的滲透比降非常小。反濾試驗過程中，未出現滲透變形發展到無法承擔水頭壓力而導致破壞的情況，試驗做到被保護土承擔的水力比降接近30才結束，此時試樣流量仍較小，無明顯細顆粒流失現象。試驗成果表明，設計推薦的反濾料能對壩殼堆石料起到有效保護作用。

5 結 語

反濾料設計直接關系到大壩安全。本文詳細分析了反濾保護對象的特性，科學設計了適用于軟巖堆石料的反濾料，并對該反濾料的濾土排水特性進行了試驗驗證，保證了工程安全。該反濾料設計可為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1] 蔣濤， 付軍. 利用軟巖筑面板堆石壩的應用研究[C]//中國水利學會. 利用軟巖筑面板堆石壩的應用研究. 北京：中國水利水電出版社， 2005.

[2] 蔣濤， 付軍. 魚跳面板壩軟巖壩料爆破開采與試驗研究[J]. 長江科學院院報， 2003， 20（增1）：41-43.

[3] DL/T 5395-2007 碾壓式土石壩設計規范[S].

[4] 劉玉璽， 張忠輝， 李哲， 等. 喀麥隆曼維萊水電站土石壩心墻反濾設計[J]. 水利水電工程設計， 2017， 36（3）：46-49.

[5] 劉杰， 張雄. 多級配礫石土反濾設計方法試驗研究[J]. 巖土工程學報， 1996（6）：5-13.

（編輯：高小雲）

Filter design of asphalt concrete core rockfill dam of Karot Hydropower Station in Pakistan

ZHANG Chao，YUE Chaojun ，WU Chao，XIAO Tianqi

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

Abstract： There are large fine particle content in those dam shells of rockfill dams built with soft rocks， so it is necessary to set filter to protect dam shell rockfill material. Taking the design of the filter for Karot asphalt concrete core rockfill dam as an example， this paper describes the design theory， process and steps of the filter for soft rock rockfill dam in details， and the designed results are verified by filter test. This design of filter can protect the dam shell rockfill material effectively and provide a reference for other similar soft rockfill dam projects.

Key words： asphalt concrete core rock fill dam; filter material; soft rock; filter test; Karot Hydropower Station; Pakistan