(長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

中巴經(jīng)濟(jì)走廊首個(gè)水電投資項(xiàng)目卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省境內(nèi)。該電站是吉拉姆河流域規(guī)劃5個(gè)梯級(jí)電站的第4級(jí)，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(fā)電任務(wù)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(jī)容量720 MW(4×180 MW)，保證出力116.1 MW，多年平均年發(fā)電量32.06億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 452 h?？逄厮娬敬髩螢闉r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(qū)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(zhì)條件、合理利用開挖軟巖料、壩坡穩(wěn)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(shè)計(jì)情況，以供類似地質(zhì)條件下堆石壩設(shè)計(jì)參考。

1 樞紐布置方案

按GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[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(fā)電建筑物等主要永久性水工建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，主要和次要水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別均為Ⅱ級(jí)?？裳须A段經(jīng)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(jìn)水口布置在溢洪道引水渠左側(cè)靠近控制段，廠房布置在卡洛特大橋上游；導(dǎo)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(zhì)條件

2.1 區(qū)域構(gòu)造和地震

卡洛特水電站區(qū)域位于喜馬拉雅造山帶及新生帶前緣坳陷等兩大構(gòu)造單元內(nèi)，次級(jí)構(gòu)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(qū)無大的區(qū)域性斷層通過，距離壩址最近的發(fā)震構(gòu)造為穆扎法拉巴德斷裂(MZF)。根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所咨詢報(bào)告，卡洛特場區(qū)50 a超越概率10%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.26g，100 a超越概率2%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.52g，100 a超越概率1%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.61g。根據(jù)NB35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，壩址區(qū)地震基本烈度按Ⅷ度設(shè)計(jì)。

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

2.2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

3 瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

3.1 大壩斷面設(shè)計(jì)

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， 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(shè)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(fēng)化、保證壩坡穩(wěn)定和增強(qiáng)大壩的抗震能力，在大壩上游壩坡表面設(shè)置厚1.2 m的塊石護(hù)坡，下游坡面高程449.5 m以上采用厚1.2 m漿砌石護(hù)坡，高程449.5 m以下采用厚1.2 m的干砌石護(hù)坡；護(hù)坡下設(shè)置厚0.8 m的砂礫石墊層，護(hù)坡塊石采用微新砂巖料，壩體典型剖面及材料分區(qū)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(shè)置寬2.5 m的馬道，并在高程449.5，415 m和395 m分別設(shè)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(shè)置寬3 m的馬道，下游排水體頂部高程410.0 m，平臺(tái)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(jié)合類似工程瀝青心墻的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，瀝青混凝土心墻采用梯形結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，如圖3所示。

3.2 壩基處理

推薦設(shè)計(jì)方案中，要求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)行全面積固結(jié)灌漿。固結(jié)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(jié)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(nèi)延伸，線路全長約700 m。帷幕設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)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(qū)Fig.2 Typical section of Karot asphalt concrete core rockfill dam

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

3.3 筑壩材料

壩體材料分區(qū)主要是在保證大壩安全運(yùn)行的前提條件下，根據(jù)壩體各部位工作和受力條件、填料來源及其強(qiáng)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(jià)，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(zhì)粉砂巖料。堆石Ⅰ區(qū)主要采用渣場轉(zhuǎn)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(zhì)粉砂巖料混合料；堆石Ⅱ區(qū)和堆石III區(qū)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(qiáng)度12.0～30.0 MPa；微新泥質(zhì)粉砂巖的天然塊體平均密度為2.35 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度13.0～15.0 MPa。微新砂巖按照最大干密度的96%控制試驗(yàn)密度時(shí)，飽和狀態(tài)條件下，0.1～0.2 MPa壓力范圍內(nèi)的壓縮模量值為20.9 MPa，壓縮系數(shù)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(zhì)地致密，具有較高抗壓強(qiáng)度、抗水性和抗風(fēng)化能力的河床砂礫石料，料源從Beor料場開采。

4 壩體計(jì)算

4.1 壩體滲流計(jì)算

根據(jù)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(shù)依據(jù)地質(zhì)及試驗(yàn)建議取值，材料分區(qū)及滲透系數(shù)如圖4和表1所示。根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為灌后基巖透水率q≤5 Lu。滲流計(jì)算成果如表2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，不同工況條件下，瀝青混凝土心墻承擔(dān)了絕大部分水頭損失。心墻下游堆石區(qū)和排水墊層滲透比降均小于室內(nèi)試驗(yàn)臨界滲透比降，滿足滲透穩(wěn)定要求，壩體滲流出逸點(diǎn)較低，對(duì)壩體穩(wěn)定較有利。設(shè)計(jì)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(jì)算模型和壩體材料分區(qū)Fig.4 Seepage calculation model and material partition

cm/s

表2 壩體滲流計(jì)算成果Tab.2 Calculation results of dam seepage

4.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)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(zhì)粉砂巖，巖石強(qiáng)度較低，大壩壩坡宜采用相對(duì)較緩的坡比以保證壩坡穩(wěn)定；② 滿足建筑物的抗震要求；③ 根據(jù)壩體填筑料物理力學(xué)試驗(yàn)確定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通過抗滑穩(wěn)定計(jì)算，確定滿足抗滑穩(wěn)定需要的壩體斷面和壩坡。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用計(jì)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(jì)算。根據(jù)卡洛特水電站壩體填料的巖土室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定大壩堆石料的物理力學(xué)參數(shù)見表3。根據(jù)滲流計(jì)算成果，壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)壩體浸潤線確定原則為：上、下游壩體浸潤線水位與對(duì)應(yīng)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(wěn)定滲流計(jì)算成果。大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況和計(jì)算成果見表4，計(jì)算成果如圖5～6所示。

從計(jì)算成果可以看出，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)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(wěn)定安全系數(shù)分別1.26和1.30，能滿足要求。經(jīng)采用0.31g地震加速度復(fù)核，大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.17和1.24，仍能滿足壩坡穩(wěn)定要求。大壩壩坡各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)規(guī)范允許的最小安全系數(shù)，大壩壩坡是穩(wěn)定的。

表3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters for calculating of dam slope stability

圖5 正常蓄水位+設(shè)計(jì)地震(0.26g)上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算Fig.5 Calculated upstream dam slope stability under normal water level +design earthquake(0.26g)

4.3 三維靜動(dòng)力計(jì)算

為深入分析大壩在地震作用下壩體的應(yīng)力與變形情況，對(duì)壩體進(jìn)行了三維靜、動(dòng)力有限元應(yīng)力應(yīng)變分析。計(jì)算時(shí)對(duì)于瀝青混凝土心墻與上下游過渡區(qū)接觸面，采用接觸面單元進(jìn)行模擬，接觸單元采用Mohr-Coulomb接觸模型[3]。靜力計(jì)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(dòng)力計(jì)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(dòng)剪切模量用式(1)計(jì)算：

(1)

表4 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)Tab.4 Calculated safety factors of dam slope stability

圖6 正常蓄水位+設(shè)計(jì)地震(0.26g)下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算Fig.6 Calculated downstream dam slope stability under normal water level +design earthquake(0.26 g)

三維靜力計(jì)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?jí)胃叩?.06%，符合一般土石壩沉降規(guī)律，說明壩體的分區(qū)和填筑設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生撓曲破壞；心墻應(yīng)力水平最大值為0.63，整體受力狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)剪切破壞單元。心墻應(yīng)力變形狀態(tài)較好，不會(huì)發(fā)生剪切破壞，瀝青混凝土心墻處于安全狀態(tài)。

在三維靜力有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力有限元計(jì)算。采用時(shí)程分析法對(duì)大壩進(jìn)行三維動(dòng)力有限元分析，動(dòng)力輸入采用無質(zhì)量彈性地基，地震波分別采用規(guī)范譜人工地震波(規(guī)范波)、場地譜人工地震波(場地波)、印度Koyna地震實(shí)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(yīng)力與該位置的靜應(yīng)力疊加后的計(jì)算成果見表7，地震波作用下的瀝青混凝土心墻最大拉應(yīng)力與靜應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力等值線(單位：MPa)Fig.8 The maximum major principal stress of dam in storage period

在規(guī)范波作用下壩體反應(yīng)最小，Koyna波作用下與場地波作用下的反應(yīng)較為接近。壩體加速度反應(yīng)和動(dòng)位移最大值均出現(xiàn)在壩體頂部。地震波作用下的動(dòng)拉應(yīng)力最大值和靜應(yīng)力疊加后，心墻3個(gè)方向上幾乎全部受壓，僅在局部區(qū)域有少許拉應(yīng)力存在，其最大值約為0.11 MPa，小于瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度。

圖9 蓄水期心墻最大主應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)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(dá)到最大。壩體主要發(fā)生向下游的水平永久位移，最大值發(fā)生在下游坡面的2/3以上部位。場地波設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)地震時(shí)，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(yuǎn)大于發(fā)生地震時(shí)可能產(chǎn)生的地震涌浪和壩體震陷。根據(jù)壩體三維動(dòng)力計(jì)算成果，大壩下游壩頂以下約1/4最大壩高范圍內(nèi)的壩坡在遭遇設(shè)防地震時(shí)，有產(chǎn)生局部滑移失穩(wěn)的可能，因此，對(duì)于高程449.5 m以上的大壩下游壩坡采取漿砌塊石保護(hù)，以增強(qiáng)整體性。并在壩體內(nèi)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(qiáng)壩體堆石料的整體性，提高壩體抗震性能。

圖11 場地波設(shè)計(jì)地震心墻最大動(dòng)拉應(yīng)力與靜應(yīng)力疊加后的應(yīng)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(shè)計(jì)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(jié) 語

卡洛特水電站大壩為目前高地震區(qū)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(jù)開挖料的物理力學(xué)特性和壩體各部位對(duì)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(jì)算各種可能工況下大壩上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定，深入分析大壩在施工期、運(yùn)行期和地震作用下的應(yīng)力和變形，以及大壩的滲流場特性，科學(xué)合理地確定了大壩的斷面、壩體材料分區(qū)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，可供同類工程借鑒。