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(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，為目前世界上高地震區(qū)在建的最高全斷面軟巖填筑堆石壩，工程建設(shè)條件和涉及的技術(shù)問題較為復(fù)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(guān)鍵技術(shù)問題，在總結(jié)和分析國內(nèi)外已有類似軟巖填筑堆石壩的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的實際特點，科學(xué)分析和研究，就壩基處理、壩體分區(qū)、軟巖料利用、板結(jié)層處理、壩坡設(shè)計、心墻與基座連接、抗震設(shè)計等方面提出了一些新的設(shè)計解決方案和工程解決措施。這些措施的應(yīng)用確保了工程建設(shè)的成功實施，相關(guān)設(shè)計成果可為今后類似工程提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：軟巖; 高地震區(qū); 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(xiàn)標(biāo)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(jīng)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(guī)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(fā)電任務(wù)的水電站，電站裝機容量720 MW（4×180 MW），多年平均年發(fā)電量32.06億kW·h。按照合同約定，卡洛特水電站按照中國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和建造，但設(shè)計和施工過程均需經(jīng)國際工程咨詢公司的審查同意后方可實施。按中國規(guī)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(jié)構(gòu)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(qū)、開挖軟巖料利用、軟巖料板結(jié)層處理、壩體排水、瀝青混凝土心墻與基座連接、抗震設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)問題及設(shè)計應(yīng)對措施，可為高地震區(qū)軟巖筑瀝青混凝土心墻堆石壩提供設(shè)計經(jīng)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(cè)設(shè)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(fēng)化、保證壩坡穩(wěn)定和增強大壩的抗震能力，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)坡塊石均采用強度較高的微新砂巖料?？逄貫r青混凝土心墻堆石壩設(shè)計過程中，系統(tǒng)分析和借鑒了國內(nèi)外軟巖筑壩的工程經(jīng)驗，特別是國外哥倫比亞契伏軟巖筑斜心墻堆石壩[2]、國內(nèi)魚跳軟巖筑面板堆石壩[3]的成功經(jīng)驗。

1 壩基處理

根據(jù)國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，在前期設(shè)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(jié)合、且保留部分河床覆蓋層的設(shè)計方案，該設(shè)計滿足合同和中國規(guī)范的要求，可節(jié)省工程投資。但由于卡洛特水電站工程是國際工程，項目業(yè)主聘請了澳大利亞雪山咨詢公司擔(dān)任項目業(yè)主工程師，項目執(zhí)行過程中，巴基斯坦電監(jiān)會還聘請了獨立工程師對設(shè)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(jié)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(nèi)所有覆蓋層，對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)灌漿孔雙排布置，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(nèi)延伸，線路全長約700 m。帷幕設(shè)計防滲標(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2.0 m。

2 壩體分區(qū)

瀝青混凝土心墻堆石壩筑壩材料分區(qū)的目的是在保證大壩安全運行前提下，根據(jù)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(jù)一般工程經(jīng)驗，卡洛特大壩主要由瀝青混凝土心墻（底部設(shè)混凝土基座）、過渡層、排水層、堆石Ⅰ區(qū)、堆石Ⅱ區(qū)、堆石Ⅲ區(qū)、排水墊層、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。

大壩壩殼堆石料主要來源于壩址附近的開挖料，其相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。結(jié)合現(xiàn)場碾壓試驗和室內(nèi)試驗成果，位于上、下游水位變幅區(qū)的壩殼堆石Ⅱ區(qū)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(xù)，設(shè)計孔隙率為19%，壓實后滲透系數(shù)需達(dá)到i×10-3 cm/s以上。位于下游干燥區(qū)的Ⅲ區(qū)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(xù)，壓實后滲透系數(shù)需達(dá)到i×10-3 cm/s以上。位于上游水位以下的堆石Ⅰ區(qū)在心墻上游側(cè)，且被上游2號渣場覆蓋，壩坡穩(wěn)定和滲透穩(wěn)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(zhì)粉砂巖混合料，以及渣場存儲的微新砂巖料，設(shè)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(xù)，對滲透系數(shù)不做要求。

心墻上游側(cè)設(shè)置兩層過渡層，下游側(cè)設(shè)置一層過渡層與一層豎向排水層（兼做過渡層的作用），協(xié)調(diào)瀝青混凝土心墻與堆石料之間的變形，避免心墻產(chǎn)生裂縫，同時對瀝青混凝土心墻起支撐作用?？紤]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(zhì)地致密、具有較高的抗壓強度、抗水性和抗風(fēng)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(xù)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(shè)計相對密度為0.85。過渡料Ⅱ采用顆粒級配連續(xù)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(shè)計相對密度為0.85。過渡料壓實后滲透系數(shù)需達(dá)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(xì)顆粒，壓實后滲透系數(shù)需達(dá)到i×10-1cm/s以上，設(shè)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(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，巖體單軸飽和抗壓強度8～25 MPa，按中國規(guī)范[4]，屬較軟巖、軟巖類。與硬巖相比，軟巖往往具有易風(fēng)化、含泥量高、抗壓強度低和軟化系數(shù)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(qū)的軟巖堆石料，降低工程造價是瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計的重點。為合理利用軟巖料，設(shè)計過程中開展了大量室內(nèi)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(xì)的巖土力學(xué)參數(shù)。

試驗研究成果表明：壩殼堆石料Ⅰ區(qū)微新砂巖與泥質(zhì)粉砂巖混合料（7∶3）在壓實度94%～96%、飽和狀態(tài)條件下，0.1～0.2 MPa下的壓縮模量在8.7～15.6 MPa的范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)在0.083～0.151 MPa-1范圍內(nèi)，屬于中等低壓縮性土。堆石料Ⅱ區(qū)微新砂巖在同樣條件下的壓縮模量在21.6～26.1 MPa范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)在0.061～0.087 MPa-1范圍內(nèi)，壓縮性有所降低。堆石Ⅲ區(qū)微新砂巖按照最大干密度的96%控制試驗密度時，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。對壩殼料合理分區(qū)，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(yīng)”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(shè)計指標(biāo)，要求堆石Ⅰ區(qū)混合料和砂巖料的設(shè)計孔隙率分別為21%和19%，堆石Ⅱ區(qū)和堆石Ⅲ區(qū)設(shè)計孔隙率均為19%。

4 板結(jié)層處理

軟巖由于本身強度較低，在外荷載作用下容易發(fā)生破碎，要控制其細(xì)化、板結(jié)是非常困難的，極易在填筑碾壓層面形成細(xì)化板結(jié)層[6]。板結(jié)層會造成軟巖堆石料垂直滲透系數(shù)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(jīng)濟，還影響工期。

卡洛特軟巖堆石料碾壓后板結(jié)層厚度為8～15 cm，實測小于5 mm顆粒含量通常超過40%，細(xì)顆粒含量高，滲透系數(shù)在10-4～10-5 cm/s之間，滲透性差。為此，經(jīng)綜合研究后決定，采用推土耙處理軟巖料板結(jié)層。如圖2所示，推土耙在板結(jié)層表面行走，使層面翻起和錯位，以改善板結(jié)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(jié)合，也可使用功能相同的專用工具進(jìn)行處理。

5 壩坡設(shè)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(zhì)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(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)試驗確定的抗剪強度參數(shù)，通過抗滑穩(wěn)定計算，確定滿足抗滑穩(wěn)定需要的壩體斷面和壩坡。

根據(jù)壩坡壩料的填筑要求，經(jīng)多種工況下壩坡穩(wěn)定計算并參照其他類似工程經(jīng)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(shè)置寬25 m的平臺，并在高程449.50，415.00 m和395.00 m分別設(shè)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(shè)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(jié)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(jìn)入下游壩體的滲水，在瀝青混凝土心墻下游設(shè)置豎向排水層，在壩體下游高程395.90 m及以上兩岸部位設(shè)置3.0 m厚水平排水墊層，在水平排水墊層后部壩體設(shè)置排水體，排水體頂高程410.00 m，形成“L”形排水系統(tǒng)，以保持下游區(qū)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(cè)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(shè)置0.9 m厚反濾層，以保護(hù)排水區(qū)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(shè)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(guī)范的超高要求[7]。瀝青混凝土心墻為梯形結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)型式。平面連接結(jié)構(gòu)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(fā)生較大的相對位移，從而導(dǎo)致兩者的結(jié)合面易發(fā)生滲漏?；炷粱c上部瀝青混凝土心墻之間采用弧形連接結(jié)構(gòu)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(chǎn)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?？逄貫r青混凝土心墻與混凝土基座之間采用弧形連接，基座內(nèi)不設(shè)置廊道，相接部位采用半徑為496.7 cm的圓弧設(shè)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(shè)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(gòu)造南側(cè)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動及地震活動強烈，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。中國地震局地質(zhì)研究所確定的場址區(qū)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(shè)計。瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計地震烈度高，設(shè)計過程中進(jìn)行了高壩動力反應(yīng)特性專題研究，提出有效提高壩體抗震性能的設(shè)計及抗震措施，主要包括以下幾個方面：

（1） 預(yù)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(shè)計地震作用下，地震涌浪高度按1.5 m計，計算壩頂?shù)卣鹩谰贸料葑畲笾禐?0.8 cm。壩頂超高可抵御發(fā)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(qū)已建和在建工程經(jīng)驗，卡洛特水電站大壩壩頂寬度設(shè)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(shè)計地震時，堆石體對上游防浪墻的支撐以及大壩壩坡的穩(wěn)定。

（3） 加強壩面保護(hù)。根據(jù)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(nèi)的壩坡在遭遇設(shè)防地震時，有產(chǎn)生局部滑移失穩(wěn)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(hù)，以增強整體性，其余上下游壩坡采用干砌塊石保護(hù)。

（4） 堆石壩壩體頂部鋪設(shè)土工格柵以提高抗震性能。根據(jù)類似工程的成功經(jīng)驗[10-12]，如圖4所示，采用壩體內(nèi)部鋪設(shè)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(yōu)點?？逄貫r青混凝土心墻堆石壩壩體內(nèi)部上游堆石體455.40 m以上，下游堆石體447.60 m以上設(shè)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(jìn)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(nèi)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(jié) 語

卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩為目前高地震區(qū)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(shè)計過程中面臨“壩址區(qū)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(shù)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(jié)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(chuàng)新設(shè)計，可供同類工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國家能源局.水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)：DL 5180-2003[S].北京：中國電力出版社，2003.

[2] BUENDIA-MARTINEZ J，GOMEZ-JARAMILLO G.The chivor hydroelectric project in colombia[J].Water Power，1974，26（12）：391-399.

[3] 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(xué)院院報，2003，20（12）：41-43.

[4] 建設(shè)部.水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范：GB 50287-1999[S].北京：中國計劃出版社.

[5] 蔣濤，付軍.利用軟巖筑面板堆石壩的應(yīng)用研究[C]∥中國水利學(xué)會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會會議論文集，2005.

[6] 湯洪潔.軟巖筑混凝土面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（5）：37-40，45.

[7] 國家能源局.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范：DL/T 5411[S].北京：中國電力出版社，2009.

[8] 彭衛(wèi)軍，范金勇.吉林臺一級水電站混凝土面板砂礫-堆石壩壩體抗震設(shè)計[J].水力發(fā)電，2006（6）：26-28.

[9] 楊澤艷，張建民，高希章.汶川地震中紫坪鋪面板壩抗震特性初步分析[J].水力發(fā)電，2009（7）：30-33.

[10] 馬家燕.土工格柵應(yīng)用于水工大壩初探[J].四川水力發(fā)電，2007，26（6）：84-85.

[11] 冉從勇，喻暢.淺談土工格柵在高心墻堆石壩抗震設(shè)計中的應(yīng)用[J].水電站設(shè)計，2011，27（2）：5.

[12] 楊星，劉漢龍，余挺，等.高土石壩復(fù)合加筋抗震加固技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2016，36（6）：69-74.

（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