張超 岳朝俊 吳超 肖天奇

摘要：軟巖填筑堆石壩的壩殼料細(xì)顆粒含量多，通常需要進(jìn)行反濾保護(hù)。以卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩反濾料設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了軟巖填筑堆石壩反濾料設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)步驟，并通過(guò)反濾試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)成果的合理性。該反濾料設(shè)計(jì)能夠有效保護(hù)軟巖堆石料細(xì)顆料，可為其他軟巖填筑堆石壩工程反濾設(shè)計(jì)提供參考。

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

中圖法分類號(hào)：TV41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.009

文章編號(hào)：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(nèi)。水庫(kù)庫(kù)容1.52億m3，為單一發(fā)電任務(wù)的水電站，電站裝機(jī)容量72萬(wàn)kW（4×180 MW），多年平均年發(fā)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(fā)電系統(tǒng)和導(dǎo)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(zhǎng)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(qū)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(lái)源于溢洪道和引水發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)挖料，巖性為砂巖及泥質(zhì)粉砂巖等，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為8～25 MPa，屬于較軟巖-軟巖類。

由于軟巖料本身強(qiáng)度較低，在外荷載作用下易發(fā)生破碎而在碾壓層面形成細(xì)化板結(jié)層[1-2]。板結(jié)層的存在導(dǎo)致軟巖堆石料垂直滲透系數(shù)小，不利于壩殼堆石料排水。如圖1所示，為及時(shí)排出通過(guò)瀝青混凝土心墻和壩基進(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395.9 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，形成L型排水系統(tǒng)，以保持下游壩體干燥。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厚的反濾層，以保護(hù)排水區(qū)不被淤堵。下游排水體頂部高程410.0 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(shè)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(zhì)地致密、抗水性和抗風(fēng)化性好的材料?？逄厮娬敬髩畏礊V料采用料場(chǎng)開(kāi)采并經(jīng)人工加工生產(chǎn)的砂礫石料。

反濾層的設(shè)計(jì)主要包括確定反濾層的被保護(hù)對(duì)象、計(jì)算選定反濾層的顆粒級(jí)配組成，保證被保護(hù)土料不會(huì)流失且自身不被被保護(hù)土料細(xì)顆粒淤堵，反濾料本身應(yīng)具有足夠的透水性和自身穩(wěn)定性，能使?jié)B透水順暢排出。

1 保護(hù)對(duì)象

卡洛特水電站大壩壩殼堆石料主要來(lái)源于廠房引水發(fā)電隧洞和溢洪道等部位開(kāi)挖的微新砂巖料，巖性軟弱，如圖2和圖3所示，軟巖料經(jīng)碾壓后，細(xì)顆粒（小于5 mm）含量普遍超過(guò)30%。特別是經(jīng)碾壓后，軟巖料在碾壓層面形成致密的板結(jié)層，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試坑檢測(cè)，軟巖堆石料碾壓后板結(jié)層為8～15 cm，板結(jié)層內(nèi)實(shí)測(cè)小于5 mm的顆粒含量通常超過(guò)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，需在壩殼堆石料和排水體之間設(shè)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(xì)顆粒被滲透水流帶入排水體中，導(dǎo)致大壩下游排水系統(tǒng)淤塞，危及大壩安全。由此確定，反濾料的保護(hù)對(duì)象主要為軟巖堆石料的細(xì)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(jí)配設(shè)計(jì)

大壩反濾料采用經(jīng)料場(chǎng)加工的天然砂礫石料，主要用來(lái)保護(hù)堆石II區(qū)的細(xì)顆粒以防被滲透水流帶走。根據(jù)DL/T 5395-2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）要求，當(dāng)反濾料保護(hù)的土為無(wú)黏性土，且不均勻系數(shù)Cu≤5～8時(shí)，反濾料的級(jí)配按太沙基準(zhǔn)則確定：

保土準(zhǔn)則

D15/d85≤4～5

透水準(zhǔn)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(hù)土的特征粒徑，mm。對(duì)于不均勻系數(shù)Cu>8的被保護(hù)土，宜取Cu≤5～8的細(xì)粒部分d85和d15作為計(jì)算粒徑。對(duì)不連續(xù)級(jí)配的土，應(yīng)取級(jí)配曲線平段以下粒組的d85、d15作為計(jì)算的控制粒徑進(jìn)行反濾設(shè)計(jì)。擬定的堆石II區(qū)用于反濾計(jì)算的顆粒級(jí)配曲線平段部分（<2 mm）組成如表1所示。

根據(jù)反濾準(zhǔn)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(shí)起到排水作用。以最大D15確定反濾料的計(jì)算粒徑，取反濾料計(jì)算粒徑D15=2.0 mm。寬級(jí)配的反濾料在鋪填時(shí)容易產(chǎn)生骨料分析現(xiàn)象，分離嚴(yán)重的反濾料將失去保護(hù)被保護(hù)土的功能，因而反濾料設(shè)計(jì)需要滿足防止骨料分離的準(zhǔn)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(jù)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(guī)范[3]推薦的方法，依次確定D10、D60粒徑;根據(jù)反濾料級(jí)配良好所對(duì)應(yīng)的要求，依次確定反濾料的D30和D85，從而可確定設(shè)計(jì)的反濾料級(jí)配組成，如表2和圖4所示。

3 反濾料生產(chǎn)

一般反濾料的來(lái)源可以是天然的砂礫石料，也可以是通過(guò)機(jī)械加工后的其他材料?？逄厮娬緸r青混凝土心墻堆石壩反濾料設(shè)計(jì)粒徑范圍為0～20 mm。

可利用混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行反濾料生產(chǎn)制備?，F(xiàn)場(chǎng)采用混凝土骨料生產(chǎn)系統(tǒng)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(chǎng)勘察過(guò)程揭示，當(dāng)?shù)靥烊簧叭鄙?.5～2.5 mm這一級(jí)范圍的顆粒，生產(chǎn)的反濾料存在級(jí)配間斷的情況，級(jí)配曲線難以連續(xù);人工砂采用混凝土骨料用砂，生產(chǎn)方法為干法生產(chǎn)，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)用人工砂石粉含量超標(biāo)，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(xiàn)場(chǎng)配制的反濾料難以滿足設(shè)計(jì)級(jí)配曲線包絡(luò)范圍，如圖5所示。采用人工砂和天然砂均難以生產(chǎn)出滿足設(shè)計(jì)級(jí)配組成要求的反濾料。為解決上述問(wèn)題，詳細(xì)分析了不同材料用量條件下反濾料的級(jí)配組成情況，經(jīng)綜合分析后，選用了50∶50的小石∶天然砂生產(chǎn)反濾料，并要求通過(guò)反濾試驗(yàn)驗(yàn)證反濾性能。

4 反濾試驗(yàn)

為論證推薦的反濾料生產(chǎn)組合能滿足大壩堆石料的反濾保護(hù)要求，通過(guò)反濾試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。反濾試驗(yàn)主要包含兩部分內(nèi)容：①試驗(yàn)反濾料自身的滲透穩(wěn)定性;②試驗(yàn)反濾料對(duì)被保護(hù)土的反濾保護(hù)性能。

反濾料滲透變形試驗(yàn)采用300 mm直徑的垂直滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品為現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)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(shù)為（2.04～2.83）×10-3 cm/s，反濾料滲透變形試驗(yàn)成果曲線如圖6所示。試驗(yàn)成果表明，起始時(shí)刻，下游水面澄清，無(wú)明顯可見(jiàn)細(xì)粒流失。在水力比降J=3.0時(shí)，試樣翻涌破壞，取前一級(jí)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(wěn)定性較好。

反濾保護(hù)試驗(yàn)裝樣模式和水流方向如圖7所示。反濾試驗(yàn)中水流方向自下向上，下游面排水料為臨空面。試驗(yàn)過(guò)程中，分別測(cè)量不同位置的水頭，分析各層承擔(dān)的比降，監(jiān)測(cè)細(xì)顆粒的遷移，監(jiān)測(cè)局部滲透比降的變化過(guò)程，同時(shí)觀察下游面排水料的樣面狀態(tài)。試驗(yàn)初期，在較低的穩(wěn)定供水水位條件下，流量較小，滲透較難穩(wěn)定;隨著上下游水頭差逐級(jí)增大，由于堆石II料滲透系數(shù)顯著小于反濾料，滲透比降集中在堆石II料，反濾料承擔(dān)的滲透比降非常小。反濾試驗(yàn)過(guò)程中，未出現(xiàn)滲透變形發(fā)展到無(wú)法承擔(dān)水頭壓力而導(dǎo)致破壞的情況，試驗(yàn)做到被保護(hù)土承擔(dān)的水力比降接近30才結(jié)束，此時(shí)試樣流量仍較小，無(wú)明顯細(xì)顆粒流失現(xiàn)象。試驗(yàn)成果表明，設(shè)計(jì)推薦的反濾料能對(duì)壩殼堆石料起到有效保護(hù)作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

反濾料設(shè)計(jì)直接關(guān)系到大壩安全。本文詳細(xì)分析了反濾保護(hù)對(duì)象的特性，科學(xué)設(shè)計(jì)了適用于軟巖堆石料的反濾料，并對(duì)該反濾料的濾土排水特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，保證了工程安全。該反濾料設(shè)計(jì)可為類似工程提供參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

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