卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝设计研究

鄢双红 万云辉 孔凡辉 张超

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高95.5 m，工程区地震基本烈度为Ⅷ度，为目前世界上高地震区在建的最高全断面软岩填筑堆石坝，工程建设条件和涉及的技术问题较为复杂。针对沥青混凝土心墙堆石坝面临的“地震烈度高、地基岩性软弱、全断面软岩筑坝、合理利用建筑物开挖的软岩料”等关键技术问题，在总结和分析国内外已有类似软岩填筑堆石坝的基础上，结合工程的实际特点，科学分析和研究，就坝基处理、坝体分区、软岩料利用、板结层处理、坝坡设计、心墙与基座连接、抗震设计等方面提出了一些新的设计解决方案和工程解决措施。这些措施的应用确保了工程建设的成功实施，相关设计成果可为今后类似工程提供借鉴。

关 键 词：软岩; 高地震区; 沥青混凝土; 心墙堆石坝; 卡洛特水电站

中图法分类号： TV651

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.021

0 引 言

卡洛特水电站是中巴经济走廊首个大型水电投资项目，项目位于巴基斯坦首都伊斯兰堡东北部卡洛特村。该水电站是吉拉姆河流域5座规划装机容量超过500 MW的水电站的第4级，水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3。工程为单一发电任务的水电站，电站装机容量720 MW（4×180 MW），多年平均年发电量32.06亿kW·h。按照合同约定，卡洛特水电站按照中国规范进行设计和建造，但设计和施工过程均需经国际工程咨询公司的审查同意后方可实施。按中国规范[1]，卡洛特水电站大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，为2级水工建筑物，结构安全级别为Ⅱ级。本文主要介绍了卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝在大坝坝基处理、筑坝材料分区、开挖软岩料利用、软岩料板结层处理、坝体排水、沥青混凝土心墙与基座连接、抗震设计等关键技术问题及设计应对措施，可为高地震区软岩筑沥青混凝土心墙堆石坝提供设计经验借鉴。

如图1所示，卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝坝顶高程为469.5 m，坝顶轴线长460.0 m，坝顶宽度12.0 m，最大坝高95.5 m。坝顶上游侧设置有防浪墙，防浪墙与沥青混凝土心墙形成防渗整体。为避免坝体堆石料风化、保证坝坡稳定和增强大坝的抗震能力，在大坝上游坝坡表面设置厚1.2 m的块石护坡，下游坡面高程449.5 m以上采用厚1.2 m浆砌石护坡，高程449.5 m以下采用厚1.2 m的干砌石护坡;护坡下设置厚0.8 m的砂砾石垫层，护坡块石均采用强度较高的微新砂岩料。卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝设计过程中，系统分析和借鉴了国内外软岩筑坝的工程经验，特别是国外哥伦比亚契伏软岩筑斜心墙堆石坝[2]、国内鱼跳软岩筑面板堆石坝[3]的成功经验。

1 坝基处理

根据国内类似工程经验，在前期设计中，卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝坝体采用与上游全年围堰相结合、且保留部分河床覆盖层的设计方案，该设计满足合同和中国规范的要求，可节省工程投资。但由于卡洛特水电站工程是国际工程，项目业主聘请了澳大利亚雪山咨询公司担任项目业主工程师，项目执行过程中，巴基斯坦电监会还聘请了独立工程师对设计成果开展审查工作，国外咨询公司不能接受大坝与上游全年围堰结合及保留部分河床覆盖层的方案，要求将坝基覆盖层全部挖除。按照上述要求，卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝清除了大坝坝基范围内所有覆盖层，对心墙混凝土基座下部基岩进行全面积固结灌浆，固结灌浆孔双排布置，孔排距为2.5 m×2.5 m，梅花形布置，两排固结灌浆孔入岩深度分别为10 m和6 m。沥青混凝土心墙堆石坝坝基防渗帷幕线路沿沥青混凝土心墙堆石坝基座轴线向两岸山体内延伸，线路全长约700 m。帷幕设计防渗标准为：高程445 m以下灌后基岩透水率q≤3 Lu;高程445 m以上灌后基岩透水率q≤5 Lu。大坝河床坝段帷幕底线为高程335 m，两岸帷幕底线逐渐抬升至高程445 m。大坝高程445 m以下布置双排帷幕灌浆孔，孔距2.5 m，高程445 m以上布置单排帷幕灌浆孔，孔距2.0 m。

2 坝体分区

沥青混凝土心墙堆石坝筑坝材料分区的目的是在保证大坝安全运行前提下，根据坝体各部位工作和受力条件、填料来源及其强度、渗透性、压缩性等特性，分别提出不同的要求，以充分利用建筑物开挖料，降低工程造价，缩短施工工期。根据一般工程经验，卡洛特大坝主要由沥青混凝土心墙（底部设混凝土基座）、过渡层、排水层、堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区、堆石Ⅲ区、排水垫层、排水体和上下游护坡等组成，从沥青混凝土心墙往上、下游均满足水力过渡的要求。

大坝坝壳堆石料主要来源于坝址附近的开挖料，其相关设计参数见表1。结合现场碾压试验和室内试验成果，位于上、下游水位变幅区的坝壳堆石Ⅱ区要求最高，要求采用建筑物开挖的微新砂岩料，小于5 mm颗粒含量小于35%，小于0.075 mm颗粒的含量小于5%，级配连续，设计孔隙率为19%，压实后渗透系数需达到i×10-3 cm/s以上。位于下游干燥区的Ⅲ区要求其次，要求采用微新砂岩料，小于5 mm颗粒含量小于42%，小于0.075 mm颗粒的含量小于5%，級配连续，压实后渗透系数需达到i×10-3 cm/s以上。位于上游水位以下的堆石Ⅰ区在心墙上游侧，且被上游2号渣场覆盖，坝坡稳定和渗透稳定安全有保障，要求相对较低，采用建筑物开挖的微新砂岩与微新泥质粉砂岩混合料，以及渣场存储的微新砂岩料，设计要求小于0.075 mm颗粒的含量小于5%，小于5 mm颗粒含量小于42%，级配连续，对渗透系数不做要求。

心墙上游侧设置两层过渡层，下游侧设置一层过渡层与一层竖向排水层（兼做过渡层的作用），协调沥青混凝土心墙与堆石料之间的变形，避免心墙产生裂缝，同时对沥青混凝土心墙起支撑作用。考虑到方便机械化施工的需要，确定心墙上游过渡层Ⅰ和过渡层Ⅱ水平宽度分别为1.5 m和2.0 m，下游过渡层Ⅰ和竖向排水层水平宽度分别为1.5 m和3.5 m，均采用等宽布置。过渡料和排水料均采用质地致密、具有较高的抗压强度、抗水性和抗风化能力的砂砾石料，来源于坝址附近的Beor料场和Nara料场。过渡料Ⅰ采用颗粒级配连续的砂砾石料，最大粒径不超过80 mm，小于5 mm粒径的含量为25%～35%，小于0.075 mm粒径含量小于5%，设计相对密度为0.85。过渡料Ⅱ采用颗粒级配连续的砂砾石料，最大粒径不超过150 mm，小于5 mm粒径的含量为10%～20%，小于0.075 mm粒径含量小于5%，设计相对密度为0.85。过渡料压实后渗透系数需达到i×10-3 cm/s以上。排水料最大粒径不超过150 mm，筛除粒径小于5 mm的细颗粒，压实后渗透系数需达到i×10-1cm/s以上，设计相对密度为0.85。

3 软岩料利用

卡洛特水电站坝址附近地层主要为N1na2～N1dh1层砂岩及泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层，岩体单轴饱和抗压强度8～25 MPa，按中国规范[4]，属较软岩、软岩类。与硬岩相比，软岩往往具有易风化、含泥量高、抗压强度低和软化系数小的特点。坝壳堆石料为大坝的主要支撑体，为保证排水通畅和减小坝体的变形，要求堆石料具有低压缩性、较高的抗剪强度和良好的透水性。利用软岩料筑堆石坝，通常会带来不利的影响[5]。如何合理利用坝址区的软岩堆石料，降低工程造价是沥青混凝土心墙堆石坝设计的重点。为合理利用软岩料，设计过程中开展了大量室内试验，包括压缩试验、击实试验、渗透试验和大三轴试验，获得了不同岩料详细的岩土力学参数。

试验研究成果表明：坝壳堆石料Ⅰ区微新砂岩与泥质粉砂岩混合料（7∶3）在压实度94%～96%、饱和状态条件下，0.1～0.2 MPa下的压缩模量在8.7～15.6 MPa的范围内，压缩系数在0.083～0.151 MPa-1范围内，属于中等低压缩性土。堆石料Ⅱ区微新砂岩在同样条件下的压缩模量在21.6～26.1 MPa范围内，压缩系数在0.061～0.087 MPa-1范围内，压缩性有所降低。堆石Ⅲ区微新砂岩按照最大干密度的96%控制试验密度时，饱和状态条件下，0.1～0.2 MPa压力范围内的压缩模量值为20.9 MPa，压缩系数为0.062 MPa-1，具有低压缩性。对坝壳料合理分区，可充分利用软岩料上坝填筑。

为避免沥青心墙填筑碾压过程中的“拱效应”问题，对软岩堆石坝壳料加强变形控制，采用较高的碾压密实设计指标，要求堆石Ⅰ区混合料和砂岩料的设计孔隙率分别为21%和19%，堆石Ⅱ区和堆石Ⅲ区设计孔隙率均为19%。

4 板结层处理

软岩由于本身强度较低，在外荷载作用下容易发生破碎，要控制其细化、板结是非常困难的，极易在填筑碾压层面形成细化板结层[6]。板结层会造成软岩堆石料垂直渗透系数小，不利于坝壳堆石料排水。目前施工中主要的方法是挖除，这样做既不经济，还影响工期。

卡洛特软岩堆石料碾压后板结层厚度为8～15 cm，实测小于5 mm颗粒含量通常超过40%，细颗粒含量高，渗透系数在10-4～10-5 cm/s之间，渗透性差。为此，经综合研究后决定，采用推土耙处理软岩料板结层。如图2所示，推土耙在板结层表面行走，使层面翻起和错位，以改善板结层渗透性能，同时对表面有一定的翻松作用，有利于与下一填筑层的层面结合，也可使用功能相同的专用工具进行处理。

5 坝坡设计

大坝坝坡的确定原则为：① 由于坝体填筑料主要来源于建筑物开挖料中的砂岩和泥质粉砂岩，岩石强度较低，大坝坝坡宜采用相对较缓的坡比以保证坝坡稳定;② 满足建筑物的抗震要求;③ 根据坝体填筑料物理力学试验确定的抗剪强度参数，通过抗滑稳定计算，确定满足抗滑稳定需要的坝体断面和坝坡。

根据坝坡坝料的填筑要求，经多种工况下坝坡稳定计算并参照其他类似工程经验，确定大坝上游坝坡采用上陡下缓型式，高程435.00 m以上坡比为1∶2.25，高程435.00 m以下坡比为1∶2.85，在高程435.00 m设置宽25 m的平台，并在高程449.50，415.00 m和395.00 m分别设置宽3.0 m的马道。下游坝坡采用上缓下陡型式，高程410.00 m以上坝坡比为1∶2.25，高程410.00 m以下坝坡比为1∶2.0，并在下游坝面高程429.50，449.50 m设置宽3.0 m的马道。下游排水体顶部高程410.00 m平台宽6.0 m。

6 坝体排水

考虑到软岩堆石料板结层可能造成坝壳料垂直向渗透性能下降，为及时排出通过沥青混凝土心墙和坝基渗透进入下游坝体的渗水，在沥青混凝土心墙下游设置竖向排水层，在坝体下游高程395.90 m及以上两岸部位设置3.0 m厚水平排水垫层，在水平排水垫层后部坝体设置排水体，排水体顶高程410.00 m，形成“L”形排水系统，以保持下游区坝壳料干燥，及时排出渗水。竖向排水层厚3.5 m，兼做心墙下游过渡层Ⅱ。水平排水垫层厚3.0 m，底部高程395.90 m，上游与心墙下游侧排水层相接，下游与排水体相接，排水垫层与下游坝体堆石料接触面设置0.9 m厚反滤层，以保护排水区不被淤堵。下游排水体顶部高程410.00 m，顶部宽9.0 m，排水体底部高程395.90 m，上游坡比为1∶1.5，下游坡比为1∶2.0，排水体上游和底部分别设置1.5 m和0.9 m厚反滤层。

7 沥青混凝土心墙与基座连接

沥青混凝土心墙顶部高程468.70 m，高于水库校核洪水位467.06 m，满足规范的超高要求[7]。沥青混凝土心墙为梯形结构，顶部为高70 cm的等厚段，厚度為60 cm，向下逐渐加厚，心墙变厚段上下游坡度均为1∶0.004;心墙底部为3 m高的大放脚，大放脚上下游坡度均为1∶0.3（见图3）。

工程实际应用中，沥青混凝土心墙与基岩通过扩大的混凝土基座连接，混凝土基座可设置廊道。沥青混凝土心墙与基座连接通常采用平面连接和弧形连接两种结构型式。平面连接结构型式施工简单，但运行期承受较大上下游水头差作用时，沥青混凝土心墙与混凝土基座之间易发生较大的相对位移，从而导致两者的结合面易发生渗漏。混凝土基座与上部沥青混凝土心墙之间采用弧形连接结构型式时，沥青混凝土心墙在垂直压力作用下，在与混凝土基座的接触面产生径向挤压作用，可减少心墙与混凝土基座之间的上下游错动，提高防渗体系的可靠性。卡洛特沥青混凝土心墙与混凝土基座之间采用弧形连接，基座内不设置廊道，相接部位采用半径为496.7 cm的圆弧设计，为便于施工考虑，弧形面在心墙轴线方向任意位置处均具有相同半径和相同弦长。

8 抗震设计

卡洛特水电站坝址位于印度板块与欧亚板块碰撞形成的喜马拉雅造山带西构造南侧，区域内构造活动及地震活动强烈，区域构造稳定性差。中国地震局地质研究所确定的场址区地震基本烈度为Ⅷ度，50 a超越概率10%的基岩水平峰值加速度为0.26g，坝址地震基本烈度按Ⅷ度设计。沥青混凝土心墙堆石坝设计地震烈度高，设计过程中进行了高坝动力反应特性专题研究，提出有效提高坝体抗震性能的设计及抗震措施，主要包括以下几个方面：

（1） 預留足够的坝顶超高。卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝正常蓄水位至坝顶有7.5 m超高，至坝顶防浪墙顶超高有8.7 m，在设计地震作用下，地震涌浪高度按1.5 m计，计算坝顶地震永久沉陷最大值为40.8 cm。坝顶超高可抵御发生地震时可能的地震涌浪和坝体震陷。

（2） 足够的坝顶宽度和较缓的坝坡。参照中国吉林台、紫坪铺[8-9]等强震区已建和在建工程经验，卡洛特水电站大坝坝顶宽度设计为12.0 m。坝体上游坝坡上陡下缓，坡比为1∶2.25～1∶2.85，下游坝坡上缓下陡，坡比为1∶2.00～1∶2.25，可保证大坝在遭遇设计地震时，堆石体对上游防浪墙的支撑以及大坝坝坡的稳定。

（3） 加强坝面保护。根据坝体三维动力计算成果，大坝下游顶部以下约1/4最大坝高范围内的坝坡在遭遇设防地震时，有产生局部滑移失稳的可能，因此，对于高程449.5 m以上的大坝下游坝坡采取浆砌块石保护，以增强整体性，其余上下游坝坡采用干砌块石保护。

（4） 堆石坝坝体顶部铺设土工格栅以提高抗震性能。根据类似工程的成功经验[10-12]，如图4所示，采用坝体内部铺设土工格栅，作为抗震措施，取得了较好的效果。土工格栅作为新型土工合成材料，具有施工方便、抗拉强度高、造价低、对堆石体填筑施工影响小等优点。卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝坝体内部上游堆石体455.40 m以上，下游堆石体447.60 m以上设置聚丙烯单拉塑料土工格栅，竖直方向间距1.6 m，以增强坝体堆石料整体性，从而提高大坝的抗震性能。

（5） 卡洛特水电站溢洪道布置6个堰顶高程为439.0 m、孔口尺寸为14 m×22 m的泄洪表孔，以及2个进口底板高程423.0 m、孔口尺寸为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）计算，库水位可在8 d内降低至430 m，库水位从10月上旬至第2年2月底均可维持在431 m以下，大坝具备低水位检修的条件。

9 结 语

卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝为目前高地震区在建的全断面软岩填筑的最高沥青混凝土心墙堆石坝。沥青混凝土心墙堆石坝设计过程中面临“坝址区地震烈度高、地基岩性软弱、全断面软岩筑坝、尽量利用建筑物开挖料”等诸多技术难题，为确保大坝建成后的安全运行，在坝基处理、软岩料利用、板结层处理、坝体排水、沥青混凝土心墙与基座连接、抗震措施等方面开展了多项创新设计，可供同类工程借鉴。

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（编辑：郑 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