巴基斯坦卡洛特水电站围堰设计与施工

岳朝俊 李昊 余胜祥 崔金鹏

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站采用一次拦断河床、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方式，大坝上下游围堰均采用土石围堰。通过对比分析，围堰防渗采用塑性防渗墙接土工膜，数值计算结果表明设计断面的渗流及边坡稳定满足要求。实际施工中，通过合理的施工顺序、成熟的施工工艺保证了围堰施工进度及质量。运行效果验证了上下游围堰设计及施工方案的有效性，也可为其他类似工程提供参考。

关键词：土石围堰;围堰设计;围堰施工;卡洛特水电站;巴基斯坦

1 工程概述

卡洛特水电站地处巴基斯坦境内吉拉姆河畔，为Ⅱ等大（2）型工程，工程为单一发电任务的水电枢纽。水库正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，电站装机容量720 MW。枢纽主要建筑物由沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、电站引水及尾水系统、电站厂房等组成，最大坝高95.5 m。

坝址为典型的“V”型峡谷地形，不具备明渠导流的条件，无法采用分期导流。同时由于水电站大坝为沥青混凝土心墙土石坝，施工要求高，工期紧，汛期坝体过水对坝体结构存在不利影响，不宜采用过水围堰方案[1]。因此，根据水文特性、地形地质条件和枢纽建筑物布置特点，卡洛特水电站采用围堰一次拦断河床、围堰全年挡水、导流隧洞泄流的导流方式[2]。

2 地形地质条件

卡洛特水电站上游及下游围堰枯水期江面宽40～55 m，水深一般4～7 m，堰基河床覆盖层厚8～10 m，下伏基岩主要为N1na4-3-1层-N1na3-3-2层砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩。覆盖层一般具中等-强透水性，强风化基岩一般具弱-中等透水性，弱风化基岩一般具弱透水性，微新基岩多具微透水性。堰基以基岩为主，局部覆盖层厚度较大，无软弱土层分布，稳定性较好，但存在堰基渗漏问题。

3 围堰设计

卡洛特水电站上下游围堰为4级临时建筑物，导流标准采用10 a一遇洪水，相应流量6 740 m3/s。上游围堰设计挡水水位433.20 m，堰顶高程435.00 m;下游围堰设计挡水水位406.00 m，堰顶高程407.50 m。

3.1 堰型选择

工程早期溢洪道等主体建筑物开挖工程量较大，土、石材料丰富，而土石围堰能充分利用当地材料，结构简单，施工方便，又可使用大型施工设备进行高强度堆筑，可在一个枯水期内完建，满足汛期挡水条件，故上、下游围堰均采用土石围堰[3]。

受地形、地质条件及初期导流洞布置制约，围堰防渗不具备水平铺盖条件，且河床覆盖层结构较松散，透水性强，多分布碎块石及少量漂卵石，厚8～10 m。同时考虑到大坝基坑工程量大，施工历时长达1.5 a，为确保基坑边坡稳定，降低基坑排水强度，围堰基础防渗采用技术最可靠的塑性混凝土防渗墙[4]。

堰体防渗形式比较了土工膜心墙与土工膜斜墙两种方案。相比土工膜斜墙，土工膜心墙防渗结构围堰工程量及投资相对较小，防渗心墙与两岸连接结构简单，施工方便[5-6]。土工膜心墙适应围堰变形能力强，不存在抗滑抗浮稳定性要求，结构安全可靠[7]。土工膜心墙防渗缺点是必须在基础防渗墙完工后才能施工，心墙与堰体堆筑施工干扰较大，工期稍长。土工膜计划施工工期3个月，施工进度满足要求。因此采用结构简单、施工方便、投资较省的土工膜心墙防渗。

3.2 围堰断面设计

3.2.1 上游围堰

上游围堰为基础塑性混凝土防渗墙接复合土工膜心墙的土石围堰，堰顶高程435.0 m，堰顶轴线长213.8 m，顶宽10 m，最大堰高约55 m。高程398.5 m以下堰体及堰基采用塑性混凝土防渗墙防渗，塑性混凝土防渗墙厚0.8 m，防渗墙嵌入弱风化岩层深度要求不小于0.5 m[8]。堰体高程398.5 m以上采用复合土工膜心墙防渗，下端埋入混凝土防渗墙顶的混凝土盖帽，上端垂直铺设至高程434.5 m。复合土工膜最大防渗高度36 m，土工膜上下游各设1.5 m宽的砂砾石过渡层。典型断面结构见图1。

3.2.2 下游围堰

下游围堰同样为基础塑性混凝土防渗墙接复合土工膜心墙的土石围堰，堰顶高程407.5 m，堰顶轴线长156.3 m，顶宽10 m，最大堰高约27.5 m。高程396 m以下堰体及堰基采用塑性混凝土防渗墙防渗，防渗墙厚0.8 m，嵌入弱风化岩层深度要求不小于0.5 m。堰体高程396 m以上采用复合土工膜心墙防渗，下端埋入混凝土防渗墙顶的混凝土盖帽，上端垂直铺设至高程407.0 m，最大防渗高度11 m，上下游各设1.5 m宽的砂砾石过渡层。典型断面结构见图2。

3.2.3 设计参数及要点

塑性混凝土防滲墙和复合土工膜的技术指标如下。

（1）塑性混凝土防渗墙的技术指标。抗压强度R28=4～5 MPa，抗折强度T28≥1.5MPa，初始切线弹模E=700～1 500 MPa，渗透系数K<1×10-7cm/s，允许渗透坡降J>100。

（2）复合土工膜的技术指标要求。抗拉强度（经纬向）不小于20 kN/m，渗透系数K=1×10-11～1×10-12cm/s，伸长率>30%。

塑性混凝土防渗墙及复合土工膜的渗透系数都很小，每一种结构都能起到良好的防渗效果，设计中主要考虑两者结合部位以及岸坡段与复合土工膜接触部位不出现渗漏。为此，在河床段防渗墙顶部设置有宽0.8 m、高0.8 m的C20盖帽混凝土，再通过膨胀螺栓、软橡胶片等将复合土工膜固定在常态混凝土墙顶部盖帽中。对于防渗墙顶部以上岸坡段的防渗，在岸坡段弱风化岩面以下开挖底宽2m，顶宽3m，深0.5m的坑槽，底部埋设排距2m，长3m（入岩2.7m）的Φ25插筋，浇筑C20基座混凝土，最后采用膨胀螺栓软橡胶片等将复合土工膜固定在混凝土面上。

3.3 稳定计算分析

对围堰进行了渗透稳定和边坡稳定分析，成果如下。

3.3.1 计算条件

上下游围堰均选取河床段最大堰高剖面作为围堰渗流及稳定分析的计算剖面。围堰主要由块石料、石渣料、防渗体及过渡料等组成，根据岩石物理力学性质参数建议值并参考其他工程经验，确定围堰各部位主要材料物理力学参数见表1。

按照围堰运行条件对上、下游土石围堰进行分析计算，具体计算工况见表2。

3.3.2 渗流稳定计算

渗流分析结果表明，上下游围堰渗透稳定满足要求，具体结果见表3。

3.3.3 边坡稳定计算

围堰的稳定分析方法采用刚体极限平衡法，常用的主要有瑞典圆弧法、简化毕肖普法以及摩根斯顿-普莱斯法等。卡洛特工程上下游围堰边坡稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算结果表明上下游围堰边坡稳定满足要求，上游围堰及下游围堰最不利工况下计算结果见图3和图4，详细计算结果见表4。

4 围堰施工

4.1 防渗墙施工

4.1.1 钻孔施工

上游围堰防渗墙施工平台高程398.5 m，轴线长150.0 m，防渗墙面积2 000 m2，槽孔最大深度约为24.3 m。下游围堰防渗墙施工平台高程396.0 m，轴线长127.9 m，防渗墙面积2 100 m2，槽孔最大深度约为23.2 m。

上下游围堰防渗墙同时施工，各投入6台CZ-8A型冲击钻机造孔。造孔前，需完成施工平台及导向槽。导向槽采用C20混凝土浇筑，中间及底部布设受力钢筋，以提高导向槽的抗弯性能。防渗墙成槽施工采用钻劈法：先使用CZ-8A型冲击钻机钻进至主孔设计孔深，然后劈打副孔，采取聚能爆破法处理钻进过程中遇到的大孤石、块石，陡坡段防渗墙使用槽内钻孔爆破法嵌岩。为了减少重复劈打破碎，劈打副孔时，可在两侧主孔内下设接渣斗。

防渗墙槽段分一、二期施工，墙段连接采用“接头孔套接法”。槽孔采用泥浆护壁，主孔施工以黏土浆为主，副孔施工、清孔换浆采用膨润土泥浆，清孔换浆采用抽筒置换清孔法。

4.1.2 混凝土浇筑

防渗墙槽孔在清孔换浆、接头刷洗后，采用泥浆下直升导管法进行混凝土浇筑，导管开浇顺序为自低处至高处，导管距孔底15～25 cm，压球法开浇。

混凝土防渗墙采用二级配C3～C5混凝土浇筑，入槽坍落度18～22c m，保持15 cm以上时间应不小于1 h;入槽扩散度控制在34～40 cm;初凝时间应不小于6 h，终凝时间不大于24 h。密度不小于2.3 g/cm3，材料用量中，膠凝材料不少于350 kg/m3，水胶比小于0.6。

混凝土采用压球法开浇，在每个导管底部放入隔离塞球。开始浇筑混凝土前，先在导管内注入适量的水泥砂浆，并准备好足够数量的混凝土，确保隔离球塞被挤出后，导管底端可以埋入混凝土内。混凝土必须连续浇筑，槽孔内上升速度应大于2 m/h，并应连续上升至墙顶有效高程。导管埋入混凝土内的深度保持在1～6 m之间，以免泥浆进入导管内产生混浆。浇筑混凝土时，在孔口设置盖板，防止混凝土散落槽孔内。槽孔底部高低不平时，从低处浇起。混凝土浇筑完毕后的顶面应高于顶高程50 cm。

4.2 围堰填筑及土工膜施工

4.2.1 围堰填筑施工

围堰填筑施工方法按照部位不同，主要分为水下抛填与水上分层填筑碾压。

防渗墙平台高程398.5 m（下游396 m）以下，采用水下抛填施工方法，然后在填筑层面用振动碾碾压。首先根据施工图纸在两岸进行填筑分区测量放线，按不同区域分区填筑。在防渗墙部位抛填粒径小于300 mm混合料，以保障防渗墙的钻孔施工;依次向上游方向抛填石渣混合料、石渣料，然后抛大块石防冲;截流堤上游迎水面抛填砂砾石过渡料、石渣混合料;水面以下为抛填，露出水面2m后采用21 t振动碾碾压。

防渗墙平台以上为水上部位，采用分层填筑碾压。首先根据施工图纸测量放线，标明同一水平层填筑分区（从上游向下游）：1m厚干砌块石，石渣混合料，砂砾石过渡料，石渣混合料。溢洪道或坝基开挖石渣混合料采用自卸汽车运至围堰填筑区，铺层厚度80 cm，推土机推平，21 t振动碾碾压8遍，确保压实后干密度大于2.0 g/cm3。在进行石渣混合料铺设的同时，砂砾石过渡料采用0.9 m3挖掘机平料，铺层层厚40 cm，1.5 t振动碾碾压，压实后确保干密度大于2.0 g/cm3。

4.2.2 复合土工膜施工

采用的复合土工膜规格为350 g/1.0 mm/350 g，施工方法如下。

（1）复合土工膜与防渗墙盖帽混凝土和岸坡基座混凝土的连接主要依靠膨胀螺栓。采用电钻在混凝土内钻15 cm深孔，孔内安装长度20 cmΦ16膨胀螺栓，间距30 cm。然后在混凝土面上涂刷沥青，安装软橡胶片，铺设时在复合土工膜上安装软橡胶片和扁钢片，把复合土工膜夹在软橡胶片中间，最后用钢片螺帽固定。

（2）复合土工膜与围堰填筑同步上升。按图纸要求，砂砾石过渡料分层填筑，每填筑40 cm，人工配合挖掘机削坡1∶2，紧贴砂砾石料上铺设复合土工膜。铺设过程中，沿轴线每隔50 m、拐角处及折线等位置设伸缩节。

4.2.3 干砌石护坡施工

石渣混合料与砂砾石过渡料填筑基本同步上升，迎水面干砌石铺设可最后进行。从建筑物开挖料中挑选砌石，用自卸汽车或装载机运输至现场，0.9m3挖掘机配合人工砌筑。砌石时，按施工图纸断面挂线干砌，垫层料作为砌石的辅助调节，上游围堰迎水面干砌石厚1 m，下游围堰迎水面干砌石厚0.5 m。

5 结 语

卡洛特水电站上下游围堰运行期堰后未发现渗漏出水点，上下游围堰均处于安全稳定状态。实践表明，卡洛特水电站上下游围堰堰型选择合理，塑性混凝土防渗墙接复合土工膜的防渗型式实用有效，结构安全可靠，施工工艺成熟。

參考文献：

[1] 袁光裕，胡志根. 水利工程施工[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009.

[2] 郑守仁，王世华，夏仲平，等. 导流截流及围堰工程[M].  北京：中国水利水电出版社，2005.

[3] 林继镛. 水工建筑物[M]. 北京： 中国水利水电出版社，2010.

[4] 王清友，孙万功，熊欢. 塑性混凝土防渗墙[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[5] 张飞，文志颖，朱晓忠，等. 在深厚覆盖层上修建土石围堰的主要技术研究[J]. 水力发电，2018，43（11）：44-47.

[6] 王党在. 复合土工膜防渗体在高土石坝中应用研究[D]. 西安：西安理工大学，2005.

[7] 李波，程永辉，程展林. 围堰防渗墙与复合土工膜联接型式离心模拟实验研究[J]. 岩土工程学报，2012，34（11）：2081-2086.

[8] 梁娟，张有山，王小波. 复杂地质条件下高挡水水头土石围堰设计[J]. 四川水利发电，2018，37（5）：93-95.

（编辑：李晓濛）

Cofferdam design and construction of  Karot Hydropower Station in Pakistan

YUE Chaojun1，LI Hao2，YU Shengxiang1， CUI Jinpeng1

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

2. Yangtze Three Gorges Technology & Economy Development Co.，Ltd.， Beijing 100038 ， China）

Abstract： During the construction period of Karot Hydropower Station， the river was closed at one times， water was retained by rock-fill cofferdams throughout the year， and river flow was released by diversion tunnels. Both the upstream and downstream cofferdams are earth-rock ones and the cofferdam is sealed by a plastic concrete diaphragm wall along with geomembrane after comparison. The numerical analysis results show that the seepage and slope safety of cofferdam design section meet standard requirements. In the construction stage， proper construction sequence and effective construction methodology guaranteed the schedule and quality. The cofferdam operational results proved that the design and construction plans are successful， which can provide a reference for similar projects.

Key words： earth-rock cofferdams; cofferdam design; cofferdam construction; Karot Hydropower Station; Pakistan