巴基斯坦卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝反滤料设计

张超 岳朝俊 吴超 肖天奇

摘要：软岩填筑堆石坝的坝壳料细颗粒含量多，通常需要进行反滤保护。以卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝反滤料设计为例，详细介绍了软岩填筑堆石坝反滤料设计原理、设计过程和設计步骤，并通过反滤试验验证了设计成果的合理性。该反滤料设计能够有效保护软岩堆石料细颗料，可为其他软岩填筑堆石坝工程反滤设计提供参考。

关键词：沥青混凝土心墙堆石坝;反滤料;软岩;反滤试验;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV41文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.009

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0039 - 04

0 引 言

卡洛特水电站位于巴基斯坦首都伊斯兰堡东北部旁遮普省境内。水库库容1.52亿m3，为单一发电任务的水电站，电站装机容量72万kW（4×180 MW），多年平均年发电量32.06亿kW·h。卡洛特水电站枢纽工程主要包括拦河坝、溢洪道、引水发电系统和导流洞等。该电站拦河坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程469.50 m，坝顶轴线长460.0 m，坝顶宽度12.0 m，最大坝高95.5 m，是目前世界上高地震区在建的最高全断面软岩填筑心墙堆石坝。大坝筑坝堆石料主要来源于溢洪道和引水发电系统的开挖料，岩性为砂岩及泥质粉砂岩等，岩石单轴饱和抗压强度为8～25 MPa，属于较软岩-软岩类。

由于软岩料本身强度较低，在外荷载作用下易发生破碎而在碾压层面形成细化板结层[1-2]。板结层的存在导致软岩堆石料垂直渗透系数小，不利于坝壳堆石料排水。如图1所示，为及时排出通过沥青混凝土心墙和坝基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395.9 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，形成L型排水系统，以保持下游坝体干燥。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厚的反滤层，以保护排水区不被淤堵。下游排水体顶部高程410.0 m，顶部宽9.0 m，底部高程395.9 m。上游坡比为1∶1.5，下游坡比为1：2，排水体上游和底部分别设置1.5 m和0.9 m厚反滤层。排水体与反滤料均要求采用质地致密、抗水性和抗风化性好的材料。卡洛特水电站大坝反滤料采用料场开采并经人工加工生产的砂砾石料。

反滤层的设计主要包括确定反滤层的被保护对象、计算选定反滤层的颗粒级配组成，保证被保护土料不会流失且自身不被被保护土料细颗粒淤堵，反滤料本身应具有足够的透水性和自身稳定性，能使渗透水顺畅排出。

1 保护对象

卡洛特水电站大坝坝壳堆石料主要来源于厂房引水发电隧洞和溢洪道等部位开挖的微新砂岩料，岩性软弱，如图2和图3所示，软岩料经碾压后，细颗粒（小于5 mm）含量普遍超过30%。特别是经碾压后，软岩料在碾压层面形成致密的板结层，经现场试坑检测，软岩堆石料碾压后板结层为8～15 cm，板结层内实测小于5 mm的颗粒含量通常超过40%，细颗粒含量高，渗透系数在10-4～10-5 cm/s之间，渗透性差，需在坝壳堆石料和排水体之间设置反滤料：①防止坝壳堆石料被渗透水流带走，造成大坝的渗透破坏;②防止软岩堆石料细颗粒被渗透水流带入排水体中，导致大坝下游排水系统淤塞，危及大坝安全。由此确定，反滤料的保护对象主要为软岩堆石料的细颗粒部分，需保证其不被渗透水流带走，且不淤堵排水体。

2 反滤料颗粒级配设计

大坝反滤料采用经料场加工的天然砂砾石料，主要用来保护堆石II区的细颗粒以防被渗透水流带走。根据DL/T 5395-2007《碾压式土石坝设计规范》[3]（以下简称“规范”）要求，当反滤料保护的土为无黏性土，且不均匀系数Cu≤5～8时，反滤料的级配按太沙基准则确定：

保土准则

D15/d85≤4～5

透水准则

D15/d15≥5

式中：D15为反滤料的粒径，mm，小于该粒径的土占总土重的15%。d85和d15为被保护土的特征粒径，mm。对于不均匀系数Cu>8的被保护土，宜取Cu≤5～8的细粒部分d85和d15作为计算粒径。对不连续级配的土，应取级配曲线平段以下粒组的d85、d15作为计算的控制粒径进行反滤设计。拟定的堆石II区用于反滤计算的颗粒级配曲线平段部分（<2 mm）组成如表1所示。

根据反滤准则，确定反滤料颗粒粒径D15的取值范围为

D15≤min{4d85}=2.14 mm

D15≥max{5d15}=0.45 mm

反滤层需排出坝体渗水，即反滤层须同时起到排水作用。以最大D15确定反滤料的计算粒径，取反滤料计算粒径D15=2.0 mm。宽级配的反滤料在铺填时容易产生骨料分析现象，分离严重的反滤料将失去保护被保护土的功能，因而反滤料设计需要满足防止骨料分离的准则[3-5]。反滤料D15最大为2.0 mm，最小为0.48 mm，可知反滤料上包线D10<0.5 mm;根据表1确定反粒料最大粒径为20 mm。确定反滤料上包线D15=2.0 mm后，按规范[3]推荐的方法，依次确定D10、D60粒径;根据反滤料级配良好所对应的要求，依次确定反滤料的D30和D85，从而可确定设计的反滤料级配组成，如表2和图4所示。

3 反滤料生产

一般反滤料的来源可以是天然的砂砾石料，也可以是通过机械加工后的其他材料。卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝反滤料设计粒径范围为0～20 mm。

可利用混凝土生产系统进行反滤料生产制备。现场采用混凝土骨料生产系统用的小石（粒径范围0～20 mm）和人工砂或天然砂配制反滤料。前期料场勘察过程揭示，当地天然砂缺少0.5～2.5 mm这一级范围的颗粒，生产的反滤料存在级配间断的情况，级配曲线难以连续;人工砂采用混凝土骨料用砂，生产方法为干法生产，经实际检测，现场生产用人工砂石粉含量超标，尤其是0.1～0.2 mm这一粒径范围，含量偏高，不利于反滤料排水，现场配制的反滤料难以满足设计级配曲线包络范围，如图5所示。采用人工砂和天然砂均难以生产出满足设计级配组成要求的反滤料。为解决上述问题，详细分析了不同材料用量条件下反滤料的级配组成情况，经综合分析后，选用了50∶50的小石∶天然砂生产反滤料，并要求通过反滤试验验证反滤性能。

4 反濾试验

为论证推荐的反滤料生产组合能满足大坝堆石料的反滤保护要求，通过反滤试验进行验证。反滤试验主要包含两部分内容：①试验反滤料自身的渗透稳定性;②试验反滤料对被保护土的反滤保护性能。

反滤料渗透变形试验采用300 mm直径的垂直渗透仪进行试验，试验样品为现场取样，采用50：50的小石：天然砂配制而成;共取2组反滤料样品，现场取样的试样中小于5 mm的颗粒含量为52.5%，按2.02 g/cm3控制装样，渗透系数为（2.04～2.83）×10-3 cm/s，反滤料渗透变形试验成果曲线如图6所示。试验成果表明，起始时刻，下游水面澄清，无明显可见细粒流失。在水力比降J=3.0时，试样翻涌破坏，取前一级比降2.0为反滤料自身临界破坏比降，破坏类型为流土，反滤料自身渗透稳定性较好。

反滤保护试验装样模式和水流方向如图7所示。反滤试验中水流方向自下向上，下游面排水料为临空面。试验过程中，分别测量不同位置的水头，分析各层承担的比降，监测细颗粒的迁移，监测局部渗透比降的变化过程，同时观察下游面排水料的样面状态。试验初期，在较低的稳定供水水位条件下，流量较小，渗透较难稳定;随着上下游水头差逐级增大，由于堆石II料渗透系数显著小于反滤料，渗透比降集中在堆石II料，反滤料承担的渗透比降非常小。反滤试验过程中，未出现渗透变形发展到无法承担水头压力而导致破坏的情况，试验做到被保护土承担的水力比降接近30才结束，此时试样流量仍较小，无明显细颗粒流失现象。试验成果表明，设计推荐的反滤料能对坝壳堆石料起到有效保护作用。

5 结 语

反滤料设计直接关系到大坝安全。本文详细分析了反滤保护对象的特性，科学设计了适用于软岩堆石料的反滤料，并对该反滤料的滤土排水特性进行了试验验证，保证了工程安全。该反滤料设计可为类似工程提供参考。

参考文献：

[1] 蒋涛， 付军. 利用软岩筑面板堆石坝的应用研究[C]//中国水利学会. 利用软岩筑面板堆石坝的应用研究. 北京：中国水利水电出版社， 2005.

[2] 蒋涛， 付军. 鱼跳面板坝软岩坝料爆破开采与试验研究[J]. 长江科学院院报， 2003， 20（增1）：41-43.

[3] DL/T 5395-2007 碾压式土石坝设计规范[S].

[4] 刘玉玺， 张忠辉， 李哲， 等. 喀麦隆曼维莱水电站土石坝心墙反滤设计[J]. 水利水电工程设计， 2017， 36（3）：46-49.

[5] 刘杰， 张雄. 多级配砾石土反滤设计方法试验研究[J]. 岩土工程学报， 1996（6）：5-13.

（编辑：高小雲）

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