软岩填筑沥青混凝土心墙堆石坝抗震设计与安全评价

孔凡辉 万云辉 张超 吴超

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高95.5 m，工程场地地震基本烈度为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。采用三维有限元静动力法分析了卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝坝体和心墙的应力分布、变形情况、位移分布，对大坝抗震设计进行了安全复核和评价，并提出了相应的抗震措施。计算结果表明：大坝坝体应力、变形和位移符合一般土石坝的规律; 心墙应力水平低，顺河向位移小，整体受力状态良好，不会发生挠曲和剪切破坏。坝体分区填筑设计和抗震措施是合理的，大坝整体是安全的。抗震设计和安全评价可为类似高地震区沥青混凝土心墙堆石坝设计提供参考。

关键词：堆石坝; 高地震区; 软岩; 抗震设计; 安全评价; 卡洛特水电站; 巴基斯坦

中图法分类号：TV641.4 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.013

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0079 - 05

0 引 言

巴基斯坦卡洛特水电站位于首都伊斯兰堡东北部卡洛特村，是吉拉姆河流域5座规划的装机容量超过50万kW的水电站的第4级。卡洛特水电站大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高95.5 m。根据区域地震调查分析成果，坝址区设计地震水平峰值加速度为0.26 g（50 a超越概率为10%），对应中国规范抗震设计基本烈度为Ⅷ度。卡洛特水电站大坝坝体堆石料填筑主要采用溢洪道、电站引水隧洞等部位开挖的砂岩、泥质粉砂岩，岩体单轴饱和抗压强度普遍在8～25 MPa，岩石强度低，属典型软岩、较软岩。

卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝是目前高地震区在建的最高全断面软岩填筑心墙堆石坝。随着坝工技术的进步，软岩填筑堆石坝越来越常见，软岩堆石体大部分是放在坝轴线下游坝体、次堆石区等非重要区域[1-2]，在高地震区全断面采用软岩填筑土石坝的先例几乎没有，缺少可以借鉴的成熟工程经验。本文介绍了卡洛特沥青混凝土心墙坝的设计，并采用三维有限元分析方法，综合评价了大坝的静、动力安全性，结合分析成果，对高地震区全断面软岩填筑心墙堆石坝进行了抗震设计，提出了相应的抗震措施。

1 大坝设计

大坝设计坝顶高程469.50 m，相应的坝轴线长度为460 m，坝顶处最大宽度12 m，相应最大坝高95.5 m。卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝主要由沥青混凝土心墙、底部混凝土基座、过渡层、排水层、堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区、堆石Ⅲ区、排水体和上、下游块石护坡等组成，如图1所示。大坝从沥青混凝土心墙往上、下游的坝壳料均满足水力过渡的要求。坝顶上游设置有与沥青混凝土心墙结合型式的防浪墙，防渗墙与沥青混凝土心墙组成防渗系统。沥青混凝土心墙上游侧设置两层过渡层，下游侧设置一层过渡层和一层竖向排水层（兼做过渡层的作用），使沥青混凝土心墙与堆石料之间的变形相互适应，同时对沥青混凝土心墙起支撑作用。考虑到机械化施工的需要，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为1.5 m和3.5 m，均采用等宽布置[3-5]。

2 抗震设计和抗震措施

结合三维有限元静动力分析成果和类似高地震区心墙堆石坝抗震设计工程经验，提出了提高坝体抗震性能的设计和抗震措施，主要包括以下几个方面。

（1） 坝顶预留足够的超高。沥青混凝土心墙坝心墙顶部至水库正常蓄水位有7.7 m高差，坝顶防浪墙顶至水库正常蓄水位有8.9 m高差，设计地震涌浪高度按1.5 m考虑，有限元静动力计算确定的大坝地震永久沉陷为40.8 cm，预留足够的坝顶超高以应对发生地震时的坝顶沉陷和可能的涌浪。

（2） 设计相对较缓的坝坡和足够的坝顶宽度。参照紫坪铺水库、吉林台水库[6]等强震区已建和在建工程经验，特别是汶川地震以来总结的工程经验，结合坝坡稳定计算成果，确定卡洛特大坝坝顶宽度为12 m，上游坝坡采用上陡下缓的形式，坡比从1∶2.25变化至1∶2.85。下游坝坡上缓下陡，设计坡比在1∶2.25～1∶2.00之间变化。确保大坝在各种工况下坝坡的稳定性能优良。

（3） 加强上下游坝面保护。结合有限元分析成果，大坝下游坝坡在设计地震工况下，存在产生局部损伤破坏的可能。为此，在大坝下游高程449.5 m以上下游坝坡采用浆砌石护坡进行保护，增加护坡的整体稳定，确保大坝下游坝坡稳定安全。

（4） 采用较高的填筑干密度。工程实践表明：随着干密度的增加，坝料的强度有所增加，坝体的沉降和变形随着干密度的增大而减小，提高土石坝坝体填筑的设计干密度是目前高地震区土石坝采用的方法[7]。同时，较高的填筑干密度可降低沥青心墙填筑碾压过程中的拱效应问题。

（5） 坝体顶部一定范围内设置土工格栅，提高整体抗震性能。根据类似工程经验[8-9]，采用坝体内部铺设施工方便、抗拉强度高、造价低、对堆石体填筑施工影响小的土工格柵，以提高大坝的抗震性能。

3 大坝抗震安全评价

卡洛特水电站坝址附近地震构造活动较为频繁，区域构造稳定性差，地震活动强烈。中国地震局地震研究所经充分研究和论证后，确定工程场地区地震基本烈度为Ⅷ度，50 a超越概率为10%的基岩水平峰值加速度为0.26 g。与国内类似沥青混凝土心墙堆石坝工程相比，工程设计地震烈度高，抗震设计是大坝设计的关键技术难题之一。为科学保障大坝的抗震安全，设计过程中开展三维有限元静动力分析，进而对大坝抗震安全进行评价。

3.1 计算模型

如图2所示，计算模型中，X轴为顺河向，以向下游为正，Y轴为横河向，取向左岸为正;Z轴为竖直向，以向上为正。静力分析中，大坝堆石体采用土力学中常用的E-B模型，沥青混凝土心墙采用E-μ模型模拟。动力分析中，堆石体非线性特性采用等效线性黏-弹性模型进行模拟。沥青混凝土心墙与上下游过渡料以及混凝土基座之间的连接，采用摩尔库伦接触单元模拟。静力计算中，考虑完工期和蓄水期两个工况，并根据实际填筑过程模拟分层填筑与蓄水历程，先进行静力计算，然后将静力计算结果作为时程动力计算的初始条件进行三维动力分析，根据实际填筑碾压情况，逐级加载，考虑实际的蓄水过程[10]。

3.2 计算参数

大坝填筑料静力计算参数根据室内试验成果取值，见表1。沥青混凝土心墙与过渡料、混凝土基座参照类似工程接触面试验的成果，摩尔库伦模型接触面摩擦角取31°，相应摩擦系数约为0.6。沥青混凝土心墙底部C25混凝土基座、泥岩、砂岩均按线弹性材料考虑。堆石料中泥岩弹性模量取试验获得的弹性模量的平均值E=3 GPa，泊松比为0.3，密度为2.32 g/cm3;堆石料砂岩弹性模量取试验获得的弹性模量平均值E=5 GPa，泊松比为0.25，密度为2.32 g/cm3。大坝填筑料动力计算参数动模量和阻尼比参数分别采用室内试验取得的成果。

采用时程分析法对大坝进行三维动力有限元分析。动力计算中，采用无质量弹性地基模型模拟地基，采用规范推荐[11]的规范谱地震波、场地谱地震波（场地波）、印度Koyna地震实测波进行地震波输入的地震模拟分析。计算分析时，地震竖向加速度采用相应水平向加速度的2/3模拟，地震动模拟持续时间20 s，每个荷载步时间间隔0.01 s。卡洛特水电站沥青混凝土心墙堆石坝抗震设防类别为乙类，设计基岩峰值水平加速度0.26 g，对壅水建筑物大坝同时采用0.31 g进行安全复核。

3.3 计算成果

三维静力计算成果如表2和图3～6所示，计算成果表明：蓄水后坝体的竖向位移最大值约为101 cm，约占最大坝高的1.06%，与一般土石坝工程沉降规律吻合，这表明坝体的分区和填筑设计是合理的。蓄水后沥青混凝土心墙沿X轴正向（顺河向）最大位移值14.8 cm，最大挠跨比约为0.15%，沥青心墙不会发生挠曲破坏。沥青心墙应力水平最大值为0.63（表3），受力状态良好，有限元分析时未发现剪切破坏单元。心墙应力变形状态较好，不会发生剪切破坏，各种工况下沥青混凝土心墙均处于安全状态。

结合静力分析成果，开展三维有限元时程法动力分析，按计算输入的3种地震波作用下大坝动位移最大值如表4所示。计算结果表明：不同地震波作用下计算的动位移均随着坝体的高程增加而增加，在坝顶处最大。在规范谱地震波作用下，大坝顺河向最大位移为7.6 cm，沿横河向最大位移为5.8 cm，沿竖直向位移最大值为2.5 cm;在场地谱地震波作用下，大坝顺河向最大位移为12.5 cm，沿横河向最大位移为为9.3 cm，沿竖直向位移最大值为3.4 cm;在Koyna地震波作用下，大坝顺河向最大位移为12.2 cm，沿横河向最大位移为为9.4 cm，沿竖直向位移最大值为3.2 cm。

3种不同地震波作用下大坝不同位置应力与该位置的静应力叠加后的计算成果見表5，地震波作用下的沥青混凝土心墙最大拉应力与静应力叠加后的拉应力最大值分布如图7所示。计算结果表明：规范谱地震波作用下，沥青混凝土心墙堆石坝动力效应最小，采用场地谱地震波和Koyna波模拟的结果基本接近。

上述计算结果表明：坝体地震动加速度作用的反应和地震动位移最大值均出现在大坝坝顶，叠加有限元静应力和地震作用动拉应力后，沥青心墙在3个方向上均表现为受压的状态，仅在结构形状突变等小范围表现出拉应力，且最大拉应力值约0.11 MPa，小于沥青混凝土的抗拉强度，这表明沥青混凝土心墙不会出现拉应力破坏。大坝在地震作用下的坝体永久变形如表6所示，大坝在地震作用下的坝体永久变形情况如图8所示。计算结果表明：大坝地震作用震陷位移根据高程增加而增大，在坝顶位置出现最大值。坝体主要发生向下游的顺河向位移，其最大值发生在下游坡面约2/3坝高的位置。场地地震波作用下坝体最大震陷位移约为32.4 cm，顺河向水平位移最大值约18.4 cm。大坝在各种地震工况下均是安全的。

4 结 语

卡洛特沥青混凝土心墙堆石坝是目前高地震区设计建造的首座全断面软岩填筑沥青混凝土心墙堆石坝。本文采用三维有限元分析方法对软岩填筑心墙堆石坝地震作用下的变形、位移和应力状况进行了系统研究。分析成果表明：蓄水期坝体的竖向位移最大值为101.0 cm，占坝高的1.06%;蓄水后，沥青混凝土心墙沿顺河向位移最大值约为14.8 cm，最大挠跨比约为0.15%，沥青混凝土心墙应力水平最大值为0.63，不会发生挠曲和剪切破坏，大坝的地震响应符合一般土石坝工程的规律，在设计地震作用下，大坝是安全的。根据抗震计算分析成果，设计提出的适合高地震区软岩填筑堆石坝的抗震设计和抗震措施，可为类似工程提供借鉴。

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[11] NB 35047-2015 水电工程水工建筑物抗震设计规范[S].

（编辑：李 慧）

Seismic design and safety evaluation of soft rock filled asphalt concrete core rockfill dam： a case of Karot Hydropower Station in Pakistan

KONG Fanhui，WAN Yunhui，ZHANG Chao，WU Chao

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research， Co. Ltd.，Wuhan 430071， China）

Abstract： The asphalt concrete core rockfill dam of Karot Hydropower Station in Pakistan is 95.5m-high， which is the highest rock rockfill dam with whole section of soft rock built in high seismic area， and the basic seismic intensity of the project site is grade VIII. Three-dimensional finite element method was used to analyze the stress， deformation， displacement of dam body and asphalt core wall and the safety review and evaluation of the dam seismic design were carried out， and the corresponding seismic measures were put forward. The calculation results showed that the stress， deformation and displacement of the dam complies with the general laws of earth-rock dam; the stress level of the core wall is low， the displacement along the river of the core wall is small， and the overall stress state is good， the deflection and shear failure will not occur. The zoning filling design and seismic measures are reasonable， and the dam is safe. The seismic design and safety evaluation can provide reference for the design of asphalt concrete core rockfill dam in similar high seismic areas.

Key words： rockfill dam; high seismic intensity area; soft rock; seismic design; safety evaluation; Karot Hydropower Station; Pakistan