巴基斯坦卡洛特水電站圍堰設計與施工

岳朝俊 李昊 余勝祥 崔金鵬

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站采用一次攔斷河床、圍堰全年擋水、導流隧洞泄流的導流方式，大壩上下游圍堰均采用土石圍堰。通過對比分析，圍堰防滲采用塑性防滲墻接土工膜，數(shù)值計算結果表明設計斷面的滲流及邊坡穩(wěn)定滿足要求。實際施工中，通過合理的施工順序、成熟的施工工藝保證了圍堰施工進度及質量。運行效果驗證了上下游圍堰設計及施工方案的有效性，也可為其他類似工程提供參考。

關鍵詞：土石圍堰;圍堰設計;圍堰施工;卡洛特水電站;巴基斯坦

1 工程概述

卡洛特水電站地處巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河畔，為Ⅱ等大（2）型工程，工程為單一發(fā)電任務的水電樞紐。水庫正常蓄水位461 m，正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機容量720 MW。樞紐主要建筑物由瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、電站引水及尾水系統(tǒng)、電站廠房等組成，最大壩高95.5 m。

壩址為典型的“V”型峽谷地形，不具備明渠導流的條件，無法采用分期導流。同時由于水電站大壩為瀝青混凝土心墻土石壩，施工要求高，工期緊，汛期壩體過水對壩體結構存在不利影響，不宜采用過水圍堰方案[1]。因此，根據(jù)水文特性、地形地質條件和樞紐建筑物布置特點，卡洛特水電站采用圍堰一次攔斷河床、圍堰全年擋水、導流隧洞泄流的導流方式[2]。

2 地形地質條件

卡洛特水電站上游及下游圍堰枯水期江面寬40～55 m，水深一般4～7 m，堰基河床覆蓋層厚8～10 m，下伏基巖主要為N1na4-3-1層-N1na3-3-2層砂巖、泥質粉砂巖及粉砂質泥巖。覆蓋層一般具中等-強透水性，強風化基巖一般具弱-中等透水性，弱風化基巖一般具弱透水性，微新基巖多具微透水性。堰基以基巖為主，局部覆蓋層厚度較大，無軟弱土層分布，穩(wěn)定性較好，但存在堰基滲漏問題。

3 圍堰設計

卡洛特水電站上下游圍堰為4級臨時建筑物，導流標準采用10 a一遇洪水，相應流量6 740 m3/s。上游圍堰設計擋水水位433.20 m，堰頂高程435.00 m;下游圍堰設計擋水水位406.00 m，堰頂高程407.50 m。

3.1 堰型選擇

工程早期溢洪道等主體建筑物開挖工程量較大，土、石材料豐富，而土石圍堰能充分利用當?shù)夭牧?，結構簡單，施工方便，又可使用大型施工設備進行高強度堆筑，可在一個枯水期內(nèi)完建，滿足汛期擋水條件，故上、下游圍堰均采用土石圍堰[3]。

受地形、地質條件及初期導流洞布置制約，圍堰防滲不具備水平鋪蓋條件，且河床覆蓋層結構較松散，透水性強，多分布碎塊石及少量漂卵石，厚8～10 m。同時考慮到大壩基坑工程量大，施工歷時長達1.5 a，為確保基坑邊坡穩(wěn)定，降低基坑排水強度，圍堰基礎防滲采用技術最可靠的塑性混凝土防滲墻[4]。

堰體防滲形式比較了土工膜心墻與土工膜斜墻兩種方案。相比土工膜斜墻，土工膜心墻防滲結構圍堰工程量及投資相對較小，防滲心墻與兩岸連接結構簡單，施工方便[5-6]。土工膜心墻適應圍堰變形能力強，不存在抗滑抗浮穩(wěn)定性要求，結構安全可靠[7]。土工膜心墻防滲缺點是必須在基礎防滲墻完工后才能施工，心墻與堰體堆筑施工干擾較大，工期稍長。土工膜計劃施工工期3個月，施工進度滿足要求。因此采用結構簡單、施工方便、投資較省的土工膜心墻防滲。

3.2 圍堰斷面設計

3.2.1 上游圍堰

上游圍堰為基礎塑性混凝土防滲墻接復合土工膜心墻的土石圍堰，堰頂高程435.0 m，堰頂軸線長213.8 m，頂寬10 m，最大堰高約55 m。高程398.5 m以下堰體及堰基采用塑性混凝土防滲墻防滲，塑性混凝土防滲墻厚0.8 m，防滲墻嵌入弱風化巖層深度要求不小于0.5 m[8]。堰體高程398.5 m以上采用復合土工膜心墻防滲，下端埋入混凝土防滲墻頂?shù)幕炷辽w帽，上端垂直鋪設至高程434.5 m。復合土工膜最大防滲高度36 m，土工膜上下游各設1.5 m寬的砂礫石過渡層。典型斷面結構見圖1。

3.2.2 下游圍堰

下游圍堰同樣為基礎塑性混凝土防滲墻接復合土工膜心墻的土石圍堰，堰頂高程407.5 m，堰頂軸線長156.3 m，頂寬10 m，最大堰高約27.5 m。高程396 m以下堰體及堰基采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻厚0.8 m，嵌入弱風化巖層深度要求不小于0.5 m。堰體高程396 m以上采用復合土工膜心墻防滲，下端埋入混凝土防滲墻頂?shù)幕炷辽w帽，上端垂直鋪設至高程407.0 m，最大防滲高度11 m，上下游各設1.5 m寬的砂礫石過渡層。典型斷面結構見圖2。

3.2.3 設計參數(shù)及要點

塑性混凝土防滲墻和復合土工膜的技術指標如下。

（1）塑性混凝土防滲墻的技術指標?？箟簭姸萊28=4～5 MPa，抗折強度T28≥1.5MPa，初始切線彈模E=700～1 500 MPa，滲透系數(shù)K<1×10-7cm/s，允許滲透坡降J>100。

（2）復合土工膜的技術指標要求?？估瓘姸龋ń?jīng)緯向）不小于20 kN/m，滲透系數(shù)K=1×10-11～1×10-12cm/s，伸長率>30%。

塑性混凝土防滲墻及復合土工膜的滲透系數(shù)都很小，每一種結構都能起到良好的防滲效果，設計中主要考慮兩者結合部位以及岸坡段與復合土工膜接觸部位不出現(xiàn)滲漏。為此，在河床段防滲墻頂部設置有寬0.8 m、高0.8 m的C20蓋帽混凝土，再通過膨脹螺栓、軟橡膠片等將復合土工膜固定在常態(tài)混凝土墻頂部蓋帽中。對于防滲墻頂部以上岸坡段的防滲，在岸坡段弱風化巖面以下開挖底寬2m，頂寬3m，深0.5m的坑槽，底部埋設排距2m，長3m（入巖2.7m）的Φ25插筋，澆筑C20基座混凝土，最后采用膨脹螺栓軟橡膠片等將復合土工膜固定在混凝土面上。

3.3 穩(wěn)定計算分析

對圍堰進行了滲透穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定分析，成果如下。

3.3.1 計算條件

上下游圍堰均選取河床段最大堰高剖面作為圍堰滲流及穩(wěn)定分析的計算剖面。圍堰主要由塊石料、石渣料、防滲體及過渡料等組成，根據(jù)巖石物理力學性質參數(shù)建議值并參考其他工程經(jīng)驗，確定圍堰各部位主要材料物理力學參數(shù)見表1。

按照圍堰運行條件對上、下游土石圍堰進行分析計算，具體計算工況見表2。

3.3.2 滲流穩(wěn)定計算

滲流分析結果表明，上下游圍堰滲透穩(wěn)定滿足要求，具體結果見表3。

3.3.3 邊坡穩(wěn)定計算

圍堰的穩(wěn)定分析方法采用剛體極限平衡法，常用的主要有瑞典圓弧法、簡化畢肖普法以及摩根斯頓-普萊斯法等。卡洛特工程上下游圍堰邊坡穩(wěn)定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，計算結果表明上下游圍堰邊坡穩(wěn)定滿足要求，上游圍堰及下游圍堰最不利工況下計算結果見圖3和圖4，詳細計算結果見表4。

4 圍堰施工

4.1 防滲墻施工

4.1.1 鉆孔施工

上游圍堰防滲墻施工平臺高程398.5 m，軸線長150.0 m，防滲墻面積2 000 m2，槽孔最大深度約為24.3 m。下游圍堰防滲墻施工平臺高程396.0 m，軸線長127.9 m，防滲墻面積2 100 m2，槽孔最大深度約為23.2 m。

上下游圍堰防滲墻同時施工，各投入6臺CZ-8A型沖擊鉆機造孔。造孔前，需完成施工平臺及導向槽。導向槽采用C20混凝土澆筑，中間及底部布設受力鋼筋，以提高導向槽的抗彎性能。防滲墻成槽施工采用鉆劈法：先使用CZ-8A型沖擊鉆機鉆進至主孔設計孔深，然后劈打副孔，采取聚能爆破法處理鉆進過程中遇到的大孤石、塊石，陡坡段防滲墻使用槽內(nèi)鉆孔爆破法嵌巖。為了減少重復劈打破碎，劈打副孔時，可在兩側主孔內(nèi)下設接渣斗。

防滲墻槽段分一、二期施工，墻段連接采用“接頭孔套接法”。槽孔采用泥漿護壁，主孔施工以黏土漿為主，副孔施工、清孔換漿采用膨潤土泥漿，清孔換漿采用抽筒置換清孔法。

4.1.2 混凝土澆筑

防滲墻槽孔在清孔換漿、接頭刷洗后，采用泥漿下直升導管法進行混凝土澆筑，導管開澆順序為自低處至高處，導管距孔底15～25 cm，壓球法開澆。

混凝土防滲墻采用二級配C3～C5混凝土澆筑，入槽坍落度18～22c m，保持15 cm以上時間應不小于1 h;入槽擴散度控制在34～40 cm;初凝時間應不小于6 h，終凝時間不大于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，水膠比小于0.6。

混凝土采用壓球法開澆，在每個導管底部放入隔離塞球。開始澆筑混凝土前，先在導管內(nèi)注入適量的水泥砂漿，并準備好足夠數(shù)量的混凝土，確保隔離球塞被擠出后，導管底端可以埋入混凝土內(nèi)?；炷帘仨氝B續(xù)澆筑，槽孔內(nèi)上升速度應大于2 m/h，并應連續(xù)上升至墻頂有效高程。導管埋入混凝土內(nèi)的深度保持在1～6 m之間，以免泥漿進入導管內(nèi)產(chǎn)生混漿。澆筑混凝土時，在孔口設置蓋板，防止混凝土散落槽孔內(nèi)。槽孔底部高低不平時，從低處澆起?；炷翝仓戤吅蟮捻斆鎽哂陧敻叱?0 cm。

4.2 圍堰填筑及土工膜施工

4.2.1 圍堰填筑施工

圍堰填筑施工方法按照部位不同，主要分為水下拋填與水上分層填筑碾壓。

防滲墻平臺高程398.5 m（下游396 m）以下，采用水下拋填施工方法，然后在填筑層面用振動碾碾壓。首先根據(jù)施工圖紙在兩岸進行填筑分區(qū)測量放線，按不同區(qū)域分區(qū)填筑。在防滲墻部位拋填粒徑小于300 mm混合料，以保障防滲墻的鉆孔施工;依次向上游方向拋填石渣混合料、石渣料，然后拋大塊石防沖;截流堤上游迎水面拋填砂礫石過渡料、石渣混合料;水面以下為拋填，露出水面2m后采用21 t振動碾碾壓。

防滲墻平臺以上為水上部位，采用分層填筑碾壓。首先根據(jù)施工圖紙測量放線，標明同一水平層填筑分區(qū)（從上游向下游）：1m厚干砌塊石，石渣混合料，砂礫石過渡料，石渣混合料。溢洪道或壩基開挖石渣混合料采用自卸汽車運至圍堰填筑區(qū)，鋪層厚度80 cm，推土機推平，21 t振動碾碾壓8遍，確保壓實后干密度大于2.0 g/cm3。在進行石渣混合料鋪設的同時，砂礫石過渡料采用0.9 m3挖掘機平料，鋪層層厚40 cm，1.5 t振動碾碾壓，壓實后確保干密度大于2.0 g/cm3。

4.2.2 復合土工膜施工

采用的復合土工膜規(guī)格為350 g/1.0 mm/350 g，施工方法如下。

（1）復合土工膜與防滲墻蓋帽混凝土和岸坡基座混凝土的連接主要依靠膨脹螺栓。采用電鉆在混凝土內(nèi)鉆15 cm深孔，孔內(nèi)安裝長度20 cmΦ16膨脹螺栓，間距30 cm。然后在混凝土面上涂刷瀝青，安裝軟橡膠片，鋪設時在復合土工膜上安裝軟橡膠片和扁鋼片，把復合土工膜夾在軟橡膠片中間，最后用鋼片螺帽固定。

（2）復合土工膜與圍堰填筑同步上升。按圖紙要求，砂礫石過渡料分層填筑，每填筑40 cm，人工配合挖掘機削坡1∶2，緊貼砂礫石料上鋪設復合土工膜。鋪設過程中，沿軸線每隔50 m、拐角處及折線等位置設伸縮節(jié)。

4.2.3 干砌石護坡施工

石渣混合料與砂礫石過渡料填筑基本同步上升，迎水面干砌石鋪設可最后進行。從建筑物開挖料中挑選砌石，用自卸汽車或裝載機運輸至現(xiàn)場，0.9m3挖掘機配合人工砌筑。砌石時，按施工圖紙斷面掛線干砌，墊層料作為砌石的輔助調(diào)節(jié)，上游圍堰迎水面干砌石厚1 m，下游圍堰迎水面干砌石厚0.5 m。

5 結 語

卡洛特水電站上下游圍堰運行期堰后未發(fā)現(xiàn)滲漏出水點，上下游圍堰均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。實踐表明，卡洛特水電站上下游圍堰堰型選擇合理，塑性混凝土防滲墻接復合土工膜的防滲型式實用有效，結構安全可靠，施工工藝成熟。

參考文獻：

[1] 袁光裕，胡志根. 水利工程施工[M]. 北京：中國水利水電出版社，2009.

[2] 鄭守仁，王世華，夏仲平，等. 導流截流及圍堰工程[M]. ?北京：中國水利水電出版社，2005.

[3] 林繼鏞. 水工建筑物[M]. 北京： 中國水利水電出版社，2010.

[4] 王清友，孫萬功，熊歡. 塑性混凝土防滲墻[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[5] 張飛，文志穎，朱曉忠，等. 在深厚覆蓋層上修建土石圍堰的主要技術研究[J]. 水力發(fā)電，2018，43（11）：44-47.

[6] 王黨在. 復合土工膜防滲體在高土石壩中應用研究[D]. 西安：西安理工大學，2005.

[7] 李波，程永輝，程展林. 圍堰防滲墻與復合土工膜聯(lián)接型式離心模擬實驗研究[J]. 巖土工程學報，2012，34（11）：2081-2086.

[8] 梁娟，張有山，王小波. 復雜地質條件下高擋水水頭土石圍堰設計[J]. 四川水利發(fā)電，2018，37（5）：93-95.

（編輯：李曉濛）

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