卡基娃面板堆石壩設計與運行狀況分析研究

盧羽平，周小來

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川川投田灣河開發有限責任公司，四川 成都 610041)

0 前 言

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，系木里河干流水電規劃“一庫六級”的第二個梯級，是該河段梯級開發的“控制性水庫”工程。水庫正常蓄水位為高程2 850 m，總庫容3.7億m3，具有年調節能力。電站采用混合開發方式，樞紐建筑物主要由攔河大壩、兩岸泄洪及放空建筑物和右岸引水發電系統等組成。攔河大壩為混凝土面板壩，最大壩高171 m。電站總裝機容量452.4 MW，多年平均年發電量16.51億kW·h。

1 大壩布置與壩體分區

壩區河流流向微呈反“S”型，呈深切略微不對稱“V”型峽谷地貌，左岸陡、右岸較緩，兩岸基巖多裸露，局部為陡崖地形。壩軸線布置于峽谷最窄處，左岸為凸岸，右岸為凹岸，右岸上游、左岸下游分別發育有深切的則窩溝和卡基娃巨型古滑坡體。

大壩壩頂高程2 856 m，最大壩高171 m，壩頂寬11 m，壩頂長355 m，大壩立面寬高比為2.08:1。上游壩坡1:1.4，下游壩坡設置三級5 m寬馬道，第一級馬道以上壩坡為1:1.5，其下兩級馬道間壩坡均為1:1.4，綜合壩坡1:1.496。下游壩腳和下游圍堰間設置壓重區，頂高程2 710 m。大壩從上游至下游依次為棄碴壓重區、黏土鋪蓋區、墊層區、過渡區、主堆石區、下游堆石區、排水堆石區、干砌石(漿砌石)護坡區和下游壓重區，墊層區水平厚度4 m，過渡區自上而下水平厚度由6 m漸變至10 m，大壩分區見圖1。

圖1 卡基娃面板堆石壩典型剖面

2 壩料設計

壩體填筑所用的堆石料主要取自上游則窩料場的砂巖料、砂質板巖料、千枚狀板巖料和樞紐建筑物砂巖開挖料。其中，砂巖料具有強度高、硬度大、抗風化能力強的特點，堆石體壓實后具有較低的壓縮性和較高的壓縮模量，可作為大壩填料。由于則窩料場第③層千枚狀板巖和砂質板巖比例較高，其抗壓強度、模量等力學指標較差，應避免采用純板巖作為堆石區填筑料使用，以防止板巖集中帶來過大的不均勻變形。根據研究，下游堆石區上部可采用板巖與砂巖混摻料填筑，其中板巖比例不大于30%，板巖中千枚化板巖比例不大于50%。為了滿足控制壩體變形要求，對大壩主堆石區、下游堆石區采用了較高的壓實控制標準，大壩各區填料設計控制參數及碾壓參數見表1。

表1 大壩壩料設計特征及碾壓參數

3 壩基處理

壩址區河床覆蓋層較淺，厚度4.7～22.3 m，不存在連續分布的黏性土、砂土和粉細砂層，局部地段分布有厚度小于0.4 m的砂層透鏡體。由于壩基漂卵礫石層結構松散，具有一定架空結構，層次較為復雜，雖然其厚度不大，但由于谷底巖面較平整，起伏不大，具有一定的抗壓縮變形能力，抗剪強度也較高。通過研究比較，設計將主堆石區范圍內的河床覆蓋層全部清除，基礎置于弱風化的基巖上，下游堆石區將河床覆蓋層表面的松散層清除，填筑前用26 t振動碾碾壓8遍，作為下游堆石區基礎。

趾板基礎大部分座落在強卸荷帶巖體上，均需加強固結灌漿，以增加其整體性。固結灌漿采用梅花型布置，趾板部位固結灌漿為3排，固結灌漿間排距2 m，孔深一般為15 m，左岸上部卸荷較深，趾板基礎為Ⅳ類弱風化強卸荷巖體，為保證基礎的防滲穩定性和變形均勻性，固結灌漿在該區域加深至強卸荷底線，最大孔深為35 m；防滲板部位固結灌漿孔間排距2.5 m，孔深5～15 m；噴混凝土部位固結灌漿孔間排距2.5 m，孔深5 m。

帷幕底界按“深入q≤3 Lu巖層內5 m”設計，灌漿帷幕按雙排孔設計，排距1.2 m，孔距2 m，灌漿最大深度為95 m左右。

4 趾板布置

趾板建基面大部分置于弱風化上段強卸荷巖體上。趾板采用結構型式較簡單的平趾板，趾板線由面板底面與趾板下游面的交線(Y線)控制。

趾板寬度依據基巖地質條件、作用水頭及基礎處理措施等綜合確定，趾板采用“5 m定寬趾板+防滲板”的形式，從上到下，防滲板寬度由3 m漸變至9 m，趾板與防滲板之間設一道銅片止水。為安全起見，對趾板下游10～20 m范圍內基礎面掛Ф 6.5鋼筋網噴15～20 cm厚的C25聚丙烯纖維混凝土鋪蓋處理，以延長基礎滲徑。

趾板厚度按不同高程分別為1～0.6 m，趾板采取連續、不設永久縫的布置方式。為防止連續趾板在施工期出現收縮裂縫，工程采用分序跳塊澆筑的施工方法，每12～16 m設2 m的寬槽，且鋼筋穿過施工縫。

趾板混凝土強度等級采用C30，抗滲等級為W12，抗凍等級為F200，寬槽回填采用微膨脹混凝土。趾板表面配單層雙向鋼筋，配筋率為趾板設計厚度的0.4%。為加強趾板與基礎的連接，保證趾板在灌漿壓力及其他外力作用下的穩定，趾板、防滲板均設置錨筋Ф 32，其中L為6 m，間排距為1.5 m。

5 面 板

面板頂高程2 852 m，高出正常蓄水位2 m。鋼筋混凝土面板總面積62 519 m2。面板最大斜長273.6 m，厚0.3～0.86 m。

卡基娃壩址河谷狹窄、兩岸陡峻，河谷寬高比僅約2.08，較之于兩岸較緩的面板堆石壩，卡基娃大壩兩岸面板表現出較明顯的張拉，河床段中下部面板擠壓作用較強烈。面板共32塊，為限制拉應力的發展和適應變形，靠近左右壩肩受拉區部位(左岸1～12號面板、右岸23～32號面板)垂直縫間距設為8 m；為限制壓應力的發展和吸收變形，河床段受壓區部位(13～22號面板)垂直縫間距采用16 m，兩岸垂直縫在距周邊縫法線方向1 m內垂直于周邊縫布置。面板分三期澆筑，第一期全斷面澆筑至高程2 737 m，第二期全斷面澆筑至高程2 810 m，第三期全斷面澆筑至高程2 852 m。

面板混凝土強度等級采用C30，抗滲等級為W12，抗凍等級為F200。面板采用雙層雙向網狀配筋，配筋率順坡向為0.4%，水平向為0.3%；周邊縫以上20 m范圍內配筋率順坡向為0.5%，水平向為0.4%。為加強接觸面抗壓能力，面板兩側垂直縫附近配筋封閉，在面板與趾板接觸面也配置加強鋼筋。垂直縫2 m、面板底部和頂部5 m、面板水平施工縫兩側各5 m范圍內，均增加聯系筋。

6 分縫和止水

6.1 周邊縫

周邊縫采用三道止水，即“底部為F形銅片止水+PVC棒、頂部為PVC棒+波形橡膠止水+塑性填料、自愈保護為粉煤灰+黏土鋪蓋”的形式。

6.2 面板垂直縫

為保證止水系統安全可靠，面板垂直縫的止水結構均按張性縫設計，只是壓性縫的塑性填料面積較張性縫少。為防止面板擠壓破壞，河床中部10條壓性縫縫面加設8 mm厚三元乙丙橡膠復合板。垂直縫設計兩道止水，即“底部為W1型銅片止水+PVC棒、頂部為PVC棒+波形橡膠止水+塑性填料”的形式，高程2 738 m以下增設黏性土鋪蓋。

6.3 面板水平縫及防浪墻沉降縫止水

在面板頂部與防浪墻墻趾之間，設有水平變形縫，變形縫的止水結構大致與面板周邊縫相同。防浪墻沿長度方向每16 m設一條沉降縫，沉降縫中部設一道W1形銅止水，與防浪墻底部的銅止水相連，縫面填充2 cm厚的瀝青木板。

7 抗震措施設計

卡基娃大壩設計地震基準期50 a超越概率10%，相應基巖水平峰值加速度為149 gal，抗震設計烈度為Ⅶ度；校核抗震標準為基準期100 a超越概率2%，相應基巖水平峰值加速度為310 gal。鑒于大壩設計地震烈度較高，根據壩體震害特征形式分析，從壩頂結構、斷面設計、壩體分區和壩料設計、泄洪放空設置等方面采取了合理的工程措施，以期提高混凝土面板堆石壩的抗震能力，降低地震破壞程度。

(1)壩頂“U”型防浪墻。由于“U”型整體式混凝土結構比分離式結構可能有更好的抗震性能，因此壩頂防浪墻采用“U”型整體式混凝土結構。

(2)提高壩料設計和填筑標準。壩體按筑壩材料特性采用分區設計，為控制壩體變形和不均勻沉降，適當提高堆石料的壓實標準，堆石料孔隙率小于20%，過渡料孔隙率小于19%，墊層料孔隙率小于18%。

(3)上緩下陡壩坡。為增加壩體頂部的抗震穩定性，下游壩坡設兩級寬5 m的馬道，第一級馬道以上壩坡放緩至1：1.5，第一級馬道以下壩坡為1：1.4，下游綜合壩坡為1：1.496。

(4)壩體加筋技術。在高程2 820 m至壩頂的堆石體內，埋設土工格柵的加筋抗震措施，以加強壩體上部區域壩殼的整體性，提高抗震性能。

(5)下游壩面護坡。下游壩面高程2 802 m以上設置漿砌石護坡，高程2 802 m以下設置干砌石護坡，以防止地震時壩面石塊被大片震落，危及大壩安全。

(6)增強面板配筋。面板采用雙層雙向配筋，在面板頂部、底部及接縫部位加強配筋，以增強其抗擠壓破壞能力。

(7)可靠的止水設計。設計分縫位移值可保證靜動疊加工況下分縫止水的可靠性，對河床段面板的壓性縫內填充厚8 mm的三元乙丙橡膠復合板。

(8)設置放空洞。在地震預報時提前放低水庫水位；或大壩發生震害時及時放空庫水，避免或降低對大壩下游的安全威脅。

8 大壩運行狀況分析

卡基娃大壩于2011年8月開始填筑，于2014年7月填筑至防浪墻底板高程2 852 m，2015年5月三期面板澆筑完成。工程2015年1月8日導流洞下閘蓄水，2015年2月18日水庫水位達到初期蓄水位2 805 m；2015年6月22日開始第二期蓄水，2015年12月5日庫水位抬升至正常蓄水位2 850 m。庫水位抬升過程中，在2015年1月20日庫水位升至2 779 m時，壩后量水堰開始出現小量滲水，約1.9 L/s，后迅速增大，但兩岸邊坡未發現滲水點，滲水未發現渾濁和顆粒物。從滲流量監測成果來看：2015年1月8日—2015年4月27日一期蓄水期間，最大滲流量146 L/s(4月22日，庫水位2 795.57 m)；二期蓄水后，壩后量水堰測得的最大滲水量711 L/s(12月7日，庫水位2 850.05 m)。滲流量與庫水位密切相關，隨著水位抬高，滲流量迅速增加。與同類型工程相比，卡基娃壩后量水堰觀測數據偏大。

為探明滲漏部位和滲漏途徑，工程采用偽隨機流場法對壩前進行物探測試，根據滲漏區色譜圖，結合宏觀地質條件及現場實際情況，分析主要滲漏原因如下：

(1)導流洞可能存在內水外滲問題，漏水位置可能是導流洞施工支洞堵頭、閘門及基覆界線漏水，后導流洞永久堵頭出現滲水，對原因進行了佐證；

(2)與放空洞生態放水有關，可能存在內水外滲問題；

(3)左岸趾板基礎存在滲漏，結合高程2 800 m以上帷幕，檢查發現孔壓水試驗成果合格率偏低，物探鉆孔電視和聲波測試成果顯示，推測趾板基礎淺表部局部存在缺陷。

2016年庫水位降至死水位后，對大壩面板、止水水上部分進行檢查，發現大壩高程2 802 m以上右岸周邊縫附近面板混凝土存在淺層擠壓破壞。

根據以上檢測成果，對防滲系統主要采取了以下補強措施。

(1)對面板周邊縫附近的擠壓破壞處理要求如下：將修補范圍內松散的混凝土鑿除，對混凝土基礎表面進行處理；面板未鑿穿處植錨筋，原有的面板表層鋼筋應盡量保留，表層再增設一層鋼筋網，將面板鑿穿處上下層鋼筋采用豎向拉筋進行連接，形成鋼筋網，將面板未鑿穿處新增表層鋼筋網與錨筋焊為一體；用與原面板同配比的C30混凝土修補面板結構；修復周邊縫底部破損的銅止水，恢復原設計的周邊縫表層止水結構，在面板新老混凝土縫頂作表層止水。

(2)左岸趾板高程2 800 m以上檢查孔壓水試驗成果表明，趾板基礎淺表部透水性較強，為增強大壩防滲系統的防滲性，減少大壩的滲流量，在左岸趾板高程2 800～2 835 m位置增設淺層加強帷幕灌漿，灌漿孔共4排，孔深入基巖10～15 m。

(3)為防止水庫正常運行時，放空洞龍抬頭段及下游導流洞利用段出現較大外水壓力，在永久堵頭段增設了阻水帷幕，并對阻水帷幕前放空洞龍抬頭洞段進行了補強固結灌漿。

從監測成果來看，水庫蓄水以來，大壩變形較為協調，壩體無明顯不均勻沉降，監測數值連續，沒有出現突變現象，壩體變形速率較小。目前，實際觀測到的大壩最大沉降值為1.17 m，約為最大壩高171 m的0.68%，沉降變形在設計控制范圍內。面板接縫變形監測表明，實測值整體較小，且小于設計值，面板與墊層料之間脫空位移實測值整體也較小，面板與墊層接觸總體較好。防滲系統補強后壩體、壩基滲流穩定，量水堰滲流量較處理前逐年減小，目前實測最大滲流量為290 L/s，約為壩址處多年平均年徑流量101 m3/s的0.29%，對電站的經濟效益影響較小。位于左右岸灌漿平洞帷幕下游的繞滲孔水位與庫水位相關性較大，在庫水位高于2 840 m以后，水位上升較明顯，初步判斷有庫水位繞滲現象。右岸繞滲較左岸明顯，但上升或下降幅度小于庫水位變幅。

三維滲流反演計算成果表明，壩體的滲透流量所占比例很小，壩基和兩岸繞滲所占比例較大，水庫滲流量絕大部分是由壩基和兩岸繞滲滲漏造成的；死水位以下防滲帷幕局部存在缺陷時，僅局部缺陷處小范圍內的浸潤面有變化，對壩體大部分范圍以及兩岸壩肩滲流場影響很小；正常蓄水位工況的大壩壩體、壩基、防滲結構滲透坡降均小于材料的允許滲透坡降，大壩不會發生滲透破壞，不影響大壩滲流安全。經水庫蓄水以來的巡視檢查，在高水位運行情況下未發現下游坡面滲水存在、量水堰未發現滲水混濁現象，故大壩和壩基覆蓋層處于滲透穩定安全狀態。

9 結 語

卡基娃水電站自2015年蓄水運行以來，已經歷了6個汛期的檢驗，從大壩變形、大壩滲流、面板接縫變形等監測數據表明，大壩的目前運行狀態正常、穩定。根據現有監測資料以及計算分析成果，現有滲流量條件下對大壩安全沒有影響，大壩的整體安全是有保證的。為確保大壩長期運行安全，后期運行應加強對大壩的滲流和變形監測。