卡基娃水电站面板堆石坝设计

卢羽平

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司）

【摘　要】　卡基娃面板堆石坝最大坝高171m，是目前高海拔地区在建的最高面板堆石坝，具有高坝、高海拔、高寒、河谷狭窄、砂板岩筑坝、地质条件复杂等特点，其勘测设计工作难度大。经过大量试验研究并结合工程特点，设计在坝体变形控制、基础处理设计、防渗止水结构、结构抗震设计等方面吸收了200m级高面板堆石坝的建坝理念。本文简要介绍了大坝布置与坝体分区、坝料设计、坝基处理、趾板、面板、分缝和止水、抗震措施等。目前大坝已建成并蓄至正常蓄水位高程2850m，监测成果表明大坝运行正常。

【关键词】　面板堆石坝　分区设计　坝料设计　止水设计　基础处理　抗震措施　卡基娃水电站

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，系木里河干流水电规划“一库六级”的第二个梯级，是该河段梯级开发的“控制性水库”工程，上、下游分别与上通坝和沙湾水电站衔接。水库正常蓄水位高程2850.00m，总库容3.745亿m3，具有年调节能力。电站采用混合开发方式，枢纽建筑物主要由拦河大坝、两岸泄洪及放空建筑物和右岸引水发电系统等组成。拦河大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高171m。电站总装机容量452.4MW，多年平均年发电量16.51亿k W·h。

1　大坝布置与坝体分区

坝区河流流向微呈反S形，呈深切略微不对称V形峡谷地貌，左岸陡右岸较缓，两岸基岩多裸露，局部为陡崖地形。坝轴线位置左岸为凸岸，右岸为凹岸，右岸上游、左岸下游分别发育有深切的则窝沟和卡基娃巨型古滑坡体，受以上地形地质条件限制，大坝布置较困难，坝轴线的选择没有大的移动余地，坝轴线布置于峡谷最窄处，有利于减小坝体填筑工程量。

大坝主要由趾板（5m定宽趾板+防渗板）、面板及其接缝止水系统、大坝填筑体、坝顶防浪墙等组成。大坝上游设置铺盖，下游坝脚设置压重体。大坝总填筑工程量595万m3，面板面积6.25万m2，接缝总长6703m。

面板堆石坝坝顶高程2856.00m，河床段趾板建基面高程2692.00m，坝轴线处建基面高程2685.00m，最大坝高171m（从坝轴线处最低的建基高程起算坝高），坝顶宽11m，坝顶长355m，大坝立面宽高比为2.08：1。上游坝坡1：1.4，下游坝坡设置三级5m宽马道，第一级马道以上坝坡为1：1.5，其下两级马道间坝坡均为1：1.4，综合坝坡1： 1.496。下游坝脚和下游围堰间设置压重区，顶高程2710.00m。大坝自上游至下游依次为弃渣压重区、黏土铺盖区、垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、排水堆石区、干砌石（浆砌石）护坡区和下游压重区，垫层区水平厚度4m，过渡区自上而下水平厚度由6m渐变至10m，大坝分区见图1。

2　坝料设计

对于在狭窄河谷中的卡基娃高面板堆石坝来说，坝体变形控制是大坝设计的关键技术问题之一。坝体填筑所用的堆石料主要取自上游则窝料场的砂岩料、砂质板岩料、千枚状板岩料和枢纽建筑物砂岩开挖料。其中砂岩料具有强度高、硬度大、抗风化能力强的特点，堆石体压实后具有较低的压缩性和较高的压缩模量，可作为大坝填料。由于则窝料场第③层千枚状板岩和砂质板岩比例较高，其抗压强度、模量等力学指标较差，应避免采用纯板岩作为堆石区填筑料使用，以防止板岩集中带来过大的不均匀变形。根据研究，下游堆石区上部可采用板岩与砂岩混掺料填筑，其中板岩比例不大于30%，板岩中千枚化板岩比例不大于50%。为了满足控制坝体变形要求，对大坝主、下游堆石区采用了较高的压实控制标准，大坝各区填料设计控制参数及碾压参数见表1。

3　坝基处理

坝址区河床覆盖层较浅，厚度4.7～22.3m，不存在连续分布的黏性土、砂土和粉细砂层，局部地段分布有厚度小于0.4m的砂层透镜体。由于坝基漂卵砾石层结构松散，具有一定架空结构，层次较为复杂，虽厚度不大，谷底岩面较平整起伏不大，具有一定的抗压缩变形能力，抗剪强度也较高，但对于兴建200m级高的面板堆石坝，仍难以满足主堆石区基础对变形和强度等方面的要求。通过研究比较，设计将坝体基础河床覆盖层挖除2/3，即将主堆石区范围内的河床覆盖层全部清除，基础置于弱风化的基岩上，下游堆石区将河床覆盖层表面的松散层清除，填筑前用26t振动碾碾压8遍，作为下游堆石区基础。

两岸部位要求挖除覆盖层与极强卸荷裂隙发育带。趾板区接下坡开挖时，坡度不陡于1：0.5，接上坡开挖时，先将20m范围内挖平再接上坡，坡度为1：1.6，以防止对面板造成硬性支撑。两岸坝基要求坝轴线上游反坡采用削挖或适当回填混凝土或浆砌块石，坡度不陡于1：0.3，坝轴线以下坝基清除覆盖层和松散岩体。

对趾板区内断层破碎带、挤压破碎带及卸荷裂隙夹泥等地质缺陷，需挖槽清除其充填物，采用混凝土回填处理。挖槽深度为破碎带宽度的1～2倍，除此之外，为防止渗透水流通过岩体裂隙而产生基础渗漏破坏，自趾板下游相当于该部位坝高的1/3宽度范围内填筑厚2～4m的垫层料和过渡料。

趾板基础大部分坐落在强卸荷带岩体上，均需加强固结灌浆，增加其整体性。固结灌浆采用梅花形布置，趾板部位固结灌浆为3排，固结灌浆间、排距2m，孔深一般为15m，左岸上部卸荷较深，趾板基础为Ⅳ类弱风化强卸荷岩体，为保证基础的防渗稳定性和变形均匀性，固结灌浆在该区域加深至强卸荷底线，最大孔深为35m；防渗板部位固结灌浆孔间、排距2.5m，孔深5～15m；喷混凝土部位固结灌浆孔间、排距2.5m，孔深5m。由于坝址区平硐基岩裂隙水对普通水泥拌制的混凝土有硫酸盐腐蚀性，因此灌浆采用抗硫酸盐水泥。

帷幕底界按深入q≤3Lu岩层内5～10m设计，灌浆帷幕按双排孔设计，排距1.2m，孔距2m。

4　趾板布置

趾板既要保证与面板和基岩的连接，构成完整的防渗体系，又需兼有灌浆盖板的作用，是面板堆石坝中重要的防渗结构。在满足趾板下游堆石变形及变形梯度控制要求、趾板基础可进行固结灌浆处理的前提下，为减小趾板基础及边坡开挖、降低趾板边坡高度，趾板嵌深按适当浅埋设计。趾板建基面大部分置于弱风化上段强卸荷岩体上。趾板采用结构型式较简单的平趾板，施工方便，并且易于固结灌浆和帷幕灌浆作业。趾板线由面板底面与趾板下游面的交线（Y线）控制。

趾板宽度依据基岩地质条件、作用水头及基础处理措施等综合确定。为避免趾板开挖造成的高边坡，减少开挖量，趾板采用“5m定宽趾板+防渗板”的形式，从上到下，防渗板宽度由3m渐变至9m，趾板与防渗板之间设一道铜片止水，为安全起见，对趾板下游10～20m范围内基础面挂Ф6.5钢筋网喷15～20cm厚的C25聚丙烯纤维混凝土铺盖处理，以延长基础渗径。

趾板厚度按不同高程分别为1～0.6m。趾板采取连续、不设永久缝的布置方式，为防止连续趾板在施工期出现收缩裂缝，采用分序跳块浇筑的施工方法，每12～16m设2m的宽槽，浇筑间隔时间大于45d，钢筋穿过施工缝。趾板混凝土强度等级采用C30，抗渗等级为W12，抗冻等级为F200。宽槽回填采用微膨胀混凝土，自身体积变形要求不小于50×10-6。

趾板表面配单层双向钢筋，配筋率为趾板设计厚度的0.4%。为加强趾板与基础的连接，保证趾板在灌浆压力及其他外力作用下的稳定，趾板、防渗板均设置锚筋32，L= 6m，锚筋采用梅花形布置，间、排距为1.5m，顶端用90°弯钩与趾板表面钢筋连接。

5　面板

面板顶高程2852m，高出正常蓄水位2.00m。面板总面积62519m2。面板最大斜长273.6m，厚0.3～0.86m，最大水力梯度184。

面板分三期浇筑，第一期全断面浇筑至高程2737.00m，第二期全断面浇筑至高程2810.00m，第三期全断面浇筑至高程2852.00m。

面板混凝土强度等级采用C30，抗渗等级为W12，抗冻等级为F200，极限拉伸不小于100×10-6，坍落度3～7cm。混凝土采用中热水泥（P.MH42.5），粉煤灰掺量为20%～25%。

面板采用双层双向网状配筋，配筋率顺坡向为0.4%，水平向为0.3%；周边缝以上20m范围内配筋率顺坡向为0.5%，水平向为0.4%。为加强接触面抗压能力，面板两侧垂直缝附近配筋封闭，在面板与趾板接触面也配置加强钢筋。垂直缝2m范围内、面板底部和顶部5m范围内、面板水平施工缝两侧各5m范围内增加联系筋。

面板混凝土采用“聚丙烯纤维收缩补偿混凝土+双向配筋+保温保湿养护”的防裂抗裂措施。

6　面板分缝和止水

面板堆石坝的监测成果表明，90%的面板应变是由堆石体的沉降所引起。面板分缝的目的就是为了适应坝体的变形，避免面板开裂，保证大坝的防渗性。对于面板堆石坝而言，接缝止水是大坝挡水和渗流控制的重要防线。根据位置的不同分缝分为面板自身的垂直缝、面板与趾板间的周边缝、面板与防浪墙间的水平缝。

面板共32块，靠近左右坝肩受拉区部位（左岸1～12号面板、右岸23～32号面板）为限制拉应力的发展和适应变形，垂直缝间距采用8m；河床段受压区部位（13～22号面板）为限制压应力的发展和吸收变形，垂直缝间距采用16m。两岸垂直缝在距周边缝法线方向1m内垂直于周边缝布置。

（1）周边缝。周边缝止水是面板堆石坝结构的重要组成部分，是防渗体系的关键连接部位。周边缝采用三道止水，即“底部为F形铜片止水+PVC棒、顶部为PVC棒+波形橡胶止水+塑性填料、自愈保护为粉煤灰+黏土铺盖”的形式（图2）。

周边缝接缝剪切位移按50mm设计。铜止水厚度为1.2mm，铜止水鼻子直立段高度为11cm，宽度为3cm。止水自由段长度20cm，嵌入面板立腿高8cm，在双翼设置复合宽度为10cm、厚度为6mm的SR止水条，鼻子中间用聚氨酯泡沫填充。

顶部止水采用粉煤灰（自愈）、SR填料、波形橡胶止水带和ϕ80mm PVC棒的四重保护。

（2）面板垂直缝。由于不可能对面板垂直缝的张、压特性作准确预判，为保证止水系统安全可靠，卡基娃面板垂直缝的止水结构均按张性缝设计，只是压性缝的塑性填料面积较张性缝少。卡基娃坝址河谷狭窄、两岸陡峻，河床段中下部面板挤压作用较强烈，为防止面板挤压破坏，河床中部10条压性缝缝面加设8mm厚三元乙丙橡胶复合板。垂直缝设计2道止水，即“底部为W1型铜片止水+PVC棒、顶部为PVC棒+波形橡胶止水+塑性填料”的形式（图3和图4）。

（3）面板水平缝及防浪墙沉降缝止水。在面板顶部与防浪墙墙趾之间，设有水平变形缝。变形缝的止水结构大致与面板压性垂直缝相同，只是底部的铜止水形状有所改变，为W2型止水，沥青砂浆垫形状也有所改变，其余止水结构同面板垂直缝。

防浪墙沿长度方向每16m设一条沉降缝，沉降缝中部设一道W1形铜止水，与防浪墙底部的铜止水相连，缝面填充2cm厚的沥青木板。

7　抗震措施设计

卡基娃大坝设计地震基准期50a超越概率10%，相应基岩水平峰值加速度为149gal，抗震设计烈度为Ⅶ度；校核抗震标准为基准期100a超越概率2%，相应基岩水平峰值加速度为310gal。鉴于大坝设计地震烈度较高，根据坝体震害特征形式分析，从坝顶结构、断面设计、坝体分区、坝料设计、止水设计和泄洪放空设置等方面采取了合理的工程措施，以期提高面板堆石坝的抗震能力，降低地震破坏程度。

（1）坝顶U形防浪墙。针对世界各国在强震地区修建面板堆石坝的工程经验，认为U形整体式混凝土结构较分离式结构可能有更好的抗震性能，因此坝顶防浪墙采用U形整体式混凝土结构。

（2）提高坝料设计和填筑标准。坝体按筑坝材料特性采用分区设计，为控制坝体变形和不均匀沉降，适当提高堆石料的压实标准，堆石料孔隙率小于20%，过渡料孔隙率小于19%，垫层料孔隙率小于18%。

（3）上缓下陡坝坡。为增加坝体顶部的抗震稳定性，下游坝坡设两级宽5m的马道，第一级马道以上坝坡放缓至1：1.5，第一级马道以下坝坡为1：1.4，下游综合坝坡为1：1.496。

（4）坝体加筋技术。在高程2820.00m至坝顶范围内的堆石体内埋设土工格栅的加筋抗震措施，以加强坝体上部区域坝壳的整体性，提高抗震性能。

（5）下游坝面护坡。下游坝面高程2802.00m以上设置浆砌石护坡，高程2802.00m以下设置干砌石护坡，以防止地震时坝面石块被大片震落，危及大坝安全。

（6）增强面板配筋。面板采用双层双向配筋，在面板顶部、底部及接缝部位加强配筋，以增强其抗挤压破坏能力。

（7）可靠的止水设计。周边缝位移设计值为70mm/50mm/50mm（张开/沉陷/剪切），垂直缝位移设计值为45mm/45mm/45mm（张开/沉陷/剪切），分缝位移值可保证静动叠加工况下分缝止水的可靠性。

（8）设置放空洞。在地震预报时提前放低水库水位或大坝发生震害时，可以及时放空库水，避免或减小对大坝下游的安全威胁。

8　大坝变形监测成果

大坝下游坝坡向下游最大累计变形量为73.6mm，二期蓄水以来最大变化量为10.3mm，最大变形速率为0.14mm/d；向左岸最大累计变形量为137.3mm，二期蓄水以来最大变化量为9.8mm，变形速率为0.13mm/d；向右岸最大累计变形量为27.3mm，二期蓄水以来最大变化量为14.9mm，变形速率为0.2mm/d；沉降最大累积变形量为281.9mm，二期蓄水以来最大变化量为9.1mm，变形速率为0.12mm/d。

二期蓄水期间，坝体内部向下游最大变形量为8.2mm，变形速率为0.08mm/d；大坝累计最大沉降值为117cm，占最大坝高的0.68%，二期蓄水期间，各测点最大沉降变形量为15.1mm，变形速率为0.15mm/d。

面板与趾板之间张开变形最大值为1.1cm，剪切变形最大值为2.1cm，错动变形最大值为3.3cm。

面板与垫层间脱空变形在0.11cm以内，表明目前面板与垫层接触较好，基本无脱空现象。

9　结束语

卡基娃面板堆石坝于2011年8月开始填筑，于2014年7月填筑至防浪墙底板高程2852.00m，2015年1月导流洞下闸蓄水，2015年2月大坝蓄水至一期蓄水位高程2805.00m，2015年5月三期面板浇筑完成，2015年7月开始进行大坝二期蓄水，2015年10月大坝蓄水至正常蓄水位高程2850.00m。根据2015年10月底的监测成果，坝体实测最大沉降值为117cm，为最大坝高的0.68%，坝体变形较小，面板与垫层间也没有脱空变形，大坝变形在正常范围内。卡基娃水电站面板堆石坝的设计吸收了200m级面板堆石坝的先进做法和成功经验，取得了一系列的设计成果，从目前的监测资料分析，该面板堆石坝的设计是成功的。

参考文献

[1]　中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.木里河卡基娃水电站枢纽工程蓄水安全鉴定设计自检报告[R].2014.

[2]　熊泽斌，杨启贵，张远建.水布垭高面板坝设计[J].人民长江，2007，38（7）：19-21.