巴基斯坦DARAWAT Dam工程大坝设计

黄盛铨 ，张芳勇，巩绪威

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

1 工程概况

Darawat Dam工程位于巴基斯坦南部信德省境内Baran Nai河上，吉尔特尔山脉（Kirthar Range）的东部边缘出口，西南距离卡拉奇132 km，东距海德拉巴66 km。

该工程的主要任务是为大坝下游右岸的土地提供灌溉用水。坝址区的主要建筑物包括混凝土重力坝、溢洪道、冲砂孔及引水建筑物。

混凝土重力坝最大坝高46 m，坝顶长306 m，坝顶高程121 m。正常蓄水位112.55 m，相应库容1.5 亿 m3，灌溉面积 10024 hm2。

2 坝址地形地质条件

坝址位于一近南北向展布的条状山梁西侧山坡，Baran Nai东南流向从条状山梁的一缺口处通过。

坝址处为不对称的“V”型河谷。左岸岸坡地形略缓，坡度约15°；右岸略陡，坡度约25°。河道在坝址区为向西南略突出的弧形弯段，河道宽约45 m，河床面较平整。两岸岸坡均为岩石岸坡，河床为冲洪积的含卵砾石砂层覆盖。

工程区域出露地层为第三系的基岩及第四系的覆盖物。分布在坝址区的基岩属第三系，以灰岩、白垩质灰岩为主，夹少量的泥质灰岩、砂岩、页岩等，岩层倾角较缓，总体倾向库内、右岸。坝址区河流走向与岩层走向大角度相交。除河床有第四系冲积物、坝轴线下游左岸坡脚有少量的崩坡积物外，山坡上覆盖物较少，基岩普遍裸露。最大可信地震加速度MCE取0.23 g；基本地震加速度OBE取0.16 g。

3 坝型选择

前期设计时，推荐坝型为面板堆石坝。基本设计时，就面板堆石坝与重力坝对于该工程的适应性进行了比较，认为面板堆石坝不适合本工程，具体为：

1）由于土石坝的洪水标准更高，采用面板堆石坝需更大规模的泄洪建筑物。并且泄洪建筑物须与坝体分开布置，为此将导致山体开挖、边坡支护、弃渣等工程量巨大，并将形成高高度超过100 m的高边坡，工程难度大。

2）灌溉引水口需与坝体分开，单独布置在右岸山体中，这将导致引水管线必须采用隧洞型式，加了施工工期、施工难度和工程投资。

3）经对现场及其附近料源的了解，面板堆石坝所需要的坝体填筑料源匮乏，而溢洪道的开挖料多为③层白垩质石灰岩，不能做为坝体的填筑料，需另外寻找合适的坝体填筑料场。

4）面板堆石坝施工导流需设置专门的导流明渠或导流洞，坝体本身不能过流，增加的建筑物一方面可能会导致工期延长，另一方面也将增加工程投资。

一般来说，在料源满足筑坝要求、储量充足、运距短的前提下，面板堆石坝的投资要小于同高度的混凝重力坝，但就本工程而言，综合泄水和引水建筑物的布置，选择混凝土重力坝，优势更加明显，具体如下：

1）泄洪和引水建筑物均可以布置在坝体上，不需要分开布置在左岸山体中，当然也不需要进行大开挖。

2）混凝土坝体在汛期可通过设置导流孔或者预留缺口进行导流，减少了相关临时工程投资。

3）重力坝在抵抗未来不可控风险能力方面要强于面板堆石坝。由于该工程相关水文资料匮乏，所依据的水文资料均是根据降雨量进行推求的，并无实测的河流水文数据。因此采用混凝土重力坝可以抵御超规模的洪水，可避免超标准洪水造成的溃坝等重大事故。

因此，综合以上分析，该工程最终采用混凝土重力坝方案。

4 大坝设计[1，2]

Darawat Dam主要建筑物包括混凝土重力坝、溢洪道、冲砂孔以及引水建筑物。

4.1 溢洪道（溢流坝段）

溢洪道位于主河床，采用混凝土重力坝，共设置6个坝段，坝段宽度18 m，总长108 m，最大坝高46 m。溢流表孔为开敞式，不设闸门控制，自由敞泄，表孔设置11孔，单孔宽8.6 m，总净宽为94.6 m。中墩设10个，单个厚1 m，边墩下游接导墙，厚1.7 m。坝体上游面为竖直面，下游采用WES实用堰堰型，反弧段半径16 m，出口挑射角度为35°。溢流坝段最大底宽38.00 m。

4.2 非溢流坝段

非溢流坝段布置在坝顶溢洪道两侧，左岸9个坝段，右岸4个坝段，坝段宽度除M9坝段为18 m外，其余均为15 m，坝段总长度为198.00 m。非溢流坝段坝顶宽6 m，下游坝坡为1∶0.75。非溢流坝段的最大坝高为32.00 m。

4.3 冲砂孔

冲砂孔布置在溢流坝段右侧的M16坝段上，进口底高程为98.5 m。冲砂孔采用圆形断面，直径2.0 m。冲砂孔进口尺寸为2.0 m×2.5 m（宽×高），洞身段经过方变圆段变为直径2.0 m的圆管，出坝后采用外包混凝土结构，经半径30 m的弯曲段转向30°，斜挑向河道。冲砂孔内衬钢管厚度为12 mm（转弯段为16 mm），工作闸门采用前止水型式。

4.4 引水建筑物

引水建筑物主要包括进水口、引水钢管、消力池、跌水等，与灌溉渠道相接。根据招标文件，灌溉区的最大需水量为4.42 m3/s，确保在水库死水位（106.00 m）以上可以取到水。

进水口布置在大坝右岸M16非溢流坝段，为坝式进水口。进水口前沿总宽4.00 m，顶高程121.25 m，底高程104.00 m。进水口由拦污栅段与流道进口段组成。拦污栅段两侧边墙为直墙，厚1.00 m。流道进口段长1.4 m，位于大坝坝体内，两侧边墙为直墙，顶板为椭圆，与其后方圆渐变段平顺连接。为保证进水口前的门前清，在左侧设置有冲砂孔拉沙。

进水口后接直径1.40 m的引水钢管，总长约870.00 m，由坝内埋管段和明管段组成。坝后设置一道蝶阀，以控制引水流量。钢管壁厚12 mm。

4.5 大坝基础处理

根据坝址区的工程地质条件和重力坝对基础的要求，采用固结灌浆、防渗帷幕灌浆、排水等进行基础处理。

坝基上下游各1/3范围内布置固结灌浆孔，孔深5 m，间排距均为3 m。为降低两岸和坝基的渗透压力，在大坝底部设置两排防渗帷幕，主帷幕深度按0.75倍水头进行控制，河床部位帷幕灌浆最大深度为27 m，孔距为2.0 m；副帷幕深度按主帷幕1/2控制。左右岸坝头坝段帷幕灌浆从坝顶实施。帷幕下游布置一排排水孔，入岩深度为10 m，孔距为3.0 m。断层处理采用混凝土塞方法，并对断层及其影响带采取加密固结灌浆孔处理。

4.6 大坝细部设计

根据坝体断面尺寸、温度应力、施工条件，坝体设置横缝。坝体上游设置两道橡胶止水带，横缝内填充高密度填缝板。坝内廊道四周、下游护坦等部位均设置一道橡胶止水带。

坝体采用三级配C9015（圆柱体抗压强度，下同）常态混凝土，上游面和坝基与岩基接触面采用三级配C9025混凝土，溢流面、闸墩、坝顶结构、孔洞等处采用二级配C25混凝土，溢洪道表面高速水流区采用二级配C35混凝土。

排水系统包括坝体排水和坝基排水。坝体排水孔设在坝体上游侧，间距3m，排水引入基础灌浆廊道；坝基排水孔布置在基础帷幕灌浆的下游侧。坝体和坝基的排水通过基础灌浆廊道引至设于排水廊道内的集水井，通过排水泵排至下游河道。

根据水工模型试验成果，在50年一遇洪水下，溢洪道最大下泄流量为1885 m3/s，挑射水流距离为61.80 m，冲刷坑深度为5.60 m，河床中部覆盖层深度为10 m，该工况下的挑射水流不会危及到基岩坝体的安全。为防止小流量洪水对溢流坝段基础的淘刷，在下游河床部位覆盖层部位设置护坦，防护范围为溢流坝下20 m范围，护坦采用钢筋混凝土结构，厚2.0 m。溢流坝段下游的两侧岸坡则采用1.0～0.5 m厚的钢筋混凝土护坡防护，根据水工模型试验成果，左右岸防护长度均为90 m。

5 大坝稳定计算[1]

5.1 坝基抗滑稳定计算

根据工程特点，分别选取溢流坝段、非溢流坝段及边坡坝段作为典型断面，分别进行抗滑稳定计算，工况荷载组合见表1。

表1 坝基抗滑稳定荷载组合

坝基混凝土与基岩滑动面的粘聚力c′为0.4 MPa，抗剪断摩擦系数 f′为 0.7。

计算结果表明，坝基抗滑稳定计算安全系数满足规范[1]要求。计算结果见表2。

5.2 深层抗滑稳定计算

根据地勘资料，坝基建基面下存在灰质页岩软弱夹层T1，存在着深层滑动的可能。为此，分别选取溢流坝段及非溢流坝段两个最大坝高的典型断面进行计算，荷载工况组合与坝基抗滑稳定一致，见表1。

表2 大坝抗滑稳定计算结果

为确定软弱夹层T1的抗剪断参数，巴基斯坦水电发展署（WAPDA）实验室在溢流坝M13坝段下游进行了现场原位剪切试验，试验结果为软弱夹层T1粘聚力c′为363.5 kPa，内摩擦角为65.1°。经过修正后，最终采用粘聚力c′为0.2 MPa，内摩擦角为30°进行计算。

计算结果表明，深层抗滑稳定安全系数满足规范[1]要求，不需要对坝基基础进行特殊处理。计算结果见表3。

表3 大坝深层抗滑稳定计算结果

6 结语

1）Darawat Dam工程经过坝型比选，确定了采用实体混凝土重力坝，符合工程特点。此外大坝工程布置结构紧凑，布局合理，满足工程功能要求。

2）大坝坝基抗滑稳定及深层抗滑稳定计算结果表明，大坝抗滑稳定均满足规范要求，无需对坝基基础进行特殊处理。

3）大坝主体工程已于2013年6月完工，目前大坝运行良好。

［1］GRAVITY DAM DESIGN（EM-1110-2-2200），USACE，1995.

［2］DESIGN OF GRAVITY DAMS，USBR，1976.