二期橫向圍堰工程的幾個主要技術(shù)問題

王家柱

摘要二期圍堰是三峽工程施工的屏障。圍堰工程總量大、工期短、強度大、施工難度大，基礎(chǔ)地質(zhì)條件復(fù)雜。在長期研究和大量現(xiàn)場施工試驗的基礎(chǔ)上，妥善地解決了基礎(chǔ)新淤砂和強透水巖體處理、深水拋填、風(fēng)化砂堰體和深混凝土防滲墻設(shè)計和施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題，確保了深水圍堰的按期建成和安全運行。

關(guān)鍵詞二期圍堰 設(shè)計 施工難點 處理措施三峽工程二期橫向土石圍堰于1998年汛前基本建成。同年7—8月，經(jīng)受了8次長江洪峰的考驗。9月12日，大江基坑初期排水結(jié)束，萬古奔流的長江江底在人們的面前顯露真貌。二期圍堰的建成和大江基坑的抽干，是三峽工程建設(shè)的重要里程碑，標(biāo)志著深水圍堰施工這一重大技術(shù)難題已被克服，也標(biāo)志著三峽工程河床大壩、電站廠房等主體建筑物施工已全面開始。本文將論述二期橫向圍堰工程(重點為上游圍堰)設(shè)計和施工中研究解決的幾個重點技術(shù)問題。

1、二期圍堰基本情況

二期橫向圍堰截斷長江主河槽，與一期工程期間已建成的混凝土縱向圍堰共同圍護(hù)形成二期基坑，確保河床主壩和左岸電站廠房工程干地施工。二期圍堰雖屬于臨時性建筑物，但其運行期長達(dá)6年，且上游雍水已形成約20億m 3的庫容，萬一失事，將使三峽工程施工工期至少延長1年，并有可能影響長江航運和造成壩下游的災(zāi)害。

考慮到二期圍堰特別是上游圍堰的特殊重要性，二期圍堰選用了較高的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。上游圍堰按II級臨時建筑物設(shè)計，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇(83700m³/s)，且要求按二百年一遇洪水(88400m³/s)不漫頂校核堰頂高程。下游圍堰則按III級臨時建筑物設(shè)計，洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇(79000m³/s)。

二期上下游橫向圍堰均采用土石圍堰型式，堰體防滲采用混凝土防滲心墻。圍堰結(jié)構(gòu)斷面如圖1—1和圖l—2，主要特性指標(biāo)參見表1—1。

圖1—1 二期上游橫向圍堰典型剖面圖

圖1—1 二期下游橫向圍堰典型剖面圖

2、大江截流

大江截流工程是二期橫向圍堰工程的重要組成部分，截流戧堤位于上游圍堰背水側(cè)，兼作圍堰的排水棱體。三峽工程大江截流的最大特點和難點，是截流拋投水深達(dá)60m，設(shè)計截流合龍流量為14000～19400m³/s，均超過已有截流工程的世界水平。有關(guān)大江截流的技術(shù)問題，已有不少文獻(xiàn)進(jìn)行專題論述。本文僅摘錄截流主要指標(biāo)表如后，以供參照。

3、新淤砂層特性的研究和處理

1981年葛洲壩工程蓄水后，三峽壩址水位被抬高約20m，二期圍堰基礎(chǔ)處淤積有5一10m厚的新淤粉細(xì)砂層，最厚可達(dá)18m。鑒于圍堰只能采取水下拋填法施工，加以施工水深大、工期緊迫，該細(xì)砂層無法加以挖除處理。故對于作為圍堰基礎(chǔ)的新淤砂層的性狀和安全處理措施，曾進(jìn)行長期細(xì)致的研究。

研究成果表明，新淤砂層以粉粒、砂粒為主，粘粒含量僅約3％。新淤砂不均勻系數(shù)1.3～3.2，孔隙比0.9～1.09，為不良級配松散土，處于飽和松散狀態(tài)下，屬于可液化土。新淤砂在天然情況下，結(jié)構(gòu)疏松，干容重1.29～1.42g/cm³；滲透穩(wěn)定性差，滲透試驗表明，滲透破壞形式為流土，允許滲透比降僅0.22～0.27；抗水流沖刷能力低，表面沖刷流速為0.07～0.13m/s。

試驗研究成果還表明，新淤砂的透水性強，固結(jié)速度快。不排水狀態(tài)下的剪切強度(內(nèi)磨擦角)僅5度，固結(jié)排水后可達(dá)31.8～34.0度。一期圍堰施工后，其堰基新淤砂層，經(jīng)14m厚的填料自重壓重三個半月后，實際測試新淤砂的干容重，由平均1.40g/cm³ 增長為平均1.59g/cm³，相對密度可達(dá)0.80以上。

根據(jù)以上研究成果，認(rèn)為新淤砂層經(jīng)一定處理后，作為圍堰基礎(chǔ)的一部分在技術(shù)上是可行的。對新淤砂層采取的主要結(jié)構(gòu)處理措施有：

(1)加強堰體及基礎(chǔ)防滲：防滲墻墻體穿過全部復(fù)蓋層(含新淤砂層)、強風(fēng)化層，進(jìn)入弱風(fēng)化層1.0m；對弱風(fēng)化層中的強透水帶進(jìn)行帳幕灌漿處理。

(2)迎水坡設(shè)置塊石防沖保護(hù)結(jié)構(gòu)。

(3)堰腳采用壓坡圍封和蓋重措施，防止堰體下的新淤砂發(fā)生震動液化。

(4)限制基坑抽水下降速度不超過0.5～1.0m/d；隨基坑水位下降，及時挖除堰體背水側(cè)以外的新淤砂，并立即做好反濾、圍封及蓋重。

4、深水拋填風(fēng)化砂堰體特性的研究

二期橫向圍堰填筑量巨大。三峽壩區(qū)花崗巖風(fēng)化砂儲量豐富，工程建筑物基礎(chǔ)開挖也有大量的風(fēng)化砂棄料可以利用。三峽壩區(qū)風(fēng)化砂主要礦物成份為正長石、石英、斜長石、云母等，其中云母含量約10％，屬一般花崗巖風(fēng)化料。天然情況下，風(fēng)化砂中大于5mm的顆粒含量30％～60％，天然含水量5％ 11％，比重2.76，天然干容重1.65～2.0t/m³。干填碾壓的風(fēng)化砂干容重可達(dá)1.90t/m³以上，具有良好的物理力學(xué)性能。故以風(fēng)化砂作為圍堰堰體的主要填料，是設(shè)計首選的方案。但三峽二期圍堰堰體方量80％處于水下，最大施工水深達(dá)60m，無法進(jìn)行碾壓作業(yè)。深水拋投的風(fēng)化砂在未經(jīng)碾壓的條件下的性狀，能否保證高達(dá)80m的圍堰的安全穩(wěn)定運行，是三峽二期圍堰研究的重點課題之一。

1960年，曾在現(xiàn)場6m水深的天然河槽中，進(jìn)行過大規(guī)模的拋投實驗。當(dāng)時求得的水下拋填風(fēng)化砂的初始容重僅為1.4～1.6t/m³，相對密度僅約0.40～0.50，與干填碾壓得到的風(fēng)化砂干容重1.90～2.0t/m³相距甚遠(yuǎn)。在如此松散的風(fēng)化砂堰體內(nèi)修建混凝土防滲墻，墻體應(yīng)力應(yīng)變條件均十分不利。分析研究成果表明，用6m水深模擬60m水深進(jìn)行水下拋填試驗，得出的風(fēng)化砂的力學(xué)指標(biāo)顯然是偏低的，但當(dāng)時沒有其它計算和模擬的方法和手段。70年代，離心機模擬技術(shù)在國外開始發(fā)展。其原理是：將縮小尺寸的模型置于高速轉(zhuǎn)動的離心機中，借助于離心加速度來補償因幾何尺寸縮小引起的自重應(yīng)力損失，能使模型的自重應(yīng)力場與原型一致。顯然，對于以自重應(yīng)力為主的土工問題，提供了可靠的研究方法。80年代，長江科學(xué)院建成了國內(nèi)首臺6m直徑的離心機土工試驗臺，成為三峽圍堰風(fēng)化砂填料性質(zhì)研究的主要手段。離心機試驗研究成果表明，即使是深水拋填的風(fēng)化砂，在拋填體深部的風(fēng)化砂，在上部填料自重的作用下，排水固結(jié)后可達(dá)到較高的物理力學(xué)指標(biāo)。一期土石圍堰現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，證實離心機試驗成果是可靠的。

根據(jù)大量室內(nèi)外土工實驗成果，特別是離心機試驗成果，參照二期圍堰兩岸接頭段的生產(chǎn)性填筑施工試驗資料，二期圍堰風(fēng)化砂主要設(shè)計指標(biāo)列如表4-1。

風(fēng)化砂填鞏堰體的物理力學(xué)性能隨深度變化，且與風(fēng)化砂固結(jié)程度有關(guān)。根據(jù)施工安排，圍堰堰體填筑需先形成防滲墻施工平臺(該平臺高程僅略高于枯水季水位，距最終堰頂高程尚有約15m)。故在進(jìn)行防滲墻施工時，防滲墻槽孔上部風(fēng)化砂力學(xué)指標(biāo)仍較低，對防滲墻造孔時的槽壁穩(wěn)定不利，可能發(fā)生塌孔事故。這對于工期十分緊迫的圍堰施工是一個極大的威脅。經(jīng)現(xiàn)場試驗后，確定采用振沖加密措施。實際施工中采用電動75kW和液壓驅(qū)動變頻1501EW大功率振沖器，振沖孔孔距為2.0～2.5m，最大振沖深度可達(dá)30m。經(jīng)現(xiàn)場測試，經(jīng)振沖加固后，水下拋填風(fēng)化砂堰體的干容重可達(dá)1.80t/m³，變形模量可提高40～100％。施工實踐表明，在經(jīng)振沖加密的風(fēng)化砂堰體中，無論采用沖擊反循環(huán)鉆機、液壓銑槽機或抓斗造孔，均未發(fā)生槽孔孔壁坍塌事故。同時，振沖加密后，對防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變狀況也有改善。

5、混凝土防滲墻設(shè)計

二期圍堰堰體防滲結(jié)構(gòu)曾研究比較過多種方案。三峽壩區(qū)及附近缺乏防滲土料，加上圍堰施工水深特大，新淤砂和基礎(chǔ)復(fù)蓋層的清基和水下拋土施工均十分困難，且難于保證質(zhì)量?？紤]到二期圍堰的特殊重要性，參照葛洲壩深水圍堰的成功經(jīng)驗，較早就否定了粘性土防滲方案，而以混凝土防滲心墻作為堰體防滲的基本方案。由于防滲墻最大深度達(dá)70—90m，堰體又主要是水下拋填的風(fēng)化砂，防滲墻自身的結(jié)構(gòu)安全成為設(shè)計中必須研究解決的主要問題。自80年代以來，在可行性研究、初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計等設(shè)計階段，以及國家科委組織的全國性的“七五”、“八五”科技攻關(guān)中，都結(jié)合深水拋填風(fēng)化砂特性的研究，對不同的防滲墻結(jié)構(gòu)布置(單墻和雙墻，高墻和低墻)、墻體厚度(0.80～1.2m)、墻體材料(柔性、塑性和剛性混凝土)等多種組合方案，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和墻體有限元應(yīng)力應(yīng)變分析計算。

根據(jù)多年研究和比較的成果，二期橫向圍堰堰體均采用低混凝土防滲墻上接抗?jié)B土工織物的防滲方案。防滲墻軸線與圍堰軸線重合?；炷练罎B墻墻頂高程，按滿足施工期安全的最低水位確定；防滲墻穿過淤砂、復(fù)蓋層和強風(fēng)化層，底部伸入弱風(fēng)化層1.0m；墻厚一般為0.8～1.0m。上游圍堰的河床深槽段長162m，最大墻深達(dá)73.5m，采用雙排墻，兩墻軸距為6m；下游圍堰深槽最大墻深65.5m，采用1.1m厚的防滲墻。

根據(jù)有限元分析成果，上堰深槽防滲墻墻體最大壓應(yīng)力約為4MPa，最大拉應(yīng)力約為0.4MPa。墻體材料為素混凝土，不加鋼筋。當(dāng)墻深小于40m時，采用柔性混凝土；墻深大于40m時，采用塑性混凝土。防滲墻混凝土主要技術(shù)指標(biāo)和配合比列入表5-l、5-2、5-3。

二期上游圍堰防滲墻深槽段左側(cè)，樁號0十485至0十497處，基巖高程由約30m陡降至約1.0m，為一高差近30m、傾角約70°-80°的基巖陡坡。該陡坡段不僅向河床中心方向為陡傾角，向下游側(cè)也有一定的坡度。陡坡段對防滲墻的結(jié)構(gòu)安全十分不利，施工也非常困難。采取的主要結(jié)構(gòu)措施是：將陡坡切削為若干臺階狀的小平臺，在兩墻間加設(shè)3道支承隔墻(施工中2#隔墻取消)，必要時可進(jìn)行灌漿加固；參見圖5--1，墻下游側(cè)設(shè)計擬增加高壓旋噴墻加固，后取消。

6、防滲墻施工的主要難點及處理措施

二期圍堰防滲墻施工的難點，一是防滲墻工程量大、工期短、強度高，月成墻最高強度達(dá)15000m2；二是防滲墻施工質(zhì)量要求高，為防止新淤砂和風(fēng)化砂堰體發(fā)生滲透破壞，墻體不允許存在任何集中漏水通道；三是地質(zhì)條件復(fù)雜，墻體需穿過水下拋填風(fēng)化砂層、截流平拋墊底層、新淤砂層、河床復(fù)蓋層花崗巖塊球體和強風(fēng)化層，以及陡坡段的處理。施工中采取了以下主要措施。

(1)配備了高效、先進(jìn)的施工設(shè)備，其中包括近100臺反循環(huán)沖擊鉆機，一臺液壓雙輪銑槽機，5臺抓斗，以及相應(yīng)的配套輔助設(shè)備。根據(jù)一期圍堰實踐和二期圍堰兩岸連接段的施工試驗，確定采用“兩鉆一抓”成槽法為主，“銑砸爆”成槽法為輔的施工工藝。自德國保峨公司引進(jìn)的BC-30型液壓銑槽機，對地層的適應(yīng)性較強，造孔精度高，鉆進(jìn)效率高，在施工中發(fā)揮了重要作用。但用于塊球體和弱風(fēng)化巖的切削則工效很低。

(2)經(jīng)實際實驗比較后，確定采用湖南澧縣生產(chǎn)的鈣基膨潤土作為固壁泥漿的主材，并建立了相應(yīng)的泥漿循環(huán)使用系統(tǒng)。

3)為防止墻體開叉，嚴(yán)格控制槽孔兩端主孔偏斜率不得大于0.3％，特殊情況下不得大于0.5％；槽孔接頭規(guī)定采用套接，不得采用平接，以確保墻段連接良好。為確保防滲墻底部嵌入弱風(fēng)化基巖，除嚴(yán)格終孔鑒定外，沿防滲墻軸線每間隔6～10m布設(shè)一個先導(dǎo)孔，預(yù)先探明基巖高程。同時，嚴(yán)格控制混凝土澆筑前的清孔，要求孔底淤積厚度不大于5cm。

(4)二期圍堰基礎(chǔ)復(fù)蓋層和強風(fēng)化帶巖體中存在塊球體，其一般粒徑0.50～2.0m，大者可達(dá)4.0～5.0m。塊球體巖性堅硬，抗壓強度約100MPa，形狀不規(guī)則。此外，原設(shè)計要求防滲墻穿透全部強風(fēng)化層，嵌入弱風(fēng)化基巖1.0m。塊球體和弱風(fēng)化巖鉆進(jìn)(特別是陡坡段)均十分困難，其工作量雖只占約11％，但占直線工期時間達(dá)65％。實際施工中，采用了加重錘沖砸和槽內(nèi)控制爆破等輔助措施。同時，在確保質(zhì)量的前提下，也對設(shè)計作了適當(dāng)?shù)男薷?。主要有：在強風(fēng)化層厚度很大的槽孔，允許不穿透強風(fēng)化層，但深入強風(fēng)化層的深度不小于5.0m；在工期特別緊迫的槽孔處(如陡坡段)，嵌入弱風(fēng)化基巖的深度允許適當(dāng)抬高，但不小于0.50m。

7、基礎(chǔ)防滲處理

二期圍堰基礎(chǔ)巖體透水性較強。其中強風(fēng)化帶為嚴(yán)重透水巖體，滲透系數(shù)一般為1.0～6.0m/d，最大可達(dá)11.66m/d；弱風(fēng)化層透水性也較強，最大透水率可達(dá)1829Lu，相對不透水層(q≥5Lu)埋深15～20m。由于圍堰基礎(chǔ)中的新淤砂層抗?jié)B透破壞能力極低，故對防滲墻底部采用帳幕灌漿加以防滲處理。

基巖水泥灌漿標(biāo)準(zhǔn)，上游圍堰為巖體透水率達(dá)到q≤10Lu，灌漿深度一般為5～15m，最大深度為27m.；下游圍堰為巖體透水率達(dá)到q≤50Lu，灌漿深度一般為5～10m，最大深度22m。灌漿技術(shù)要求和施工工藝與一般基巖帷幕灌漿基本相同。帷幕灌漿孔沿防滲墻軸線布置，孔距1.5m。防滲墻混凝土澆筑時，墻內(nèi)埋設(shè)塑料管或鋼管拔管成孔，再進(jìn)行基巖鉆孔。分二序自上而下分段鉆灌，段長一般為5.0m，灌漿壓力0.50～1.50MPa。

8、圍堰運行及安全監(jiān)測

至1998年6月22日，二期圍堰堰頂已達(dá)臨時度汛高程，圍堰防滲墻也已完成封閉(上游圍堰僅第一道防滲墻完成封閉)。6月25日，大江基坑開始限制性抽水，二期圍堰進(jìn)入了邊運行、邊施工的階段。在整個7～9月的汛期，雖然出現(xiàn)了8次洪峰，但圍堰運行正常，未出現(xiàn)任何險情。9月12日，大江基坑基本抽于。截止1998年年末，圍堰承受的總水頭已達(dá)63m，根據(jù)觀測資料，圍堰運行正常，圍堰堰身及基礎(chǔ)滲水量均極微，總量約501/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計預(yù)計值。

為了觀測圍堰的運行狀況，上、下游圍堰均埋設(shè)有較多數(shù)量的監(jiān)測儀器，對圍堰，特別是防滲墻的變形、滲流及應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行觀測。其中上游圍堰選擇6個觀測斷面，共埋設(shè)滲壓計、應(yīng)變計、應(yīng)力計、測斜管、壓力盒等10余種儀器共169只；下游圍堰選擇3個觀測斷面，埋設(shè)有50只儀器。

根據(jù)截止1998年底的觀測資料，圍堰和防滲墻均未出現(xiàn)異常。防滲墻實測的最大壓應(yīng)力為2.73MPa，最大拉應(yīng)力為0.043MPa，均在墻體材料允許強度范圍內(nèi)。上游圍堰第一道防滲墻的最大位移曾達(dá)570mm，超過設(shè)計最初預(yù)計的最大位移值422mm，但小于設(shè)計按實際情況驗算的最大位移值674mm。分析上游墻體產(chǎn)生較大變形的主要原因，是因當(dāng)時僅有已完成的上游墻擋水，下游墻槽孔已形成但尚未澆筑混凝土，造成上游墻下游抗力低于原計算的假定值。下游墻澆筑完成后，這一狀況已經(jīng)改變，且根據(jù)測斜管資料，防滲墻雖位移較大，墻體變形仍是平滑曲線，無明顯錯位，說明防滲墻具有良好的塑性，防滲墻是安全的。