二期上下游橫向圍堰設(shè)計(jì)與實(shí)施驗(yàn)證

鄭守仁　陳洪新

摘要 三峽工程二期圍堰是在葛洲壩水庫(kù)內(nèi)興建的，最大水深60m，堰體填料大部屬于水下施工，是當(dāng)今世界上最大的深水圍堰，施工強(qiáng)度高、難度大、技術(shù)復(fù)雜，使其成為三峽工程建設(shè)中重大技術(shù)難題之一。主要闡述二期上下游橫向圍堰設(shè)計(jì)中的技術(shù)問(wèn)題及其實(shí)施驗(yàn)證分析。

關(guān)鍵詞斷面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)處理防滲設(shè)施

1、 概述

三峽工程壩址河谷開闊，中堡島位于主河道右側(cè)，將長(zhǎng)江分為主河道和后河。葛洲壩水庫(kù)蓄水前，三峽壩址枯水位41m左右；蓄水后，葛洲壩工程壩前水位66m，流量20000m³/s，三峽壩址水位67.4m。三峽壩址位于葛洲壩水庫(kù)內(nèi)，壩址河床中部淤積厚8～16m，兩側(cè)漫灘地淤積厚0～6m，淤積以粉土質(zhì)砂為主。

二期上下游橫向圍堰截?cái)嚅L(zhǎng)江主河道，迫使江水從右側(cè)的導(dǎo)流明渠渲泄，并與縱向混凝土圍堰形成二期基坑，在其圍護(hù)下施工大壩泄洪壩段、左岸廠房壩段及左岸電站廠房。

三峽工程二期上下游橫向圍堰是在葛洲壩水庫(kù)內(nèi)修筑圍堰，最大水深達(dá)60m，堰體80％填料需水下施工，是當(dāng)今世界上最大的深水圍堰。圍堰型式采用石碴、塊石及風(fēng)化砂堰體，混凝土防滲墻上接土工合成材料防滲心墻結(jié)構(gòu)。二期上下游橫向圍堰設(shè)計(jì)軸線全長(zhǎng)2438m，堰體填料達(dá)1060萬(wàn)m²，防滲截水面積9.22萬(wàn)m²(其中防滲墻截水面積8.49萬(wàn)m²)。上游橫向圍堰堰體最大高度82.5m，防滲墻最大高度74m，攔蓄洪水總量達(dá)20億m³，實(shí)屬在長(zhǎng)江上修筑的一座大型土石壩。圍堰施工工期短，要求在大江截流后6個(gè)月時(shí)間將堰體填筑至渡汛高程83.5m，以確保圍堰安全渡汛，施工強(qiáng)度高、難度大、技術(shù)復(fù)雜，且為背水一戰(zhàn)，使其成為三峽工程建設(shè)中重大技術(shù)難題之一。設(shè)計(jì)單位在業(yè)主單位中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司和施工單位中國(guó)葛洲壩集團(tuán)公司、中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局的大力支持下，進(jìn)行了大量科學(xué)試驗(yàn)研究和分析計(jì)算工作，并對(duì)深水中拋填石碴料、風(fēng)化砂料、塊石料的堰體穩(wěn)定、防滲墻造孔機(jī)具、成墻技術(shù)、墻體材料等結(jié)合一期圍堰及二期圍堰兩岸接頭段施工進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。為二期圍堰河床段施工積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1997年11月8日，大江截流龍口合龍后，二期上下游圍堰進(jìn)入全線施工階段，1998年6月25日，二期上下游圍堰在滿足安全渡汛要求條件下繼續(xù)施工，二期基坑開始限制性抽水。1998年汛期，三峽壩址出現(xiàn)了八次洪水流量大于50000m³/s的洪峰，最大洪水流量61000m³/s，流量大于50000m³/s的天數(shù)達(dá)36天，為自1877年以來(lái)實(shí)測(cè)發(fā)生天數(shù)最多的一年。二期上下游圍堰經(jīng)受了洪水考驗(yàn)。9月15日，上下游圍堰建成，二期基坑于9月12日抽干。

本文主要闡述二期上下游橫向圍堰設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題及其實(shí)施驗(yàn)證分析。

2、圍堰斷面設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理

2.1上游圍堰斷面設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理

上游圍堰位于壩軸線上游200～450m，圍堰軸線為突向上游的折線，其防滲軸線全長(zhǎng)1439.6m，左岸接牛場(chǎng)子山坡，橫跨長(zhǎng)江河床左漫灘、深槽、右漫灘與混凝土縱向圍堰相接。左岸牛場(chǎng)子山坡地形上緩下陡，山頂高程118m，以約35°坡角與長(zhǎng)江左漫灘相接。主河床深槽段寬180～250m，河床底高程10～41m，最低高程6m，基巖高程0～41m，主河槽左側(cè)較陡(坡角30°～50°，局部大于70°)，右側(cè)較緩(20°～30°)。堰基河床覆蓋層為沖積粉細(xì)砂和砂礫石層，厚度7～15m，最厚22m，上部為葛洲壩水庫(kù)蓄水后的淤沙層，厚6～10m，最厚12m，下部為砂礫石厚3～10m?；鶐r為閃云斜長(zhǎng)花崗巖。

上游圍堰等級(jí)經(jīng)初步設(shè)計(jì)審定為二級(jí)臨時(shí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為1％頻率流量83700m³/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為0.5％頻率流量88400m³/s，堰頂高程88.5m，最大高度82.5m，堰頂寬度15m。圍堰斷面型式采用石渣、塊石、風(fēng)化砂堰體，混凝土防滲墻上接土工合成材料防滲心墻。堰體迎水側(cè)69m高程以下為石渣堆石體，寬10m，邊坡1:1.5，迎水面5m為防沖塊石；堰體背水側(cè)69m高程以下截流戧堤為塊石石渣體，兼作圍堰排水棱體，戧堤頂寬30m；圍堰中部為風(fēng)化砂堰體，截流戧堤與風(fēng)化砂之間設(shè)5m寬的反濾層，69m高程以下的風(fēng)化砂為水下拋填，采用振沖加密處理，其上的堰體風(fēng)化砂分層填筑，碾壓密實(shí)。堰體中部設(shè)置混凝土防滲墻，墻厚0.8m及l(fā) m，墻頂高程73～79m，位于河床深槽部位(樁號(hào)0十454至0十616長(zhǎng)162m)，堰體中部設(shè)置雙排混凝土防滲墻，兩墻中心間距6m，墻厚1m，墻頂高程73m，上接土工合成材料至高程86.2m，防滲墻底嵌入弱風(fēng)化巖體1m，防滲墻最大高度74m。防滲墻底部透水巖體采用防滲帷幕灌漿處理，其防滲灌漿標(biāo)準(zhǔn)至巖體透水率小于101Ju，灌漿深度5～15m，最大深度27m。圍堰迎水坡采用于砌塊石護(hù)坡，厚度0.5m，護(hù)坡塊石下部設(shè)有0.3m厚的砂礫石墊層。圍堰基礎(chǔ)淤積砂層屬中密狀態(tài)的細(xì)砂，設(shè)計(jì)采取綜合措施處理：(1)鑒于堰基淤砂在堰體填筑加載后密度提高、強(qiáng)度增加，而堰體上下游坡腳范圍斷面單薄，自重加載較小，設(shè)計(jì)研究確定在堰體背水坡腳平拋砂礫石料，加載提高淤砂強(qiáng)度，同時(shí)兼作過(guò)渡反濾料，以利堰基滲透穩(wěn)定，防止在滲流作用下淤砂流失。在堰體迎水坡范圍平拋石碴料，加載提高淤砂強(qiáng)度，并可防止淤砂產(chǎn)生液化。(2)二期基坑抽水時(shí)，限制基坑水位下降速度為0.5～1.0m/d，抽干后即在上下游橫向圍堰背水坡腳淤砂層出露部位抽槽至基巖面，回填反濾料封閉淤砂層，再填筑石碴料壓坡。(3)基礎(chǔ)防滲墻底嵌入花崗巖弱風(fēng)化巖體，并需嚴(yán)格控制防滲墻施工質(zhì)量，防止墻體存在施工缺陷形成集中漏水通道而引起堰基淤砂滲透破壞。

2.2下游圍堰斷面設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理

下游圍堰位于壩軸線下游400～600m，圍堰軸線為突向下游的折線，其防滲軸線全長(zhǎng)1075.9m，左岸接白虎嶺南坡，橫跨長(zhǎng)江河床左漫灘、深槽、右漫灘與混凝土縱向圍堰相接。主河床深槽寬150～250m，河床底高程25～40m，最低高程16m，基巖高程2～35m。堰基河床覆蓋層為沖積粉細(xì)砂和砂礫石層，厚度10～20m，最厚26m，上部為葛洲壩水庫(kù)蓄水后的淤沙層，厚度8-12m，最厚16m，下部為砂礫石層，厚4～18m。

下游圍堰等級(jí)經(jīng)初步設(shè)計(jì)審定為三級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為2％頻率流量79000m³/s。堰頂高程81.5m，最大高度65.5m，堰頂寬度15m。圍堰斷面型式采用石渣、塊石、風(fēng)化砂堰體，混凝土防滲墻上接土工合成材料防滲心墻。

堰體迎水側(cè)68m高程以下為石渣體，頂寬10m，邊坡1：1.5，迎水面5m為防沖塊石；堰體背水側(cè)68m高程以下為石渣體，兼作圍堰排水棱體，戧堤頂寬15m，邊坡1：1.5；圍堰中部為風(fēng)化砂堰體，在背水側(cè)石渣體與風(fēng)化砂之間設(shè)5m寬的反濾層，78m高程以下的風(fēng)化砂為水下拋填，采用振沖加密處理，其上的堰體風(fēng)化砂分層填筑，碾壓密實(shí)。堰體中部設(shè)置混凝土防滲墻，墻厚0.8m及1m，墻頂高程70～79m，上接土工合成材料至高程79m，防滲墻底嵌入弱風(fēng)化巖體lm，防滲墻最大高度68m。位于河床深槽部位(樁號(hào)0十420至0十550長(zhǎng)130m)，防滲墻擋水高度超過(guò)50m，為改善防滲墻體應(yīng)力條件，在墻下游側(cè)設(shè)置一排高壓旋噴灌漿加固，高壓旋噴灌漿孔與防滲墻軸線距1m，旋噴灌漿孔距0.8m。防滲墻底部透水巖體采用防滲墻帷幕灌漿處理，其防滲灌漿標(biāo)準(zhǔn)至巖體透水率小于50Lu，灌漿深度5～10m，最大深度22m。圍堰迎水坡采用于砌塊石護(hù)坡，厚度0.5m，護(hù)坡塊石下部設(shè)有0.3m厚的砂礫石墊層。圍堰基礎(chǔ)處理與上游圍堰相同。

3、圍堰施工過(guò)程中設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化

3.1圍堰施工進(jìn)度實(shí)況

二期上下游橫向圍堰從1996年11月22日兩岸預(yù)進(jìn)占段施工，12月1日開始進(jìn)行河床深槽部位平拋墊底施工，1997年11月8日大江截流龍口合龍。11月25日上游圍堰全線填筑至防滲墻施工平臺(tái)73m高程；11月28日下游圍堰全線填筑至防滲墻施工平臺(tái)70m高程，圍堰最高月填筑量200萬(wàn)m³，最高日填筑量19.44萬(wàn)m³。上游圍堰第一排防滲墻于1998年5月5日全線封閉，最高月成墻面積6440m³，6月22日完成第一排防滲墻底帷幕灌漿，渡汛子堰達(dá)到防汛高程；下游圍堰防滲墻于1998年6月1日全線封閉，6月18日完成防滲墻底帷幕灌漿，6月2；日堰體加高至防汛高程，二期基坑開始限制性抽水。上游圍堰第二排防滲墻在第一排防滲墻擋水工況下施工，于8月6日全線封閉，8月27日完成墻底透水巖體帷幕灌漿及兩墻間的隔墻施工，9月15日，圍堰全線加高到設(shè)計(jì)高程88.5m；下游圍堰在8月15日全線加高到設(shè)計(jì)高程81.5m。二期基坑抽水至8月24日，基坑水位降至40m高程，轉(zhuǎn)入初期排水，9月12日基坑積水抽干，轉(zhuǎn)為經(jīng)常性排水。

二期上下游橫向圍堰主要工程量為堰體填筑1032.1萬(wàn)m³，防滲墻8.34萬(wàn)m²，土工合成材料5.09萬(wàn)m²，帷幕灌漿1.37萬(wàn)m。

3.2圍堰填料設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化

3.2.1截流戧堤與風(fēng)化砂堰體間過(guò)渡料的修改

截流戧堤與風(fēng)化砂堰體間設(shè)計(jì)兩層過(guò)渡料，靠戧堤第一層為粒徑4～8cm的人工碎石料，頂部寬度3m，第二層為粒徑0.5～4cm的人工碎石料，頂部寬度2m。實(shí)施過(guò)程中，因粒徑0.5、4cm的人工骨料料源困難，改用粒徑0.5～2cm和2～4cm的天然骨料(礫石)，要求粒徑0.5～2cm的礫石料不少于50％。鑒于過(guò)渡料均為水下拋填，為保障其厚度，兩層過(guò)渡料頂部寬度改為4m。

3.2.2堰體風(fēng)化砂填料的調(diào)整

圍堰填筑施工過(guò)程中，左岸風(fēng)化砂料場(chǎng)中的風(fēng)化砂Ps(粒徑大于5mm)含量一般只能達(dá)到8.9％～26.8％，設(shè)計(jì)要求堰體風(fēng)化砂水下拋填部位控制風(fēng)化砂Ps含量不小于20％，水上分層碾壓部位控制風(fēng)化砂碾壓干密度大于1.9g/cmz。水下拋填風(fēng)化砂也可采用古樹嶺粗骨料加工系統(tǒng)的棄料(花崗巖石屑料)。

3.2.3 右岸接頭段利用施工路堤作堰體

二期上下游橫向圍堰右岸接頭段堰體斷面范圍內(nèi)有為縱向碾壓混凝土圍堰施工時(shí)進(jìn)出倉(cāng)面而設(shè)置的道路，其填料主要為明渠開挖的石渣混合料，已經(jīng)施工行車反復(fù)壓實(shí)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣檢測(cè)道路填料的力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合二期圍堰堰體填料要求和圍堰運(yùn)行條件，經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算，確定利用施工道路作為堰體的一部分，圍堰下壓道路基本不挖除，僅在圍堰防滲墻軸線部位開挖寬5m的槽，槽內(nèi)填筑風(fēng)化砂，以利防滲墻造孔施工。

3.3圍堰防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化

防滲系統(tǒng)是二期圍堰的生命線，設(shè)計(jì)全力以赴地進(jìn)行了全過(guò)程的跟蹤，做了一系列的完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

3.3.l上游圍堰左岸接頭段防滲墻優(yōu)化

(1)上游圍堰左岸接頭樁號(hào)0～120至0十040段為牛場(chǎng)子山坡，開挖至高程88.5m后，基礎(chǔ)主要為花崗巖弱風(fēng)化及微風(fēng)化巖體，且88.5m高程平臺(tái)較寬，圍堰滲徑長(zhǎng)超過(guò)200m，滲透量小，滲透穩(wěn)定可以滿足要求，確定取消原設(shè)計(jì)圍堰樁號(hào)0～095.72至0十040段的帷幕灌漿。

(2)上游圍堰左岸接頭樁號(hào)0十078.5至0十150.9為高壓旋噴灌漿及其下接帷幕灌漿試驗(yàn)段，通過(guò)挖槽坑檢查，兩排或三排高壓旋噴灌漿基本形成了連續(xù)墻體，從現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)資料，墻體各項(xiàng)指標(biāo)可滿足圍堰運(yùn)行擋水位的要求。因此，設(shè)計(jì)同意將試驗(yàn)段的高壓旋噴灌漿防滲墻代替塑性混凝土防滲墻，在左岸接頭樁號(hào)0十040現(xiàn)澆混凝土防滲墻，以右至0十078.5m段采用高壓旋噴灌漿下接帷幕灌漿防滲處理，與試驗(yàn)段高壓旋噴墻相接；樁號(hào)0十078.5至0十146.1段為試驗(yàn)段高壓旋噴墻下接帷幕灌漿，對(duì)局部單薄墻體采取補(bǔ)強(qiáng)處理后即作為圍堰防滲墻體；樁號(hào)0十146.1至0十150.9段，將塑性混凝土防滲墻插入兩排旋噴墻之間，以保證兩類防滲墻體的連接。

3.3.2防滲墻設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化

(1)防滲墻底嵌巖深度的調(diào)整

設(shè)計(jì)要求防滲墻底嵌巖深度l m，防滲墻造孔過(guò)程中，墻底花崗巖堅(jiān)硬，墻底嵌巖鉆進(jìn)緩慢，成槽困難，直接制約了防滲墻成槽進(jìn)度。設(shè)計(jì)在認(rèn)真分析圍堰各段防滲墻底地質(zhì)資料和墻體運(yùn)行條件的前提下，并結(jié)合沿防滲墻軸線先導(dǎo)孔鉆孔取芯及壓水試驗(yàn)成果，對(duì)墻底嵌巖深度作如下調(diào)整：河床深槽段防滲墻嵌入弱風(fēng)化巖體0.6m，陡巖段嵌巖最小深度為0.5m；深槽兩側(cè)漫灘段，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化帶巖體不太破碎且厚度大于5m時(shí)，防滲墻底嵌入強(qiáng)風(fēng)化帶巖體深度為5m，其下接帷幕灌漿；當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化帶厚度不大于5m時(shí)，防滲墻穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化帶，嵌入弱風(fēng)化巖體0.5m。

(2)防滲墻墻體材料配合比的修改

防滲墻墻體材料為塑性混凝土，設(shè)計(jì)配合比中骨料為砂及小石，施工過(guò)程中，骨料改用古樹嶺人工骨料(粗骨料)系統(tǒng)篩余廢棄石屑料，經(jīng)檢測(cè)石屑料Ps含量9.8％～23％，平均14.7％，細(xì)度模數(shù)2.83～3.22，平均3.02。塑性混凝土配合比如下表l。

3.3.3上下游圍堰深槽段防滲墻加固措施

(1)上游圍堰深槽段樁號(hào)0十454至0十516長(zhǎng)162m，防滲墻最大高度74m，設(shè)計(jì)采用兩排塑性混凝土防滲墻，墻厚1m，兩墻中心距6m，深槽左側(cè)為坡角大于70°的陡巖，防滲墻施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)對(duì)深槽段雙排防滲墻采取如下加固措施：兩排防滲墻間設(shè)置5道隔墻(樁號(hào)0十486、0十495、0十530.7、0十561、0十595)；在雙排墻間與單排墻相接處0十454和0十616各布置3個(gè)旋噴樁，其中防滲墻上游面1個(gè)，下游面2個(gè)；深槽左側(cè)陡巖段防滲墻下部墻體塑性混凝土抗壓標(biāo)號(hào)提高為8MPa，對(duì)第二道墻陡巖段7#槽施工期采取了安全穩(wěn)定措施，并調(diào)整兩側(cè)槽孔的混凝土澆筑程序，陡巖段雙排墻下游側(cè)各布置的一排旋噴墻，根據(jù)觀測(cè)資料予以取消。

(2)下游圍堰深槽段防滲墻加固措施

下游圍堰深槽段樁號(hào)0十420至0十550長(zhǎng)130m，防滲墻最大高度67m，設(shè)計(jì)防滲墻厚lm，在防滲墻背水側(cè)設(shè)置一排高壓旋噴灌漿加固。鑒于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高壓旋噴灌漿孔鉆機(jī)難以滿足近70m深的鉆孔精度，若控制不嚴(yán)可能損傷已施工的塑性混凝土防滲墻墻體，施工難度大、工期緊，設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)防滲墻應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行有限元分析計(jì)算，防滲墻厚加至1.1m，可以滿足要求，為此，將深槽段防滲墻厚修改為1.1m，取消其背水側(cè)高壓旋噴灌漿，在原預(yù)留高壓旋噴灌漿的部位增加一排振沖加密樁，樁距2m，中心線距防滲墻2m。

3.3.4防滲墻底巖體帷幕灌漿的修改

(1)上游圍堰深槽左側(cè)陡巖部位的第二排防滲墻底增布帷幕灌漿上游圍堰設(shè)計(jì)在第一排防滲墻底全線布設(shè)帷幕灌漿，深槽段第二排防滲墻底未布帷幕灌漿。鑒于深槽左側(cè)陡巖部位的防滲墻施工過(guò)程中，陡巖造孔成槽困難，墻底嵌巖難度很大，設(shè)計(jì)已將陡巖段防滲墻底嵌巖深度減少為0.5m，為確保其防滲墻質(zhì)量，避免墻底出現(xiàn)集中漏水通道，設(shè)計(jì)要求在陡巖部位第二排防滲墻底增布帷幕灌漿，孔距1.5m，孔深為防滲墻底以下5m。