二期橫向圍堰工程的幾個主要技術問題

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，基礎地質條件復雜。在長期研究和大量現場施工試驗的基礎上，妥善地解決了基礎新淤砂和強透水巖體處理、深水拋填、風化砂堰體和深混凝土防滲墻設計和施工中的關鍵技術問題，確保了深水圍堰的按期建成和安全運行。

關鍵詞二期圍堰 設計 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，經受了8次長江洪峰的考驗。9月12日，大江基坑初期排水結束，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，是三峽工程建設的重要里程碑，標志著深水圍堰施工這一重大技術難題已被克服，也標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)設計和施工中研究解決的幾個重點技術問題。

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計標準。上游圍堰按II級臨時建筑物設計，設計洪水標準為百年一遇(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級臨時建筑物設計，洪水標準采用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。圍堰結構斷面如圖1—1和圖l—2，主要特性指標參見表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，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60m，設計截流合龍流量為14000～19400m³/s，均超過已有截流工程的世界水平。有關大江截流的技術問題，已有不少文獻進行專題論述。本文僅摘錄截流主要指標表如后，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，二期圍堰基礎處淤積有5一10m厚的新淤粉細砂層，最厚可達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，該細砂層無法加以挖除處理。故對于作為圍堰基礎的新淤砂層的性狀和安全處理措施，曾進行長期細致的研究。

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，處于飽和松散狀態下，屬于可液化土。新淤砂在天然情況下，結構疏松，干容重1.29～1.42g/cm³；滲透穩定性差，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，固結速度快。不排水狀態下的剪切強度(內磨擦角)僅5度，固結排水后可達31.8～34.0度。一期圍堰施工后，其堰基新淤砂層，經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0.80以上。

根據以上研究成果，認為新淤砂層經一定處理后，作為圍堰基礎的一部分在技術上是可行的。對新淤砂層采取的主要結構處理措施有：

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

(2)迎水坡設置塊石防沖保護結構。

(3)堰腳采用壓坡圍封和蓋重措施，防止堰體下的新淤砂發生震動液化。

(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以外的新淤砂，并立即做好反濾、圍封及蓋重。

4、深水拋填風化砂堰體特性的研究

二期橫向圍堰填筑量巨大。三峽壩區花崗巖風化砂儲量豐富，工程建筑物基礎開挖也有大量的風化砂棄料可以利用。三峽壩區風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％，屬一般花崗巖風化料。天然情況下，風化砂中大于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。干填碾壓的風化砂干容重可達1.90t/m³以上，具有良好的物理力學性能。故以風化砂作為圍堰堰體的主要填料，是設計首選的方案。但三峽二期圍堰堰體方量80％處于水下，最大施工水深達60m，無法進行碾壓作業。深水拋投的風化砂在未經碾壓的條件下的性狀，能否保證高達80m的圍堰的安全穩定運行，是三峽二期圍堰研究的重點課題之一。

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

根據大量室內外土工實驗成果，特別是離心機試驗成果，參照二期圍堰兩岸接頭段的生產性填筑施工試驗資料，二期圍堰風化砂主要設計指標列如表4-1。

風化砂填鞏堰體的物理力學性能隨深度變化，且與風化砂固結程度有關。根據施工安排，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)。故在進行防滲墻施工時，防滲墻槽孔上部風化砂力學指標仍較低，對防滲墻造孔時的槽壁穩定不利，可能發生塌孔事故。這對于工期十分緊迫的圍堰施工是一個極大的威脅。經現場試驗后，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30m。經現場測試，經振沖加固后，水下拋填風化砂堰體的干容重可達1.80t/m³，變形模量可提高40～100％。施工實踐表明，在經振沖加密的風化砂堰體中，無論采用沖擊反循環鉆機、液壓銑槽機或抓斗造孔，均未發生槽孔孔壁坍塌事故。同時，振沖加密后，對防滲墻的應力應變狀況也有改善。

5、混凝土防滲墻設計

二期圍堰堰體防滲結構曾研究比較過多種方案。三峽壩區及附近缺乏防滲土料，加上圍堰施工水深特大，新淤砂和基礎復蓋層的清基和水下拋土施工均十分困難，且難于保證質量。考慮到二期圍堰的特殊重要性，參照葛洲壩深水圍堰的成功經驗，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70—90m，堰體又主要是水下拋填的風化砂，防滲墻自身的結構安全成為設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、初步設計、技術設計等設計階段，以及國家科委組織的全國性的“七五”、“八五”科技攻關中，都結合深水拋填風化砂特性的研究，對不同的防滲墻結構布置(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，進行了技術經濟比較和墻體有限元應力應變分析計算。

根據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滲土工織物的防滲方案。防滲墻軸線與圍堰軸線重合。混凝土防滲墻墻頂高程，按滿足施工期安全的最低水位確定；防滲墻穿過淤砂、復蓋層和強風化層，底部伸入弱風化層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。

根據有限元分析成果，上堰深槽防滲墻墻體最大壓應力約為4MPa，最大拉應力約為0.4MPa。墻體材料為素混凝土，不加鋼筋。當墻深小于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指標和配合比列入表5-l、5-2、5-3。

二期上游圍堰防滲墻深槽段左側，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，向下游側也有一定的坡度。陡坡段對防滲墻的結構安全十分不利，施工也非常困難。采取的主要結構措施是：將陡坡切削為若干臺階狀的小平臺，在兩墻間加設3道支承隔墻(施工中2#隔墻取消)，必要時可進行灌漿加固；參見圖5--1，墻下游側設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15000m2；二是防滲墻施工質量要求高，為防止新淤砂和風化砂堰體發生滲透破壞，墻體不允許存在任何集中漏水通道；三是地質條件復雜，墻體需穿過水下拋填風化砂層、截流平拋墊底層、新淤砂層、河床復蓋層花崗巖塊球體和強風化層，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、先進的施工設備，其中包括近100臺反循環沖擊鉆機，一臺液壓雙輪銑槽機，5臺抓斗，以及相應的配套輔助設備。根據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的BC-30型液壓銑槽機，對地層的適應性較強，造孔精度高，鉆進效率高，在施工中發揮了重要作用。但用于塊球體和弱風化巖的切削則工效很低。

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

3)為防止墻體開叉，嚴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化基巖，除嚴格終孔鑒定外，沿防滲墻軸線每間隔6～10m布設一個先導孔，預先探明基巖高程。同時，嚴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)二期圍堰基礎復蓋層和強風化帶巖體中存在塊球體，其一般粒徑0.50～2.0m，大者可達4.0～5.0m。塊球體巖性堅硬，抗壓強度約100MPa，形狀不規則。此外，原設計要求防滲墻穿透全部強風化層，嵌入弱風化基巖1.0m。塊球體和弱風化巖鉆進(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65％。實際施工中，采用了加重錘沖砸和槽內控制爆破等輔助措施。同時，在確保質量的前提下，也對設計作了適當的修改。主要有：在強風化層厚度很大的槽孔，允許不穿透強風化層，但深入強風化層的深度不小于5.0m；在工期特別緊迫的槽孔處(如陡坡段)，嵌入弱風化基巖的深度允許適當抬高，但不小于0.50m。

7、基礎防滲處理

二期圍堰基礎巖體透水性較強。其中強風化帶為嚴重透水巖體，滲透系數一般為1.0～6.0m/d，最大可達11.66m/d；弱風化層透水性也較強，最大透水率可達1829Lu，相對不透水層(q≥5Lu)埋深15～20m。由于圍堰基礎中的新淤砂層抗滲透破壞能力極低，故對防滲墻底部采用帳幕灌漿加以防滲處理。

基巖水泥灌漿標準，上游圍堰為巖體透水率達到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到q≤50Lu，灌漿深度一般為5～10m，最大深度22m。灌漿技術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，墻內埋設塑料管或鋼管拔管成孔，再進行基巖鉆孔。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、圍堰運行及安全監測

至1998年6月22日，二期圍堰堰頂已達臨時度汛高程，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，二期圍堰進入了邊運行、邊施工的階段。在整個7～9月的汛期，雖然出現了8次洪峰，但圍堰運行正常，未出現任何險情。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63m，根據觀測資料，圍堰運行正常，圍堰堰身及基礎滲水量均極微，總量約501/s，遠低于設計預計值。

為了觀測圍堰的運行狀況，上、下游圍堰均埋設有較多數量的監測儀器，對圍堰，特別是防滲墻的變形、滲流及應力、應變進行觀測。其中上游圍堰選擇6個觀測斷面，共埋設滲壓計、應變計、應力計、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，埋設有50只儀器。

根據截止1998年底的觀測資料，圍堰和防滲墻均未出現異常。防滲墻實測的最大壓應力為2.73MPa，最大拉應力為0.043MPa，均在墻體材料允許強度范圍內。上游圍堰第一道防滲墻的最大位移曾達570mm，超過設計最初預計的最大位移值422mm，但小于設計按實際情況驗算的最大位移值674mm。分析上游墻體產生較大變形的主要原因，是因當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，這一狀況已經改變，且根據測斜管資料，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。