大江截流及二期圍堰主要技術問題的決策

張超然

摘要 二期圍堰是影響三峽工程施工成敗的關鍵性建筑物，修建在深水中的淤沙地基上。大江截流和圍堰防滲是二期圍堰的兩個關鍵性技術問題。三峽大江截流最大水深60m、截流流量8480～11600m³/s、日最高拋投強度19.4萬m³、截流施工期有通航要求，創造了大江截流四項世界記錄。圍堰采用塑性混凝土防滲墻下接惟幕灌漿，墻上接土工膜防滲方案，用不到一年的時間，完成二期上石圍堰施工，經受了去年八次洪峰的考驗。基坑滲水量遠低于設計預測值。這說明三峽大江截流及二期圍堰的主要技術問題的決策是正確的。

關鍵詞 三峽大江截流二期圍堰決策1施工導流及施工期通航決策

1、施工導流及施工期通航決策

1.1施工導流方案

三斗坪壩址河谷寬闊，江中有中堡島將長江分為主河床及后河，適于采用分期導流方案。分期導流方案設計必須結合施工期通航和樞紐總體布置一并研究。在可行性論證和初步設計階段，對右岸導流明渠施工期通航和不通航兩大類型的多種方案進行了大量的技術經濟比較工作。1993年7月，經國務院三峽建設委員會批準，確定為“三期導流，明渠通航”方案。第一期圍右岸(圖1)。一期導流的時間為1993年10月至1997年10月。在中堡島左側及后河上下游修筑一期土石圍堰，形成一期基坑，并修建茅坪溪改道工程，將茅坪溪水導引出一期基坑下游。在一期土石圍堰保護下挖除中堡島，擴寬后河修建導流明渠、混凝土縱向圍堰，并預建三期碾壓混凝土圍堰基礎部分的混凝土。水仍從主河床通過。一期土石圍堰形成后束窄河床約30％。汛期長江水面寬約1000m，因此船只仍可在主航道航行。

圖1一期導流

圖2二期導流

第二期圍主河床與左岸(圖2)。二期導流時間為1997年11月至2002年11月。1997年11月實現大江截流后，立即修建二期上、下游橫向圍堰將長江主河床截斷，與混凝土縱向圍堰共同形成二期基坑。在基坑內修建泄洪壩段、左岸廠房壩段及電站廠房等主體建筑物。二期導流時，江水由導流明渠宣泄，船舶從導流明渠和左岸已建成的臨時船閘通航。

圖3三期導流

第三期再圍右岸(圖3)。三期導流時間為2002年12月至2009年6月。2002年5月和9月先后拆除二期上、下土石橫向圍堰，2002年11月下旬在導流明渠內進行三期截流，建造上、下游土石圍堰。在其保護下修建三期上游碾壓混凝土圍堰并形成右岸三期基坑，在三期基坑內修建右岸廠房壩段和右岸電站廠房。三期截流和三期碾壓混凝土圍堰施工是三峽工程施工中的又一關鍵技術問題。在導流明渠中截流時，江水從泄洪壩段內高程56.5m的22個6.5×8.5m的導流底孔宣泄，截流最大落差達3.5m，龍口最大流速超過6m/s。碾壓混凝土圍堰要求在截流以后的120天內，從高程50m澆筑到140m，最大月澆筑強度達39.1萬m³/月，最大日上升高度達1.19m，且很快要擋水并確保在近90m水頭下安全運行，施工難度為世所罕見。

三期截流后到水庫蓄至135m水位前，船只從臨時船閘航行，當長江流量超過12000m³/s，上下游水位差超過6m時，臨時船閘不能運行，長江短期斷航。經測算斷航時間發生在5月下半月至6月上半月內。斷航期間設轉運碼頭用水陸聯運解決客貨運輸問題。水庫蓄水至135m，第一批機組開始發電，永久船閘開始通航。

水庫蓄水以后，由三期碾壓混凝土圍堰與左岸大壩共同擋水(下游仍由三期土石圍堰擋水)，長江洪水由導流底孔及泄洪深孔宣泄，繼續在右岸基坑內建造大壩和電站廠房。左岸各主體建筑物上部結構同時施工，直至工程全部完建。

1.2施工期通航決策

長江是我國重要的水運交通干線，三峽工程施工期間的通航問題必須妥善解決。施工期臨時通航措施，曾研究過多種方案，經多次審議，歸納為兩類方案，第一是明渠通航方案右岸導流明渠兼作通航渠道，結合左岸臨時通航建筑物承擔施工期通航任務；第二是明渠不通航方案--- 右岸明渠專作導流用，左岸布置臨時通航建筑物，承擔施工期通航任務。經綜合比較認為，從施工通航的可靠性，特別是從盡量減少初期工程規模、縮短工期、提前發電出發，選用明渠通航方案。

2、大江截流主要技術問題及決策

2.1大江截流方案

葛洲壩大江截流工程是我國在長江于流上第一次進行的規模巨大的截流工程，采用單戧堤立堵截流方案。葛洲壩大江截流的成功經驗說明，在我國主要通航河流上不宜采用棧橋平堵截流方案，因為棧橋平堵截流施工棧橋工期較長，且與通航矛盾較大，由于大容量的挖掘、運輸設備的迅速發展，單戧堤立堵截流方案具有施工簡單、快速、經濟和與通航干擾小等優點，應優先采用。三峽工程在葛洲壩上游38km，水文和氣象條件基本一樣。三峽工程大江截流龍口水深達60m，合龍工程量大，拋投強度高，但合龍水力學指標(落差、流速)較葛洲壩大江截流小，其分流條件優于葛洲壩工程。對三峽工程大江截流方案設計研究比較了上游單戧堤立堵和浮橋平堵截流方案，浮橋平堵截流方案在上游截流戰堤中部主河床部位350m寬口門的上游架設浮橋，由自卸汽車在浮橋上拋投料物直至戧堤出水合龍。該方案的優點是截流水力學指標優越，合龍工程量小，缺點是浮橋的結構、架設和運用中的技術問題尚不落實，且浮橋架橋時對通航有一定的影響，經綜合分析比較，選用單戧堤立堵截流方案。后經進一步模型試驗，專家多次審議和設計審查最終確定采用：“預平拋墊底，上游圍堰單戧雙向立堵進占、下游圍堰尾隨的截流方案”。

2.2導流明渠提前通航和明渠淤積問題

導流明渠是二期施工時的唯一泄水通道，同時也擔負著施工期的通航任務，明渠設計泄洪導流標準為79000m³/s，通航標準則按長航船隊20000m³/s以下、地航船隊10000m³/s以下確保通航進行設計，10000～15000m³/s地航船隊助航可通過。大量的水工模型試驗成果表明，導流明渠的布置、 斷面及混凝土縱向圍堰體型等均由通航條件控制。

確保施工期通航，是三峽截流的一個關鍵技術問題，原設計計劃1997年10月明渠通航。若能盡早實現明渠分流和通航、提前截流對工程施工將非常有利。根據導流明渠施工情況，變堰外段水下開挖為干地開挖，提前將堰外水下巖石挖出，一期土石圍堰堰壓部位明渠開挖也可在臨時擋水子堰保護下干地提前施工，使導流明渠控制性進度提前，1997年5月導流明渠破堰分流進水。但是在汛期，由于主河槽仍是主要的過水通道，明渠分流量和流速都很小，大量泥沙沉積其中，使截流前的明渠過水斷面僅為設計斷面的57％～75％，淤積的泥沙主要分布在靠縱向圍堰的明渠中及左側的低渠部位，最大淤積深度達15m，由于明渠內淤積嚴重，1997年汛后開始預進占時，明渠分流比僅為30％，遠低于設計明渠分流比，如不及時處理，將影響截流龍口進占的流速和落差等截流水力學指標，增加截流難度。為此，經過研究決策：根據長江實際來水量情況，在不影響通航的前提下，盡可能提前束窄戰堤的口門，增加明渠的過流量和流速，以利沖淤。同時，研究萬一淤積的泥沙不能沖走時應采取的對策措施。自9月中旬至10月12日，截流戧堤口門從汛前的460m寬束窄280m，據水下地形測量成果，明渠淤積并未有明顯的改善，明渠分流比仍在31％～33％之間。10月14日 15日截流朗堤以較快的速度束窄，明渠分流比開始持續加大，至10月23日130m龍口形成時，分流比55.8％，仍低于設計和水工模型實驗預測值15個百分點。23日～25日，戧堤停止進占，明渠分流比基本維持不變。對明渠實測流速和淤積物沖刷情況的對比分析表明，明渠淤積的泥沙粒徑雖較細，但低渠左側處于彎道凸岸，且有輕度板結現象，要使淤積的泥沙沖走，明渠內必需保持一定的流速和給予一定擾動，并有一個時間過程配合挖泥船擾動淤沙。明渠平均流速持續在1.40mfs以上時，渠內產生明顯沖刷，隨著龍口進占，于11月8日龍口最終合龍前夕，明渠過流斷面已接近設計斷面。從而確保大江截流順利完成。

2.3大江截流上下游土石圍堰平拋墊底決策

三峽大江截流主河床深槽段最大深度達60多米，為世界水電工程建設史上所罕見。為避免可能發生截流戧堤和堰體拋填過程中堤頭坍塌現象，保證施工人員、機械的安全，減少截流時的拋投強度，經模型試驗和堤頭坍塌機理分析，采用平拋墊底抬高河床高程的措施，可明顯減少堤頭坍塌的機率，為大江截流創造良好的條件。結合平拋墊底，又調整防滲墻與戧堤軸線距離，減小圍堰填筑工程量。根據模型實驗成果，經專家多次審議和招標設計審查對平拋墊底形成如下決策意見：

(1)采用砂礫料和中小石平拋墊底，以解決戧堤進占時堤頭坍塌問題。鑒于深槽段水深最大，預平拋范圍應覆蓋戧堤龍口段與整個深槽段，順水流方向140m，沿戰堤軸線方向180m；為減輕落淤和便于防滲墻施工，戧堤上游亦可用砂礫料平拋一定范圍，平拋高程不低于40m，并力爭達到45m以上。以削減截流后圍堰填筑高峰強度。

(2)為便于拋投、減輕落淤，預平拋宜分兩階段施工。第一階段可安排在1997年汛前平拋至高程30～35m，第二階段于汛后截流前平拋至最終高程。平拋宜采用底開駁船拋投。

圖4大江截流平拋墊底

(3)龍口河床平拋墊底度汛防沖措施：龍口位于河床深槽部位，在截流戧堤范圍平拋石碴及塊石料，其上游側的堰體防滲墻范圍平拋砂礫石料。1：100水工模型試驗表明，當20年一遇洪水流量72300m³/s時，戧堤平拋墊底至40m高程處的流速為2.77～3.42m/s，平拋墊底的砂礫料產生沖刷。后調整為在找堤部位平拋墊底至40m高程，其上游側堰體范圍平拋砂礫石料高程降低至35～37m高程，形成高低坎機構型式。堰體砂礫范圍流速降低至2.82～2.96m/s，戧堤部位平拋石碴塊石體處的流速為3.5～4.0m/s，可有效地減少平拋墊底砂礫石料的沖刷量。在施工中高程35m至40m范圍內平拋粒徑大于0.4m的塊石料，有效地防止汛期遭受洪水沖刷。三峽大江截流深槽面貌及平拋墊底示意圖見圖4。

3、二期圍堰防滲關鍵性技術和決策

3.1二期圍堰防滲型式及決策

二期圍堰防滲型式曾經過可行性論證階段、初步設計階段、技術設計階段和招標設計階段多種方案的比較優化和不斷完善。由于三峽壩區及附近防滲土料十分缺乏，不適于采用粘土防滲，故混凝土防滲心墻是堰體防滲的基本研究方案。由于防滲墻可能的最大深度將達70～90m，堰體又主要是水下拋填的松散風化砂，防滲墻的結構安全是研究的主要問題。結合深水拋填風化砂特性的研究，比較研究了多種組合方案：(1)防滲墻結構平面布置的單排墻或雙排墻方案；(2)防滲墻結構立面布置的高墻或低墻方案；(3)防滲墻墻體材料性質的塑性混凝土或剛性混凝土方案；(4)墻體厚度由0.8～1.2m的不同厚度方案。根據研究成果，圍堰防滲采用塑性混凝土防滲墻下接帳幕灌漿，墻上接防滲土工膜方案，上游圍堰在防滲墻深度超過40m的深槽段加設第二道防滲墻，間距6m，墻厚1.0m和0.8m，最大深度74m。下游圍堰深槽段相應部位加設一道高壓旋噴樁柱連續墻。在施工階段，根據防滲施工專家的咨詢意見和考慮到施工承包單位高噴設備性能和數量難以滿足設計要求的具體情況，取消該部位的高噴墻。將下游防滲墻的厚度由原1.0m增加為1.1m的方案實施。

3.2防滲墻柔性材料的研究

二期深水高土石圍堰，最大堰高82.5m，圍堰防滲心墻材料選用了塑性混凝土。由于其強度低，彈性模量較小，柔韌性好，用于填筑圍堰的材料除部分塊石外，主要是花崗巖風化沙料，由此而拋填的圍堰堰體密度，尤其是水下部分的密度較低，防滲墻體的擾度較大。為了適應墻體的較大變形以及適應較大的水平推力，墻體材料必須有較高的強度和較好的柔韌性。鑒于二期圍堰的重要性以及國內外工程中所用的塑性混凝土防滲墻指標不能滿足三峽二期圍堰的要求，在國家“七五”、“八五”科技攻關項目中安排了塑性混凝土防滲墻的研制和配合比的優選研究工作。為配合現場施工，又進行了施工配合比的完善工作，并作為二期圍堰右岸接頭段塑性混凝土防滲墻現場生產性配合比，為主體部分塑性混凝土防滲墻的澆筑作實戰準備。

柔性材料主要由水泥、粘土(或膨潤土)和風化沙組成。以當地風化沙(或河沙)作骨料形成三組分柔性材料作為圍堰防滲材料是一項創新。與同類材料相比，原材料組分少，可就地取材，防滲效果好，和易性好，施工方便，拆除簡單，造價低廉，并具有“高強低彈”的特點。

4、 1998年汛期上游圍堰防滲墻變形的原因分析

1998年6月22日，二期圍堰堰頂達到臨時度汛高程，防滲墻單封閉，6月25日基坑開始限制性抽水。6月29日長江形成第1次洪峰，圍堰進入邊施工、邊運行、邊度汛階段，經過研究確定，當流量小于65000m³/s時，上游圍堰第二道墻照常施工，當流量大于65000m³/s時，進入搶險狀態。從而保證了8月6日，上游圍堰第二道防滲墻完工。6月末至9月初，長江出現8次大洪峰，但圍堰運行正常，未出現險情。9月12日，基坑按計劃抽干。圍堰滲水量約50L/s，遠低于設計預測值600L/s。截至1999年2月圍堰內部變形觀測資料表明，圍堰最大擋水水頭63m，防滲墻最大壓應力1.4MPa，最大拉應力0.045MPa，均在墻體材料允許范圍內。上游圍堰第一道防滲墻最大變位達580mm，超過設計值，其原因是由于第一道墻(上游)初期運行擋水時，第二道墻(下游)槽孔正在施工中，二道墻槽孔形成了臨空面，減小了第一道墻的下游抗力，同時第一道墻上游側填筑擋水子堰，增加了側壓力，但其變形曲線光滑，無明顯錯位，運行狀況正常。

5、結論

三峽大江截流和二期圍堰施工是一高難度的工程項目，創造了多項世界記錄。用不到一年的時間，在長江深水中筑起兩道橫斷長江的土石大壩，施工難度極大。二期圍堰已接受了去年八次洪峰的考驗。基坑滲水量僅為50L/s，遠低于設計預測值，取得了三峽工程建設的階段性勝利。但是二期圍堰還沒有經受設計洪水的考驗，考慮三峽工程二期圍堰的重要性和使用時間長，決不能掉以輕心。要加強二期圍堰的原型監測工作，尤其是做好防滲墻變形的反饋分析，及時掌握圍堰的浸潤線和滲漏狀況，以確保二期圍堰的安全運行。