二期上下游橫向圍堰設計與實施驗證

鄭守仁　陳洪新

摘要 三峽工程二期圍堰是在葛洲壩水庫內興建的，最大水深60m，堰體填料大部屬于水下施工，是當今世界上最大的深水圍堰，施工強度高、難度大、技術復雜，使其成為三峽工程建設中重大技術難題之一。主要闡述二期上下游橫向圍堰設計中的技術問題及其實施驗證分析。

關鍵詞斷面設計基礎處理防滲設施

1、 概述

三峽工程壩址河谷開闊，中堡島位于主河道右側，將長江分為主河道和后河。葛洲壩水庫蓄水前，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內，壩址河床中部淤積厚8～16m，兩側漫灘地淤積厚0～6m，淤積以粉土質砂為主。

二期上下游橫向圍堰截斷長江主河道，迫使江水從右側的導流明渠渲泄，并與縱向混凝土圍堰形成二期基坑，在其圍護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內修筑圍堰，最大水深達60m，堰體80％填料需水下施工，是當今世界上最大的深水圍堰。圍堰型式采用石碴、塊石及風化砂堰體，混凝土防滲墻上接土工合成材料防滲心墻結構。二期上下游橫向圍堰設計軸線全長2438m，堰體填料達1060萬m²，防滲截水面積9.22萬m²(其中防滲墻截水面積8.49萬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20億m³，實屬在長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個月時間將堰體填筑至渡汛高程83.5m，以確保圍堰安全渡汛，施工強度高、難度大、技術復雜，且為背水一戰，使其成為三峽工程建設中重大技術難題之一。設計單位在業主單位中國長江三峽工程開發總公司和施工單位中國葛洲壩集團公司、中國水利水電基礎工程局的大力支持下，進行了大量科學試驗研究和分析計算工作，并對深水中拋填石碴料、風化砂料、塊石料的堰體穩定、防滲墻造孔機具、成墻技術、墻體材料等結合一期圍堰及二期圍堰兩岸接頭段施工進行了生產性試驗。為二期圍堰河床段施工積累了實踐經驗。1997年11月8日，大江截流龍口合龍后，二期上下游圍堰進入全線施工階段，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施工，二期基坑開始限制性抽水。1998年汛期，三峽壩址出現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的天數達36天，為自1877年以來實測發生天數最多的一年。二期上下游圍堰經受了洪水考驗。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計技術問題及其實施驗證分析。

2、圍堰斷面設計及基礎處理

2.1上游圍堰斷面設計及基礎處理

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1439.6m，左岸接牛場子山坡，橫跨長江河床左漫灘、深槽、右漫灘與混凝土縱向圍堰相接。左岸牛場子山坡地形上緩下陡，山頂高程118m，以約35°坡角與長江左漫灘相接。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，主河槽左側較陡(坡角30°～50°，局部大于70°)，右側較緩(20°～30°)。堰基河床覆蓋層為沖積粉細砂和砂礫石層，厚度7～15m，最厚22m，上部為葛洲壩水庫蓄水后的淤沙層，厚6～10m，最厚12m，下部為砂礫石厚3～10m。基巖為閃云斜長花崗巖。

上游圍堰等級經初步設計審定為二級臨時建筑物，設計洪水標準為1％頻率流量83700m³/s，校核洪水標準為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；圍堰中部為風化砂堰體，截流戧堤與風化砂之間設5m寬的反濾層，69m高程以下的風化砂為水下拋填，采用振沖加密處理，其上的堰體風化砂分層填筑，碾壓密實。堰體中部設置混凝土防滲墻，墻厚0.8m及l m，墻頂高程73～79m，位于河床深槽部位(樁號0十454至0十616長162m)，堰體中部設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，其防滲灌漿標準至巖體透水率小于101Ju，灌漿深度5～15m，最大深度27m。圍堰迎水坡采用于砌塊石護坡，厚度0.5m，護坡塊石下部設有0.3m厚的砂礫石墊層。圍堰基礎淤積砂層屬中密狀態的細砂，設計采取綜合措施處理：(1)鑒于堰基淤砂在堰體填筑加載后密度提高、強度增加，而堰體上下游坡腳范圍斷面單薄，自重加載較小，設計研究確定在堰體背水坡腳平拋砂礫石料，加載提高淤砂強度，同時兼作過渡反濾料，以利堰基滲透穩定，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，加載提高淤砂強度，并可防止淤砂產生液化。(2)二期基坑抽水時，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)基礎防滲墻底嵌入花崗巖弱風化巖體，并需嚴格控制防滲墻施工質量，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下游圍堰斷面設計及基礎處理

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1075.9m，左岸接白虎嶺南坡，橫跨長江河床左漫灘、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砂和砂礫石層，厚度10～20m，最厚26m，上部為葛洲壩水庫蓄水后的淤沙層，厚度8-12m，最厚16m，下部為砂礫石層，厚4～18m。

下游圍堰等級經初步設計審定為三級建筑物，設計洪水標準為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；圍堰中部為風化砂堰體，在背水側石渣體與風化砂之間設5m寬的反濾層，78m高程以下的風化砂為水下拋填，采用振沖加密處理，其上的堰體風化砂分層填筑，碾壓密實。堰體中部設置混凝土防滲墻，墻厚0.8m及1m，墻頂高程70～79m，上接土工合成材料至高程79m，防滲墻底嵌入弱風化巖體lm，防滲墻最大高度68m。位于河床深槽部位(樁號0十420至0十550長130m)，防滲墻擋水高度超過50m，為改善防滲墻體應力條件，在墻下游側設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，其防滲灌漿標準至巖體透水率小于50Lu，灌漿深度5～10m，最大深度22m。圍堰迎水坡采用于砌塊石護坡，厚度0.5m，護坡塊石下部設有0.3m厚的砂礫石墊層。圍堰基礎處理與上游圍堰相同。

3、圍堰施工過程中設計修改及優化

3.1圍堰施工進度實況

二期上下游橫向圍堰從1996年11月22日兩岸預進占段施工，12月1日開始進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73m高程；11月28日下游圍堰全線填筑至防滲墻施工平臺70m高程，圍堰最高月填筑量200萬m³，最高日填筑量19.44萬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，圍堰全線加高到設計高程88.5m；下游圍堰在8月15日全線加高到設計高程81.5m。二期基坑抽水至8月24日，基坑水位降至40m高程，轉入初期排水，9月12日基坑積水抽干，轉為經常性排水。

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

3.2圍堰填料設計修改及優化

3.2.1截流戧堤與風化砂堰體間過渡料的修改

截流戧堤與風化砂堰體間設計兩層過渡料，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。實施過程中，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％。鑒于過渡料均為水下拋填，為保障其厚度，兩層過渡料頂部寬度改為4m。

3.2.2堰體風化砂填料的調整

圍堰填筑施工過程中，左岸風化砂料場中的風化砂Ps(粒徑大于5mm)含量一般只能達到8.9％～26.8％，設計要求堰體風化砂水下拋填部位控制風化砂Ps含量不小于20％，水上分層碾壓部位控制風化砂碾壓干密度大于1.9g/cmz。水下拋填風化砂也可采用古樹嶺粗骨料加工系統的棄料(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有為縱向碾壓混凝土圍堰施工時進出倉面而設置的道路，其填料主要為明渠開挖的石渣混合料，已經施工行車反復壓實。通過現場鉆孔取樣檢測道路填料的力學參數，并結合二期圍堰堰體填料要求和圍堰運行條件，經復核驗算，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，槽內填筑風化砂，以利防滲墻造孔施工。

3.3圍堰防滲結構設計修改及優化

防滲系統是二期圍堰的生命線，設計全力以赴地進行了全過程的跟蹤，做了一系列的完善和優化設計工作。

3.3.l上游圍堰左岸接頭段防滲墻優化

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

(2)上游圍堰左岸接頭樁號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段，通過挖槽坑檢查，兩排或三排高壓旋噴灌漿基本形成了連續墻體，從現場取樣檢測資料，墻體各項指標可滿足圍堰運行擋水位的要求。因此，設計同意將試驗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0十040現澆混凝土防滲墻，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，與試驗段高壓旋噴墻相接；樁號0十078.5至0十146.1段為試驗段高壓旋噴墻下接帷幕灌漿，對局部單薄墻體采取補強處理后即作為圍堰防滲墻體；樁號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防滲墻設計修改及優化

(1)防滲墻底嵌巖深度的調整

設計要求防滲墻底嵌巖深度l m，防滲墻造孔過程中，墻底花崗巖堅硬，墻底嵌巖鉆進緩慢，成槽困難，直接制約了防滲墻成槽進度。設計在認真分析圍堰各段防滲墻底地質資料和墻體運行條件的前提下，并結合沿防滲墻軸線先導孔鉆孔取芯及壓水試驗成果，對墻底嵌巖深度作如下調整：河床深槽段防滲墻嵌入弱風化巖體0.6m，陡巖段嵌巖最小深度為0.5m；深槽兩側漫灘段，當強風化帶巖體不太破碎且厚度大于5m時，防滲墻底嵌入強風化帶巖體深度為5m，其下接帷幕灌漿；當強風化帶厚度不大于5m時，防滲墻穿過強風化帶，嵌入弱風化巖體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，設計配合比中骨料為砂及小石，施工過程中，骨料改用古樹嶺人工骨料(粗骨料)系統篩余廢棄石屑料，經檢測石屑料Ps含量9.8％～23％，平均14.7％，細度模數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0十454至0十516長162m，防滲墻最大高度74m，設計采用兩排塑性混凝土防滲墻，墻厚1m，兩墻中心距6m，深槽左側為坡角大于70°的陡巖，防滲墻施工過程中，設計對深槽段雙排防滲墻采取如下加固措施：兩排防滲墻間設置5道隔墻(樁號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個旋噴樁，其中防滲墻上游面1個，下游面2個；深槽左側陡巖段防滲墻下部墻體塑性混凝土抗壓標號提高為8MPa，對第二道墻陡巖段7#槽施工期采取了安全穩定措施，并調整兩側槽孔的混凝土澆筑程序，陡巖段雙排墻下游側各布置的一排旋噴墻，根據觀測資料予以取消。

(2)下游圍堰深槽段防滲墻加固措施

下游圍堰深槽段樁號0十420至0十550長130m，防滲墻最大高度67m，設計防滲墻厚lm，在防滲墻背水側設置一排高壓旋噴灌漿加固。鑒于國內現有高壓旋噴灌漿孔鉆機難以滿足近70m深的鉆孔精度，若控制不嚴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，設計通過對防滲墻應力應變進行有限元分析計算，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，取消其背水側高壓旋噴灌漿，在原預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)上游圍堰深槽左側陡巖部位的第二排防滲墻底增布帷幕灌漿上游圍堰設計在第一排防滲墻底全線布設帷幕灌漿，深槽段第二排防滲墻底未布帷幕灌漿。鑒于深槽左側陡巖部位的防滲墻施工過程中，陡巖造孔成槽困難，墻底嵌巖難度很大，設計已將陡巖段防滲墻底嵌巖深度減少為0.5m，為確保其防滲墻質量，避免墻底出現集中漏水通道，設計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。