二期圍堰主要工程地質問題勘察研究與建議

李芳玲　王德陽　陳又華

摘 要 三峽工程二期圍堰是三峽工程二期建設時期最關鍵的安全屏障，施工技術難度大，施工期短。為保證在一個枯水期完成一個土石方填筑總量達1032萬m³，混凝土防滲墻面積近9萬m 2的工程，自1972年起至1997年間，長江委三峽勘測研究院對二期圍堰枯水河床基巖深槽問題、堰基細砂層振動液化與滲透穩定問題、堰基巖土滲透問題、堰基塊球體分布及對防滲墻造孔的影響等問題進行了詳細勘察與研究，并據此提出了二期圍堰設計思路上的關鍵點和施工難點作為設計依據，保證了二期圍堰工程的勝利建成。

關鍵詞 三峽工程 二期圍堰 工程地質 勘察研究

二期圍堰是長江三峽工程重要的臨時建筑物之一，由上游和下游兩道圍堰組成，分別位于三峽大壩軸線上游200～450m及壩軸線下游400～700m。兩道圍堰呈折線橫跨長江布置，與已建成的混凝土縱向圍堰在長江河道內圍成二期基坑，在二期施工期間擔負著保護基境內安全施工及下游城鄉居民生命財產的安全。圍堰運行期間上游庫內蓄洪容積達20億m³，萬一失事，將造成工程及下游生命財產的重大損失，而且會嚴重推遲三峽工程的工期。它是三峽工程二期建設時期最關鍵的安全屏障。

二期圍堰的施工技術難度大、施工期短。要想在一個枯水期完成土石方填筑總量達1032萬m³，混凝土防滲墻面積近9萬m²的二期上、下游圍堰工程，首先必須對堰基工程地質條件作詳細勘察與研究。

自1972年起，長江委三峽勘測研究院就開始對二期圍堰基礎工程地質條件進行勘察研究工作。到1992年提交初設報告。查明該處工程地質條件復雜，主要存在以下四個方面的工程地質問題：

(1)二期圍堰最大擋水水頭85m，水下填筑深度60m，堰基下存在著較厚的細砂層，其承載力小，穩定性差，易產生管涌破壞，不利于二期圍堰堰體的穩定。

(2)河床深槽部位水深，基巖面形態復雜，特別是上游圍堰河床深槽的左側存在著60°～75°的基巖陡坡，給防滲墻的嵌巖施工帶來了較大的困難。

(3)基巖內存在著透水較強的巖體，在高水頭條件下可能引起集中滲漏，影響細砂層穩定，對堰體產生破壞作用。

(4)二期圍堰施工期短，防滲線路長達2516m，堰體最大高度82.5m，堰基下有強度在130MPa以上的塊球體分布，防滲墻必須通過此層，施工難度大。

1992年以后至圍堰施工前，著重針對上述工程地質問題又進行了詳細的勘察研究，并提出了處理建議。

1、主要工程地質問題勘察研究

l.1細砂層的工程地質特征勘察研究

二期圍堰堰基的細砂主要為葛洲壩水庫新淤積細砂，部分為蓄水前沉積，二者特征與物理力學性質基本相同，呈灰或灰白色，松散均勻，具斜層理。由于細砂層在堰基下分布較廣，工程地質性狀較差，因此必須對細砂的分布、沖淤變化以及承載力、滲透穩定、動力穩定作細致的研究。

1.1.1分布范圍及沖淤變化的研究

圍堰范圍內勘探網點間距為40～60m，通過勘探鉆孔資料確定了砂卵石層頂面、基巖面等相對穩定的界面作為細砂的底界面。采用不同年份的實測水下地形線進行比較，可以判斷河床的沖淤變化。再輔以鉆孔和物探資料判斷沉積物是細砂還是砂卵石層，編制細砂等厚線圖。

圍堰施工前，細砂層在上游圍堰枯水河床厚度一般為5～10m，最厚16m，兩岸漫灘一般厚0～5m，靠近中堡島附近最厚為12m；下游圍堰枯水河床細砂層厚8～17m，左岸漫灘3～15m，右岸漫灘0～15m，其沖淤變化與當年的來水量有明顯的關系，來水量大時普遍以淤積為主，來水量小時，枯水河床及靠近枯水河床的兩側部分漫灘為沖刷區。圖1為上游圍堰施工前的細砂層等厚線圖。

圖1二期上游圍堰細砂層等厚線圖

1.1.2工程地質特征研究

細砂由于結構松散，為研究細砂層的工程地質特性，勘察中特別著重要采取原狀樣土。為此在鉆孔中采用取砂器、薄皮取樣器；地表采用原位壓樣、方箱取樣等方法采取原狀樣。經取樣分析，二期圍堰堰基內細砂平均粒徑為0.177～0.233mm，級配均勻，不均勻系數為1.3 3.2，0.05mm以下的粉粒含量在2％～13％之間，屬均勻的細砂。其比重在2.65～2.76之間，最大孔隙比為1.116 1.128，最小孔隙比為0.652 0.642。干容重為13.6～13.7kN/m³，濕容重為17.1～18.2kN/m³，含水量(24.0～33.5)％，相對密度Dr＝0.29 0.32，屬稍密～中密狀細砂。

對細砂的力學試驗，在野外現場進行了標準貫入、旁壓等試驗，并在河床深水處利用大功率潛水泵進行了抽水試驗。取樣在室內進行了抗剪、三軸儀等固結壓縮試驗，滲透破壞比降和液化應力比試驗。通過上述工作取得了大量的試驗資料，其物理力學指標及滲透特征見表1。

不同年分與季節的鉆孔資料和水下地形測量表明，大江淤砂的厚度變化頻繁，表明是不穩定的沉積物，其中一部分可能經常發生新舊更替，因此其密度更低，容易產生滲透破壞。

在圍堰施工時，細砂上部將被風化砂、砂卵石或石渣覆蓋，試驗表明.其間如無適當反濾層，淤砂可能發生流土型滲透破壞。二期圍堰擋水水頭高，基巖中可能存在集中滲漏通道，與細砂相結合，可能發生滲透破壞危及圍堰安全。為了防止這種情況發生，必須保證防滲墻與帳幕本身的可靠性，控制堰內抽水速度，及時做好細砂層的反濾結構與反壓設施。

1.2河床深槽基巖面形態特征研究

河床深槽基巖面形態主要是根據鉆孔資料作為實物資料，物探資料再根據鉆孔資料進行解譯，以準確地獲得更多點位基巖面高程，再根據各點高程制作基巖面等高線圖。可行性階段已初步查明了河床深槽基巖面形態特征，圍堰軸線選定后，在防滲軸線上將鉆孔孔距加密到12～30m，更加準確的確定了河床深槽的位置及上游圍堰左側陡壁的幾何形態。

上游圍堰河床基巖深槽位于原枯水河床，順水流長270m，寬180m，巖面形態呈不對稱“V”字型，防滲軸線處基巖面高程由兩側漫灘的40m高程向河床中心降至0m左右，截流戰體處基巖面最低為-6.7m。上游圍堰河床深槽左側基巖面有60°～75°的基巖陡坡，其中圍堰防滲軸線處基巖陡坡面與軸線夾角40°，坡面傾向右及下游(如圖2)；河床深槽右側呈20°～30°緩坡。下游圍堰河床深槽基巖面基本對稱，基巖面呈緩坡，左側為30°，右側為20°，最低基巖面高程3.61m。

基巖深槽控制了防滲墻與堰體的最大高度，是圍堰施工的難點；又是深厚細砂分布區，墻下帳幕施工質量十分關鍵，也是圍堰的險段。

上游圍堰河床深槽左側有高達30m約70°的陡壁，走向與防滲墻斜交，傾向下游，不僅防滲墻施工嵌巖困難，而且在防滲墻擋水向下游位移時，可能形成墻體與巖壁間的張拉縫。除采取特殊工藝嵌巖外，應用多層鉆孔噴漿加強防滲墻與陡壁的連接面，減少墻體變形量，增大防滲體寬度。

圖2二期上游圍堰河床深槽立體透視圖

1.3基礎滲漏與防滲

砂卵石和塊球體夾砂層滲透系數一般為12～120m/d，最大達182.17m/d，為較強一極強透水層；細砂層滲透系數1.17×10-3～4.65×10-2cm/s為弱 強透水層；全風化帶為1 4m/d，最大26.68m/d；強風化為1 6m/d，最大為11.66m/d，全、強風化帶為較嚴重一極嚴重透水巖體。以上各帶均需以防滲墻作為防滲措施。

由于河床垂向與側向卸荷作用及風化影響，弱風化帶中部分斷層、裂隙有不同程度張開，有集中滲漏可能。壓水試驗表明，弱風化帶中等一嚴重透水試段占68％，下帶中占38％；但弱風化帶以堅硬巖石為主，防滲墻造孔困難，建議嵌巖深1m。

防滲墻施工后，堰基滲漏主要為墻下弱風化及微新巖石的裂隙性滲漏。其中在墻下基巖3～5m范圍內存在滲漏較大的風化層、卸荷后裂隙張開，一部分裂隙張開寬度較大為35cm，水蝕作用明顯，裂隙連通性較好，透水量大，易形成集中滲漏。因此墻體下一定深度內應以灌漿帳幕封堵集中滲漏通道，增加滲徑，降低水頭梯度。

l.4塊球體

塊球體指殘留在河漫灘或保存在沖積層或全強風化帶巖體內風化程度較輕的堅硬巖塊。經漫灘地質測繪與鉆孔勘察，堰基下的塊球體的分布有三個層次：

(1)夾于原枯水河槽砂礫石層中下部的零星漂石，鉛直向尺寸0.3m以上；

(2)廣泛分布于兩側漫灘、零星分布于枯水河槽基巖面的殘積塊球體夾砂層，塊球體一般l～3m，最大5～7m，疊置厚度一般2～6m，最厚8～10m。

(3)強風化帶中下部的半堅硬一堅硬塊體，自上而下含量增加，塊體增大。

由于塊球體堅硬，尺寸大，是制約防滲墻施工的關鍵因素，是二期圍堰施工的主要難點之一。因此圍堰防滲線路選擇時，根據原地表測繪資料已盡可能地避開了殘積塊球體分布區。最終選定防滲線上殘積塊球體分布總長173m，占軸線長的15％。

強風化帶中的塊球體分布總長度達663m，占軸線長度的58％，因而防滲墻在此層中造孔施工難度很大。

2、處理建議

通過對上述主要工程地質問題的勘察研究，長委會三峽勘測研究院在1996年6月的技術報告中提出了二期圍堰設計思路上的關鍵點和施工難點作為設計依據：

(1)由于細砂層分布廣，河床深槽段較厚，物理力學性質指標低，不能滿足堰基承載力要求，且二期圍堰水深大、防滲墻高，建議清除或加固細砂層。

(2)二期圍堰基礎巖體大多為強透水巖體，基巖中可能存在有集中滲漏通道，二期圍堰水頭又高，為確保施工期安全，必須建立可靠的防滲體，防滲墻應嵌入弱風化帶1m，墻下應普遍設置灌漿 帳幕以堵塞集中滲漏通道。

(3)河床基巖深槽，防滲墻造孔深度達75m左右，且在深槽左側有70。左右的基巖陡坡，勢必是施工難點、是控制工期的關鍵部位，必須作好施工機械的選型和組織設計，以在最短的時間內完成防滲體系。

(4)塊球體巖質堅硬，分布廣泛，鉆進困難，也是施工難點，因此應研究有效的機器、措施與工藝，以保工期與質量。并加強防滲墻先導孔施工，以準確確定基巖面及弱風化頂面的位置，先導孔施工間距(6～10)m為宜。對基巖面變化復雜的河床深槽段，先導孔應進一步加密。