潘家錚

摘要

三峽工程二期圍堰是影響整個工程建設(shè)成敗的重大關(guān)鍵，存在許多技術(shù)難點。在業(yè)主、勘測、設(shè)計、施工和科研單位的共同努力下，采用具有國際先進(jìn)水平的新技術(shù)、新工藝、新材料、新機(jī)具，進(jìn)行高水平的組織管理，解決了深水拋填進(jìn)占時的堤頭穩(wěn)定問題；發(fā)展和突破了防滲墻成墻技術(shù)；研究用棄料配制塑性混凝土并投入應(yīng)用，獲得成功；優(yōu)化下游圍堰深槽防滲體方案并獲得成功；開創(chuàng)了利用棄渣澆制塑性混凝土墻的先例。攻克了所有技術(shù)難關(guān)，優(yōu)質(zhì)、高速、安全地建成了二期圍堰工程。

關(guān)鍵詞三峽工程二期圍堰技術(shù)難點先進(jìn)技術(shù)評價

舉世矚目的三峽水利樞紐，在1997年11月8日成功地實現(xiàn)了大江截流后，一鼓作氣如期建成了二期圍堰，并經(jīng)受了1998年汛期8次洪水的考驗，固若金湯，現(xiàn)已完全竣工，進(jìn)行了驗收，為三峽工程今后的順利建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。在極其嚴(yán)峻的水文、地質(zhì)、工期條件下，二期圍堰的建成標(biāo)志著中國水利水電建設(shè)又登上新的臺階，臍身國際先進(jìn)水平，值得慶賀。

1 、二期圍堰的主要情況

三峽工程二期圍堰擔(dān)負(fù)著二期工程施工期間保障大江基坑常年施工的任務(wù)，最大堰高82.5m，設(shè)計攔洪量20億m3，運行中絕對不容許出事，否則不僅給整個工程建設(shè)造成不可估量的損失，還將嚴(yán)重威脅下游安全。因此，國務(wù)院審查三峽工程初步設(shè)計時確定將二期圍堰列為八個單項技術(shù)設(shè)計之一，由三峽工程開發(fā)總公司技委會成立專門專家組負(fù)責(zé)指導(dǎo)和審查。

二期圍堰的主要特點有：

(1)圍堰規(guī)模名列世界前茅，最大堰高82.5m，土石方總填筑量達(dá)1220萬m3，防滲體總面積達(dá)20萬m2，其中混凝土防滲墻近10萬m2；

(2)堰址水深達(dá)60m，約2/3的堰高在水下施工，難度很大;

(3)堰址地質(zhì)情況復(fù)雜，覆蓋層中有塊球狀孤石，表面有粉細(xì)沙層，地形起伏大，有深槽和陡坡，不利防滲墻的施工；

(4)根據(jù)現(xiàn)場情況，只能采用風(fēng)化砂作主要填料，水下拋填時結(jié)構(gòu)松散，難以密實，物理力學(xué)指標(biāo)差，圍堰變形大；

(5)必須在一個枯水期內(nèi)完成，施工強(qiáng)度高，與洪水賽跑，月填筑強(qiáng)度超過300萬m3，月成墻強(qiáng)度近1.3萬m3。

從以上可知，若不采用最先進(jìn)的設(shè)計、施工和管理技術(shù)，不進(jìn)行大量的科研工作，是難以完成二期圍堰的建設(shè)任務(wù)的。

承擔(dān)二期圍堰主體設(shè)計和試驗任務(wù)的是長江委設(shè)計院和長科院，施工承包商的主力軍是葛洲壩集團(tuán)公司，實施全面協(xié)調(diào)和管理的是業(yè)主中國長江三峽工程開發(fā)總公司，實際上還有大量國內(nèi)著名的水電科研、設(shè)計、施工單位、大專院校以及許多專家參與聯(lián)合攻關(guān)，作出貢獻(xiàn)。意大利、法國、加拿大、德國等公司的專家也提出許多建議，因此，二期圍堰的建成是集中多方面優(yōu)秀力量、充分合作、發(fā)揮集體智慧的成果。

2、 二期圍堰建設(shè)中的主要難點

設(shè)計單位對二期圍堰進(jìn)行過長期的研究和試驗。通過精心設(shè)計，分別提出了初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和招標(biāo)設(shè)計，針對三峽壩址的具體情況，提出以石碴戧堤截流、拋填風(fēng)化沙作堰體；并在堰體內(nèi)設(shè)置以塑性混凝土防滲墻為主體的防滲結(jié)構(gòu)。在施工上采取上游圍堰先進(jìn)占，下游圍堰尾隨，先從兩端預(yù)進(jìn)占逐步縮小龍口，取得施工經(jīng)驗，最后在河床段留下130m寬的龍口，一舉截流，隨即迅速搶高堰體形成防滲墻施工平臺，突擊進(jìn)行防滲墻施工，搶在次年汛期洪水到來之前，完成必要的工作量，這一總的設(shè)計思路和基本方案，經(jīng)專家組反復(fù)及時討論審查，是合理和正確的。但在具體實施中還存在許多風(fēng)險和難點，需要充分估計，進(jìn)行更細(xì)致的分析試驗，提出相應(yīng)措施，并對方案作必要的優(yōu)化才能保證二期圍堰一次勝利建成。

經(jīng)反復(fù)討論研究，大家認(rèn)為二期圍堰施工中的主要問題有以下幾點：

(1)在深水中拋填截流戧堤及堰體時堤頭的穩(wěn)定問題。尤其在深槽段，水深達(dá)60m，如發(fā)生大的坍塌，不僅嚴(yán)重影響進(jìn)度，也危及施工人員及機(jī)具的安全；

(2)二期圍堰混凝土防滲墻總面積近10萬m2，如何采用各種有效技術(shù)和手段，加快施工進(jìn)度，保證質(zhì)量；

(3)防滲墻施工要穿過堰體及河床覆蓋層造孔，堰體松散，覆蓋層中有塊球體甚至有塊球體密集帶，如何克服鉆進(jìn)中的困難；

(4)河床深槽的防滲結(jié)構(gòu)形式，尤其是下游深槽段是否采用高壓旋噴樁的問題；

(5)防滲墻墻體的材料問題。

以上這些關(guān)鍵性問題，都在施工中依靠集體的智慧、科學(xué)試驗的成果以及高新技術(shù)的采用，一一得到攻克和解決，下面簡單介紹一下情況。

3、 深水拋填進(jìn)占時的提頭穩(wěn)定問題

二期圍堰施工最大水深達(dá)60m。在這樣的水深中拋填堰體，不僅難以將風(fēng)化沙全部振沖密實，而且預(yù)期進(jìn)占時的堤頭會發(fā)生坍塌，危及施工人員及設(shè)備的安全，影m向施工進(jìn)度，根據(jù)截流模型試驗，在拋投進(jìn)占時，堤頭坡面坍塌嚴(yán)重。戧堤堤頭最大坍塌范圍沿軸線方向可達(dá)15—20m，寬度達(dá)5—8m，模型試驗和理論分析均認(rèn)為堤頭坍塌有隨機(jī)性，與水深、流量、流速、落差、拋填料尺寸、級配、拋填強(qiáng)度及施工方法等諸

多因素有關(guān)，但其中水深是最重要的因素。當(dāng)水深減至30m左右時，模型試驗反映的坍塌次數(shù)和面積可減少1/3以上，危害性坍塌大大減少，如水深減至20m時，基本上不存在坍塌問題。

根據(jù)以上情況，經(jīng)過反復(fù)研討，在招標(biāo)設(shè)計階段，果斷地對圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，決定采取水上平拋墊底措施。即在大江截流正式進(jìn)占之前，先在水上對河床深槽部位平拋沙礫石和礦碴等石料墊底至高程40m，將截流水深槽部位減少到29m左右，使堤頭坍塌的現(xiàn)象和次數(shù)減少到可控制的范圍內(nèi)(在實施中，龍口段戰(zhàn)堤部位進(jìn)一步墊高到高程45m)。采取平拋墊底措施，不僅可控制堤頭坍塌，而且也可使后續(xù)堰體沖加密后與平拋體連成一體(目前振沖加密深度僅能達(dá)到30m)。這一研究和修改，為控制堤頭坍塌，保證截流勝利完成了重要作用。其后，又結(jié)合預(yù)進(jìn)占施工中的實踐，經(jīng)設(shè)計、施工、監(jiān)理及業(yè)主等四方深人研究，將堰體斷面進(jìn)一步優(yōu)化為“雙石碴堤中間填風(fēng)化沙”型式，施工中截流戰(zhàn)堤領(lǐng)先，迎側(cè)石碴堤跟進(jìn)，中間風(fēng)化沙最后端進(jìn)，平拋墊底措施結(jié)合斷面優(yōu)化，在實踐中取得完全的成功。

當(dāng)然，采取平拋墊底措施也帶來許多新的難題，例如墊底部位因水流分選作用孔隙率很高，給防滲墻造孔帶來困難等，由于研究中對這些問題都有預(yù)計并準(zhǔn)備了相應(yīng)措施，因此，并未給二期圍堰的合龍閉氣造成困難。

這種做法在國內(nèi)外均少有前例，是三峽工程的一大創(chuàng)舉。

4、 防滲墻成墻技術(shù)的發(fā)展和突破

二期圍堰防滲墻工程量巨大，施工強(qiáng)度極高，沿線地層地形條件不利，成為另一個控制關(guān)鍵。為此，針對不同地層特征，研究采用了不同的最有效的成槽方法和機(jī)具(多系在三峽中首次應(yīng)用)，極大地提高了成槽速度，攻克了難關(guān)。主要的方法有：

(1)銑削成槽法。采用從德國進(jìn)口的液壓雙輪銑，對堰體、覆蓋層和全強(qiáng)風(fēng)化層銑削成槽，速度快、效率高。

(2)銑、砸、爆、結(jié)合成槽法。在銑削成槽中，遇大塊石、塊球體和硬巖時，即用Sm—400型全液壓鉆機(jī)鉆孔爆破或輔以槽內(nèi)緊密聚能爆破，對塊球體密集帶則經(jīng)鉆孔預(yù)爆后再以重錘沖砸，擊碎后再用液壓銑清孔，有效地解決大塊石問題。

(3)兩鉆一抓(銑)成槽法，先用沖擊鉆或沖擊反循環(huán)鉆機(jī)鉆主孔，終孔后用抓斗抓副孔(或用液壓銑銑副孔)。該法造孔精度高、效果好。遇塊球體和硬巖時，仍用沖擊鉆砸碎成槽。

(4)兩鉆三抓(銑)成槽法。先用沖擊鉆或沖擊反循環(huán)鉆機(jī)完成槽孔兩端頭孔，中間部位用抓斗(液壓銑)三抓(銑)完成。先抓(銑)中部。再抓(銑)兩邊。

(5)上抓(銑)下鉆成槽法，在槽孔上、中部用抓斗(液壓銑)三抓(銑)成槽，下部有塊體和硬巖，用沖擊鉆或沖擊反循環(huán)鉆砸碎成槽，本法工效也很高，但造孔精度不及以上(3)、(4)兩法。

在采用上述各法造孔時，還遇到許多難題。都經(jīng)深入研究采用適當(dāng)措施攻克了難關(guān)。例如平拋墊底層、一期圍堰坡腳及預(yù)進(jìn)占裹頭段石碴架空嚴(yán)重，危及槽孔及施工設(shè)備安全。為此采取投入堵漏料(粘土、風(fēng)化沙、小石、必要時投入水泥、膨潤土等)后用鉆頭沖打擊實(一般平打深度為lm)，然后抓取l—2m，再投再抓，分層施工完成，并用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿(如CmC和APAm等)固壁，防止坍塌。另一措施是根據(jù)先導(dǎo)孔資料，掌握嚴(yán)重架空部位，布設(shè)灌漿子L自下而上分段預(yù)灌濃漿。灌漿材料為摻水玻璃、膨脹粉、膨潤土等的水泥膨潤土沙漿。

在鉆進(jìn)過程中，鉆頭磨耗極快，為此研究采用了高強(qiáng)度耐磨底刃，可顯著降底補(bǔ)焊鉆頭的勞動強(qiáng)度，提高鉆進(jìn)速度。成槽施工中，在槽內(nèi)掉入鉆具或其它鐵件難以避免，以往的處理法很復(fù)雜、低效，為此研究了深水電磁鐵打撈技術(shù)。制造的電磁鐵為Φ590mm的圓柱體，重250kg，密封性達(dá)10mPa。配高級電纜及漏電保護(hù)裝置，應(yīng)用效果十分良好。

上述各種成槽技術(shù)的應(yīng)用，使成槽速度提高到新的水平(如下游防滲墻的成墻速度達(dá)6600m2/月)而且攻克了架空層成槽、塊球體的爆砸輔助成槽、鉆頭磨損、鐵件打撈等難關(guān)，大規(guī)模沖擊反循環(huán)成槽和APAm固壁泥漿等都達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。這些科技成就和突破，使二期圍堰近10萬m2的防滲體得以按期高質(zhì)量地完成。

5、 用棄料配制塑性混凝土的研究和應(yīng)用

以往對混凝土防滲墻多采用硬性混凝土為墻體，適應(yīng)變形的能力差，容易引起過高應(yīng)力而折斷。三峽工程二期圍堰堰高變形量大，經(jīng)長期研究試驗，確定采用塑性混凝土為墻體材料，其技術(shù)參數(shù)為：抗壓強(qiáng)度不低于5mPa，抗折強(qiáng)度不低于1.5mPa，初始切線模量700一1000MPa，滲透系數(shù)不大于10-7cm/s，破壞滲透比降不小于80，并在一期圍堰中得到使用。

制作塑性混凝土需大量細(xì)沙，在二期圍堰施工中，長江天然河沙料源不足，而古樹嶺人工骨料系統(tǒng)在生產(chǎn)碎石后有大量粒徑小于5mm的棄料，因此研究了利用棄料配制塑性混凝土的可能性。這種棄料的細(xì)度模數(shù)約為3.02，含石量9.87％，石粉10.4％，視比重2.64，吸水率2.0％，經(jīng)與425號礦碴水泥、膨潤土和外加劑組合，進(jìn)行配合比試驗，優(yōu)選推薦了施工配合比，并做了三軸試驗和滲透試驗，測定非線性模型參數(shù)塑性混凝土，在圍壓為0至0.7MPa范圍內(nèi)，E_i為1025～1239MPa，(～ )f為4.06～5.91，∑_af為0.526～1.776，c＝1.11MPa，φ＝34.3o，滲透系數(shù)k＝0.8×10-7cm/s，破壞坡降J＞300，滿足設(shè)計要求，E～μ，E～β模型參數(shù)也在合理范圍內(nèi)。棄碴中云母含量高，不適用于永久建筑物，但對圍堰防滲墻顯無影響，所以確定采用，在施工中根據(jù)現(xiàn)場原材料的實際情況，適當(dāng)調(diào)整改進(jìn)級配，取得滿意成果，解決了一大困難。這一做法，變廢為寶，對降低造價、解決資源和減輕環(huán)境污染都起了很好的作用。

6、下游圍堰深槽段防滲方案的優(yōu)化

下游二期圍堰深槽段防滲墻最大深度達(dá)68m。如果僅設(shè)置一道厚1.0m的墻體，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性略嫌不足。如果仿照上游圍堰設(shè)置兩道墻體，又嫌工程量過大，工期更緊。故在其背水側(cè)加設(shè)一道高壓旋噴墻，兩者間距l(xiāng)m。

在具體施工中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備難以滿足近70m深的高壓噴鉆孔的精度，且深槽地段地質(zhì)條件復(fù)雜，高噴造孔的偏斜率難以保證，可能打穿已完成的混凝土防滲墻反而發(fā)生事故，其次，兩道墻相距很近，在高壓旋噴施工中，也可能破壞混凝土墻體，工期也難滿足要求，許多專家對此表示擔(dān)擾。為此進(jìn)行了將混凝土防滲墻適當(dāng)加厚以代替兩墻體的方案研究。

研究中，采用鄧肯—張非線性彈性模型，對厚度為l.0m及1.1m的墻體應(yīng)力進(jìn)行細(xì)致的有限元分析和比較。成果表明，在所設(shè)定的參數(shù)下，墻厚1.0m時，確有相當(dāng)多單元的應(yīng)力水平s≥0.9，個別超過0.9乃至1.0，當(dāng)墻厚增加到1.1m時，s＞1.0的僅極少數(shù)單元，一般為0。所以認(rèn)為可以采取加厚深槽段的墻體，改善其應(yīng)力狀態(tài)，以代替高壓旋噴墻，為妥當(dāng)計，在原來設(shè)置高壓旋噴墻的部位，補(bǔ)加一排振加密樁，其中心距混凝土防滲墻截面2.0m，樁距2.0m。這個優(yōu)化方案被采納而且得到實施。

二期圍堰下游段竣工后，經(jīng)過圍堰變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測資料分析，表明防滲墻和堰體工作正常，基坑滲水量極小，優(yōu)化方案取得完全成功，并為利用棄碴澆制塑性混凝土墻開創(chuàng)了先例。

a)原方案

b) 優(yōu)化方案

附圖圍堰斷面圖

7、結(jié)論

三峽工程的二期圍堰是影響整個工程建設(shè)成敗的重大關(guān)鍵，存在許多技術(shù)難點，必須采用具有國際先進(jìn)高水平的新技術(shù)、新工藝、新材料、新機(jī)具并進(jìn)行高水平的組織管理，才能克服重重困難，順利完成施工任務(wù)。

三峽二期圍堰工程自1996年4月15日開始施工以來，先后經(jīng)歷了試驗段、預(yù)進(jìn)占段和河床段三個階段施工。采取科學(xué)的循序漸進(jìn)的方法，驗證設(shè)計，發(fā)現(xiàn)問題，探索新的技術(shù)、工藝、機(jī)具和材料，不斷補(bǔ)充試驗、優(yōu)化設(shè)計和施工方案，終于攻克所有技術(shù)難關(guān)，跑在洪水前面，優(yōu)質(zhì)、高速、安全地建成了這一工程。

1998年6月25日，二期基坑按合同工期開始限制性抽水，9月12日抽干基坑，轉(zhuǎn)入二期廠壩工程全面施工的新階段，通過監(jiān)測資料表明，目前防滲墻及堰體工作狀態(tài)正常，基坑滲水量遠(yuǎn)小于設(shè)計值(200l/s)，實測拉壓應(yīng)力均在材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，防滲墻變形最大為570mm(上游圍堰)和296mm(下游圍堰)，未出現(xiàn)異常。二期圍堰經(jīng)過1998年汛期8次大洪峰的考驗安然無恙。

從眾多因素綜合分析，三峽工程二期圍堰建設(shè)就總體而言無疑已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，成績來之不易，許多重大決策都是由業(yè)主協(xié)調(diào)勘測、設(shè)計、施工、監(jiān)理、科研各方面的意見作出，是大協(xié)作的勝利，是工人、技術(shù)人員、專家和領(lǐng)導(dǎo)共同奮斗的成果，也是黨的科教興國政策的具體實現(xiàn)，讓我們共同為這一偉大勝利而歡呼吧!