鄭守仁　陳洪新

摘要 三峽工程二期圍堰是在葛洲壩水庫內(nèi)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(shù)復(fù)雜，使其成為三峽工程建設(shè)中重大技術(shù)難題之一。主要闡述二期上下游橫向圍堰設(shè)計中的技術(shù)問題及其實施驗證分析。

關(guān)鍵詞斷面設(shè)計基礎(chǔ)處理防滲設(shè)施

1、 概述

三峽工程壩址河谷開闊，中堡島位于主河道右側(cè)，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(nèi)，壩址河床中部淤積厚8～16m，兩側(cè)漫灘地淤積厚0～6m，淤積以粉土質(zhì)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(cè)的導(dǎo)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(nèi)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(jié)構(gòu)。二期上下游橫向圍堰設(shè)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(shù)復(fù)雜，且為背水一戰(zhàn)，使其成為三峽工程建設(shè)中重大技術(shù)難題之一。設(shè)計單位在業(yè)主單位中國長江三峽工程開發(fā)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(chǔ)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(wěn)定、防滲墻造孔機具、成墻技術(shù)、墻體材料等結(jié)合一期圍堰及二期圍堰兩岸接頭段施工進行了生產(chǎn)性試驗。為二期圍堰河床段施工積累了實踐經(jīng)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(xù)施工，二期基坑開始限制性抽水。1998年汛期，三峽壩址出現(xiàn)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(shù)達36天，為自1877年以來實測發(fā)生天數(shù)最多的一年。二期上下游圍堰經(jīng)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(shè)計技術(shù)問題及其實施驗證分析。

2、圍堰斷面設(shè)計及基礎(chǔ)處理

2.1上游圍堰斷面設(shè)計及基礎(chǔ)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(cè)較陡(坡角30°～50°，局部大于70°)，右側(cè)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?；鶐r為閃云斜長花崗巖。

上游圍堰等級經(jīng)初步設(shè)計審定為二級臨時建筑物，設(shè)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(cè)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(cè)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(shè)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(shè)置混凝土防滲墻，墻厚0.8m及l(fā) 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(shè)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(shè)有0.3m厚的砂礫石墊層。圍堰基礎(chǔ)淤積砂層屬中密狀態(tài)的細砂，設(shè)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(shè)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(wěn)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(chǎn)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(chǔ)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(zhì)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(shè)計及基礎(chǔ)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(jīng)初步設(shè)計審定為三級建筑物，設(shè)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(cè)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(cè)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(cè)石渣體與風化砂之間設(shè)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(shè)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(yīng)力條件，在墻下游側(cè)設(shè)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(shè)有0.3m厚的砂礫石墊層。圍堰基礎(chǔ)處理與上游圍堰相同。

3、圍堰施工過程中設(shè)計修改及優(yōu)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(yù)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(shè)計高程88.5m；下游圍堰在8月15日全線加高到設(shè)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(zhuǎn)入初期排水，9月12日基坑積水抽干，轉(zhuǎn)為經(jīng)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(shè)計修改及優(yōu)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(shè)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(diào)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(shè)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(tǒng)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(nèi)有為縱向碾壓混凝土圍堰施工時進出倉面而設(shè)置的道路，其填料主要為明渠開挖的石渣混合料，已經(jīng)施工行車反復(fù)壓實。通過現(xiàn)場鉆孔取樣檢測道路填料的力學參數(shù)，并結(jié)合二期圍堰堰體填料要求和圍堰運行條件，經(jīng)復(fù)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(nèi)填筑風化砂，以利防滲墻造孔施工。

3.3圍堰防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計修改及優(yōu)化

防滲系統(tǒng)是二期圍堰的生命線，設(shè)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(yōu)化設(shè)計工作。

3.3.l上游圍堰左岸接頭段防滲墻優(yōu)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(chǔ)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(wěn)定可以滿足要求，確定取消原設(shè)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(xù)墻體，從現(xiàn)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(shè)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(xiàn)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(shè)計修改及優(yōu)化

(1)防滲墻底嵌巖深度的調(diào)整

設(shè)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(shè)計在認真分析圍堰各段防滲墻底地質(zhì)資料和墻體運行條件的前提下，并結(jié)合沿防滲墻軸線先導(dǎo)孔鉆孔取芯及壓水試驗成果，對墻底嵌巖深度作如下調(diào)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(cè)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(shè)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(tǒng)篩余廢棄石屑料，經(jīng)檢測石屑料Ps含量9.8％～23％，平均14.7％，細度模數(shù)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(shè)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(cè)為坡角大于70°的陡巖，防滲墻施工過程中，設(shè)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(shè)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(cè)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(wěn)定措施，并調(diào)整兩側(cè)槽孔的混凝土澆筑程序，陡巖段雙排墻下游側(cè)各布置的一排旋噴墻，根據(jù)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(shè)計防滲墻厚lm，在防滲墻背水側(cè)設(shè)置一排高壓旋噴灌漿加固。鑒于國內(nèi)現(xiàn)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(shè)計通過對防滲墻應(yīng)力應(yīng)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(cè)高壓旋噴灌漿，在原預(yù)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(cè)陡巖部位的第二排防滲墻底增布帷幕灌漿上游圍堰設(shè)計在第一排防滲墻底全線布設(shè)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(cè)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(shè)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(zhì)量，避免墻底出現(xiàn)集中漏水通道，設(shè)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。