二期上下游横向围堰设计与实施验证.doc

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1、二期上下游横向围堰设计与实施验证摘要 三峡工程二期围堰是在葛洲坝水库内兴建的，最大水深60m，堰体填料大部属于水下施工，是当今世界上最大的深水围堰，施工强度高、难度大、技术复杂，使其成 为三峡工程建设中重大技术难题之一。主要阐述二期上下游 横向围堰设计中的技术问题及其实施验证分析。关键词断面设计基础处理防渗设施1、概述三峡工程坝址河谷开阔，中堡岛位于主河道右侧，将长 江分为主河道和后河。葛洲坝水库蓄水前，三峡坝址枯水位41m左右；蓄水后，葛洲坝工程坝前水位66m，流量20000m3/s,三峡坝址水位 67.4m。三峡坝址位于葛洲坝水库 内，坝址河床中部淤积厚 816m，两侧漫滩地淤积厚 06m

2、, 淤积以粉土质砂为主。二期上下游横向围堰截断长江主河道，迫使江水从右侧 的导流明渠渲泄，并与纵向混凝土围堰形成二期基坑，在其 围护下施工大坝泄洪坝段、左岸厂房坝段及左岸电站厂房。三峡工程二期上下游横向围堰是在葛洲坝水库内修筑围堰，最大水深达60m，堰体80%填料需水下施工，是当今世界上最大的深水围堰。围堰型式采用石碴、块石及风化砂 堰体，混凝土防渗墙上接土工合成材料防渗心墙结构。二期 上下游横向围堰设计轴线全长 2438m ，堰体填料达 1060 万 m2，防渗截水面积9.22万m2（其中防渗墙截水面积 8.49万 m2）。上游横向围堰堰体最大高度82.5m ,防渗墙最大高度74m,拦蓄洪水

3、总量达 20亿m3，实属在长江上修筑的一座 大型土石坝。围堰施工工期短，要求在大江截流后 6 个月时 间将堰体填筑至渡汛高程83.5m，以确保围堰安全渡汛，施工强度高、难度大、技术复杂，且为背水一战，使其成为三 峡工程建设中重大技术难题之一。设计单位在业主单位中国 长江三峡工程开发总公司和施工单位中国葛洲坝集团公司、 中国水利水电基础工程局的大力支持下，进行了大量科学试 验研究和分析计算工作， 并对深水中抛填石碴料、 风化砂料、 块石料的堰体稳定、防渗墙造孔机具、成墙技术、墙体材料 等结合一期围堰及二期围堰两岸接头段施工进行了生产性 试验。为二期围堰河床段施工积累了实践经验。 1997 年 1

4、1 月8 日，大江截流龙口合龙后，二期上下游围堰进入全线施 工阶段， 1998 年 6 月 25 日，二期上下游围堰在满足安全渡 汛要求条件下继续施工， 二期基坑开始限制性抽水。 1998 年 汛期，三峡坝址出现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的天数达36 天，为自 1877 年以来实测发生天数最多的一年。二期上下 游围堰经受了洪水考验。 9 月 15 日，上下游围堰建成，二期 基坑于 9 月 12 日抽干。本文主要阐述二期上下游横向围堰设计技术问题及其 实施验证分析。2、围堰断面设计及基础处理2.1 上游围堰断面设计

5、及基础处理上游围堰位于坝轴线上游 200450m，围堰轴线为突向 上游的折线，其防渗轴线全长1439.6m,左岸接牛场子山坡， 横跨长江河床左漫滩、 深槽、右漫滩与混凝土纵向围堰相接。 左岸牛场子山坡地形上缓下陡，山顶高程118m，以约35°坡角与长江左漫滩相接。主河床深槽段宽180250m，河床底高程1041m ,最低高程6m，基岩高程041m，主河槽 左侧较陡 (坡角 30° 50°，局部大于 70° )，右侧较缓 (20° 30° )。堰基河床覆盖层为冲积粉细砂和砂砾石层， 厚度715m，最厚22m，上部为葛洲坝水库蓄水后的淤沙

6、 层，厚610m,最厚12m，下部为砂砾石厚 310m。基岩 为闪云斜长花岗岩。上游围堰等级经初步设计审定为二级临时建筑物，设计洪水标准为1 %频率流量83700m3/s，校核洪水标准为 0.5%频率流量88400m3/s，堰顶高程88.5m，最大高度82.5m，堰 顶宽度 15m 。围堰断面型式采用石渣、块石、风化砂堰体， 混凝土防渗墙上接土工合成材料防渗心墙。堰体迎水侧 69m 高程以下为石渣堆石体，宽10m，边坡1:1.5，迎水面5m为防冲块石；堰体背水侧 69m 高程以下截流戗堤为块石石渣 体，兼作围堰排水棱体，戗堤顶宽30m;围堰中部为风化砂堰体，截流戗堤与风化砂之间设 5m 宽的反

7、滤层， 69m 高程 以下的风化砂为水下抛填，采用振冲加密处理，其上的堰体 风化砂分层填筑，碾压密实。堰体中部设置混凝土防渗墙， 墙厚0.8m及I m ,墙顶高程7379m,位于河床深槽部位(桩 号0十454至0十616长162m)，堰体中部设置双排混凝土 防渗墙，两墙中心间距 6m,墙厚1m,墙顶高程73m，上接 土工合成材料至高程 86.2m，防渗墙底嵌入弱风化岩体 1m , 防渗墙最大高度74m。防渗墙底部透水岩体采用防渗帷幕灌 浆处理，其防渗灌浆标准至岩体透水率小于101Ju，灌浆深度515m，最大深度27m。围堰迎水坡采用于砌块石护坡， 厚度0.5m，护坡块石下部设有 0.3m厚的砂

8、砾石垫层。围堰 基础淤积砂层属中密状态的细砂,设计采取综合措施处理： (1)鉴于堰基淤砂在堰体填筑加载后密度提高、强度增加,而 堰体上下游坡脚范围断面单薄,自重加载较小,设计研究确 定在堰体背水坡脚平抛砂砾石料,加载提高淤砂强度,同时 兼作过渡反滤料,以利堰基渗透稳定,防止在渗流作用下淤 砂流失。 在堰体迎水坡范围平抛石碴料， 加载提高淤砂强度， 并可防止淤砂产生液化。 (2)二期基坑抽水时，限制基坑水位 下降速度为0.51.0m/d ,抽干后即在上下游横向围堰背水坡 脚淤砂层出露部位抽槽至基岩面，回填反滤料封闭淤砂层， 再填筑石碴料压坡。 (3) 基础防渗墙底嵌入花岗岩弱风化岩 体，并需严格

9、控制防渗墙施工质量，防止墙体存在施工缺陷 形成集中漏水通道而引起堰基淤砂渗透破坏。2.2 下游围堰断面设计及基础处理下游围堰位于坝轴线下游 400600m，围堰轴线为突向 下游的折线，其防渗轴线全长1075.9m,左岸接白虎岭南坡， 横跨长江河床左漫滩、 深槽、右漫滩与混凝土纵向围堰相接。 主河床深槽宽150250m,河床底高程2540m，最低高程 16m,基岩高程235m。堰基河床覆盖层为冲积粉细砂和砂 砾石层，厚度1020m,最厚26m，上部为葛洲坝水库蓄水 后的淤沙层，厚度 8- 12m，最厚16m，下部为砂砾石层，厚 4 18m。下游围堰等级经初步设计审定为三级建筑物,设计洪水 标准为

10、2%频率流量79000m3/s。堰顶高程81.5m,最大高度 65.5m，堰顶宽度15m。围堰断面型式采用石渣、块石、风 化砂堰体，混凝土防渗墙上接土工合成材料防渗心墙。堰体迎水侧68m高程以下为石渣体，顶宽10m，边坡1: 1.5,迎水面 5m 为防冲块石； 堰体背水侧 68m 高程以下为石渣体，兼作围堰排水棱体，戗堤顶宽15m,边坡1: 1.5;围堰中部为风化砂堰体，在背水侧石渣体与风化砂之间设 5m 宽的反滤层， 78m 高程以下的风化砂为水下抛填，采用振冲 加密处理，其上的堰体风化砂分层填筑，碾压密实。堰体中 部设置混凝土防渗墙， 墙厚0.8m及1m,墙顶高程7079m, 上接土工合成

11、材料至高程 79m，防渗墙底嵌入弱风化岩体Im，防渗墙最大高度 68m。位于河床深槽部位（桩号0十420 至0十550长130m），防渗墙挡水高度超过 50m，为改善防 渗墙体应力条件,在墙下游侧设置一排高压旋喷灌浆加固, 高压旋喷灌浆孔与防渗墙轴线距1m,旋喷灌浆孔距0.8m。防渗墙底部透水岩体采用防渗墙帷幕灌浆处理,其防渗灌浆 标准至岩体透水率小于 50Lu，灌浆深度510m，最大深度 22m。围堰迎水坡采用于砌块石护坡，厚度0.5m，护坡块石下部设有 0.3m 厚的砂砾石垫层。围堰基础处理与上游围堰 相同。3、围堰施工过程中设计修改及优化3.1 围堰施工进度实况二期上下游横向围堰从 19

12、96 年11 月22 日两岸预进占1997段施工, 12月1 日开始进行河床深槽部位平抛垫底施工,年 11 月 8 日大江截流龙口合龙。 11 月 25 日上游围堰全线填 筑至防渗墙施工平台 73m 高程； 11 月 28 日下游围堰全线填 筑至防渗墙施工平台 70m 高程，围堰最高月填筑量 200 万 m3，最高日填筑量19.44万m3。上游围堰第一排防渗墙于 1998 年 5 月 5 日全线封闭，最高月成墙面积 6440m3， 6 月 22 日完成第一排防渗墙底帷幕灌浆，渡汛子堰达到防汛高 程；下游围堰防渗墙于1998 年 6 月 1 日全线封闭， 6 月 18日完成防渗墙底帷幕灌浆，6

13、月 2；日堰体加高至防汛高程，二期基坑开始限制性抽水。上游围堰第二排防渗墙在第一排 防渗墙挡水工况下施工， 于 8 月 6 日全线封闭， 8 月 27 日完 成墙底透水岩体帷幕灌浆及两墙间的隔墙施工， 9 月 15 日， 围堰全线加高到设计高程 88.5m;下游围堰在8月15日全线 加高到设计高程 81.5m。二期基坑抽水至8月24日，基坑水 位降至 40m 高程，转入初期排水， 9 月 12 日基坑积水抽干， 转为经常性排水。二期上下游横向围堰主要工程量为堰体填筑 1032.1 万 m3，防渗墙8.34万m2，土工合成材料 5.09万m2，帷幕灌 浆 1.37 万 m。3.2 围堰填料设计修

14、改及优化3.2.1 截流戗堤与风化砂堰体间过渡料的修改 截流戗堤与风化砂堰体间设计两层过渡料，靠戗堤第一 层为粒径48cm的人工碎石料，顶部宽度3m,第二层为粒径0.54cm的人工碎石料，顶部宽度 2m。实施过程中，因 粒径0.5、4cm的人工骨料料源困难，改用粒径0.52cm和24cm的天然骨料（砾石），要求粒径0.52cm的砾石料不 少于 50。鉴于过渡料均为水下抛填，为保障其厚度，两层 过渡料顶部宽度改为 4m。3.2.2 堰体风化砂填料的调整围堰填筑施工过程中，左岸风化砂料场中的风化砂Ps（粒径大于5mm）含量一般只能达到 8.9%26.8%，设计要求堰 体风化砂水下抛填部位控制风化砂

15、Ps含量不小于20%，水上分层碾压部位控制风化砂碾压干密度大于1.9g/cmz。水下抛填风化砂也可采用古树岭粗骨料加工系统的弃料 （花岗岩 石屑料 ）。3.2.3 右岸接头段利用施工路堤作堰体 二期上下游横向围堰右岸接头段堰体断面范围内有为纵向碾压混凝土围堰施工时进出仓面而设置的道路，其填料 主要为明渠开挖的石渣混合料，已经施工行车反复压实。通 过现场钻孔取样检测道路填料的力学参数，并结合二期围堰 堰体填料要求和围堰运行条件，经复核验算，确定利用施工 道路作为堰体的一部分，围堰下压道路基本不挖除，仅在围 堰防渗墙轴线部位开挖宽 5m 的槽，槽内填筑风化砂，以利 防渗墙造孔施工。3.3 围堰防渗

16、结构设计修改及优化防渗系统是二期围堰的生命线，设计全力以赴地进行了 全过程的跟踪，做了一系列的完善和优化设计工作。3.3.l 上游围堰左岸接头段防渗墙优化(1) 上游围堰左岸接头桩号0120至0十040段为牛场子山坡，开挖至高程 88.5m 后，基础主要为花岗岩弱风化及 微风化岩体，且 88.5m 高程平台较宽，围堰渗径长超过 200m， 渗透量小，渗透稳定可以满足要求，确定取消原设计围堰桩号 0 095.72 至 0 十 040 段的帷幕灌浆。(2) 上游围堰左岸接头桩号0 十 078.5至 0十 150.9 为高压旋喷灌浆及其下接帷幕灌浆试验段，通过挖槽坑检查，两 排或三排高压旋喷灌浆基本

17、形成了连续墙体，从现场取样检 测资料， 墙体各项指标可满足围堰运行挡水位的要求。 因此， 设计同意将试验段的高压旋喷灌浆防渗墙代替塑性混凝土 防渗墙，在左岸接头桩号 0 十 040 现浇混凝土防渗墙，以右至 0 十 078.5m 段采用高压旋喷灌浆下接帷幕灌浆防渗处理， 与试验段高压旋喷墙相接；桩号 0 十 078.5 至 0 十 146.1 段 为试验段高压旋喷墙下接帷幕灌浆，对局部单薄墙体采取补 强处理后即作为围堰防渗墙体； 桩号 0十 146.1 至 0十 150.9 段，将塑性混凝土防渗墙插入两排旋喷墙之间，以保证两类 防渗墙体的连接。3.3.2 防渗墙设计修改及优化( 1 )防渗墙底

18、嵌岩深度的调整设计要求防渗墙底嵌岩深度 I m，防渗墙造孔过程中，墙底花岗岩坚硬，墙底嵌岩钻进缓慢，成槽困难，直接制约了防渗墙成槽进度。设计在认真分析围堰各段防渗墙底地质资料和墙体运行条件的前提下，并结合沿防渗墙轴线先导孔 钻孔取芯及压水试验成果，对墙底嵌岩深度作如下调整：河 床深槽段防渗墙嵌入弱风化岩体0.6m,陡岩段嵌岩最小深度为0.5m;深槽两侧漫滩段，当强风化带岩体不太破碎且厚度 大于5m时，防渗墙底嵌入强风化带岩体深度为5m，其下接帷幕灌浆;当强风化带厚度不大于 5m 时，防渗墙穿过强风 化带，嵌入弱风化岩体 0.5m。(2) 防渗墙墙体材料配合比的修改 防渗墙墙体材料为塑性混凝土，

19、设计配合比中骨料为砂 及小石，施工过程中，骨料改用古树岭人工骨料(粗骨料 )系统筛余废弃石屑料，经检测石屑料Ps含量9.8%23%,平均14.7 %，细度模数2.833.22，平均3.02。塑性混凝土配合比如下表 I。料配合比表料水W 水泥C 膨润土B骨 料表 I 防渗墙体材kg/m3材(2)下游围堰防渗墙底增布帷幕灌浆下游围堰设计除桩号 0 十 744.5 至 0 十 806，0 十 106 至0 十 129 两段防渗墙墙底基岩未布帷幕灌浆，其余各段防渗 墙底均布帷幕灌浆。防渗墙施工过程中，根据先导孔取芯资 料，上述两段防渗墙底基岩有花岗岩脉穿过， 岩体裂隙发育， 风化不均一，透水性大，经研

20、究增布帷幕灌浆， 桩号 0 十 744.5 至0十806段，帷幕灌浆孔距1.5m，灌浆孔深度1025m ; 桩号0十106至0十129段，帷幕灌浆孔距1.5m,灌浆孔深 度 10 15m。4、围堰运行情况及验证分析4.1 围堰迎水侧防冲结构运行情况分析 二期上下游围堰在 1998 年汛期经过八次洪峰的考验， 最大洪水流量61000m3/s，上游围堰最高挡水位 78.0m，下 游围堰最高挡水位 73.6m。上游围堰迎水侧的块石石碴体靠 纵向围堰上游头部凸出部位受水流冲刷局部坍塌，迎水侧块 石护坡尚未发现冲动损坏现象。下游围堰迎水侧的块石石碴 体未发现冲刷坍塌。迎水坡块石护坡局部冲动塌陷，分析原

21、因主要是护坡块石未嵌砌密实，空隙较大，汛期明渠泄流， 下游围堰坡脚为回流区，将护坡块石底部的垫层掏空而引起 块石塌陷。4.2 围堰防渗墙体变形资料分析上游围堰第一排防渗墙挡水运行后，第二排防渗墙尚在 施工，致使第一排防渗墙处于最不利工况，据深槽段（桩号 0十522）墙体内埋设的测斜管 9月 13日实测防渗墙体变形曲 线符合一般规律，向基坑方向水平位移最大值达56.7cm,超过原设计计算墙体最大水平位移值42.2cm。分析其原因：一是由于深槽段高程 83.5m 防汛子堰挡水，第二排墙在高程 73.4m 距第一排墙 6m 处施工，其槽孔成为挡水堰体的临空 面，使第一排墙处于最不利的工况，其墙体变形

22、增大；二是 堰体水下抛填的风化砂料密实度较低，基坑抽水过程中，堰 体变形量较大而导致防渗墙水平位移增大，从堰体变形与防 渗墙变形观测资料分析，其变形增大的趋势是一致的；三是 围堰防渗墙应力应变用二维有限元Eu模型分析所假定的计算边界条件有差异。设计根据实际施工情况，对计算边界 条件及参数进行了适当调整， 如平抛垫底砂砾石仅抛至 30 35m 高程，防渗墙周围风化砂经振冲加密处理后，干密度为 1.83g/cm3，振冲范围为20m，深度30m,其下未振冲的风化 砂密实度较低，采用1.72g/cm3，基础淤砂的干密度取用 1.4g/m3。防渗墙设计挡水位 85m，基坑水位0m，两墙水位 4228m,

23、复核计算第一排防渗墙最大位移67.4cm，第二排防渗墙最大位移17.2cm。今年汛期，第一排防渗墙实测最大 位移56.7cm,在设计复核计算范围之内。第一排防渗墙实测最大拉应变40 X 10-6，计算最大拉应力 0.04MPa，压应变为273 X 10-6,推算最大压应力 2.73MPa ,均在设计允许范围内。 综合分析认为，上游围堰防渗墙工作状态仍属正常。下游围堰防渗墙实测最大变形 27.1cm,在设计计算范围 之内 （计算最大变形为 32.1cm）。4.3 围堰堰体变形资料分析二期基坑从 1998 年 6 月 25 日开始限制性抽水，至 9 月 12 日基坑积水抽干。 抽水过程中， 二期上

24、游围堰堰体实测最 大水平位移20.5cm，小于计算值40cm;下游围堰堰体实测 最大水平位移14.5cm，小于计算值35cm。1999年1月份以 来堰体变形已趋于稳定。上游围堰计算堰体最大沉陷值 169cm，围堰运行过程中实测最大沉陷值34.4cm，为总沉陷量的20.4% ;下游围堰计算堰体最大沉陷值124cm，围堰运行过程中实测最大沉陷值 24.1cm,为总沉陷量的19.4%;与 计算预计堰体 80%沉陷量在围堰施工期基本一致。4.4 围堰基础渗透资料分析 二期基坑积水抽干后，发现上下游围堰背水坡脚渗水量较小，上下游围堰渗水量分别为 10L/S及36L/S。远小于设计 渗水量600L/S。从

25、堰体测压管观测资料表明，防渗墙防渗效 果显著，防渗墙后浸润线基本呈低位水平线。5、几点结论二期上下游横向围堰施工水深达60m，堰体3/4高度为水中填筑，且围堰基础覆盖层为淤砂层，块球体夹砂层及 砂砾石层。围堰断面采用上下游侧设石碴堆石体，中部为风 化砂，政防渗墙上接土工合成材料防渗心墙型式。施工时先 填筑两侧的石碴堆石体，背水侧兼作截流戗堤及排水棱体， 再填筑中部风化砂并施工防渗墙，形成防渗心墙。围堰施工 及运行实践证明该围堰型式设计先进、合理，适用于水深 4060m的深水围堰工程。(2) 围堰堰体风化砂水中抛填的施工实践表明，对施工水深大于 40m 的围堰工程， 在堰体两侧已抛填石碴堆石体的

26、情 况下，中部风化砂堰体采用汽车端进运料，推土机推入水中 填筑进占，施工过程中尚未发现堤头坍塌。水下抛填风化砂 密实度较低，设计采取振冲加密措施，使其干密度达到 1.85g/cm3，因受现有施工吊运机具所限振冲最大深度30m,其下部分填料采用预平抛砂砾石料，水中平抛砂砾石料的干密度可达1.91.95g/cm3，以提高深水中抛填堰体料的密实 度，有利于减小堰体及防渗墙体变形。(3) 围堰基础的淤砂层对堰体稳定极为不利，设计采用先在围堰中部及背水侧石碴堆石体范围，预平抛砂砾石料反滤 层压封，再抛填石碴堆石体和中部风化砂堰体进占，二期基 坑积水抽干后，对围堰背水坡脚的淤砂层采取开挖截断回填 砂砾石反

27、滤层及石碴压坡处理，解决了堰体及基础稳定和淤砂渗透稳定，振动液化等问题。（4）二期围堰堰体水中抛填的风化砂密实度较低， 且基础 存在淤砂层，致使堰体变形及防渗墙体的挠度较大。为适应 防渗墙体的较大变形及较大的水平推力，设计对防渗墙体材 料进行大量试验研究，选用强度较高且具有较好柔韧性能的 柔（塑）性材料，柔性材料由水泥、膨润土、风化砂组成，塑 性混凝土由水泥、膨润土、砂、粒径0.52cm小石组成，通过试验优选其配合比，抗压强度46MPa，初始切线模量7001000MPa,模强比200左右。施工过程中为充分利用花 岗岩人工骨料系统的弃料石屑，将塑性混凝土中砂料及小石 改用花岗岩石屑，抗压强度48

28、MPa，抗折强度1.53MPa, 初始切线模量800l500MPa，渗透系数小于108cm/s，破 坏比降大于 100。围堰防渗墙创造性的采用风化砂，花岗岩 石屑与水泥、膨润土组成的柔 （塑）性墙体材料，施工及运行 实践证明防渗墙结构安全可靠，防渗墙效果显著。（5）围堰基础地质条件复杂，防渗墙造孔成槽难度很大。 引进国外液压抓斗、液压铣槽机等先进设备，采用优质泥浆 固壁，对严重漏失地层采用预灌浓浆、槽内投置堵漏材料、 分层冲击堵漏效果较好。通过施工试验，选用“两钻一抓 （铣）”、 “二钻三抓 （铣）”、“铣、抓、钻、爆、砸”成槽工艺， 适应三峡围堰地层复杂和工期紧迫的特点，充分发挥多种机 械设备特点，并取得成功。(6) 围堰防渗墙底透水岩体帷幕灌浆采用墙体内预埋管成孔，最大埋管深度达 73m，预埋钢管管径114mm，钢管采 用钢筋网架固定，孔口及底部和每隔913m设一固定框架。预埋灌浆管成功率高达 99，解决了高防渗墙底 帷幕灌浆 的成孔技术。