二期上下游横向围堰设计与实施验证

郑守仁　陈洪新

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8～16m，两侧漫滩地淤积厚0～6m，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11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上游围堰断面设计及基础处理

上游围堰位于坝轴线上游200～450m，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180～250m，河床底高程10～41m，最低高程6m，基岩高程0～41m，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7～15m，最厚22m，上部为葛洲坝水库蓄水后的淤沙层，厚6～10m，最厚12m，下部为砂砾石厚3～10m。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l m，墙顶高程73～79m，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5～15m，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0.5～1.0m/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400～600m，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150～250m，河床底高程25～40m，最低高程16m，基岩高程2～35m。堰基河床覆盖层为冲积粉细砂和砂砾石层，厚度10～20m，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70～79m，上接土工合成材料至高程79m，防渗墙底嵌入弱风化岩体lm，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5～10m，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1996年11月22日两岸预进占段施工，12月1日开始进行河床深槽部位平抛垫底施工，1997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4～8cm的人工碎石料，顶部宽度3m，第二层为粒径0.5～4cm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0.5～2cm和2～4cm的天然骨料(砾石)，要求粒径0.5～2cm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0～120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)防渗墙底嵌岩深度的调整

设计要求防渗墙底嵌岩深度l 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，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2.83～3.22，平均3.02。塑性混凝土配合比如下表l。

表l防渗墙体材料配合比表                         kg/m3
材料	水 W	水泥 C	膨润土 B	骨 料			粉煤灰	外 加 剂
				砂	小石	石屑		木钙/kg	DH9/g
塑性混凝土	327	300	80			1343		1.4	30.4

3.3.3上下游围堰深槽段防渗墙加固措施

(1)上游围堰深槽段桩号0十454至0十516长162m，防渗墙最大高度74m，设计采用两排塑性混凝土防渗墙，墙厚1m，两墙中心距6m，深槽左侧为坡角大于70°的陡岩，防渗墙施工过程中，设计对深槽段双排防渗墙采取如下加固措施：两排防渗墙间设置5道隔墙(桩号0十486、0十495、0十530.7、0十561、0十595)；在双排墙间与单排墙相接处0十454和0十616各布置3个旋喷桩，其中防渗墙上游面1个，下游面2个；深槽左侧陡岩段防渗墙下部墙体塑性混凝土抗压标号提高为8MPa，对第二道墙陡岩段7#槽施工期采取了安全稳定措施，并调整两侧槽孔的混凝土浇筑程序，陡岩段双排墙下游侧各布置的一排旋喷墙，根据观测资料予以取消。

(2)下游围堰深槽段防渗墙加固措施

下游围堰深槽段桩号0十420至0十550长130m，防渗墙最大高度67m，设计防渗墙厚lm，在防渗墙背水侧设置一排高压旋喷灌浆加固。鉴于国内现有高压旋喷灌浆孔钻机难以满足近70m深的钻孔精度，若控制不严可能损伤已施工的塑性混凝土防渗墙墙体，施工难度大、工期紧，设计通过对防渗墙应力应变进行有限元分析计算，防渗墙厚加至1.1m，可以满足要求，为此，将深槽段防渗墙厚修改为1.1m，取消其背水侧高压旋喷灌浆，在原预留高压旋喷灌浆的部位增加一排振冲加密桩，桩距2m，中心线距防渗墙2m。

3.3.4防渗墙底岩体帷幕灌浆的修改

(1)上游围堰深槽左侧陡岩部位的第二排防渗墙底增布帷幕灌浆上游围堰设计在第一排防渗墙底全线布设帷幕灌浆，深槽段第二排防渗墙底未布帷幕灌浆。鉴于深槽左侧陡岩部位的防渗墙施工过程中，陡岩造孔成槽困难，墙底嵌岩难度很大，设计已将陡岩段防渗墙底嵌岩深度减少为0.5m，为确保其防渗墙质量，避免墙底出现集中漏水通道，设计要求在陡岩部位第二排防渗墙底增布帷幕灌浆，孔距1.5m，孔深为防渗墙底以下5m。