二期围堰主要工程地质问题勘察研究与建议
1999-01-13李芳玲王德阳陈又华
李芳玲 王德阳 陈又华
摘 要 三峡工程二期围堰是三峡工程二期建设时期最关键的安全屏障，施工技术难度大，施工期短。为保证在一个枯水期完成一个土石方填筑总量达1032万m3，混凝土防渗墙面积近9万m 2的工程，自1972年起至1997年间，长江委三峡勘测研究院对二期围堰枯水河床基岩深槽问题、堰基细砂层振动液化与渗透稳定问题、堰基岩土渗透问题、堰基块球体分布及对防渗墙造孔的影响等问题进行了详细勘察与研究，并据此提出了二期围堰设计思路上的关键点和施工难点作为设计依据，保证了二期围堰工程的胜利建成。
关键词 三峡工程 二期围堰 工程地质 勘察研究
二期围堰是长江三峡工程重要的临时建筑物之一，由上游和下游两道围堰组成，分别位于三峡大坝轴线上游200～450m及坝轴线下游400～700m。两道围堰呈折线横跨长江布置，与已建成的混凝土纵向围堰在长江河道内围成二期基坑，在二期施工期间担负着保护基境内安全施工及下游城乡居民生命财产的安全。围堰运行期间上游库内蓄洪容积达20亿m3，万一失事，将造成工程及下游生命财产的重大损失，而且会严重推迟三峡工程的工期。它是三峡工程二期建设时期最关键的安全屏障。
二期围堰的施工技术难度大、施工期短。要想在一个枯水期完成土石方填筑总量达1032万m3，混凝土防渗墙面积近9万m2的二期上、下游围堰工程，首先必须对堰基工程地质条件作详细勘察与研究。
自1972年起，长江委三峡勘测研究院就开始对二期围堰基础工程地质条件进行勘察研究工作。到1992年提交初设报告。查明该处工程地质条件复杂，主要存在以下四个方面的工程地质问题：
(1)二期围堰最大挡水水头85m，水下填筑深度60m，堰基下存在着较厚的细砂层，其承载力小，稳定性差，易产生管涌破坏，不利于二期围堰堰体的稳定。
(2)河床深槽部位水深，基岩面形态复杂，特别是上游围堰河床深槽的左侧存在着60°～75°的基岩陡坡，给防渗墙的嵌岩施工带来了较大的困难。
(3)基岩内存在着透水较强的岩体，在高水头条件下可能引起集中渗漏，影响细砂层稳定，对堰体产生破坏作用。
(4)二期围堰施工期短，防渗线路长达2516m，堰体最大高度82.5m，堰基下有强度在130MPa以上的块球体分布，防渗墙必须通过此层，施工难度大。
1992年以后至围堰施工前，着重针对上述工程地质问题又进行了详细的勘察研究，并提出了处理建议。
1、主要工程地质问题勘察研究
l.1细砂层的工程地质特征勘察研究
二期围堰堰基的细砂主要为葛洲坝水库新淤积细砂，部分为蓄水前沉积，二者特征与物理力学性质基本相同，呈灰或灰白色，松散均匀，具斜层理。由于细砂层在堰基下分布较广，工程地质性状较差，因此必须对细砂的分布、冲淤变化以及承载力、渗透稳定、动力稳定作细致的研究。
1.1.1分布范围及冲淤变化的研究
围堰范围内勘探网点间距为40～60m，通过勘探钻孔资料确定了砂卵石层顶面、基岩面等相对稳定的界面作为细砂的底界面。采用不同年份的实测水下地形线进行比较，可以判断河床的冲淤变化。再辅以钻孔和物探资料判断沉积物是细砂还是砂卵石层，编制细砂等厚线图。
围堰施工前，细砂层在上游围堰枯水河床厚度一般为5～10m，最厚16m，两岸漫滩一般厚0～5m，靠近中堡岛附近最厚为12m；下游围堰枯水河床细砂层厚8～17m，左岸漫滩3～15m，右岸漫滩0～15m，其冲淤变化与当年的来水量有明显的关系，来水量大时普遍以淤积为主，来水量小时，枯水河床及靠近枯水河床的两侧部分漫滩为冲刷区。图1为上游围堰施工前的细砂层等厚线图。
图1二期上游围堰细砂层等厚线图
1.1.2工程地质特征研究
细砂由于结构松散，为研究细砂层的工程地质特性，勘察中特别着重要采取原状样土。为此在钻孔中采用取砂器、薄皮取样器；地表采用原位压样、方箱取样等方法采取原状样。经取样分析，二期围堰堰基内细砂平均粒径为0.177～0.233mm，级配均匀，不均匀系数为1.3 3.2，0.05mm以下的粉粒含量在2％～13％之间，属均匀的细砂。其比重在2.65～2.76之间，最大孔隙比为1.116 1.128，最小孔隙比为0.652 0.642。干容重为13.6～13.7kN/m3，湿容重为17.1～18.2kN/m3，含水量(24.0～33.5)％，相对密度Dr＝0.29 0.32，属稍密～中密状细砂。
对细砂的力学试验，在野外现场进行了标准贯入、旁压等试验，并在河床深水处利用大功率潜水泵进行了抽水试验。取样在室内进行了抗剪、三轴仪等固结压缩试验，渗透破坏比降和液化应力比试验。通过上述工作取得了大量的试验资料，其物理力学指标及渗透特征见表1。
不同年分与季节的钻孔资料和水下地形测量表明，大江淤砂的厚度变化频繁，表明是不稳定的沉积物，其中一部分可能经常发生新旧更替，因此其密度更低，容易产生渗透破坏。
在围堰施工时，细砂上部将被风化砂、砂卵石或石渣覆盖，试验表明.其间如无适当反滤层，淤砂可能发生流土型渗透破坏。二期围堰挡水水头高，基岩中可能存在集中渗漏通道，与细砂相结合，可能发生渗透破坏危及围堰安全。为了防止这种情况发生，必须保证防渗墙与帐幕本身的可靠性，控制堰内抽水速度，及时做好细砂层的反滤结构与反压设施。
1.2河床深槽基岩面形态特征研究
河床深槽基岩面形态主要是根据钻孔资料作为实物资料，物探资料再根据钻孔资料进行解译，以准确地获得更多点位基岩面高程，再根据各点高程制作基岩面等高线图。可行性阶段已初步查明了河床深槽基岩面形态特征，围堰轴线选定后，在防渗轴线上将钻孔孔距加密到12～30m，更加准确的确定了河床深槽的位置及上游围堰左侧陡壁的几何形态。
上游围堰河床基岩深槽位于原枯水河床，顺水流长270m，宽180m，岩面形态呈不对称“V”字型，防渗轴线处基岩面高程由两侧漫滩的40m高程向河床中心降至0m左右，截流战体处基岩面最低为-6.7m。上游围堰河床深槽左侧基岩面有60°～75°的基岩陡坡，其中围堰防渗轴线处基岩陡坡面与轴线夹角40°，坡面倾向右及下游(如图2)；河床深槽右侧呈20°～30°缓坡。下游围堰河床深槽基岩面基本对称，基岩面呈缓坡，左侧为30°，右侧为20°，最低基岩面高程3.61m。
基岩深槽控制了防渗墙与堰体的最大高度，是围堰施工的难点；又是深厚细砂分布区，墙下帐幕施工质量十分关键，也是围堰的险段。
上游围堰河床深槽左侧有高达30m约70°的陡壁，走向与防渗墙斜交，倾向下游，不仅防渗墙施工嵌岩困难，而且在防渗墙挡水向下游位移时，可能形成墙体与岩壁间的张拉缝。除采取特殊工艺嵌岩外，应用多层钻孔喷浆加强防渗墙与陡壁的连接面，减少墙体变形量，增大防渗体宽度。
图2二期上游围堰河床深槽立体透视图
1.3基础渗漏与防渗
砂卵石和块球体夹砂层渗透系数一般为12～120m/d，最大达182.17m/d，为较强一极强透水层；细砂层渗透系数1.17×10-3～4.65×10-2cm/s为弱 强透水层；全风化带为1 4m/d，最大26.68m/d；强风化为1 6m/d，最大为11.66m/d，全、强风化带为较严重一极严重透水岩体。以上各带均需以防渗墙作为防渗措施。
由于河床垂向与侧向卸荷作用及风化影响，弱风化带中部分断层、裂隙有不同程度张开，有集中渗漏可能。压水试验表明，弱风化带中等一严重透水试段占68％，下带中占38％；但弱风化带以坚硬岩石为主，防渗墙造孔困难，建议嵌岩深1m。
防渗墙施工后，堰基渗漏主要为墙下弱风化及微新岩石的裂隙性渗漏。其中在墙下基岩3～5m范围内存在渗漏较大的风化层、卸荷后裂隙张开，一部分裂隙张开宽度较大为35cm，水蚀作用明显，裂隙连通性较好，透水量大，易形成集中渗漏。因此墙体下一定深度内应以灌浆帐幕封堵集中渗漏通道，增加渗径，降低水头梯度。
l.4块球体
块球体指残留在河漫滩或保存在冲积层或全强风化带岩体内风化程度较轻的坚硬岩块。经漫滩地质测绘与钻孔勘察，堰基下的块球体的分布有三个层次：
(1)夹于原枯水河槽砂砾石层中下部的零星漂石，铅直向尺寸0.3m以上；
(2)广泛分布于两侧漫滩、零星分布于枯水河槽基岩面的残积块球体夹砂层，块球体一般l～3m，最大5～7m，叠置厚度一般2～6m，最厚8～10m。
(3)强风化带中下部的半坚硬一坚硬块体，自上而下含量增加，块体增大。
由于块球体坚硬，尺寸大，是制约防渗墙施工的关键因素，是二期围堰施工的主要难点之一。因此围堰防渗线路选择时，根据原地表测绘资料已尽可能地避开了残积块球体分布区。最终选定防渗线上残积块球体分布总长173m，占轴线长的15％。
强风化带中的块球体分布总长度达663m，占轴线长度的58％，因而防渗墙在此层中造孔施工难度很大。
2、处理建议
通过对上述主要工程地质问题的勘察研究，长委会三峡勘测研究院在1996年6月的技术报告中提出了二期围堰设计思路上的关键点和施工难点作为设计依据：
(1)由于细砂层分布广，河床深槽段较厚，物理力学性质指标低，不能满足堰基承载力要求，且二期围堰水深大、防渗墙高，建议清除或加固细砂层。
(2)二期围堰基础岩体大多为强透水岩体，基岩中可能存在有集中渗漏通道，二期围堰水头又高，为确保施工期安全，必须建立可靠的防渗体，防渗墙应嵌入弱风化带1m，墙下应普遍设置灌浆 帐幕以堵塞集中渗漏通道。
(3)河床基岩深槽，防渗墙造孔深度达75m左右，且在深槽左侧有70。左右的基岩陡坡，势必是施工难点、是控制工期的关键部位，必须作好施工机械的选型和组织设计，以在最短的时间内完成防渗体系。
(4)块球体岩质坚硬，分布广泛，钻进困难，也是施工难点，因此应研究有效的机器、措施与工艺，以保工期与质量。并加强防渗墙先导孔施工，以准确确定基岩面及弱风化顶面的位置，先导孔施工间距(6～10)m为宜。对基岩面变化复杂的河床深槽段，先导孔应进一步加密。
