二期圍堰主要工程地質(zhì)問題勘察研究與建議

李芳玲　王德陽　陳又華

摘 要 三峽工程二期圍堰是三峽工程二期建設(shè)時(shí)期最關(guān)鍵的安全屏障，施工技術(shù)難度大，施工期短。為保證在一個(gè)枯水期完成一個(gè)土石方填筑總量達(dá)1032萬m³，混凝土防滲墻面積近9萬m 2的工程，自1972年起至1997年間，長(zhǎng)江委三峽勘測(cè)研究院對(duì)二期圍堰枯水河床基巖深槽問題、堰基細(xì)砂層振動(dòng)液化與滲透穩(wěn)定問題、堰基巖土滲透問題、堰基塊球體分布及對(duì)防滲墻造孔的影響等問題進(jìn)行了詳細(xì)勘察與研究，并據(jù)此提出了二期圍堰設(shè)計(jì)思路上的關(guān)鍵點(diǎn)和施工難點(diǎn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，保證了二期圍堰工程的勝利建成。

關(guān)鍵詞 三峽工程 二期圍堰 工程地質(zhì) 勘察研究

二期圍堰是長(zhǎng)江三峽工程重要的臨時(shí)建筑物之一，由上游和下游兩道圍堰組成，分別位于三峽大壩軸線上游200～450m及壩軸線下游400～700m。兩道圍堰呈折線橫跨長(zhǎng)江布置，與已建成的混凝土縱向圍堰在長(zhǎng)江河道內(nèi)圍成二期基坑，在二期施工期間擔(dān)負(fù)著保護(hù)基境內(nèi)安全施工及下游城鄉(xiāng)居民生命財(cái)產(chǎn)的安全。圍堰運(yùn)行期間上游庫內(nèi)蓄洪容積達(dá)20億m³，萬一失事，將造成工程及下游生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，而且會(huì)嚴(yán)重推遲三峽工程的工期。它是三峽工程二期建設(shè)時(shí)期最關(guān)鍵的安全屏障。

二期圍堰的施工技術(shù)難度大、施工期短。要想在一個(gè)枯水期完成土石方填筑總量達(dá)1032萬m³，混凝土防滲墻面積近9萬m²的二期上、下游圍堰工程，首先必須對(duì)堰基工程地質(zhì)條件作詳細(xì)勘察與研究。

自1972年起，長(zhǎng)江委三峽勘測(cè)研究院就開始對(duì)二期圍堰基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件進(jìn)行勘察研究工作。到1992年提交初設(shè)報(bào)告。查明該處工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要存在以下四個(gè)方面的工程地質(zhì)問題：

(1)二期圍堰最大擋水水頭85m，水下填筑深度60m，堰基下存在著較厚的細(xì)砂層，其承載力小，穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生管涌破壞，不利于二期圍堰堰體的穩(wěn)定。

(2)河床深槽部位水深，基巖面形態(tài)復(fù)雜，特別是上游圍堰河床深槽的左側(cè)存在著60°～75°的基巖陡坡，給防滲墻的嵌巖施工帶來了較大的困難。

(3)基巖內(nèi)存在著透水較強(qiáng)的巖體，在高水頭條件下可能引起集中滲漏，影響細(xì)砂層穩(wěn)定，對(duì)堰體產(chǎn)生破壞作用。

(4)二期圍堰施工期短，防滲線路長(zhǎng)達(dá)2516m，堰體最大高度82.5m，堰基下有強(qiáng)度在130MPa以上的塊球體分布，防滲墻必須通過此層，施工難度大。

1992年以后至圍堰施工前，著重針對(duì)上述工程地質(zhì)問題又進(jìn)行了詳細(xì)的勘察研究，并提出了處理建議。

1、主要工程地質(zhì)問題勘察研究

l.1細(xì)砂層的工程地質(zhì)特征勘察研究

二期圍堰堰基的細(xì)砂主要為葛洲壩水庫新淤積細(xì)砂，部分為蓄水前沉積，二者特征與物理力學(xué)性質(zhì)基本相同，呈灰或灰白色，松散均勻，具斜層理。由于細(xì)砂層在堰基下分布較廣，工程地質(zhì)性狀較差，因此必須對(duì)細(xì)砂的分布、沖淤變化以及承載力、滲透穩(wěn)定、動(dòng)力穩(wěn)定作細(xì)致的研究。

1.1.1分布范圍及沖淤變化的研究

圍堰范圍內(nèi)勘探網(wǎng)點(diǎn)間距為40～60m，通過勘探鉆孔資料確定了砂卵石層頂面、基巖面等相對(duì)穩(wěn)定的界面作為細(xì)砂的底界面。采用不同年份的實(shí)測(cè)水下地形線進(jìn)行比較，可以判斷河床的沖淤變化。再輔以鉆孔和物探資料判斷沉積物是細(xì)砂還是砂卵石層，編制細(xì)砂等厚線圖。

圍堰施工前，細(xì)砂層在上游圍堰枯水河床厚度一般為5～10m，最厚16m，兩岸漫灘一般厚0～5m，靠近中堡島附近最厚為12m；下游圍堰枯水河床細(xì)砂層厚8～17m，左岸漫灘3～15m，右岸漫灘0～15m，其沖淤變化與當(dāng)年的來水量有明顯的關(guān)系，來水量大時(shí)普遍以淤積為主，來水量小時(shí)，枯水河床及靠近枯水河床的兩側(cè)部分漫灘為沖刷區(qū)。圖1為上游圍堰施工前的細(xì)砂層等厚線圖。

圖1二期上游圍堰細(xì)砂層等厚線圖

1.1.2工程地質(zhì)特征研究

細(xì)砂由于結(jié)構(gòu)松散，為研究細(xì)砂層的工程地質(zhì)特性，勘察中特別著重要采取原狀樣土。為此在鉆孔中采用取砂器、薄皮取樣器；地表采用原位壓樣、方箱取樣等方法采取原狀樣。經(jīng)取樣分析，二期圍堰堰基內(nèi)細(xì)砂平均粒徑為0.177～0.233mm，級(jí)配均勻，不均勻系數(shù)為1.3 3.2，0.05mm以下的粉粒含量在2％～13％之間，屬均勻的細(xì)砂。其比重在2.65～2.76之間，最大孔隙比為1.116 1.128，最小孔隙比為0.652 0.642。干容重為13.6～13.7kN/m³，濕容重為17.1～18.2kN/m³，含水量(24.0～33.5)％，相對(duì)密度Dr＝0.29 0.32，屬稍密～中密狀細(xì)砂。

對(duì)細(xì)砂的力學(xué)試驗(yàn)，在野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入、旁壓等試驗(yàn)，并在河床深水處利用大功率潛水泵進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。取樣在室內(nèi)進(jìn)行了抗剪、三軸儀等固結(jié)壓縮試驗(yàn)，滲透破壞比降和液化應(yīng)力比試驗(yàn)。通過上述工作取得了大量的試驗(yàn)資料，其物理力學(xué)指標(biāo)及滲透特征見表1。

不同年分與季節(jié)的鉆孔資料和水下地形測(cè)量表明，大江淤砂的厚度變化頻繁，表明是不穩(wěn)定的沉積物，其中一部分可能經(jīng)常發(fā)生新舊更替，因此其密度更低，容易產(chǎn)生滲透破壞。

在圍堰施工時(shí)，細(xì)砂上部將被風(fēng)化砂、砂卵石或石渣覆蓋，試驗(yàn)表明.其間如無適當(dāng)反濾層，淤砂可能發(fā)生流土型滲透破壞。二期圍堰擋水水頭高，基巖中可能存在集中滲漏通道，與細(xì)砂相結(jié)合，可能發(fā)生滲透破壞危及圍堰安全。為了防止這種情況發(fā)生，必須保證防滲墻與帳幕本身的可靠性，控制堰內(nèi)抽水速度，及時(shí)做好細(xì)砂層的反濾結(jié)構(gòu)與反壓設(shè)施。

1.2河床深槽基巖面形態(tài)特征研究

河床深槽基巖面形態(tài)主要是根據(jù)鉆孔資料作為實(shí)物資料，物探資料再根據(jù)鉆孔資料進(jìn)行解譯，以準(zhǔn)確地獲得更多點(diǎn)位基巖面高程，再根據(jù)各點(diǎn)高程制作基巖面等高線圖?？尚行噪A段已初步查明了河床深槽基巖面形態(tài)特征，圍堰軸線選定后，在防滲軸線上將鉆孔孔距加密到12～30m，更加準(zhǔn)確的確定了河床深槽的位置及上游圍堰左側(cè)陡壁的幾何形態(tài)。

上游圍堰河床基巖深槽位于原枯水河床，順?biāo)鏖L(zhǎng)270m，寬180m，巖面形態(tài)呈不對(duì)稱“V”字型，防滲軸線處基巖面高程由兩側(cè)漫灘的40m高程向河床中心降至0m左右，截流戰(zhàn)體處基巖面最低為-6.7m。上游圍堰河床深槽左側(cè)基巖面有60°～75°的基巖陡坡，其中圍堰防滲軸線處基巖陡坡面與軸線夾角40°，坡面傾向右及下游(如圖2)；河床深槽右側(cè)呈20°～30°緩坡。下游圍堰河床深槽基巖面基本對(duì)稱，基巖面呈緩坡，左側(cè)為30°，右側(cè)為20°，最低基巖面高程3.61m。

基巖深槽控制了防滲墻與堰體的最大高度，是圍堰施工的難點(diǎn)；又是深厚細(xì)砂分布區(qū)，墻下帳幕施工質(zhì)量十分關(guān)鍵，也是圍堰的險(xiǎn)段。

上游圍堰河床深槽左側(cè)有高達(dá)30m約70°的陡壁，走向與防滲墻斜交，傾向下游，不僅防滲墻施工嵌巖困難，而且在防滲墻擋水向下游位移時(shí)，可能形成墻體與巖壁間的張拉縫。除采取特殊工藝嵌巖外，應(yīng)用多層鉆孔噴漿加強(qiáng)防滲墻與陡壁的連接面，減少墻體變形量，增大防滲體寬度。

圖2二期上游圍堰河床深槽立體透視圖

1.3基礎(chǔ)滲漏與防滲

砂卵石和塊球體夾砂層滲透系數(shù)一般為12～120m/d，最大達(dá)182.17m/d，為較強(qiáng)一極強(qiáng)透水層；細(xì)砂層滲透系數(shù)1.17×10-3～4.65×10-2cm/s為弱 強(qiáng)透水層；全風(fēng)化帶為1 4m/d，最大26.68m/d；強(qiáng)風(fēng)化為1 6m/d，最大為11.66m/d，全、強(qiáng)風(fēng)化帶為較嚴(yán)重一極嚴(yán)重透水巖體。以上各帶均需以防滲墻作為防滲措施。

由于河床垂向與側(cè)向卸荷作用及風(fēng)化影響，弱風(fēng)化帶中部分?jǐn)鄬?、裂隙有不同程度張開，有集中滲漏可能。壓水試驗(yàn)表明，弱風(fēng)化帶中等一嚴(yán)重透水試段占68％，下帶中占38％；但弱風(fēng)化帶以堅(jiān)硬巖石為主，防滲墻造孔困難，建議嵌巖深1m。

防滲墻施工后，堰基滲漏主要為墻下弱風(fēng)化及微新巖石的裂隙性滲漏。其中在墻下基巖3～5m范圍內(nèi)存在滲漏較大的風(fēng)化層、卸荷后裂隙張開，一部分裂隙張開寬度較大為35cm，水蝕作用明顯，裂隙連通性較好，透水量大，易形成集中滲漏。因此墻體下一定深度內(nèi)應(yīng)以灌漿帳幕封堵集中滲漏通道，增加滲徑，降低水頭梯度。

l.4塊球體

塊球體指殘留在河漫灘或保存在沖積層或全強(qiáng)風(fēng)化帶巖體內(nèi)風(fēng)化程度較輕的堅(jiān)硬巖塊。經(jīng)漫灘地質(zhì)測(cè)繪與鉆孔勘察，堰基下的塊球體的分布有三個(gè)層次：

(1)夾于原枯水河槽砂礫石層中下部的零星漂石，鉛直向尺寸0.3m以上；

(2)廣泛分布于兩側(cè)漫灘、零星分布于枯水河槽基巖面的殘積塊球體夾砂層，塊球體一般l～3m，最大5～7m，疊置厚度一般2～6m，最厚8～10m。

(3)強(qiáng)風(fēng)化帶中下部的半堅(jiān)硬一堅(jiān)硬塊體，自上而下含量增加，塊體增大。

由于塊球體堅(jiān)硬，尺寸大，是制約防滲墻施工的關(guān)鍵因素，是二期圍堰施工的主要難點(diǎn)之一。因此圍堰防滲線路選擇時(shí)，根據(jù)原地表測(cè)繪資料已盡可能地避開了殘積塊球體分布區(qū)。最終選定防滲線上殘積塊球體分布總長(zhǎng)173m，占軸線長(zhǎng)的15％。

強(qiáng)風(fēng)化帶中的塊球體分布總長(zhǎng)度達(dá)663m，占軸線長(zhǎng)度的58％，因而防滲墻在此層中造孔施工難度很大。

2、處理建議

通過對(duì)上述主要工程地質(zhì)問題的勘察研究，長(zhǎng)委會(huì)三峽勘測(cè)研究院在1996年6月的技術(shù)報(bào)告中提出了二期圍堰設(shè)計(jì)思路上的關(guān)鍵點(diǎn)和施工難點(diǎn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)：

(1)由于細(xì)砂層分布廣，河床深槽段較厚，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)低，不能滿足堰基承載力要求，且二期圍堰水深大、防滲墻高，建議清除或加固細(xì)砂層。

(2)二期圍堰基礎(chǔ)巖體大多為強(qiáng)透水巖體，基巖中可能存在有集中滲漏通道，二期圍堰水頭又高，為確保施工期安全，必須建立可靠的防滲體，防滲墻應(yīng)嵌入弱風(fēng)化帶1m，墻下應(yīng)普遍設(shè)置灌漿 帳幕以堵塞集中滲漏通道。

(3)河床基巖深槽，防滲墻造孔深度達(dá)75m左右，且在深槽左側(cè)有70。左右的基巖陡坡，勢(shì)必是施工難點(diǎn)、是控制工期的關(guān)鍵部位，必須作好施工機(jī)械的選型和組織設(shè)計(jì)，以在最短的時(shí)間內(nèi)完成防滲體系。

(4)塊球體巖質(zhì)堅(jiān)硬，分布廣泛，鉆進(jìn)困難，也是施工難點(diǎn)，因此應(yīng)研究有效的機(jī)器、措施與工藝，以保工期與質(zhì)量。并加強(qiáng)防滲墻先導(dǎo)孔施工，以準(zhǔn)確確定基巖面及弱風(fēng)化頂面的位置，先導(dǎo)孔施工間距(6～10)m為宜。對(duì)基巖面變化復(fù)雜的河床深槽段，先導(dǎo)孔應(yīng)進(jìn)一步加密。