大江截流及二期圍堰主要技術(shù)問題的決策

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1、施工導(dǎo)流及施工期通航?jīng)Q策
    1.1施工導(dǎo)流方案
    三斗坪壩址河谷寬闊，江中有中堡島將長江分為主河床及后河，適于采用分期導(dǎo)流方案。分期導(dǎo)流方案設(shè)計必須結(jié)合施工期通航和樞紐總體布置一并研究。在可行性論證和初步設(shè)計階段，對右岸導(dǎo)流明渠施工期通航和不通航兩大類型的多種方案進(jìn)行了大量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較工作。1993年7月，經(jīng)國務(wù)院三峽建設(shè)委員會批準(zhǔn)，確定為“三期導(dǎo)流，明渠通航”方案。第一期圍右岸(圖1)。一期導(dǎo)流的時間為1993年10月至1997年10月。在中堡島左側(cè)及后河上下游修筑一期土石圍堰，形成一期基坑，并修建茅坪溪改道工程，將茅坪溪水導(dǎo)引出一期基坑下游。在一期土石圍堰保護(hù)下挖除中堡島，擴(kuò)寬后河修建導(dǎo)流明渠、混凝土縱向圍堰，并預(yù)建三期碾壓混凝土圍堰基礎(chǔ)部分的混凝土。水仍從主河床通過。一期土石圍堰形成后束窄河床約30％。汛期長江水面寬約1000m，因此船只仍可在主航道航行。
    第二期圍主河床與左岸(圖2)。二期導(dǎo)流時間為1997年11月至2002年11月。1997年11月實現(xiàn)大江截流后，立即修建二期上、下游橫向圍堰將長江主河床截斷，與混凝土縱向圍堰共同形成二期基坑。在基坑內(nèi)修建泄洪壩段、左岸廠房壩段及電站廠房等主體建筑物。二期導(dǎo)流時，江水由導(dǎo)流明渠宣泄，船舶從導(dǎo)流明渠和左岸已建成的臨時船閘通航。
    第三期再圍右岸(圖3)。三期導(dǎo)流時間為2002年12月至2009年6月。2002年5月和9月先后拆除二期上、下土石橫向圍堰，2002年11月下旬在導(dǎo)流明渠內(nèi)進(jìn)行三期截流，建造上、下游土石圍堰。在其保護(hù)下修建三期上游碾壓混凝土圍堰并形成右岸三期基坑，在三期基坑內(nèi)修建右岸廠房壩段和右岸電站廠房。三期截流和三期碾壓混凝土圍堰施工是三峽工程施工中的又一關(guān)鍵技術(shù)問題。在導(dǎo)流明渠中截流時，江水從泄洪壩段內(nèi)高程56.5m的22個6.5×8.5m的導(dǎo)流底孔宣泄，截流最大落差達(dá)3.5m，龍口最大流速超過6m/s。碾壓混凝土圍堰要求在截流以后的120天內(nèi)，從高程50m澆筑到140m，最大月澆筑強(qiáng)度達(dá)39.1萬m3/月，最大日上升高度達(dá)1.19m，且很快要擋水并確保在近90m水頭下安全運(yùn)行，施工難度為世所罕見。
    三期截流后到水庫蓄至135m水位前，船只從臨時船閘航行，當(dāng)長江流量超過12000m3/s，上下游水位差超過6m時，臨時船閘不能運(yùn)行，長江短期斷航。經(jīng)測算斷航時間發(fā)生在5月下半月至6月上半月內(nèi)。斷航期間設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭用水陸聯(lián)運(yùn)解決客貨運(yùn)輸問題。水庫蓄水至135m，第一批機(jī)組開始發(fā)電，永久船閘開始通航。
    水庫蓄水以后，由三期碾壓混凝土圍堰與左岸大壩共同擋水(下游仍由三期土石圍堰擋水)，長江洪水由導(dǎo)流底孔及泄洪深孔宣泄，繼續(xù)在右岸基坑內(nèi)建造大壩和電站廠房。左岸各主體建筑物上部結(jié)構(gòu)同時施工，直至工程全部完建。
    1.2施工期通航?jīng)Q策
    長江是我國重要的水運(yùn)交通干線，三峽工程施工期間的通航問題必須妥善解決。施工期臨時通航措施，曾研究過多種方案，經(jīng)多次審議，歸納為兩類方案，第一是明渠通航方案右岸導(dǎo)流明渠兼作通航渠道，結(jié)合左岸臨時通航建筑物承擔(dān)施工期通航任務(wù)；第二是明渠不通航方案--- 右岸明渠專作導(dǎo)流用，左岸布置臨時通航建筑物，承擔(dān)施工期通航任務(wù)。經(jīng)綜合比較認(rèn)為，從施工通航的可靠性，特別是從盡量減少初期工程規(guī)模、縮短工期、提前發(fā)電出發(fā)，選用明渠通航方案。
    2、大江截流主要技術(shù)問題及決策
    2.1大江截流方案
    葛洲壩大江截流工程是我國在長江于流上第一次進(jìn)行的規(guī)模巨大的截流工程，采用單戧堤立堵截流方案。葛洲壩大江截流的成功經(jīng)驗說明，在我國主要通航河流上不宜采用棧橋平堵截流方案，因為棧橋平堵截流施工棧橋工期較長，且與通航矛盾較大，由于大容量的挖掘、運(yùn)輸設(shè)備的迅速發(fā)展，單戧堤立堵截流方案具有施工簡單、快速、經(jīng)濟(jì)和與通航干擾小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先采用。三峽工程在葛洲壩上游38km，水文和氣象條件基本一樣。三峽工程大江截流龍口水深達(dá)60m，合龍工程量大，拋投強(qiáng)度高，但合龍水力學(xué)指標(biāo)(落差、流速)較葛洲壩大江截流小，其分流條件優(yōu)于葛洲壩工程。對三峽工程大江截流方案設(shè)計研究比較了上游單戧堤立堵和浮橋平堵截流方案，浮橋平堵截流方案在上游截流戰(zhàn)堤中部主河床部位350m寬口門的上游架設(shè)浮橋，由自卸汽車在浮橋上拋投料物直至戧堤出水合龍。該方案的優(yōu)點(diǎn)是截流水力學(xué)指標(biāo)優(yōu)越，合龍工程量小，缺點(diǎn)是浮橋的結(jié)構(gòu)、架設(shè)和運(yùn)用中的技術(shù)問題尚不落實，且浮橋架橋時對通航有一定的影響，經(jīng)綜合分析比較，選用單戧堤立堵截流方案。后經(jīng)進(jìn)一步模型試驗，專家多次審議和設(shè)計審查最終確定采用：“預(yù)平拋墊底，上游圍堰單戧雙向立堵進(jìn)占、下游圍堰尾隨的截流方案”。
    2.2導(dǎo)流明渠提前通航和明渠淤積問題
    導(dǎo)流明渠是二期施工時的唯一泄水通道，同時也擔(dān)負(fù)著施工期的通航任務(wù)，明渠設(shè)計泄洪導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為79000m3/s，通航標(biāo)準(zhǔn)則按長航船隊20000m3/s以下、地航船隊10000m3/s以下確保通航進(jìn)行設(shè)計，10000～15000m3/s地航船隊助航可通過。大量的水工模型試驗成果表明，導(dǎo)流明渠的布置、 斷面及混凝土縱向圍堰體型等均由通航條件控制。
    確保施工期通航，是三峽截流的一個關(guān)鍵技術(shù)問題，原設(shè)計計劃1997年10月明渠通航。若能盡早實現(xiàn)明渠分流和通航、提前截流對工程施工將非常有利。根據(jù)導(dǎo)流明渠施工情況，變堰外段水下開挖為干地開挖，提前將堰外水下巖石挖出，一期土石圍堰堰壓部位明渠開挖也可在臨時擋水子堰保護(hù)下干地提前施工，使導(dǎo)流明渠控制性進(jìn)度提前，1997年5月導(dǎo)流明渠破堰分流進(jìn)水。但是在汛期，由于主河槽仍是主要的過水通道，明渠分流量和流速都很小，大量泥沙沉積其中，使截流前的明渠過水?dāng)嗝鎯H為設(shè)計斷面的57％～75％，淤積的泥沙主要分布在靠縱向圍堰的明渠中及左側(cè)的低渠部位，最大淤積深度達(dá)15m，由于明渠內(nèi)淤積嚴(yán)重，1997年汛后開始預(yù)進(jìn)占時，明渠分流比僅為30％，遠(yuǎn)低于設(shè)計明渠分流比，如不及時處理，將影響截流龍口進(jìn)占的流速和落差等截流水力學(xué)指標(biāo)，增加截流難度。為此，經(jīng)過研究決策：根據(jù)長江實際來水量情況，在不影響通航的前提下，盡可能提前束窄戰(zhàn)堤的口門，增加明渠的過流量和流速，以利沖淤。同時，研究萬一淤積的泥沙不能沖走時應(yīng)采取的對策措施。自9月中旬至10月12日，截流戧堤口門從汛前的460m寬束窄280m，據(jù)水下地形測量成果，明渠淤積并未有明顯的改善，明渠分流比仍在31％～33％之間。10月14日 15日截流朗堤以較快的速度束窄，明渠分流比開始持續(xù)加大，至10月23日130m龍口形成時，分流比55.8％，仍低于設(shè)計和水工模型實驗預(yù)測值15個百分點(diǎn)。23日～25日，戧堤停止進(jìn)占，明渠分流比基本維持不變。對明渠實測流速和淤積物沖刷情況的對比分析表明，明渠淤積的泥沙粒徑雖較細(xì)，但低渠左側(cè)處于彎道凸岸，且有輕度板結(jié)現(xiàn)象，要使淤積的泥沙沖走，明渠內(nèi)必需保持一定的流速和給予一定擾動，并有一個時間過程配合挖泥船擾動淤沙。明渠平均流速持續(xù)在1.40mfs以上時，渠內(nèi)產(chǎn)生明顯沖刷，隨著龍口進(jìn)占，于11月8日龍口最終合龍前夕，明渠過流斷面已接近設(shè)計斷面。從而確保大江截流順利完成。
    2.3大江截流上下游土石圍堰平拋墊底決策
    三峽大江截流主河床深槽段最大深度達(dá)60多米，為世界水電工程建設(shè)史上所罕見。為避免可能發(fā)生截流戧堤和堰體拋填過程中堤頭坍塌現(xiàn)象，保證施工人員、機(jī)械的安全，減少截流時的拋投強(qiáng)度，經(jīng)模型試驗和堤頭坍塌機(jī)理分析，采用平拋墊底抬高河床高程的措施，可明顯減少堤頭坍塌的機(jī)率，為大江截流創(chuàng)造良好的條件。結(jié)合平拋墊底，又調(diào)整防滲墻與戧堤軸線距離，減小圍堰填筑工程量。根據(jù)模型實驗成果，經(jīng)專家多次審議和招標(biāo)設(shè)計審查對平拋墊底形成如下決策意見：
    (1)采用砂礫料和中小石平拋墊底，以解決戧堤進(jìn)占時堤頭坍塌問題。鑒于深槽段水深最大，預(yù)平拋范圍應(yīng)覆蓋戧堤龍口段與整個深槽段，順?biāo)鞣较?40m，沿戰(zhàn)堤軸線方向180m；為減輕落淤和便于防滲墻施工，戧堤上游亦可用砂礫料平拋一定范圍，平拋高程不低于40m，并力爭達(dá)到45m以上。以削減截流后圍堰填筑高峰強(qiáng)度。
    (2)為便于拋投、減輕落淤，預(yù)平拋宜分兩階段施工。第一階段可安排在1997年汛前平拋至高程30～35m，第二階段于汛后截流前平拋至最終高程。平拋宜采用底開駁船拋投。
    (3)龍口河床平拋墊底度汛防沖措施：龍口位于河床深槽部位，在截流戧堤范圍平拋石碴及塊石料，其上游側(cè)的堰體防滲墻范圍平拋砂礫石料。1：100水工模型試驗表明，當(dāng)20年一遇洪水流量72300m3/s時，戧堤平拋墊底至40m高程處的流速為2.77～3.42m/s，平拋墊底的砂礫料產(chǎn)生沖刷。后調(diào)整為在找堤部位平拋墊底至40m高程，其上游側(cè)堰體范圍平拋砂礫石料高程降低至35～37m高程，形成高低坎機(jī)構(gòu)型式。堰體砂礫范圍流速降低至2.82～2.96m/s，戧堤部位平拋石碴塊石體處的流速為3.5～4.0m/s，可有效地減少平拋墊底砂礫石料的沖刷量。在施工中高程35m至40m范圍內(nèi)平拋粒徑大于0.4m的塊石料，有效地防止汛期遭受洪水沖刷。三峽大江截流深槽面貌及平拋墊底示意圖見圖4。
    3、二期圍堰防滲關(guān)鍵性技術(shù)和決策
    3.1 二期圍堰防滲型式及決策
    二期圍堰防滲型式曾經(jīng)過可行性論證階段、初步設(shè)計階段、技術(shù)設(shè)計階段和招標(biāo)設(shè)計階段多種方案的比較優(yōu)化和不斷完善。由于三峽壩區(qū)及附近防滲土料十分缺乏，不適于采用粘土防滲，故混凝土防滲心墻是堰體防滲的基本研究方案。由于防滲墻可能的最大深度將達(dá)70～90m，堰體又主要是水下拋填的松散風(fēng)化砂，防滲墻的結(jié)構(gòu)安全是研究的主要問題。結(jié)合深水拋填風(fēng)化砂特性的研究，比較研究了多種組合方案：(1)防滲墻結(jié)構(gòu)平面布置的單排墻或雙排墻方案；(2)防滲墻結(jié)構(gòu)立面布置的高墻或低墻方案；(3)防滲墻墻體材料性質(zhì)的塑性混凝土或剛性混凝土方案；(4)墻體厚度由0.8～1.2m的不同厚度方案。根據(jù)研究成果，圍堰防滲采用塑性混凝土防滲墻下接帳幕灌漿，墻上接防滲土工膜方案，上游圍堰在防滲墻深度超過40m的深槽段加設(shè)第二道防滲墻，間距6m，墻厚1.0m和0.8m，最大深度74m。下游圍堰深槽段相應(yīng)部位加設(shè)一道高壓旋噴樁柱連續(xù)墻。在施工階段，根據(jù)防滲施工專家的咨詢意見和考慮到施工承包單位高噴設(shè)備性能和數(shù)量難以滿足設(shè)計要求的具體情況，取消該部位的高噴墻。將下游防滲墻的厚度由原1.0m增加為1.1m的方案實施。
    3.2防滲墻柔性材料的研究
    二期深水高土石圍堰，最大堰高82.5m，圍堰防滲心墻材料選用了塑性混凝土。由于其強(qiáng)度低，彈性模量較小，柔韌性好，用于填筑圍堰的材料除部分塊石外，主要是花崗巖風(fēng)化沙料，由此而拋填的圍堰堰體密度，尤其是水下部分的密度較低，防滲墻體的擾度較大。為了適應(yīng)墻體的較大變形以及適應(yīng)較大的水平推力，墻體材料必須有較高的強(qiáng)度和較好的柔韌性。鑒于二期圍堰的重要性以及國內(nèi)外工程中所用的塑性混凝土防滲墻指標(biāo)不能滿足三峽二期圍堰的要求，在國家“七五”、“八五”科技攻關(guān)項目中安排了塑性混凝土防滲墻的研制和配合比的優(yōu)選研究工作。為配合現(xiàn)場施工，又進(jìn)行了施工配合比的完善工作，并作為二期圍堰右岸接頭段塑性混凝土防滲墻現(xiàn)場生產(chǎn)性配合比，為主體部分塑性混凝土防滲墻的澆筑作實戰(zhàn)準(zhǔn)備。
    柔性材料主要由水泥、粘土(或膨潤土)和風(fēng)化沙組成。以當(dāng)?shù)仫L(fēng)化沙(或河沙)作骨料形成三組分柔性材料作為圍堰防滲材料是一項創(chuàng)新。與同類材料相比，原材料組分少，可就地取材，防滲效果好，和易性好，施工方便，拆除簡單，造價低廉，并具有“高強(qiáng)低彈”的特點(diǎn)。
    4、1998年汛期上游圍堰防滲墻變形的原因分析
    1998年6月22日，二期圍堰堰頂達(dá)到臨時度汛高程，防滲墻單封閉，6月25日基坑開始限制性抽水。6月29日長江形成第1次洪峰，圍堰進(jìn)入邊施工、邊運(yùn)行、邊度汛階段，經(jīng)過研究確定，當(dāng)流量小于65000m3/s時，上游圍堰第二道墻照常施工，當(dāng)流量大于65000m3/s時，進(jìn)入搶險狀態(tài)。從而保證了8月6日，上游圍堰第二道防滲墻完工。6月末至9月初，長江出現(xiàn)8次大洪峰，但圍堰運(yùn)行正常，未出現(xiàn)險情。9月12日，基坑按計劃抽干。圍堰滲水量約50L/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計預(yù)測值600L/s。截至1999年2月圍堰內(nèi)部變形觀測資料表明，圍堰最大擋水水頭63m，防滲墻最大壓應(yīng)力1.4MPa，最大拉應(yīng)力0.045MPa，均在墻體材料允許范圍內(nèi)。上游圍堰第一道防滲墻最大變位達(dá)580mm，超過設(shè)計值，其原因是由于第一道墻(上游)初期運(yùn)行擋水時，第二道墻(下游)槽孔正在施工中，二道墻槽孔形成了臨空面，減小了第一道墻的下游抗力，同時第一道墻上游側(cè)填筑擋水子堰，增加了側(cè)壓力，但其變形曲線光滑，無明顯錯位，運(yùn)行狀況正常。
    5、結(jié)論
    三峽大江截流和二期圍堰施工是一高難度的工程項目，創(chuàng)造了多項世界記錄。用不到一年的時間，在長江深水中筑起兩道橫斷長江的土石大壩，施工難度極大。二期圍堰已接受了去年八次洪峰的考驗?；訚B水量僅為50L/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計預(yù)測值，取得了三峽工程建設(shè)的階段性勝利。但是二期圍堰還沒有經(jīng)受設(shè)計洪水的考驗，考慮三峽工程二期圍堰的重要性和使用時間長，決不能掉以輕心。要加強(qiáng)二期圍堰的原型監(jiān)測工作，尤其是做好防滲墻變形的反饋分析，及時掌握圍堰的浸潤線和滲漏狀況，以確保二期圍堰的安全運(yùn)行。