三峽大壩工程的設(shè)計(jì)與治理

1、三峽大壩工程的設(shè)計(jì)與治理摘要三峽工程大壩為混凝土重力壩，最大泄洪流量達(dá)100000 m/s是當(dāng)今世 界混凝土量最大 ,泄流量最大的重力壩。大壩泄洪孔及引水孔多 ,尺寸大,挖空率高, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。大壩泄洪消能、排沙、排漂、岸坡壩段深層抗滑穩(wěn)定、大壩混凝土設(shè) 計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和大壩高強(qiáng)度施工及溫控防裂技術(shù) ,大流量深水河道截流技術(shù)、 深水土石圍堰及碾壓混凝土圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 ,三峽工程蓄水至水位 135 m, 大壩已擋水運(yùn)行。一、工程概述三峽工程是開發(fā)治理長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程 ,具有巨大的防洪、發(fā)電、通航、 供水等綜合效益。大壩壩址位于湖北省宜昌市三斗坪 ,下距葛洲壩水利樞紐 38 km, 控制流

2、域面積100萬(wàn)km2,多年平均徑流量4510億m3。設(shè)計(jì)正常蓄水位175 m, 總庫(kù)容393億m3,防洪庫(kù)容221.5億m3。電站裝機(jī)總?cè)萘?8200 MW,保證出力 4990 MW,多年平均發(fā)電量846.8億kW h0樞紐主要建筑物由大壩、電站廠房、船閘及船機(jī)組成。大壩為混凝土重力壩，軸線全長(zhǎng)2309.5 m泄洪壩段布置在河床中部，兩側(cè)為廠房壩段及非溢流壩段，大壩頂高程185 m,最大壩高181 m。二、工程地質(zhì)問(wèn)題1 基巖深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題 : 三峽工程絕大多數(shù)壩段不存在淺層和深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。但左岸廠房 15 號(hào)壩段及升船機(jī)上閘首部位 ,由于結(jié)構(gòu)需要 ,基礎(chǔ)后方形成高陡開挖坡面 ,巖體中

3、又存在不利的緩傾角長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面 ,有可能與其它結(jié)構(gòu)面組合 ,構(gòu)成影響壩基抗滑 穩(wěn)定的不利條件。2 基巖不均勻變形問(wèn)題 :河床建基面下局部存在 1520m厚的卸荷巖體，表現(xiàn)裂隙張開，風(fēng)化嚴(yán)重，透水性較強(qiáng)；此外F9、 F7、 F23 等斷層、中堡花崗巖脈及局部順斷裂風(fēng)化帶 ,規(guī)模較大,構(gòu)造巖強(qiáng)度較低。受壩體荷載作用 ,均會(huì)產(chǎn)生不同程度的不均勻變形。3 壩基滲流問(wèn)題 :雖大部分微新巖體單位吸水量小于 1Lu,但壩基中存在貫穿上下游的斷裂構(gòu)造帶，特別是NENEE 向斷裂及緩傾角裂隙發(fā)育帶 ,對(duì)基礎(chǔ)防滲不利。三、長(zhǎng)江三峽工程庫(kù)區(qū)地質(zhì)條件三斗坪壩址是一個(gè)符合長(zhǎng)江三峽工程整體要求的大壩壩址。壩區(qū)面積為18.7

4、 平方公里。壩基巖體為堅(jiān)硬、完整的花崗巖巖體。專家論證報(bào)告指出，三 斗坪壩址“基巖完整，力學(xué)強(qiáng)度高，透水性弱，工程地質(zhì)條件優(yōu)越，適宜修建混 凝土高壩”。、庫(kù)區(qū)范圍三峽水庫(kù)是一個(gè)狹長(zhǎng)的河道型水庫(kù)。 三峽庫(kù)區(qū)西起重慶巴縣魚洞鎮(zhèn)， 東至湖 北宜昌三斗坪壩址； 縱深長(zhǎng) 600余公里，寬度多小于 1000米；岸線長(zhǎng) 2000 多公 里；水庫(kù)面積達(dá) 1084 平方公里。三峽水庫(kù)淹沒(méi)涉及湖北省的宜昌、秭歸、興山、巴東以及重慶市的巫山、巫 溪、奉節(jié)、云陽(yáng)、萬(wàn)州、開縣、忠縣、豐都、石柱、涪陵、武隆、長(zhǎng)壽、渝北、 巴南、主城區(qū)、江津市，共計(jì) 20 個(gè)縣（區(qū)、市），總面積達(dá) 5.67 萬(wàn)平方公里。 其中，淹沒(méi)陸地面

5、積達(dá) 600 平方公里。、地層巖性與工程地質(zhì)巖類1、地層巖性三峽庫(kù)區(qū)地層， 除了缺失泥盆系下統(tǒng)、 石炭系上統(tǒng)、 白堊系一部分和第三系 以外，從前震旦系至第四系均有出露。其分布特點(diǎn)是：從東到西，地質(zhì)年代由老 到新。體積較大的第四紀(jì)堆積體，大都是崩塌體、滑坡體。2、工程地質(zhì)巖類三峽庫(kù)區(qū)地層， 按其巖相建造和巖體結(jié)構(gòu)特征， 可以分為以下四種工程地質(zhì) 巖類：、塊狀結(jié)晶巖類包括前震旦系塊狀巖漿巖和混合化的中、 深變質(zhì)巖；僅分布在廟河三斗坪 地段。、層狀碎屑巖類主要為三疊系中、 上統(tǒng)和侏羅系紅層， 為區(qū)內(nèi)主要易滑巖類； 主要分布于香 溪至秭歸，奉節(jié)至庫(kù)尾。、層狀碳酸巖類比較集中分布于廟河至奉節(jié)的干支流和烏

6、江 。、松軟巖（土）類為第四系松散松軟堆積， 多為斜坡地帶的殘坡積、 崩滑堆積和城鎮(zhèn)區(qū)人工堆 積；為區(qū)內(nèi)易滑巖（土）類。、地質(zhì)構(gòu)造三峽庫(kù)區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)區(qū)。 北與秦嶺地槽相鄰， 以巫山與奉 節(jié)之間的齊岳山基底斷裂為界（大體上從奉節(jié)至石柱，呈南西向展布）；西為四 川臺(tái)坳（川滇塊陷）；東為上揚(yáng)子臺(tái)褶皺帶。、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震三峽庫(kù)區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)， 表現(xiàn)為輓近期以來(lái)大面積的間歇性整體隆起和局部地 段的差異性斷裂活動(dòng)。四、所采取的技術(shù)方案1.1 基本滲控方案三峽大壩下游尾水位較高 ,壩基承受較大的揚(yáng)壓力。為此 ,可充分利用壩基巖 體較好的條件，加強(qiáng)壩基排水。為驗(yàn)證滲控效果，取建基面10 m高程

7、的典型壩段, 按正常水位及規(guī)范規(guī)定的揚(yáng)壓力圖形 ,計(jì)算比較了封閉抽排和常規(guī)帷幕排水兩種滲控方案的降壓效果 （見(jiàn)附表 ）。從附表可以看出 ,采用封閉抽排方案 ,可充分削減 壩基揚(yáng)壓力 ,排滲降壓效果顯著。 附表 兩種滲控方案壩基揚(yáng)壓力比較滲控方案壩 基單寬揚(yáng)壓力（kN/m）相對(duì)百分率（）全揚(yáng)壓力134 000 100常規(guī)帷幕排水89 000 66封閉帷幕及抽排 48 100 36壩基滲流有限元分析亦表明 :封閉抽排滲控系統(tǒng)較 好地控制了壩基滲流狀態(tài) ,基巖水力梯度較小 ,等水頭線稀疏 ,水頭值總體低于尾 水位;當(dāng)建基面高程分別為25 m、35 m、45 m和55m時(shí)，采取封閉與不封閉時(shí)下 游封閉

8、排水幕前建基面對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的水頭值分別相差 29.83 m、 24.65 m、 19.18 m、 13.79 m。大壩穩(wěn)定進(jìn)一步分析還表明：泄洪壩段32 m高程以下，廠房壩段44 m高 程以下,采取封閉抽排,可大大降低壩基揚(yáng)壓力 ,增加大壩抗滑穩(wěn)定性。 按此要求在 左廠房 9號(hào)壩段泄洪17號(hào)壩段及右廠房 1521號(hào)壩段需設(shè)置基礎(chǔ)封閉抽排系統(tǒng) , 另外,左廠房 15號(hào)壩段由于基巖深層抗滑穩(wěn)定需要 ,下游廠房和大壩聯(lián)合受力 , 其基礎(chǔ)設(shè)置一個(gè)包括大壩和下游廠房 （機(jī)組尾水段以上部分 ）在內(nèi)的封閉抽排區(qū)。 深入研究發(fā)現(xiàn) ,由于上述三個(gè)抽排區(qū)相鄰兩抽排區(qū)相距僅分別為8個(gè)和 4個(gè)壩段,如將上述抽排區(qū)大壩側(cè)向

9、封閉帷幕移向下游壩趾處 ,可將上述三個(gè)封閉抽排區(qū)連 成一個(gè)大的封閉抽排區(qū) ,連與不連兩者工程量相差不大。 為此,確定自左廠房 1 號(hào) 右廠房 21 號(hào)壩段 （含左廠房 1 6號(hào)機(jī)組段 ）基礎(chǔ)形成一個(gè)大的整體封閉抽排區(qū)。 即左廠房 1 號(hào)右廠房 21 號(hào)壩段前緣形成主防滲排水幕 ,左廠房 16 號(hào)機(jī)組尾水 段形成側(cè)向及下游封閉防滲排水幕 ,在左廠房 6號(hào)機(jī)組段右側(cè) ,與大壩左廠房 6號(hào) 右廠房21號(hào)壩段下游封閉防滲排水幕銜接，形成“ L”形封閉抽排區(qū)。其余壩段 由于建基面高程相對(duì)較高 ,故設(shè)置常規(guī)帷幕排水系統(tǒng)。1.2 防滲帷幕按確定的滲控方案 ,在大壩上游基礎(chǔ)廊道中布置一道主防滲灌漿帷幕,左端接

10、左岸永久船閘中間山體混凝土防滲墻 ,右端與右岸地下廠房防滲帷幕銜接 ;在大壩封閉 抽排區(qū)側(cè)向及下基礎(chǔ)廊道 （含左廠房 16號(hào)機(jī)組段基礎(chǔ)廊道 ）中布置一道封閉灌漿 帷幕。根據(jù)規(guī)范要求，帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)一般取定為壓水檢查透水率qW 1 Lu o主帷幕與封閉帷幕在一般地段布設(shè)一排灌漿孔，主帷幕孔距2.0 m封閉帷幕孔距2.5 m, 在斷裂構(gòu)造等透水性較強(qiáng)部位 ,視實(shí)際情況增設(shè)一排灌漿孔。帷幕深度結(jié)合工程 特點(diǎn)、地質(zhì)條件及規(guī)范要求按下列原則控制：深入基巖相對(duì)不透水層5 m;滿 足H > 13h+c,其中h為幕前水深（封閉帷幕為下游水深）,c取58 m;主防滲帷幕深入相應(yīng)下游建筑物基礎(chǔ)開挖高程以下10

11、20 m;雙排帷幕部位，第二排深度為帷幕設(shè)計(jì)深度的 1/22/3。帷幕灌漿采用自上而下分段 ,“小口徑鉆孔 ,孔口封閉” 的高壓灌漿工藝，最大灌漿壓力取定：主帷幕56 MPa封閉帷幕45 MPa。由于三 峽地層屬微裂隙發(fā)育地層 ,灌漿易產(chǎn)生失水回濃現(xiàn)象 ,故確定帷幕灌漿除吸漿量大 的孔段先采用普通水泥漿灌注外 ,一般孔段均采用濕磨細(xì)水泥漿灌注 ,部分孔段灌 注細(xì)水泥漿達(dá)不到防滲標(biāo)準(zhǔn)時(shí) ,考慮采用改性水泥或化學(xué)材料灌注。為了驗(yàn)證帷 幕設(shè)計(jì)參數(shù)、探索灌漿施工工藝、比選灌漿材料和論證灌漿效果,開展了大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn) ,結(jié)果表明 ：三峽地層采用“小口徑鉆孔 ,孔口封閉”的高壓灌漿工藝 是可行的，對(duì)加

12、快施工進(jìn)度，有明顯的價(jià)值；最大灌漿壓力選用56MPa,從技術(shù)經(jīng)濟(jì) 角度綜合考慮較為合適 ;選用濕磨細(xì)水泥漿灌注是合理的。1.3 壩基排水在壩基上游基礎(chǔ)廊道內(nèi)主帷幕后布置一排基礎(chǔ)主排水孔幕;在下游及側(cè)向基礎(chǔ)廊道內(nèi)封閉帷幕內(nèi)側(cè)布置一排基礎(chǔ)封閉排水孔幕 ;在封閉抽排范圍內(nèi) ,根據(jù)建筑物特 點(diǎn)和建基面高程的差別 ,設(shè)置分區(qū)排水孔幕 ,將封閉抽排區(qū)分割成不同的封閉單元 同時(shí),在壩基中上和中下部基礎(chǔ)縱向排水廊道中各布置一排縱向輔助排水孔幕,沿壩軸線每隔24個(gè)壩段（約7090 m）布置一排橫向輔助排水孔幕。總體形成“井” 字形抽排格構(gòu)。根據(jù)壩基水文地質(zhì)特征 ,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體疏干試驗(yàn)及滲流分析成果 , 確定排水

13、孔孔深為 ：主排水孔、封閉排水孔一般為相應(yīng)主帷幕及封閉帷幕深度的 3/54/5;縱向輔助排水孔一般為相應(yīng)上游主排水孔和下游封閉排水孔孔深的2/3左右;橫向輔助排水孔一般為15 m左右;橫向分區(qū)排水孔孔深按連接上游主排水 孔、中間縱向輔助排水孔、 下游封閉排水孔底線呈一近似直線來(lái)考慮。 根據(jù)壩基 三維有限元數(shù)值分析及敏感性分析成果綜合確定：主排水孔孔距2.0 m;封閉和分 區(qū)排水孔孔距2.5m;輔助排水孔孔距34 m。各類排水孔在穿透軟弱構(gòu)造巖部 位均進(jìn)行孔內(nèi)保護(hù) ,孔口均設(shè)孔口裝置。2 基礎(chǔ)加固處理設(shè)計(jì)2.1 基巖固結(jié)灌漿加固處理三峽壩基巖體以微新花崗巖為主 ,據(jù)統(tǒng)計(jì) ,大壩建基面中優(yōu)良巖體約

14、占 98%, 中等至差和極差巖體所占比例極小 ,總體看,建基巖體條件較好 ,但受開挖爆破及 卸荷影響 ,巖體的完整性將降低 ,滲透性將增大 ,因而固結(jié)灌漿的主要目的是 ：充填表層巖體中的縫隙 ,降低滲透性 ;盡量減少基巖不可恢復(fù)的變形 ;改善巖體的整體 性。為此考慮對(duì)大壩基礎(chǔ)應(yīng)力變化較大及基礎(chǔ)輪廊突變部位的淺部表層巖體及斷 裂構(gòu)造帶、 邊坡穩(wěn)定需要加固的局部位置進(jìn)行重點(diǎn)固結(jié)灌漿加固處理。根據(jù)大壩基礎(chǔ)應(yīng)力分布的差異 ,結(jié)合一般工程經(jīng)驗(yàn) ,擬定固結(jié)灌漿基本范圍為壩踵及壩趾約 1/4壩寬范圍 ,對(duì)斷裂構(gòu)造及其交切區(qū)、裂隙密集帶等地質(zhì)缺陷部位加強(qiáng)灌漿處 理?；鶐r灌漿孔深度結(jié)合當(dāng)前開挖爆破水平、 基巖聲

15、波檢測(cè)成果等因素綜合確定 為:一般部位56 m,孔排距2.5 mx 2.5m;主帷幕前兩排孔深10 m和20 m,孔排距 2.0 mx 2.0 m,封閉帷幕后一排孔深10 m,孔距2.5 m,兼起輔助帷幕作用；地質(zhì)缺陷 或有特殊要求的地段孔深1020 m,孔距視需要加密。固結(jié)灌漿分兩序施工，一般 按有混凝土蓋重條件下施工，蓋重厚34 m,灌漿壓力0.40.6 MPa。在個(gè)別混凝土 上升和工期緊張的壩塊 ,根據(jù)具體情況分別采取引管、預(yù)埋管或無(wú)蓋重法灌漿。 所有固結(jié)灌漿實(shí)施中均應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)化 ,以節(jié)約投資和加快進(jìn)度。 固結(jié)灌漿一般采用濕磨細(xì)水泥漿灌注 ,必要時(shí)采用高強(qiáng)化學(xué)材料灌注。注入

16、量大 的孔段可先灌注普通水泥漿后改磨細(xì)水泥漿。 灌漿合格標(biāo)準(zhǔn)為灌后基巖壓水檢查 透水率qw 3 Lu?，F(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)及已施工壩塊資料顯示：固結(jié)灌漿灌前吸水率：I 序孔一般220 Lu,地質(zhì)缺陷部位相應(yīng)較高，U序孔一般14 Lu;單耗：I序孔一般 210 kg/m,H序孔一般13kg/m;灌后壓水檢查合格率為100%;基巖灌后縱波速提 高：?jiǎn)慰茁暡?3%5%,跨孔地震波 0.3%3%。這些說(shuō)明固結(jié)灌漿對(duì)提高基巖防滲 性有明顯的效果 ,對(duì)提高巖體縱波速作用較小。2.2 基巖主要地質(zhì)缺陷處理壩基主要斷層F7、F4、F9、F23及F215等,規(guī)模相對(duì)較大，構(gòu)造巖強(qiáng)度及變 形模量相對(duì)較低 ,且不均一 ,有

17、可能沿其產(chǎn)生不均勻變形和形成滲漏通道 ,故對(duì)其 構(gòu)造巖進(jìn)行槽挖置換混凝土處理。 參考一般工程經(jīng)驗(yàn) ,槽挖深度一般為 11.5倍構(gòu) 造巖的寬度 ,個(gè)別性狀較差部位適當(dāng)加深 ,壩踵、壩趾處適當(dāng)加深及延長(zhǎng)開挖范圍。 升船機(jī)上閘首開挖揭露的 f548 斷層,規(guī)模較大 ,軟弱物充填 ,且位于上閘首下游側(cè) 關(guān)鍵傳力部位 ,經(jīng)分析研究 ,采用上部抽槽開挖后回填混凝土 ,深部高壓灌注環(huán)氧 類高強(qiáng)化學(xué)材料處理。左廠房壩段存在 f185、f18、f20等斷裂交匯和密集部位， 泄洪壩段存在 f410f413 及 f362、 f363 等斷裂交匯和密集部位 ,河床局部存在風(fēng) 化深槽等 ,均形成巖體集中破碎區(qū) ,對(duì)變形

18、和防滲不利。對(duì)上述及類似地質(zhì)缺陷 ,視具體情況采取結(jié)構(gòu)措施或開挖填塘和灌漿加固處理2.3 深層穩(wěn)定處理左岸f7和f23之間及F7附近為緩傾角結(jié)構(gòu)面相對(duì)發(fā)育區(qū)，位于該部位的左廠房 15 號(hào)壩段及升船機(jī)上閘首 ,由于下游開挖形成高陡坡面 ,受緩傾角裂隙控制 ,可能 構(gòu)成深層穩(wěn)定問(wèn)題。該問(wèn)題受到各方面的高度重視 ,成為三峽工程中一項(xiàng)重要技 術(shù)課題 ,對(duì)此先后開展了大量的補(bǔ)充勘探、分析研究和科學(xué)試驗(yàn)工作,考慮到工程的重要性,為偏于安全起見(jiàn) ,在充分論證和集中各方意見(jiàn)的基礎(chǔ)上采取如下主要工 程措施（有關(guān)這方面的研究成果及論述文章較多，本文僅介紹主要成果）:左廠房 15號(hào)壩段:壩體向上游加大底寬 ;適當(dāng)降低建基面高程 ,上游設(shè)齒槽 ;主帷幕排水 前移,幕后加設(shè)兩層基礎(chǔ)排水洞 ,加強(qiáng)排水 ;壩體與廠房基礎(chǔ)構(gòu)成整體式封閉抽排 系統(tǒng);壩體橫縫灌漿 ,加強(qiáng)整體作用 ;廠房與大壩巖坡緊靠 ,聯(lián)合受力 ;加強(qiáng)對(duì)中 緩傾角裂隙巖體固結(jié)灌漿 ;邊坡系統(tǒng)掛網(wǎng)噴錨支護(hù) ,預(yù)應(yīng)力錨索加固淺層滑移塊體 控制爆破