1、三峽大壩工程的設計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100000 m/s是當今世 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 計關鍵技術(shù)問題和大壩高強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鍵技術(shù)問題 ,三峽工程蓄水至水位 135 m, 大壩已擋水運行。一、工程概述三峽工程是開發(fā)治理長江的關鍵性骨干工程 ,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km2,多年平均徑流量4510億m3。設計正常蓄水位175 m, 總庫容393億m3,防洪庫容221.5億m3。電站裝機總?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、船閘及船機組成。大壩為混凝土重力壩，軸線全長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)問題1 基巖深層抗滑穩(wěn)定問題 : 三峽工程絕大多數(shù)壩段不存在淺層和深層抗滑穩(wěn)定問題。但左岸廠房 15 號壩段及升船機上閘首部位 ,由于結(jié)構(gòu)需要 ,基礎后方形成高陡開挖坡面 ,巖體中

3、又存在不利的緩傾角長大結(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，風化嚴重，透水性較強；此外F9、 F7、 F23 等斷層、中堡花崗巖脈及局部順斷裂風化帶 ,規(guī)模較大,構(gòu)造巖強度較低。受壩體荷載作用 ,均會產(chǎn)生不同程度的不均勻變形。3 壩基滲流問題 :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 ,對基礎防滲不利。三、長江三峽工程庫區(qū)地質(zhì)條件三斗坪壩址是一個符合長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。壩基巖體為堅硬、完整的花崗巖巖體。專家論證報告指出，三 斗坪壩址“基巖完整，力學強度高，透水性弱，工程地質(zhì)條件優(yōu)越，適宜修建混 凝土高壩”。、庫區(qū)范圍三峽水庫是一個狹長的河道型水庫。 三峽庫區(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 600余公里，寬度多小于 1000米；岸線長 2000 多公 里；水庫面積達 1084 平方公里。三峽水庫淹沒涉及湖北省的宜昌、秭歸、興山、巴東以及重慶市的巫山、巫 溪、奉節(jié)、云陽、萬州、開縣、忠縣、豐都、石柱、涪陵、武隆、長壽、渝北、 巴南、主城區(qū)、江津市，共計 20 個縣（區(qū)、市），總面積達 5.67 萬平方公里。 其中，淹沒陸地面

5、積達 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。其分布特點是：從東到西，地質(zhì)年代由老 到新。體積較大的第四紀堆積體，大都是崩塌體、滑坡體。2、工程地質(zhì)巖類三峽庫區(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)造三峽庫區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚子準地臺區(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 川臺坳（川滇塊陷）；東為上揚子臺褶皺帶。、新構(gòu)造運動與地震三峽庫區(qū)新構(gòu)造運動， 表現(xiàn)為輓近期以來大面積的間歇性整體隆起和局部地 段的差異性斷裂活動。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 ,壩基承受較大的揚壓力。為此 ,可充分利用壩基巖 體較好的條件，加強壩基排水。為驗證滲控效果，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)定的揚壓力圖形 ,計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 壩基揚壓力 ,排滲降壓效果顯著。 附表 兩種滲控方案壩基揚壓力比較滲控方案壩 基單寬揚壓力（kN/m）相對百分率（）全揚壓力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;當建基面高程分別為25 m、35 m、45 m和55m時，采取封閉與不封閉時下 游封閉

8、排水幕前建基面對應點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,可大大降低壩基揚壓力 ,增加大壩抗滑穩(wěn)定性。 按此要求在 左廠房 9號壩段泄洪17號壩段及右廠房 1521號壩段需設置基礎封閉抽排系統(tǒng) , 另外,左廠房 15號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 , 其基礎設置一個包括大壩和下游廠房 （機組尾水段以上部分 ）在內(nèi)的封閉抽排區(qū)。 深入研究發(fā)現(xiàn) ,由于上述三個抽排區(qū)相鄰兩抽排區(qū)相距僅分別為8個和 4個壩段,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 ,可將上述三個封閉抽排區(qū)連 成一個大的封閉抽排區(qū) ,連與不連兩者工程量相差不大。 為此,確定自左廠房 1 號 右廠房 21 號壩段 （含左廠房 1 6號機組段 ）基礎形成一個大的整體封閉抽排區(qū)。 即左廠房 1 號右廠房 21 號壩段前緣形成主防滲排水幕 ,左廠房 16 號機組尾水 段形成側(cè)向及下游封閉防滲排水幕 ,在左廠房 6號機組段右側(cè) ,與大壩左廠房 6號 右廠房21號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較高 ,故設置常規(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)向及下基礎廊道 （含左廠房 16號機組段基礎廊道 ）中布置一道封閉灌漿 帷幕。根據(jù)規(guī)范要求，帷幕防滲標準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)造等透水性較強部位 ,視實際情況增設一排灌漿孔。帷幕深度結(jié)合工程 特點、地質(zhì)條件及規(guī)范要求按下列原則控制：深入基巖相對不透水層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下游建筑物基礎開挖高程以下10

11、20 m;雙排帷幕部位，第二排深度為帷幕設計深度的 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水泥漿灌注 ,部分孔段灌 注細水泥漿達不到防滲標準時 ,考慮采用改性水泥或化學材料灌注。為了驗證帷 幕設計參數(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)模現(xiàn)場灌漿試驗 ,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，對加

12、快施工進度，有明顯的價值；最大灌漿壓力選用56MPa,從技術(shù)經(jīng)濟 角度綜合考慮較為合適 ;選用濕磨細水泥漿灌注是合理的。1.3 壩基排水在壩基上游基礎廊道內(nèi)主帷幕后布置一排基礎主排水孔幕;在下游及側(cè)向基礎廊道內(nèi)封閉帷幕內(nèi)側(cè)布置一排基礎封閉排水孔幕 ;在封閉抽排范圍內(nèi) ,根據(jù)建筑物特 點和建基面高程的差別 ,設置分區(qū)排水孔幕 ,將封閉抽排區(qū)分割成不同的封閉單元 同時,在壩基中上和中下部基礎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)場巖體疏干試驗及滲流分析成果 , 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 位均進行孔內(nèi)保護 ,孔口均設孔口裝置。2 基礎加固處理設計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 ,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的變形 ;改善巖體的整體 性。為此考慮對大壩基礎應力變化較大及基礎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行重點固結(jié)灌漿加固處理。根據(jù)大壩基礎應力分布的差異 ,結(jié)合一般工程經(jīng)驗 ,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)缺陷部位加強灌漿處 理。基巖灌漿孔深度結(jié)合當前開挖爆破水平、 基巖聲

15、波檢測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、預埋管或無蓋重法灌漿。 所有固結(jié)灌漿實施中均應結(jié)合具體地質(zhì)條件進行優(yōu)化 ,以節(jié)約投資和加快進度。 固結(jié)灌漿一般采用濕磨細水泥漿灌注 ,必要時采用高強化學材料灌注。注入

16、量大 的孔段可先灌注普通水泥漿后改磨細水泥漿。 灌漿合格標準為灌后基巖壓水檢查 透水率qw 3 Lu。現(xiàn)場灌漿試驗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：單孔聲波 3%5%,跨孔地震波 0.3%3%。這些說明固結(jié)灌漿對提高基巖防滲 性有明顯的效果 ,對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)模相對較大，構(gòu)造巖強度及變 形模量相對較低 ,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 ,故對其 構(gòu)造巖進行槽挖置換混凝土處理。 參考一般工程經(jīng)驗 ,槽挖深度一般為 11.5倍構(gòu) 造巖的寬度 ,個別性狀較差部位適當加深 ,壩踵、壩趾處適當加深及延長開挖范圍。 升船機上閘首開挖揭露的 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 類高強化學材料處理。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 化深槽等 ,均形成巖體集中破碎區(qū) ,對變形

18、和防滲不利。對上述及類似地質(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)面相對發(fā)育區(qū)，位于該部位的左廠房 15 號壩段及升船機上閘首 ,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)定問題。該問題受到各方面的高度重視 ,成為三峽工程中一項重要技 術(shù)課題 ,對此先后開展了大量的補充勘探、分析研究和科學試驗工作,考慮到工程的重要性,為偏于安全起見 ,在充分論證和集中各方意見的基礎上采取如下主要工 程措施（有關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號壩段:壩體向上游加大底寬 ;適當降低建基面高程 ,上游設齒槽 ;主帷幕排水 前移,幕后加設兩層基礎排水洞 ,加強排水 ;壩體與廠房基礎構(gòu)成整體式封閉抽排 系統(tǒng);壩體橫縫灌漿 ,加強整體作用 ;廠房與大壩巖坡緊靠 ,聯(lián)合受力 ;加強對中 緩傾角裂隙巖體固結(jié)灌漿 ;邊坡系統(tǒng)掛網(wǎng)噴錨支護 ,預應力錨索加固淺層滑移塊體 控制爆破