三峡大坝工程的设计与治理

三峡大坝工程的设计与治理摘要三峡工程大坝为混凝土重力坝,最大泄洪流量达100000 m/s,是当今世界混凝土量最大,泄流量最大的重力坝。

大坝泄洪孔及引水孔多,尺寸大,挖空率高,结构复杂。

大坝泄洪消能、排沙、排漂、岸坡坝段深层抗滑稳定、大坝混凝土设计关键技术问题和大坝高强度施工及温控防裂技术,大流量深水河道截流技术、深水土石围堰及碾压混凝土围堰施工关键技术问题,三峡工程蓄水至水位135 m,大坝已挡水运行。

一、工程概述三峡工程是开发治理长江的关键性骨干工程,具有巨大的防洪、发电、通航、供水等综合效益。

大坝坝址位于湖北省宜昌市三斗坪,下距葛洲坝水利枢纽38 km,控制流域面积100万km2,多年平均径流量4510亿m3。

设计正常蓄水位175 m,总库容393亿m3,防洪库容221.5亿m3。

电站装机总容量18200 MW,保证出力4990 MW,多年平均发电量846.8亿kW·h。

枢纽主要建筑物由大坝、电站厂房、船闸及船机组成。

大坝为混凝土重力坝,轴线全长2309.5 m,泄洪坝段布置在河床中部,两侧为厂房坝段及非溢流坝段,大坝顶高程185 m,最大坝高181 m。

二、工程地质问题1 基岩深层抗滑稳定问题:三峡工程绝大多数坝段不存在浅层和深层抗滑稳定问题。

但左岸厂房1~5号坝段及升船机上闸首部位,由于结构需要,基础后方形成高陡开挖坡面,岩体中又存在不利的缓倾角长大结构面,有可能与其它结构面组合,构成影响坝基抗滑稳定的不利条件。

2基岩不均匀变形问题:河床建基面下局部存在15~20m厚的卸荷岩体,表现裂隙张开,风化严重,透水性较强;此外F9、F7、F23等断层、中堡花岗岩脉及局部顺断裂风化带,规模较大,构造岩强度较低。

受坝体荷载作用,均会产生不同程度的不均匀变形。

3坝基渗流问题:虽大部分微新岩体单位吸水量小于1Lu,但坝基中存在贯穿上下游的断裂构造带,特别是NE~NEE向断裂及缓倾角裂隙发育带,对基础防渗不利。

三、长江三峡工程库区地质条件三斗坪坝址是一个符合长江三峡工程整体要求的大坝坝址。

坝区面积为18.7平方公里。

坝基岩体为坚硬、完整的花岗岩岩体。

专家论证报告指出，三斗坪坝址“基岩完整，力学强度高，透水性弱，工程地质条件优越，适宜修建混凝土高坝”。

㈠、库区范围三峡水库是一个狭长的河道型水库。

三峡库区西起重庆巴县鱼洞镇，东至湖北宜昌三斗坪坝址；纵深长600余公里，宽度多小于1000米；岸线长2000多公里；水库面积达1084平方公里。

三峡水库淹没涉及湖北省的宜昌、秭归、兴山、巴东以及重庆市的巫山、巫溪、奉节、云阳、万州、开县、忠县、丰都、石柱、涪陵、武隆、长寿、渝北、巴南、主城区、江津市，共计20个县（区、市），总面积达5.67万平方公里。

其中，淹没陆地面积达600平方公里。

㈡、地层岩性与工程地质岩类１、地层岩性三峡库区地层，除了缺失泥盆系下统、石炭系上统、白垩系一部分和第三系以外，从前震旦系至第四系均有出露。

其分布特点是：从东到西，地质年代由老到新。

体积较大的第四纪堆积体，大都是崩塌体、滑坡体。

２、工程地质岩类三峡库区地层，按其岩相建造和岩体结构特征，可以分为以下四种工程地质岩类：⑴、块状结晶岩类包括前震旦系块状岩浆岩和混合化的中、深变质岩；仅分布在庙河～三斗坪地段。

⑵、层状碎屑岩类主要为三叠系中、上统和侏罗系红层，为区内主要易滑岩类；主要分布于香溪至秭归，奉节至库尾。

⑶、层状碳酸岩类比较集中分布于庙河至奉节的干支流和乌江……。

⑷、松软岩（土）类为第四系松散松软堆积，多为斜坡地带的残坡积、崩滑堆积和城镇区人工堆积；为区内易滑岩（土）类。

㈢、地质构造三峡库区在大地构造上位于扬子准地台区。

北与秦岭地槽相邻，以巫山与奉节之间的齐岳山基底断裂为界（大体上从奉节至石柱，呈南西向展布）；西为四川台坳（川滇块陷）；东为上扬子台褶皱带。

㈣、新构造运动与地震三峡库区新构造运动，表现为輓近期以来大面积的间歇性整体隆起和局部地段的差异性断裂活动。

四、所采取的技术方案1.1 基本渗控方案三峡大坝下游尾水位较高,坝基承受较大的扬压力。

为此,可充分利用坝基岩体较好的条件,加强坝基排水。

为验证渗控效果,取建基面10 m高程的典型坝段,按正常水位及规范规定的扬压力图形,计算比较了封闭抽排和常规帷幕排水两种渗控方案的降压效果(见附表)。

从附表可以看出,采用封闭抽排方案,可充分削减坝基扬压力,排渗降压效果显著。

附表两种渗控方案坝基扬压力比较渗控方案坝基单宽扬压力(kN/m)相对百分率(%)全扬压力134 000 100常规帷幕排水89 000 66封闭帷幕及抽排48 100 36坝基渗流有限元分析亦表明:封闭抽排渗控系统较好地控制了坝基渗流状态,基岩水力梯度较小,等水头线稀疏,水头值总体低于尾水位;当建基面高程分别为25 m、35 m、45 m和55m时,采取封闭与不封闭时下游封闭排水幕前建基面对应点上的水头值分别相差29.83 m、24.65 m、19.18 m、13.79 m。

大坝稳定进一步分析还表明:泄洪坝段32 m高程以下,厂房坝段44 m高程以下,采取封闭抽排,可大大降低坝基扬压力,增加大坝抗滑稳定性。

按此要求在左厂房9号坝段~泄洪17号坝段及右厂房15~21号坝段需设置基础封闭抽排系统,另外,左厂房1~5号坝段由于基岩深层抗滑稳定需要,下游厂房和大坝联合受力,其基础设置一个包括大坝和下游厂房(机组尾水段以上部分)在内的封闭抽排区。

深入研究发现,由于上述三个抽排区相邻两抽排区相距仅分别为8个和4个坝段,如将上述抽排区大坝侧向封闭帷幕移向下游坝趾处,可将上述三个封闭抽排区连成一个大的封闭抽排区,连与不连两者工程量相差不大。

为此,确定自左厂房1号~右厂房21号坝段(含左厂房1~6号机组段)基础形成一个大的整体封闭抽排区。

即左厂房1号~右厂房21号坝段前缘形成主防渗排水幕,左厂房1~6号机组尾水段形成侧向及下游封闭防渗排水幕,在左厂房6号机组段右侧,与大坝左厂房6号~右厂房21号坝段下游封闭防渗排水幕衔接,形成“L”形封闭抽排区。

其余坝段由于建基面高程相对较高,故设置常规帷幕排水系统。

1.2 防渗帷幕按确定的渗控方案,在大坝上游基础廊道中布置一道主防渗灌浆帷幕,左端接左岸永久船闸中间山体混凝土防渗墙,右端与右岸地下厂房防渗帷幕衔接;在大坝封闭抽排区侧向及下基础廊道(含左厂房1~6号机组段基础廊道)中布置一道封闭灌浆帷幕。

根据规范要求,帷幕防渗标准一般取定为压水检查透水率q≤1 Lu。

主帷幕与封闭帷幕在一般地段布设一排灌浆孔,主帷幕孔距2.0 m,封闭帷幕孔距2.5 m,在断裂构造等透水性较强部位,视实际情况增设一排灌浆孔。

帷幕深度结合工程特点、地质条件及规范要求按下列原则控制:①深入基岩相对不透水层5 m;②满足H≥13h+c,其中h为幕前水深(封闭帷幕为下游水深),c取5~8 m;③主防渗帷幕深入相应下游建筑物基础开挖高程以下10~20 m;④双排帷幕部位,第二排深度为帷幕设计深度的1/2~2/3。

帷幕灌浆采用自上而下分段,“小口径钻孔,孔口封闭”的高压灌浆工艺,最大灌浆压力取定:主帷幕5~6 MPa;封闭帷幕4~5 MPa。

由于三峡地层属微裂隙发育地层,灌浆易产生失水回浓现象,故确定帷幕灌浆除吸浆量大的孔段先采用普通水泥浆灌注外,一般孔段均采用湿磨细水泥浆灌注,部分孔段灌注细水泥浆达不到防渗标准时,考虑采用改性水泥或化学材料灌注。

为了验证帷幕设计参数、探索灌浆施工工艺、比选灌浆材料和论证灌浆效果,开展了大规模现场灌浆试验,结果表明:三峡地层采用“小口径钻孔,孔口封闭”的高压灌浆工艺是可行的,对加快施工进度,有明显的价值;最大灌浆压力选用5~6MPa,从技术经济角度综合考虑较为合适;选用湿磨细水泥浆灌注是合理的。

1.3 坝基排水在坝基上游基础廊道内主帷幕后布置一排基础主排水孔幕;在下游及侧向基础廊道内封闭帷幕内侧布置一排基础封闭排水孔幕;在封闭抽排范围内,根据建筑物特点和建基面高程的差别,设置分区排水孔幕,将封闭抽排区分割成不同的封闭单元,同时,在坝基中上和中下部基础纵向排水廊道中各布置一排纵向辅助排水孔幕,沿坝轴线每隔2~4个坝段(约70~90 m)布置一排横向辅助排水孔幕。

总体形成“井”字形抽排格构。

根据坝基水文地质特征,结合现场岩体疏干试验及渗流分析成果,确定排水孔孔深为:主排水孔、封闭排水孔一般为相应主帷幕及封闭帷幕深度的3/5~4/5;纵向辅助排水孔一般为相应上游主排水孔和下游封闭排水孔孔深的2/3左右;横向辅助排水孔一般为15 m左右;横向分区排水孔孔深按连接上游主排水孔、中间纵向辅助排水孔、下游封闭排水孔底线呈一近似直线来考虑。

根据坝基三维有限元数值分析及敏感性分析成果综合确定:主排水孔孔距2.0 m;封闭和分区排水孔孔距2.5m;辅助排水孔孔距3~4 m。

各类排水孔在穿透软弱构造岩部位均进行孔内保护,孔口均设孔口装置。

2 基础加固处理设计2.1 基岩固结灌浆加固处理三峡坝基岩体以微新花岗岩为主,据统计,大坝建基面中优良岩体约占98%,中等至差和极差岩体所占比例极小,总体看,建基岩体条件较好,但受开挖爆破及卸荷影响,岩体的完整性将降低,渗透性将增大,因而固结灌浆的主要目的是:充填表层岩体中的缝隙,降低渗透性;尽量减少基岩不可恢复的变形;改善岩体的整体性。

为此考虑对大坝基础应力变化较大及基础轮廊突变部位的浅部表层岩体及断裂构造带、边坡稳定需要加固的局部位置进行重点固结灌浆加固处理。

根据大坝基础应力分布的差异,结合一般工程经验,拟定固结灌浆基本范围为坝踵及坝趾约1/4坝宽范围,对断裂构造及其交切区、裂隙密集带等地质缺陷部位加强灌浆处理。

基岩灌浆孔深度结合当前开挖爆破水平、基岩声波检测成果等因素综合确定为:一般部位5~6 m,孔排距2.5 m×2.5m;主帷幕前两排孔深10 m和20 m,孔排距2.0 m×2.0 m,封闭帷幕后一排孔深10 m,孔距2.5 m,兼起辅助帷幕作用;地质缺陷或有特殊要求的地段孔深10~20 m,孔距视需要加密。

固结灌浆分两序施工,一般按有混凝土盖重条件下施工,盖重厚3~4 m,灌浆压力0.4~0.6 MPa。

在个别混凝土上升和工期紧张的坝块,根据具体情况分别采取引管、预埋管或无盖重法灌浆。

所有固结灌浆实施中均应结合具体地质条件进行优化,以节约投资和加快进度。

固结灌浆一般采用湿磨细水泥浆灌注,必要时采用高强化学材料灌注。

注入量大的孔段可先灌注普通水泥浆后改磨细水泥浆。

灌浆合格标准为灌后基岩压水检查透水率q≤3 Lu。

现场灌浆试验及已施工坝块资料显示:固结灌浆灌前吸水率:Ⅰ序孔一般2~20 Lu,地质缺陷部位相应较高,Ⅱ序孔一般1~4 Lu;单耗:Ⅰ序孔一般2~10 kg/m,Ⅱ序孔一般1~3kg/m;灌后压水检查合格率为100%;基岩灌后纵波速提高:单孔声波3%~5%,跨孔地震波0.3%~3%。