大江截流及二期围堰主要技术问题的决策

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1、施工导流及施工期通航决策
    1.1施工导流方案
    三斗坪坝址河谷宽阔，江中有中堡岛将长江分为主河床及后河，适于采用分期导流方案。分期导流方案设计必须结合施工期通航和枢纽总体布置一并研究。在可行性论证和初步设计阶段，对右岸导流明渠施工期通航和不通航两大类型的多种方案进行了大量的技术经济比较工作。1993年7月，经国务院三峡建设委员会批准，确定为“三期导流，明渠通航”方案。第一期围右岸(图1)。一期导流的时间为1993年10月至1997年10月。在中堡岛左侧及后河上下游修筑一期土石围堰，形成一期基坑，并修建茅坪溪改道工程，将茅坪溪水导引出一期基坑下游。在一期土石围堰保护下挖除中堡岛，扩宽后河修建导流明渠、混凝土纵向围堰，并预建三期碾压混凝土围堰基础部分的混凝土。水仍从主河床通过。一期土石围堰形成后束窄河床约30％。汛期长江水面宽约1000m，因此船只仍可在主航道航行。
    第二期围主河床与左岸(图2)。二期导流时间为1997年11月至2002年11月。1997年11月实现大江截流后，立即修建二期上、下游横向围堰将长江主河床截断，与混凝土纵向围堰共同形成二期基坑。在基坑内修建泄洪坝段、左岸厂房坝段及电站厂房等主体建筑物。二期导流时，江水由导流明渠宣泄，船舶从导流明渠和左岸已建成的临时船闸通航。
    第三期再围右岸(图3)。三期导流时间为2002年12月至2009年6月。2002年5月和9月先后拆除二期上、下土石横向围堰，2002年11月下旬在导流明渠内进行三期截流，建造上、下游土石围堰。在其保护下修建三期上游碾压混凝土围堰并形成右岸三期基坑，在三期基坑内修建右岸厂房坝段和右岸电站厂房。三期截流和三期碾压混凝土围堰施工是三峡工程施工中的又一关键技术问题。在导流明渠中截流时，江水从泄洪坝段内高程56.5m的22个6.5×8.5m的导流底孔宣泄，截流最大落差达3.5m，龙口最大流速超过6m/s。碾压混凝土围堰要求在截流以后的120天内，从高程50m浇筑到140m，最大月浇筑强度达39.1万m3/月，最大日上升高度达1.19m，且很快要挡水并确保在近90m水头下安全运行，施工难度为世所罕见。
    三期截流后到水库蓄至135m水位前，船只从临时船闸航行，当长江流量超过12000m3/s，上下游水位差超过6m时，临时船闸不能运行，长江短期断航。经测算断航时间发生在5月下半月至6月上半月内。断航期间设转运码头用水陆联运解决客货运输问题。水库蓄水至135m，第一批机组开始发电，永久船闸开始通航。
    水库蓄水以后，由三期碾压混凝土围堰与左岸大坝共同挡水(下游仍由三期土石围堰挡水)，长江洪水由导流底孔及泄洪深孔宣泄，继续在右岸基坑内建造大坝和电站厂房。左岸各主体建筑物上部结构同时施工，直至工程全部完建。
    1.2施工期通航决策
    长江是我国重要的水运交通干线，三峡工程施工期间的通航问题必须妥善解决。施工期临时通航措施，曾研究过多种方案，经多次审议，归纳为两类方案，第一是明渠通航方案右岸导流明渠兼作通航渠道，结合左岸临时通航建筑物承担施工期通航任务；第二是明渠不通航方案--- 右岸明渠专作导流用，左岸布置临时通航建筑物，承担施工期通航任务。经综合比较认为，从施工通航的可靠性，特别是从尽量减少初期工程规模、缩短工期、提前发电出发，选用明渠通航方案。
    2、大江截流主要技术问题及决策
    2.1大江截流方案
    葛洲坝大江截流工程是我国在长江于流上第一次进行的规模巨大的截流工程，采用单戗堤立堵截流方案。葛洲坝大江截流的成功经验说明，在我国主要通航河流上不宜采用栈桥平堵截流方案，因为栈桥平堵截流施工栈桥工期较长，且与通航矛盾较大，由于大容量的挖掘、运输设备的迅速发展，单戗堤立堵截流方案具有施工简单、快速、经济和与通航干扰小等优点，应优先采用。三峡工程在葛洲坝上游38km，水文和气象条件基本一样。三峡工程大江截流龙口水深达60m，合龙工程量大，抛投强度高，但合龙水力学指标(落差、流速)较葛洲坝大江截流小，其分流条件优于葛洲坝工程。对三峡工程大江截流方案设计研究比较了上游单戗堤立堵和浮桥平堵截流方案，浮桥平堵截流方案在上游截流战堤中部主河床部位350m宽口门的上游架设浮桥，由自卸汽车在浮桥上抛投料物直至戗堤出水合龙。该方案的优点是截流水力学指标优越，合龙工程量小，缺点是浮桥的结构、架设和运用中的技术问题尚不落实，且浮桥架桥时对通航有一定的影响，经综合分析比较，选用单戗堤立堵截流方案。后经进一步模型试验，专家多次审议和设计审查最终确定采用：“预平抛垫底，上游围堰单戗双向立堵进占、下游围堰尾随的截流方案”。
    2.2导流明渠提前通航和明渠淤积问题
    导流明渠是二期施工时的唯一泄水通道，同时也担负着施工期的通航任务，明渠设计泄洪导流标准为79000m3/s，通航标准则按长航船队20000m3/s以下、地航船队10000m3/s以下确保通航进行设计，10000～15000m3/s地航船队助航可通过。大量的水工模型试验成果表明，导流明渠的布置、 断面及混凝土纵向围堰体型等均由通航条件控制。
    确保施工期通航，是三峡截流的一个关键技术问题，原设计计划1997年10月明渠通航。若能尽早实现明渠分流和通航、提前截流对工程施工将非常有利。根据导流明渠施工情况，变堰外段水下开挖为干地开挖，提前将堰外水下岩石挖出，一期土石围堰堰压部位明渠开挖也可在临时挡水子堰保护下干地提前施工，使导流明渠控制性进度提前，1997年5月导流明渠破堰分流进水。但是在汛期，由于主河槽仍是主要的过水通道，明渠分流量和流速都很小，大量泥沙沉积其中，使截流前的明渠过水断面仅为设计断面的57％～75％，淤积的泥沙主要分布在靠纵向围堰的明渠中及左侧的低渠部位，最大淤积深度达15m，由于明渠内淤积严重，1997年汛后开始预进占时，明渠分流比仅为30％，远低于设计明渠分流比，如不及时处理，将影响截流龙口进占的流速和落差等截流水力学指标，增加截流难度。为此，经过研究决策：根据长江实际来水量情况，在不影响通航的前提下，尽可能提前束窄战堤的口门，增加明渠的过流量和流速，以利冲淤。同时，研究万一淤积的泥沙不能冲走时应采取的对策措施。自9月中旬至10月12日，截流戗堤口门从汛前的460m宽束窄280m，据水下地形测量成果，明渠淤积并未有明显的改善，明渠分流比仍在31％～33％之间。10月14日 15日截流朗堤以较快的速度束窄，明渠分流比开始持续加大，至10月23日130m龙口形成时，分流比55.8％，仍低于设计和水工模型实验预测值15个百分点。23日～25日，戗堤停止进占，明渠分流比基本维持不变。对明渠实测流速和淤积物冲刷情况的对比分析表明，明渠淤积的泥沙粒径虽较细，但低渠左侧处于弯道凸岸，且有轻度板结现象，要使淤积的泥沙冲走，明渠内必需保持一定的流速和给予一定扰动，并有一个时间过程配合挖泥船扰动淤沙。明渠平均流速持续在1.40mfs以上时，渠内产生明显冲刷，随着龙口进占，于11月8日龙口最终合龙前夕，明渠过流断面已接近设计断面。从而确保大江截流顺利完成。
    2.3大江截流上下游土石围堰平抛垫底决策
    三峡大江截流主河床深槽段最大深度达60多米，为世界水电工程建设史上所罕见。为避免可能发生截流戗堤和堰体抛填过程中堤头坍塌现象，保证施工人员、机械的安全，减少截流时的抛投强度，经模型试验和堤头坍塌机理分析，采用平抛垫底抬高河床高程的措施，可明显减少堤头坍塌的机率，为大江截流创造良好的条件。结合平抛垫底，又调整防渗墙与戗堤轴线距离，减小围堰填筑工程量。根据模型实验成果，经专家多次审议和招标设计审查对平抛垫底形成如下决策意见：
    (1)采用砂砾料和中小石平抛垫底，以解决戗堤进占时堤头坍塌问题。鉴于深槽段水深最大，预平抛范围应覆盖戗堤龙口段与整个深槽段，顺水流方向140m，沿战堤轴线方向180m；为减轻落淤和便于防渗墙施工，戗堤上游亦可用砂砾料平抛一定范围，平抛高程不低于40m，并力争达到45m以上。以削减截流后围堰填筑高峰强度。
    (2)为便于抛投、减轻落淤，预平抛宜分两阶段施工。第一阶段可安排在1997年汛前平抛至高程30～35m，第二阶段于汛后截流前平抛至最终高程。平抛宜采用底开驳船抛投。
    (3)龙口河床平抛垫底度汛防冲措施：龙口位于河床深槽部位，在截流戗堤范围平抛石碴及块石料，其上游侧的堰体防渗墙范围平抛砂砾石料。1：100水工模型试验表明，当20年一遇洪水流量72300m3/s时，戗堤平抛垫底至40m高程处的流速为2.77～3.42m/s，平抛垫底的砂砾料产生冲刷。后调整为在找堤部位平抛垫底至40m高程，其上游侧堰体范围平抛砂砾石料高程降低至35～37m高程，形成高低坎机构型式。堰体砂砾范围流速降低至2.82～2.96m/s，戗堤部位平抛石碴块石体处的流速为3.5～4.0m/s，可有效地减少平抛垫底砂砾石料的冲刷量。在施工中高程35m至40m范围内平抛粒径大于0.4m的块石料，有效地防止汛期遭受洪水冲刷。三峡大江截流深槽面貌及平抛垫底示意图见图4。
    3、二期围堰防渗关键性技术和决策
    3.1 二期围堰防渗型式及决策
    二期围堰防渗型式曾经过可行性论证阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和招标设计阶段多种方案的比较优化和不断完善。由于三峡坝区及附近防渗土料十分缺乏，不适于采用粘土防渗，故混凝土防渗心墙是堰体防渗的基本研究方案。由于防渗墙可能的最大深度将达70～90m，堰体又主要是水下抛填的松散风化砂，防渗墙的结构安全是研究的主要问题。结合深水抛填风化砂特性的研究，比较研究了多种组合方案：(1)防渗墙结构平面布置的单排墙或双排墙方案；(2)防渗墙结构立面布置的高墙或低墙方案；(3)防渗墙墙体材料性质的塑性混凝土或刚性混凝土方案；(4)墙体厚度由0.8～1.2m的不同厚度方案。根据研究成果，围堰防渗采用塑性混凝土防渗墙下接帐幕灌浆，墙上接防渗土工膜方案，上游围堰在防渗墙深度超过40m的深槽段加设第二道防渗墙，间距6m，墙厚1.0m和0.8m，最大深度74m。下游围堰深槽段相应部位加设一道高压旋喷桩柱连续墙。在施工阶段，根据防渗施工专家的咨询意见和考虑到施工承包单位高喷设备性能和数量难以满足设计要求的具体情况，取消该部位的高喷墙。将下游防渗墙的厚度由原1.0m增加为1.1m的方案实施。
    3.2防渗墙柔性材料的研究
    二期深水高土石围堰，最大堰高82.5m，围堰防渗心墙材料选用了塑性混凝土。由于其强度低，弹性模量较小，柔韧性好，用于填筑围堰的材料除部分块石外，主要是花岗岩风化沙料，由此而抛填的围堰堰体密度，尤其是水下部分的密度较低，防渗墙体的扰度较大。为了适应墙体的较大变形以及适应较大的水平推力，墙体材料必须有较高的强度和较好的柔韧性。鉴于二期围堰的重要性以及国内外工程中所用的塑性混凝土防渗墙指标不能满足三峡二期围堰的要求，在国家“七五”、“八五”科技攻关项目中安排了塑性混凝土防渗墙的研制和配合比的优选研究工作。为配合现场施工，又进行了施工配合比的完善工作，并作为二期围堰右岸接头段塑性混凝土防渗墙现场生产性配合比，为主体部分塑性混凝土防渗墙的浇筑作实战准备。
    柔性材料主要由水泥、粘土(或膨润土)和风化沙组成。以当地风化沙(或河沙)作骨料形成三组分柔性材料作为围堰防渗材料是一项创新。与同类材料相比，原材料组分少，可就地取材，防渗效果好，和易性好，施工方便，拆除简单，造价低廉，并具有“高强低弹”的特点。
    4、1998年汛期上游围堰防渗墙变形的原因分析
    1998年6月22日，二期围堰堰顶达到临时度汛高程，防渗墙单封闭，6月25日基坑开始限制性抽水。6月29日长江形成第1次洪峰，围堰进入边施工、边运行、边度汛阶段，经过研究确定，当流量小于65000m3/s时，上游围堰第二道墙照常施工，当流量大于65000m3/s时，进入抢险状态。从而保证了8月6日，上游围堰第二道防渗墙完工。6月末至9月初，长江出现8次大洪峰，但围堰运行正常，未出现险情。9月12日，基坑按计划抽干。围堰渗水量约50L/s，远低于设计预测值600L/s。截至1999年2月围堰内部变形观测资料表明，围堰最大挡水水头63m，防渗墙最大压应力1.4MPa，最大拉应力0.045MPa，均在墙体材料允许范围内。上游围堰第一道防渗墙最大变位达580mm，超过设计值，其原因是由于第一道墙(上游)初期运行挡水时，第二道墙(下游)槽孔正在施工中，二道墙槽孔形成了临空面，减小了第一道墙的下游抗力，同时第一道墙上游侧填筑挡水子堰，增加了侧压力，但其变形曲线光滑，无明显错位，运行状况正常。
    5、结论
    三峡大江截流和二期围堰施工是一高难度的工程项目，创造了多项世界记录。用不到一年的时间，在长江深水中筑起两道横断长江的土石大坝，施工难度极大。二期围堰已接受了去年八次洪峰的考验。基坑渗水量仅为50L/s，远低于设计预测值，取得了三峡工程建设的阶段性胜利。但是二期围堰还没有经受设计洪水的考验，考虑三峡工程二期围堰的重要性和使用时间长，决不能掉以轻心。要加强二期围堰的原型监测工作，尤其是做好防渗墙变形的反馈分析，及时掌握围堰的浸润线和渗漏状况，以确保二期围堰的安全运行。