三峡一期围堰运行后的调查与试验
摘要：三峡一期围堰安全运行3年后拆除。堰体大量采用当地风化砂，其中70m以下为水下抛填，最大抛填深度25m。对部分风化砂进行了调查和物理、力学性能试验，证明水下抛填不会产生大的颗粒级配分离现象，干密度可满足设计要求，堰基淤砂层不会产生振动液化。柔性材料防渗墙运用3年后，墙厚及力学性能均满足设计要求。
关键词：三峡一期围堰 风化砂 柔性材料防渗墙
三峡一期围堰安全运行3年后于1996年10月开始拆除。该围堰分为茅坪溪段、上游横向段、纵向段和下游横向段，轴线长2502.36m，最大堰高42m，围护基坑面积75万m2，属四级临时建筑物。围堰采用水下抛填风化砂为主要填料、堰基保留原河漫滩部分淤砂、柔性材料作防渗心墙、上接土工合成材料的方案。经过3年运行，证明围堰设计、是成功的。
二期围堰同一期围堰有着许多类似之处。为进一步给二期围堰的设计、和安全可靠性分析提供数据参数，在一期围堰拆除中，对围堰水下抛填风化砂、堰基淤砂和柔性材料防渗墙等进行了实况调查和试验。
1 水下抛填风化砂调查与试验
一期围堰堰体大量采用了当地风化砂，其中
70m以下为水下抛填，最大抛填深度25m。对这部分风化砂的调查与试验，不仅可以验证大量室内试验研究成果，同时也为二期围堰深水抛填风化砂提供有价值的资料。
调查与试验选在0+672、0+697和0+702三个断面的背水侧，重点是风化砂沿抛填深度颗粒级配、密度的变化及其力学性质。三个断面均采用挖探槽(坑)的方法，沿深度方向，高程每下降50cm取样一组，取至风化砂底部堰基淤沙为止，分别进行密度、含水量和颗粒级配分析试验，并取代表性试样进行饱和固结三轴剪切试验。
1.1 风化砂的密度
现场采用灌砂法，共检测密度21个，检测成果及其与围堰初期钻孔取样检测结果的对比，列于表1。
从表1可知，3个断面均随深度增加而干密度减小。表面上看，这一结果似乎不符合土力学自重压密原理，但如果考虑到水上机械荷载的影响，这一结果与土力学原理并不矛盾。在4m水深中抛填风化砂，水上机械荷载的作用可影响到水下已抛填的风化砂，其影响力随深度增加逐渐减小，故风化砂密度随深度增加而减小。21个试样的干密度为1.70～2.06g/cm3，平均1.87g/cm3，均大于1.70g/cm3的水下抛填风化砂干密度设计值。1993年围堰初期，长江院在0+665～0+710桩号钻孔取样检测结果：干密度1.66～1.93g/cm3，平均1.81g/cm3。两者对比，表明围堰运行3年后，水下抛填风化砂得到了压密。
表1水下抛填风化砂干密度与初期对比 | |||||||
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| 干密度 | 干密度 | 干密度 | 初期干密度* |
桩号/m | 高程/m | 水中位置 | 检测样数 | 平均值 | 平均值 | 平均值 | 范围值/平均值 |
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| /g·cm-3 | /g·cm-3 | /g·cm-3 | /g·cm-3 |
| 68.0～68.5 | 上 | 2 | 1.89 |
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O+672背水侧 | 67.0～68.0 | 中 | 2 | 1.85 | 1.83 |
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| 66.1～67.0 | 下 | 2 | 1.74 |
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| 68.6～69.6 | 上 | 3 | 1.95 |
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0+697背水侧 | 67.1～68.6 | 中 | 3 | 1.86 | 1.86 | 1.87 | 1.66～1.93/1.81 |
| 65.6～67.1 | 下 | 3 | 1.75 |
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| 68.3～69.3 | 上 | 2 | 1.98 |
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0+702背水侧 | 67.4～68.3 | 中 | 3 | 1.96 | 1.92 |
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| 66.0～67.4 | 下 | 1 | 1.83 |
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*:为1993年围堰初期,长江科学院在0+665～0+710桩号钻孔取样检测结果。 | |||||||
1.2 水下抛填风化砂的颗粒级配分析
结合现场密度检测，在0+672背水侧和0+697背水侧的两个取样槽(坑)，沿高程方向，共取试样15个，进行了颗粒级配分析，分析成果见表2。
从表2可知，两个取样槽(坑)上、中、下三个部位试样的颗粒级配分析结果表明：风化砂在4m水深中抛填，其上下级配变化不大，不存在粗细颗粒分离现象，证明采用端头进占，整体下滑的方法进行风化砂水下抛填，不会产生大的粗细颗粒分离。
表2水下抛填风化砂颗粒级配分析成果 | |||||||||||
桩号 | 高程 | 水中 | 分析 | 级 配 特 征 | |||||||
20～10 | 10～2 | 2～0.5 | 0.5～0.1 | ＜0.1 | P5 | Cu | Cc | ||||
| 68.0～8.5 | 上 | 2 | 1.3 | 27.6 | 34.6 | 24.5 | 12.0 | 6.4 | 3.5 | 1.5 |
0+672背水侧 | 67.0～68.0 | 中 | 2 | 1.3 | 29.4 | 32.7 | 24.6 | 12.0 | 7.3 | 11.5 | 1.5 |
| 66.1～67.0 | 下 | 2 | 0.8 | 26.2 | 35.3 | 25.4 | 12.3 | 4.5 | 7.9 | 1.1 |
| 68.8～69.6 | 上 | 3 | 2.4 | 27.8 | 42.2 | 18.2 | 9.4 | 10.3 | 11.9 | 1.7 |
O+697背水侧 | 67.1～68.6 | 中 | 3 | 1.2 | 36.4 | 33.5 | 19.8 | 9.1 | 9.5 | 15.0 | 1.3 |
| 65.6～67.1 | 下 | 3 | 1.3 | 25.6 | 37.7 | 26.0 | 9.4 | 5.9 | 10.2 | 1.0 |
平 均 | 1.4 | 28.8 | 36.O | 23.1 | 10.7 | 7.3 | 10.0 | 1.4 | |||
注：表中P5为大于5mm粒径含量，Cu为不均匀系数，Cc为曲率系数。 | |||||||||||
1.3 防涝墙造孔固壁泥浆浸入风化砂试验
一期围堰防渗墙采用冲击及冲击反循环钻机造孔，造孔中固壁泥浆在冲击力作用下会不同程度地浸入到孔壁材料中。
在现场拆除暴露处，对多断面进行了调查，均未见到泥浆浸入风化砂填料的痕迹；但从0+665、768m和0+637、66m迎水面两处距防渗墙水平距离1m范围内的取样试验结果看，泥浆不同程度地浸入到水下抛填风化砂中(表3)。
从表3可知，相同高程距防渗墙水平距离1m范围内取样测得的干密度和小于0.1mm颗粒含量，均高于距防渗墙1.6～3.0m处取样结果。造成这种差异的原因有两种可能：一是料源风化砂本身的差异所致，二是泥浆浸入造成的。从0+672和0+697断面两个取样槽(坑)15个试样的颗粒级配分析结果看(表2)，风化砂中小于0+1mm颗粒含量的最大值为12+3%，平均10.7%。这一结果与一期围堰风化砂料场颗粒级配曲线的包络线范围基本一致，从而可以排除料源发生大变化的可能性。由此，可以认为距防渗墙水平距离1m范围内风化砂中小于0.1mm颗粒含量的增高是由于固壁泥浆被挤压浸入造成的；小于0.1mm颗粒的浸入，充填了风化砂中的部分孔隙，使得距防渗墙水平距离1m范围内的风化砂干密度有所提高。这一试验结果表明，在防渗墙初期，水下抛填风化砂是比较松散的，防渗墙造孔中，固壁泥浆的挤压浸入，对风化砂有一定的挤密作用，挤密的范围约为防渗墙两侧各1m左右。经挤密的风化砂干密度，底部平均可以达到1.948/cm3，中部平均可以达到1.98g/cm3。
表3 风化砂距防渗墙不同距离取样试验结果对比 | ||||
| 距防渗墙水平距离1.6～3.Om | 距防渗墙1.0m以内 | ||
桩 号/m | 0+672 Z+3.O | 0+697 Z+2.5 | 0+702 Z+1.6 | 0+637 Z-0.12～1.0 |
高 程/m | 66.0 | 66.0 | 66.0 | 66.0 |
干密度(或干密度范围)/g·cm-3 | 1.73 | 1.78 | 1.84 | 1.83～1.99 |
平均干密度/检测样数/g·cm-3 |
| 1.78/3 |
| 1.94/10 |
＜0.10mm颗粒含量(或含量范围)/％ | 11.4 | 15.5 | 8.0 | 19.6～25.4 |
＜0.10mm颗粒含量平均值/分析样数/％ |
| 11.6/3 |
| 21.9/10 |
桩 号 | O+672 Z+3.0 | 0+697 Z+2.5 | 0+702 Z+3.0 | 0+665 Z-0.1～1.0 |
高 程/m |
| 68.0 |
| 68.O |
干密度(或干密度范围)/g·cm-3 | 1.78 | 1.83 | 1.89 | 1.88～2.07 |
平均干密度/检测样数/g·cm-3 |
| 1.83/3 |
| 1.98/10 |
＜0.10mm颗粒含量(或含量范围)/% | 11.5 | 8.8 | 15.9 | 12.8～23.3 |
＜0.10mm颗粒含量平均值/分析样数/% |
| 12.1/3 |
| 17.2/10 |
2 堰基淤砂的试验研究
葛洲坝水库蓄水后，三峡坝址淤积了大量淤砂，厚约2～18m，在水下处于饱和状态，平均干密度1.40g/m3，比重2.65～2.76，空隙比0.9～1.09，平均相对密度0.43，属均匀细砂。
一期围堰时，为减少开挖量，争取工期，保留了堰基大部分淤砂，只在围堰两侧堰角采取挖除淤砂、回填石渣、设置反滤层和堆石压重等措施。运行实践证明，这些措施是成功的。
结合现场拆除，在0+672背水侧距防渗墙水平距离4m处，开挖取样槽，槽顶高程66m(抛填风化砂与淤砂界面)，底部高程56.1m(淤积层底部与河床沉渣界面)。在不同高程上检测密度试样12个，同时取代表性试样进行室内比重、颗粒级配分析。密度检测成果及其与前期对比，列于表4。
表4 3年后淤砂干密度与前期对比 | ||||||
前期检测结果* | 运行3年后检测结果(0+672桩号) | |||||
干密度范围 | 平均干密度 | 高程 | 水中位置 | 平均干密度 | 取样个数 | 总平均干密度 |
/g·Cm-3 | /g·cm-3 | /m | /g·cm-3 | /g·cm-3 | ||
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| 66.O～62.5 | 上 | 1.51 | 4 |
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1.28～1.64 | 1.40 | 62.5～59.0 | 中 | 1.48 | 4 | 1.50 |
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| 59.0～56.1 | 下 | 1.50 | 4 |
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*：为1993年围堰前期，长江院在堰址处检测结果 | ||||||
从表4可知，围堰运行3年后，在上部自重作用下，淤砂的平均干密度由前期的1.40g/cm3，提高到1.50g/cm3(相对密度0.73)，达到密实状态。经自重压密的淤砂于密度沿深度方向，表现为上、下部高于中部，这主要是由于位于沉渣持力层上的底部淤砂在上部自重作用下得到压密，而上部淤砂则受抛填风化砂动载和水上填筑机械荷载的作用得到压密。这一结果符合土力学自重压密原理。
为了解围堰期堰基淤砂的密度，在0+622迎水面、 |
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曲线也可以看出，80mm高的试样固结在2h内就可以完成，而90%的排水量是在5分钟以内完成的(见附图)，这进一步验证了保留堰基淤砂层不会产生淤砂振动液化的结论。
3 防渗墙工程调查与试验
为适应堰基淤砂及水下抛填风化砂的变形要求，又便于围堰运行后拆除，一期围堰防渗墙采用了以风化砂为骨料，加入粘土、水泥、水和化学添加剂复合而成的柔性材料。这种材料具有一定强度、弹模小、防渗性能好等优点。在围堰拆除中，对防渗墙的实际成墙厚度、槽段连接以及3年后防渗墙的实际力学性质进行了调查和试验。
3.1 成墙厚度和槽段连接调查
现场拆除暴露，在0+450～0+702桩号，对不同高程的15处防渗墙断面进行了实际成墙厚度测量，实测厚度为80～110cm，平均88cm，满足墙厚80cm的设计要求。
一期围堰防渗墙采用分槽段浇筑，槽段之间采用套接形成连续墙。由于受现场拆除暴露部位的局限，仅在0+460和0+630进行了调查。两处接头均可见明显的接缝，其中0+630接头，接缝中夹有泥皮、岩屑。这种接缝在高水头作用下，将可能成为渗流通道。因此，二期围堰防渗墙槽段接头应采用更加安全可靠的接头形式。
3.2 柔性材料均匀性的调查
从现场多处拆除暴露的断面和加工后试样的表面看，柔性材料中不同程度混有未搅拌开的风化砂团块和超径风化岩块，使得防渗墙柔性材料局部欠均匀。从0+622桩号60、765、68m处试样干密度分别为1.69、1.75、1.84g/cm3的测试结果可知，其干密度相差较大。
3.3 柔性材料3年龄期的力学性质
防渗墙柔性材料力学性质试验，采取现场取样室内加工的方法，分别测定了3年龄期的抗压强度、抗折强度、初始切线模量和渗透系数。测试成果表明，除初始切线模量稍大，其余各项指标均满足设计要求(表5)。
表5 柔性材料力学性能与设计指标对比 | |||||
桩号 | 高程 | 抗压强度 | 抗折强度 | 初始切线模量E0 | 渗透系数 |
/m | /MPa | /MPa | /MPa | /cm·s-1 | |
0+622 | 68.0 | 5.6 | 1.9 | 1774 | 4.48×lO-7 |
0+622 | 65.O | 5.8 | 1.5 | 1649 | 1.26×lO-7 |
0+622 | 60.0 | 5.9 | 2.4 | 1375 | 8.32×lO-7 |
平均值 | 5.8 | 1.9 | 1599 | 4.69×lO-7 | |
设计指标 | ≥4.0 | ≥1.2 | 500～800 | ＜n×lO-7 | |
4 结束语
(1)采用端头进占、整体下滑的风化砂水下抛填，不会产生大的颗粒级配分离现象。
(2)水下抛填风化砂在上部自重作用下可得到压密，压密后的风化砂干密度平均值可达到1.87g/cm3，大于水上填筑干密度设计值1.85g/cm3。
(3)水下抛填风化砂初期，密度较低，防渗墙造孔中固壁泥浆受挤压可浸入到风化砂中，浸入延伸距离约在1m左右。泥浆的浸入对风化砂有挤密作用，使其密度有较大提高(底部平均可以达到1.94g/cm3，中部平均可达到1.988/cm3)。
(4)堰基淤砂在自重作用下压密变化符合土力学原理，压密后的平均干密度为1.508/cm3，平均相对密度0.73，达到密实状态。堰基淤砂经上部自重作用，在防渗墙期，就基本达到密实状态，这进一步验证了保留堰基淤砂层不会产生淤砂震动液化的结论。
(5)柔性材料防渗墙除3年龄期初始切线模量稍偏大以外，其成墙厚度及其它力学性质指标均满足设计要求。
(6)防渗墙中存在塌孔和材料不均匀现象，个别槽段接头存在较明显接缝。因此，二期围堰防渗墙中应加强质量控制，同时应采用更加安全可靠的接头形式。