葛洲坝水利枢纽蓄水后淤积粉细砂的质量控制

葛洲坝水利枢纽蓄水后淤积粉细砂的质量控制

河流和水库中积累的颗粒细砂分级均匀，结构缓慢，密度低，抗清洗能力低，透水性差，易形成溶液。根据我国水工建筑物抗震设计规范要求,粉细砂不宜用作坝体材料,只能在设计烈度为Ⅶ度的3,4,5级土坝坝体的干燥区使用。三峡坝址河床由于下游葛洲坝水利枢纽建成蓄水后淤积了大量粉细砂,厚约2~12m,最厚达18m,其中大部分在水下,河床中部最大水深达40~60m。一、二期围堰施工时,将围堰基础的这部分粉细砂全部挖除,一则工程投资巨大,二则工期不允许,且即便挖除还存在较难解决的回淤问题。为确保围堰在一个枯水期顺利建成,一、二期围堰施工时均采用了“截、防、压、封”限制基坑抽水下降速度、控制基坑爆破规模等综合技术措施,保留了堰基大部分粉细砂层,节省工程投资上千万元。通过一期围堰3年运行的成功实践和二期围堰4年的运行现状,证明这些工程技术措施是成功的,为今后类似工程的设计和施工积累了经验。本文着重对三峡一期围堰保留深厚层粉细砂作堰基所采取的综合技术措施及围堰运行状况作一介绍,供类似工程参考。1基坑结构组成及围堰设计三峡一期围堰布置在三峡坝址区中堡岛右侧的长江后河内,堰基广泛分布有厚约2~18m的粉细砂层,大部分在水下,最大水深25m。围堰由茅坪溪段、上游横向段、纵向段和下游横向段组成,轴线长2502.36m,最大堰高42m,总填筑量324.7万m3。围护基坑面积75万m2,设计为四级临时建筑物,使用期3年。围堰采用水下抛填风化砂、石渣和石渣混合料为主要填料,柔性材料做防渗心墙上接土工合成材料防渗的结构形式。工程于1993年5月开工,采用“截、防、压、封”等综合技术措施,保留了堰基粉细砂层,于1994年7月在一个枯水期顺利建成,安全运行3年后1996年10月拆除,三峡一期围堰断面示意见图1。2分布和性质2.1水下多在水面三峡坝址区河床广泛分布有葛洲坝水利枢纽蓄水后淤积的粉细砂层,厚约2~12m,最厚达18m,且多在水下。其中作为一期围堰堰址的中堡岛右侧的后河河床内,几乎全部分布有粉细砂层,厚约2~18m,大部分在水下,最大水深25m。靠近茅坪溪出口处为淤泥,厚约7~9m。中堡岛左侧的长江主河床(二期围堰堰址)中心粉细砂淤积厚约8~16m,且上覆3~5m砂卵石淤积层,最大水深40~60m。2.2密度1.4%/cm3粉细砂外观呈灰褐色和灰白色,颗粒级配均匀,粒径大于0.05mm的砂粒含量34%~98%,0.05~0.005mm的粒径含量2%~50%,平均粒径为0.035~0.21mm,不均匀系数小于5,平均天然干密度1.40g/cm3,比重2.65~2.76,空隙比0.9~1.09,平均相对密度0.43。非饱和状态下,粉细砂自然休止角为33.8°~37.3°,水下状态为26.6°~27.1°饱和状态下,不固结剪φ=5°,C=0,固结剪φ=27°~33°,C=0,排水固结消散速率较快,压缩系数0.06~0.7MPa,压缩模量4.33~5.13MPa,属中等压缩性。粉细砂渗透系数为10-2~10-3cm/s,遇水饱和速度较快,饱和后结构失去凝聚力,湿化崩解时间不到1min,其抗冲刷能力低,渗透稳定性差,表面冲刷流速仅为0.07~0.13m/s,允许渗透比降仅为0.22~0.27,渗透破坏形式多为流土。3为尾根大坝的基础技术措施3.1垂直防渗心墙由于粉细砂抗冲刷能力低,渗透稳定性差,必须设置可靠的防渗结构,降低浸润线,确保背水侧粉细砂的渗透稳定。根据一期围堰工程情况,采用垂直防渗心墙,墙厚0.8m,心墙穿透粉细砂层和强风化岩层,嵌入弱风化岩层0.5~1.0m,并进行墙底帷幕灌浆,防渗墙上部连接土工膜防渗。为便于快速施工和运行后拆除,防渗心墙采用以水泥、膨润土和当地风化砂等为主要原料配制的柔性材料,其渗透系数小于1×10-8cm/s,允许渗透比降大于50。3.2块石防冲体平台因粉细砂表面抗冲刷能力极差,为防止堰体迎水面坡角及围堰转角矶头被水流冲刷时掏刷粉细砂,造成堰坡塌滑,危及堰体安全。采取了在围堰迎水面抛投块石,形成块石防冲体平台(见图1)。当汛期水流冲刷防冲体迎水面时,可能在坡脚形成掏刷坑,防冲体上部块石可自行塌滑覆盖冲刷坑,不致危及围堰迎水坡面稳定,为保证防冲体可靠性,汛期应加强防冲体监测,必要时补抛块石。防冲体块石粒径要求0.4~0.7m,上、下游围堰矶头处要求大于0.8m。防冲块石沿坡面的铺面厚度不小于2倍的最大粒径(Dmax)在围堰转角矶头处不小于3Dmax,防冲体坡比为1∶1.5,其顶部出露水面,宽度15~20m,便于抢险施工。3.3压坡和围封的技术措施试验表明,粉细砂上覆压重增大,其抗液化能力提高。当粉细砂上部有2.7m以上透水的非液化土作压重或有效应力大于0.03~0.1MPa时,不易液化;当有效应力大于0.2MPa时,不会液化。一期围堰堰基粉细砂上部填料高度均大于20m。堰体自重压应力为0.25~0.6MPa,且粉细砂固结速率较快,其总沉降量的80%以上可在施工期完成。因此,堰基中部粉细砂液化可能性不大,但背水侧堰脚附近粉细砂由于上覆压重小,抗液化能力差,存在发生液化的可能性。粉细砂一旦液化,会危及堰基中部粉细砂的稳定。经长江科学院试验论证,设计采取了在围堰背水侧堰脚设置压坡和围封的技术措施(见图1)。通过设置压重和围封,增大了堰基粉细砂上覆压重,切断基坑开挖施工爆破振动及粉细砂液化影响,减小地基沉降及粉细砂侧向变形量。压坡厚度及坡度按Ⅶ度地震作用下,满足动力稳定要求确定,取不小于10m,坡比为1∶2.5,材料采用强透水石渣料。压坡和围封粉细砂施工,可在基坑抽干水后,立即在背水侧堰脚5m外粉细砂出露处抽槽开挖至基岩面。然后,铺设无纺布,回填围封和压坡石渣。3.4粉细砂边坡失稳根据长江科学院非稳定有限元法模拟计算结果,当基坑水位下降速度不大于0.2~2m/d时,堰体及堰基渗流场仍接近稳定渗流。因此,为确保基坑抽水过程中围堰背水侧粉细砂边坡的稳定,防止水位下降过快,粉细砂排水不及。引起边坡失稳,危及围堰安全。限制基坑抽水水位下降速度为0.5~1.0m/d。3.5禁止周边粉细砂内爆破爆破产生的振动,易导致粉细砂边坡失稳,水中和粉细砂中爆破,则振动大、衰减慢,有可能引起邻近粉细砂液化。因此,在基坑爆破施工中,禁止在饱和粉细砂内爆破施工。基坑开挖施工中,基坑内须埋设振动加速度监测仪,控制堰脚附近由于爆破产生的振动加速度不大于7cm/s,并合理控制一次爆破装药量。4工程运行现状的调查4.1边坡防冲体一期围堰运行汛期,在围堰上下游防冲矶头范围,沿围堰轴线每30m一个断面进行水文监测,1995年汛期为一期围堰运行3年中汛期洪水最大的一年,上游水位70.86m,在三峡坝址洪水流量3500m3/s时,实测围堰上游防冲体坡脚处最大流速2.93m/s,距防冲体坡脚50m部位冲刷2~4m,围堰上、下游矶头防冲体坡脚处覆盖层均有1~3m深冲坑,上、下游横向段坡脚处普遍淤高2~5m,围堰边坡均稳定无异常,防冲体达到了预期设计目的。4.2粉细砂渗流观测一期围堰运行期间,渗漏观测表明:防渗墙背水侧渗透比降为0.05,小于堰基粉细砂设计允许值0.25,围堰渗水总量仅200L/min,远小于设计要求,渗流观测中未发现粉细砂流失,防渗效果显著。4.3单响应段振动加速度一期基坑开挖过程中,基坑内多次深孔梯度或掏槽爆破观测显示:一次起爆总药量2.2~4.6t,单响起爆药量200~500kg,距围堰坡脚20~100m时,堰体振动加速度不大于1g(重力加速),振动速度不大于5.4cm/s,均在安全范围,对粉细砂未产生不良影响。4.4墙体材料实测一期围堰安全运行3年后的拆除过程中,为总结工程经验,同时,为二期围堰的进一步优化设计、施工和安全稳定验算提供更加可靠的数据参数。由三峡总公司(三峡工程业主)出资立项,对一期围堰堰基粉细砂,水下抛填风化砂及防渗墙工程进行了全面的实况调查和取样试验。防渗墙不同桩号不同高程15处实测结果:墙厚0.8~1.1m,平均0.88m,满足墙厚0.8m的设计要求,墙体槽段连接除个别接头夹有较厚泥皮,大部分接头质量良好,墙体材料实测性能指标均高于设计要求。堰基粉细砂层多断面沿高程方向的取样检测结果和多处防渗墙造孔时,固壁泥浆挤压浸入粉细砂层的延伸情况表明:堰基粉细砂在围堰施工初期基本得到压