三峡永久船闸中隔墩岩体利用与加固

岩石力学与工程学报 21(2)：268～272

2002年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2002

三峡永久船闸中隔墩岩体利用与加固

李洪斌 徐年丰

(长江勘测规划设计研究院 武汉 430010)

摘要 三峡永久船闸两线闸室间保留岩体隔墩方案因比全挖后回填混凝土方案经济而予采用，使得对保留岩体的加固成为一个关键问题。施工中遇到的中隔墩表层岩体裂缝、直立墙顶几何滑移块体等岩石力学问题通过现场动态设计，分别制定了详细的工程处理对策，大量监测数据表明，中隔墩的岩体利用与加固是成功和安全的。 关键词 船闸，中隔墩，动态设计，岩体加固

分类号 TV 544+.13 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2002)02-0268-05

而保留岩体的衬砌方案，结构相对复杂；从施工条

1 岩体隔墩保留及利用方案论证

永久船闸是三峡大坝建成后保证长江黄金水道畅通的关键通航建筑物。现行的双线五级船闸位于长江左岸坛子岭以北约200 m的山体中，轴向为111°，主体段长为1 617 m，系在花岗岩山体中深切开挖修建而成，边坡两侧最大开挖深度为170 m，其下部更有60余米的直立岩面。为使两线闸室运行，两线闸室间保留有宽近60 m，高为45～60 m的岩体隔墩，即中隔墩，船闸结构由隔墩及两侧山体直立岩面上施1.5～2.1 m厚的薄衬砌混凝土而成。

在早期设计及“六五”、“七五”、“八五”国家重点科技攻关研究中，随着船闸线路及结构形式的研究，两线船闸间中隔墩的形式主要有两种[1]：保留部分岩体的衬砌式船闸和在闸室底板建基面以上将岩体全部挖除，再以重力式或其他形式恢复的混凝土结构。保留岩体方案为，在微新岩体中将隔墩开挖成直立坡，其中闸室部位岩体底宽为57 m，闸首部位为36 m。输水主廊道及阀门井均于岩体中挖掘，再用钢筋混凝土衬砌而成。混凝土结构方案为，将中隔墩岩体全部挖除，再根据闸室和闸首的结构要求，建造重力式或扶壁式混凝土结构。输水主廊道及阀门井亦分布于混凝土结构之中。

从技术条件分析，上述两种形式都是可行的。岩体挖除的混凝土方案技术条件简单，结构可靠，

2001年5月25日收到来稿，2001年6月20日收到修改稿。

件而言，挖除方案较保留方案减少了竖直岩面开挖爆破控制的困难，施工组织相对简便，并减少一定量的边坡和锚索工程量。但就技术经济而言，因保留方案可节约坚石开挖近300×104 m3，混凝土浇筑200×104 m3，而具有明显的优越性，其综合造价接近全挖方案的一半，故予采用。因此，对中隔墩保留岩体的利用与加固，必然成为施工中的一个关键问题。

2 地质条件

船闸区岩性以闪云斜长花岗岩为主，其中含有范围不大的片岩捕虏体和数量不多的中细粒花岗岩脉、伟晶岩脉、辉绿岩脉及石英脉。岩脉一般与围岩呈突变紧密接触，少数呈裂隙状接触。

船闸区自上而下分为4个风化带，即全风化带(Ⅳ)、强风化带(Ⅲ)、弱风化带(Ⅱ)和微(新)风化带(Ⅰ)。弱风化带又分为两个亚带，弱上风化带(Ⅱ1)和弱下风化带(Ⅱ2)。由于船闸区自上游至下游各闸室的覆盖层厚度不同及各风化带厚度发育不一，使得5个闸室中隔墩顶处于不同风化带中。其中2，3闸室中隔墩顶全部处于微新岩体中，开挖高程即为结构高程。第1，4，5闸室顶部处于弱风化上带或下带，为确保直立墙的稳定，该3个闸室的中隔墩岩体开挖利用顶面随之下降，然后以混凝土重力墙的形式恢复至结构需要的高程。

作者 李洪斌 简介：男，30岁，1994年毕业于郑州工业大学水利系水工建筑专业，现任工程师，主要从事岩土工程及基础处理设计方面的工作。

第21卷 第2期 李洪斌等. 三峡永久船闸中隔墩岩体利用与加固 • 269 •

中隔墩岩体一般为整体结构及块状结构，少量为次块状结构及镶嵌结构，由于直立坡及重力墙基础的需要，在闸顶高程以上边坡多有出露的碎裂结构，散体结构在中隔墩基本无出露。

断裂是影响中隔墩岩体稳定及成型的重要因素之一。根据施工地质素描[2]，船闸区的断层按走向可分为NNW，NE～NEE，NNE，NW～NWW 4组，其中NNW组最发育，约占总数的35 %；NE～NEE组次发育；NWW组最不发育，占总数的4.5 %。与船闸中心线交角小于30°的断层有9条，占总数的8.3 %。影响中隔墩的大断层有f1050，f5，F215，F10，f1096，裂隙也分为4组：NE～NEE，NNW，NNE，NW～NWW组，前3组较发育，最不发育的为NW～NWW组，一般不到总数的18 %。

3 中隔墩应力状态理论分析

中隔墩原始状态均有一定厚度的上覆岩体，其顶部为双向压应力状态，随着开挖的下降，中隔墩顶部趋近于零应力状态直至拉剪应力状态。二、三维数值计算表明[3]

，船闸开挖后，中隔墩上部1/2～3/4区出现塑性区，见图1。塑性区内岩体受到损伤，力学指标降低，是岩体加固和处理的重点部位。

图1 中隔墩塑性区分布图

Fig.1 Plastic deformation zone in division pier

4 中隔墩岩石力学问题及分析

中隔墩系震旦系花岗岩，由于年代的久远，发育成多裂隙岩体。岩体这种内在的多裂隙及开挖后塑性区的出现，使得中隔墩岩体表层及内部均有一定宏观表现，现场主要表现为中隔墩顶面找平混凝土的微裂缝及坡顶的几何可移动块体等。

中隔墩顶找平混凝土裂缝是伴随闸室的入槽开挖逐渐出现的。1997年1月开始实行大规模入槽开挖后，中隔墩逐渐呈露，为防止地表水入渗，在中隔墩顶面出露较早的

2闸室～3闸首段于1997年9月～1998年5月浇筑了找平混凝土。1997年10月以后在该段找平混凝土面陆续发生了开裂现象。在闸槽开挖较深的部位，混凝土裂缝也张开较宽。至1999年2月，经过地质部门详细调查[4]，该段中隔墩顶面找平混凝土上发现大小裂缝共140条，其中包括混凝土分块裂缝23条。裂缝最长为31.4 m，大多数在10 m以内，裂缝宽度一般为1～3 mm，最大为23 mm。按走向分：纵向约占40 %，斜向占36 %，横向占4 %。经分析，这些裂缝明显与岩体结构面有较好对应性的有35条(占裂缝总数的25 %)，其延伸长度一般为6～12 m，开度为1～4 mm。其他105条裂缝无确切证据证明其与岩体中裂隙相对应。

块体的出露较中隔墩顶找平混凝土裂缝早得多，一期工程开挖的马道坡顶即有出露，但规模一般较小。二期由于直立坡的特殊开挖形态，块体出露较多且规模增大，但多数块体仍出现在坡顶部且以Ⅳ级结构面组成为主。绝大多数块体由裂隙与裂隙组合切割而成，少数为裂隙与断层组合。组成块体的裂隙面以平直稍粗型为主，多数无充填或硬性物质充填。典型的块体出露示意图见图2。根据统计，约70%以上的块体小于100m3，大于1 000 m3的占3.4%，是处理加固的重点。

图2 典型块体出露示意图

Fig.2 Outcropping diagram of typical rock block

中隔墩顶找平混凝土裂缝及块体的出现，是岩体内因与人为开挖矛盾的综合表现。缪勒认为[5]，岩体的强度主要取决于岩块之间软弱结构面的强度，岩体的变形，有90%～95%是产生于节理，而不是岩块本身。中隔墩顶部找平混凝土的裂缝(判断为混凝土下岩体的裂缝的延伸表现)正是多裂隙岩体在塑性区顶面的集中宏观表现。所以，岩体中的地质结构面是裂缝与块体出现的内因。在侧向开挖卸荷过程中，中隔墩岩体主要沿垂直船闸轴线方向

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变形而产生张拉，受**行船闸轴线方向及与船闸轴线小交角(交角小于30°)的结构面的组合控制与诱导，受张拉岩体优先沿这些结构面开裂，并使中隔墩顶混凝土面上产生的张裂缝走向基本沿船闸轴线方向，部分长大裂缝受视倾北向裂隙控制及NNW，NEE向大断层影响而偏转成与船闸轴线斜交。结构面的发育程度、方向、规模和部位一定程度上决定了岩体开裂的数量、规模与部位。中隔墩优势结构面总体视倾向北，所以南侧裂缝明显多于北侧。

开挖卸荷是中隔墩裂缝的主要外因。开挖卸荷导致岩体变形和应力重分布。岩体变形与应力调整是岩体对卸荷的响应。卸荷量级的大小直接决定着岩体响应的程度。闸室槽下切开挖后，中隔墩岩体三面临空，支持体上部还存在四面临空的情况。这样上部卸荷相对充分，下部卸荷不彻底，表现为上大下小的不均匀变形。岩体开裂优先在薄弱部位产生，即沿结构面或在松动区内张开、扩展，并在裂缝延伸方向将岩体局部拉裂，使短小裂缝相连通或延伸。由于岩体自身具一定的抗拉强度，且受下部约束，使得开裂主要集中在中隔墩顶浅表层的爆破松动带和卸荷影响区内。

开挖中爆破影响是中隔墩岩体开裂与扩展的原因之一。爆破振动作为一种突加荷载作用于岩体，岩体对这种突加荷载的响应短时间内来不及全面适应，因而表现在导致表层岩体中原生裂隙的张开与扩展，或直接构成新的爆破张裂隙。随着闸室槽梯段下挖，岩体承受反复的爆破振动影响又是一种交变应力的作用，其作用使岩体质量进一步下降和恶化，松动范围进一步加大，裂缝进一步扩展。

施工中锚固不及时使裂缝进一步开展。在岩体开挖卸荷后，二次应力场逐步形成并呈低拉应力时，及时、适量的施加锚固则能裂缝的开度及扩展深度。模拟中隔墩裂缝的断裂力学初步分析表明，对中隔墩临空面布置锚杆和锚索加固，能明显减小裂缝开度和扩展深度，及时加锚时，裂缝开度为不加锚时的33%～40%。而现场加锚施工普遍存在滞后现象，岩体在开挖下切过程中长期处于自由状态，得不到及时有效的加固，使得中隔墩顶岩体张拉严重，裂缝扩展规模加大。

施工中还有一些其他因素也可能导致裂缝的产生或扩展：如降雨后中隔墩顶沿混凝土裂缝入渗后的水力劈裂作用。另外，局部区域块体加固布置端头锚，使锚根部的岩体产生附加拉应力，导致中隔

墩顶面局部裂缝增加与扩展。再如，闸室门槽、支持体、中隔墩竖井等处开挖形态突变，易造成应力集中，使局部区域裂缝较多。总体分析认为，类似这样一些因素对中隔墩顶裂缝的影响程度相对微弱且影响范围较小，对裂缝发生发展的总趋势不起决定性作用。

5 中隔墩动态设计加固

根据施工中所揭露的地质情况及边坡工程的复杂性，对边坡处理措施肯定有一个循序渐进的过程，所以“全过程贯穿动态设计思想……”是中隔墩加固的一项基本设计原则。施工中通过现场动态设计陆续提出并完成了以下工程措施：

(1) 中隔墩顶部在开挖到位后即浇筑找平混凝土封闭，侧面根据破碎情况部分直立坡面采取喷混凝土防护(必要时挂铁丝或钢筋网)，以减少大气降水入渗。在衬砌墙后设置纵横向排水管网，使中隔墩岩体中地下水有足够的渗出口。

(2) 对破碎坡面、开挖后有水渗出痕迹的坡面、大型块体或薄高型倾覆块体出露的坡面，钻设一定深度的岩体排水孔，并使排水孔口与竖向排水管网相对应。

(3) 直立坡顶部系统布置3排埋深为8～14 m的φ32 mm锚杆，以加强坡口爆破松动带的完整性。

(4) 为使紧贴于直立墙面的1.5～2.5 m厚的薄衬砌墙稳定，并与中隔墩岩体联合受力，闸室直立墙由上至下系统布置2 m×2 m、深8～14 m的φ32 mm高强锚杆( p = 800 MPa)，该部分锚杆增加了直立墙面的整体完整性。

(5) 在直立坡中上部系统布置2～3排3 000 kN级对穿预应力锚索，闸首和输水阀门井闸室段加密至3～4排。

(6) 对于直立坡顶出露的块体，100 m3以下的块体一般采用锚杆加固，100 m3以上的块体采用预应力锚索加固。如中隔墩3闸首北的f5等大型块体均采用了大量预应力锚索进行加固处理。

(7) 中隔墩顶混凝土裂缝进行低压充填灌浆，以封堵降水入渗及增加表层岩体的完整性。

(8) 对于严重松动或有软弱构造岩断层组成的块体及坡口破碎带采用挖除或挖除置换方法，如1闸首的f1050断层的部分处理。

(9) 为保证直立坡的成型及稳定，对风化深槽带或微新风化底板低于中隔墩结构顶高程的闸室

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段，根据岩体的可利用顶板确定中隔墩开挖高程，然后以混凝土结构恢复至结构高程，如1，4，5中隔墩两侧直立墙大量采用了此种形式。

(10) 对于重力式墙下有块体的中隔墩直立墙段，若常规支护措施不能满足稳定及应力要求时，可通过改变上部结构形式以达到减荷的目的，如取消重力墙后的填土或局部改用轻型结构等。

(11) 设置一定的监测设施。

6 加固效果分析

为监测永久船闸高边坡及中隔墩的稳定和变形情况，埋设了大量的监测仪器，现选取几个加以分析：

(1) 中隔墩岩体表面变形监测

TP/BM95GP02及TP/BM68GP01是中隔墩表层岩体变形的两个重要监测点，分别位于2闸室中隔墩南、北侧的15-15监测断面(x =15 570 m)上，其累计变形曲线如图3，4，从曲线分析可知：随着闸室槽的逐步下挖，中隔墩岩体向邻空方向(闸室槽)位移。位移随开挖深度的增加而增大，且位移速率随开挖强度的增大而增大。开挖结束后，位移速率明显减少，并逐渐趋于收敛。

图3 15-15断面中隔墩南侧TP/BM95GP02位移曲线 Fig.3 Observed displacement curves at southern side of

division pier(section 15-15)

(2) 中隔墩顶找平混凝土裂缝监测

中隔墩顶找平混凝土出现裂缝后，针对裂缝专门布置了一系列监测点，图5为布置于3闸室中隔墩140 m高程的一个混凝土裂缝监测点KM3-1。由于找平混凝土受其下起伏基岩的不均匀约束而引起混凝土不均匀收缩、温度变形、卸荷变形及施工荷载等，其变化较复杂，但总趋势是趋于稳定的。

图4 15-15断面中隔墩北侧TP/BM68GP01位移曲线 Fig.4 Observed displacement curves at northern

side of division pier(section 15-15)

图5 3闸室中隔墩KM3-1测点时间-裂缝开度曲线 Fig.5 Observed curve of crack opening versus

time，at top of division pier

(3) 典型块体的监测

为了解块体加固后的稳定状态，中隔墩顶及两侧闸墙顶的大型块体，一般均布设了多种监测设施，例如中隔墩3闸首北由f5断层形成的单滑面块体，布设了锚索测力计、多点位移计、测缝计、收敛计等。其中M04CZ32多点位移计，水平埋设于129 m高程，横穿f5断层，其位移变化过程线见图6。

图6 M04CZ32多点位移计水平位移变化过程线 Fig.6 Observed horizontal displacement curves with

Multipoint displacement meter M04CZ32

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由图可见M04CZ32多点位移计，从1998年12月起测到1999年5月，岩体相对变形随着开挖卸荷而逐渐增大，开挖停止后，变形速率显著减小，与外观变形规律一致。1999年8月该位移计产生2.5 mm压缩变形，查对锚索施工时间，该点附近有一批锚索于1999年8月份实施张拉，变形由张拉锚固产生，之后变形趋于稳定。

中隔墩的方案是正确和成功的。

参 考 文 献

1

水利江水利委员会. 三峡工程永久通航建筑物研究[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，1997 2

长江水利委员会综合勘测局. 永久船闸二闸室中隔墩地质条件及其对岩体变形和裂缝形成的影响分析[R]. 武汉：长江水利委员会综合勘测局，1999

7 结 语

三峡船闸中隔墩在开挖过程中，出现顶面找平混凝土裂缝、块体等问题应该说是人为扰动与地质内在因素的矛盾作用的必然结果。通过增布锚索、调整闸室结构形式及充填灌浆等一系列动态设计加固，现中隔墩已完全成型，大量的监测资料显示，中隔墩整体及局部块体均处于稳定状态，证明保留

3 水利江水利委员会. 长江三峡水利枢纽永久船闸高边坡设计基本方案专题报告[R]. 武汉：水利江水利委员会，1994

4 长江水利委员会长江三峡工程代表局. 永久船闸高边坡及地下洞井稳定评价专题报告[R]. 武汉：长江水利委员会长江三峡工程代表局，1999

5 周思孟. 复杂岩体若干岩石力学问题[M]. 北京：中国水利水电出版社，1998

UTILIZATION AND STRENGTHENING OF ROCK MASS

OF DIVISION PIER AT TGP PERMANENT SHIPLOCK

Li Hongbin，Xu Nianfeng

( Changjiang Investigation Planning Design Research Institute， Wuhan 430010 China )

Abstract The reserved rock mass between two lines of TGP permanent ship lock is used as their division pier，which is obviously superior in economy to the scheme of removing the rock mass and constructing a concrete division pier at its location. The rock mechanics problems encountered in the course of excavating the lock chambers，such as cracking on the surface of reserved rock mass，the potential movable rock blocks on the top of vertical excavated wall，and the large faults，were all solved through engineering treatment measures developed by field dynamic design，and the reserved rock mass is strengthened.

Key words shiplock，division pier，dynamic design，rock mass strengthening

新书简介

《地质灾害勘查指南》一书由刘传正主编，地质出版社2000年8月出版，16开本，70万字，448页，定价72元。该书是一部带有技术要求性质的勘查指南，全书分为两大部分，共15章，约70万字。第一部分主要包括总论、崩塌(含危岩体)、滑坡、泥石流、岩溶地面塌陷、地裂缝和海水入侵等7章、6种地质灾害的勘查指南，是本书的主体部分。本部分的最基本宗旨是要求完成的地质灾害勘查的成果能够满足编制地质灾害防治工程可行性研究对地质资料的需求。第二部分介绍用于地质灾害勘查的地球物理和地球化学勘探方法，内容包括地质雷达、钻孔电磁波法、电法、浅层地震、面波技术、声波检测、测汞技术和测氡技术等8章，主要介绍它们的应用经验与技巧，寻求以最少的工作量和最低的投资，获取最佳的勘查效果。本书是我国在此方面的第一部工具性的著作，是数年来我国地质灾害勘查工作经验的提炼与总结。本书可供从事地质灾害防治和复杂地质环境开发保护的勘查、科研和教学工作者使用，也可供有关的参考。