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大型沉井群在向家坝水电站地基处理中的应用

日期：2016-1-20 10:02:04　来源：转载　浏览数：
　

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1· 问题提出
    向家坝水电站分二期施工，一期先围左岸，在左岸滩地上修筑一期土石围堰，在基坑中进行左岸非溢流坝段及冲沙孔坝段的施工; 二期围泄水坝段、厂房坝段，修建坝后式厂房及升船机等建筑物。根据分期导流布置方案，纵、横向围堰均需修建在深厚覆盖层上。特别是二期纵向围堰大坝上游段，堰基覆盖层深达45～ 62 m，围堰使用期长达3 a，最大挡水水头约90 m，运行工况较复杂，同时需承受水流冲刷以及大坝基坑开挖的影响。如果不采取任何支护措施，直接在一期土石围堰保护下挖除大坝上游段的二期纵向围堰地基覆盖层，则当一期土石围堰堰脚覆盖层按1∶ 1． 75 的开挖边坡从堰脚放坡至基岩面时，一期基坑侧坡的水平宽度将达60 ～ 90 m，平面上已完全占据了二期纵向围堰的位置，并超出冲沙孔坝段。如果开挖过深，必定损伤到堰体坡脚并危及堰坡稳定，进而影响一期土石围堰的安全运用。而如果考虑放坡开挖安全的预留宽度，则一期围堰需尽可能向江侧布置，使河床进一步束窄，必将导致现有导流方案整体布置发生变化，从而影响一期导流的相关水力学指标，且束窄后的河床将无法保证通航要求。
    如何选择技术经济指标均较合理的地基处理方案，成为顺利实施工程导流的关键。既要满足工程枢纽布置和河道通航要求，又要兼顾工程结构安全及施工进度的需要。在具体方案研究上，拟定了如下比选原则: ① 以推荐的导流方案为基础，各处理方案相应的各期导流标准及施工导流水力学指标均相同; ② 结构形式可靠，保证经处理后的堰基及围堰堰体结构安全; ③ 满足进度要求，为保证向家坝工程如期发电，必须保证一期工程按控制性进度实施，即满足第3 年11月下旬截流; ④ 布置合理，施工方便可行，由于坝址处河床相对狭窄，二期纵向围堰大坝上游段的布置形式显得十分重要，无论采用何种处理方案，均应考虑该方案施工是否方便，对周围建筑物或整体施工方案是否有影响，相应解决办法和处理措施是否已有预案。
    通过整体技术经济指标比较，最终选择了结构可靠性好、施工进度保证性高且投资最省的沉井挡墙方案。该方案布置10 个邻接沉井，前期作为挡土墙及纵向围堰堰基进行二期基坑开挖，后期作为二期围堰的一部分，解决了堰基覆盖层处理与工程施工的矛盾。
    2· 沉井群设计
    向家坝水电站沉井群由10 个矩形沉井组成，顶部高程270 m，底部进入岩层，最深处入岩7 m，最大井深57 ． 4m。每个沉井内分6 格，主要用于抽排渗水和出渣，沉井下沉至设计高程后，在井孔内回填混凝土。1～ 10 号沉井高度分别为44． 5，43． 5， 43． 5， 43． 0， 43． 0，44． 5， 49． 0， 52． 5，57． 4 m 和47． 0 m。
    沉井井壁为钢筋混凝土结构，外壁壁厚为2． 1 ～2． 0 m，内隔墙厚1． 6 m，取土井尺寸为5． 2 m × 5． 6 m。沉井刃脚设计为直角梯形，其高度为2． 0 m，踏面宽0． 3 m，刃脚底部1． 0 m 高范围采用20 mm 厚Q235 钢板衬护。沉井壁混凝土标号为C25W6 ～ C40W6，井内填芯混凝土标号为C10W6。
    1 ～ 10 号沉井依次沿一期土石围堰成“L”型错开布置，相邻井间距2 m，具体沉井布置情况见图1。

    3· 沉井群施工
    向家坝工程沉井群施工具有以下特点: ① 工程量大，下沉深，工程难度为国内外所罕见; ② 地质状况复杂，下沉风险大，技术要求高; ③ 沉井群采用排水下沉，降水是工程成败的关键; ④ 沉井相邻间距太小，相互作业干扰大。沉井施工采用现场制作、排水下沉、机械出渣的施工方案，具体施工流程包括施工准备、沉井制作、沉井下沉、沉井封底填芯及井间锁口等。
    3． 1 施工准备   施工准备主要包括基槽开挖、混凝土垫层、砖胎模施工及钢刃脚施工。沉井刃脚为钢结构护脚，外形轮廓尺寸为17 m × 23 m，高2 m，单个沉井刃脚重约70t，在刃尖设置梯形Q235 加劲钢板。
    3． 2 沉井制作
    根据沉井的结构特点，采用大型整体组合模板比较适宜，考虑到一次性接高达9 ～ 10 m，最少需要配备2 套模板才能保证沉井接高时连续浇筑混凝土，这样既不经济又增加了在沉井接高过程中施加给下部结构的荷载，对沉井稳定不利。经与同类工程比较，决定采用滑升模板施工，严格按照模板要求的混凝土浇筑强度和速度施工，完全可以满足该沉井的施工需要。
    模板滑升需根据实际情况控制滑升速度，一般规定出模强度应控制在0． 2 ～ 0． 4 MPa，根据试验情况确定24 h 滑升高度为1． 5 m。同时，滑升前和滑升过程中需对操作平台的水平度、垂直度保持观测，并及时纠偏，确保滑模滑升质量。
    3． 3 沉井下沉
    沉井下沉主要是通过从沉井内用机械或人工取土的办法实现，取土须均匀，以消除或减少沉井内侧土的摩阻力及刃脚下的正面阻力，必要时采取减少井壁外侧土的摩阻力办法，使沉井依靠自身的重量逐渐地从地面沉入地下。
    因沉井群间距较小且成排布置，下沉施工时对相邻沉井相互影响较大，故向家坝沉井群采用间隔制作下沉的方法施工。沉井区域地质状况复杂，从上至下共有3 种地质层( 砂砾层、砂层、砂砾石及崩块石层) ，针对不同地层，在沉井下沉时采取了不同的技术措施。在穿越第一层砂砾层时，严格控制较小的下沉量，对称开挖，加强观测，及时纠偏，保证沉井在初始阶段沿正确的轨迹下沉; 在穿越砂层时，按照预案防备各种地质灾害对沉井的危害，如管涌、流沙、突沉等; 对于第三层砂砾石中的大粒径崩块石，采取局部开挖、局部爆破的方法处理，必要时需采取助沉措施，主要包括泥浆套助沉、空气幕助沉和爆破助沉等。
    此外，井内挖土出渣的重要前提是排水，必须满足“干地施工”条件，因此下沉的合理方式为“排水下沉”，能否实现大面积降低地下水位是沉井施工成败的关键。根据基坑水文地质情况，在沉井群施工中，确定了以“管井降水为主、井内强排为辅”的降( 排) 水设计方案，实施效果良好。
    3． 4 沉井封底
    沉井封底是确保沉井与基岩结合质量的重要工序，由混凝土垫层和钢筋混凝土底板施工两部分组成。混凝土垫层在沉井终沉并完成基岩清理后实施，随后在垫层混凝土上进行封底锚杆及钢筋施工，最后浇筑封底钢筋混凝土，使沉井与基岩形成整体。对于局部未入岩的沉井，必要时仍需考虑采取有效的抗滑处理措施，如在井内设置抗滑桩等。
    3． 5 沉井填芯
    填芯混凝土最初设计方案为浇筑大体积常态混凝土，但此举工期长、难度大、施工风险高，且难以保证施工质量( 主要是温控要求难以满足) 。为此，经过反复试验研究，改用抛石型堆石混凝土的全新回填方案，取得了良好效果。
    施工时先浇筑自密实混凝土形成缓冲层，以减少抛石对封底混凝土的冲击破坏。然后将石块抛入仓中，抛入一定体积的石料使自密实混凝土上升1 m 后，继续浇筑自密实混凝土再使其上升1 m，如此循环直至收仓。沉井单个井格填芯混凝土浇筑流程见图2。

    从最终效果来看，10 个沉井填芯工期为6 ～ 12 d不等，较原分层浇筑的常态混凝土方案缩短工期近2个月，投资减少30%。完成堆石混凝土施工后，对其进行了温度监测及钻孔取芯检查，各项检测结果表明，堆石混凝土施工质量满足设计要求，堆石混凝土技术在沉井填芯中的应用是成功的。
    3． 6 井间锁口
    沉井间因下沉需留有一定的间隙，待相邻两沉井下沉到设计高程并回填混凝土后，再进行锁口。根据该工程地质和井间施工特点，采用单根大孔径钻孔灌注桩( 直径2． 5 m) 在沉井右侧井端进行锁口施工，主要包括锁口灌注桩施工与下部崩块石层灌浆施工［1］。
    3． 7 常见问题处理
    ( 1) 沉井偏斜及纠偏。沉井施工过程中易发生倾斜和偏转，常用的处理方法有偏出土纠偏、井外射水结合井内偏出土纠偏、增加偏土压和偏心压重纠偏等，实际工程中应根据沉井产生偏斜和偏转的原因，选用合适的方法来进行纠偏。
    ( 2) 沉井偏移及扭位。沉井偏移及扭位是指沉井在下沉过程中，筒体轴线位置在一个或两个方向发生偏移( 或称位移) ，通常采用反向取土的方式处理。
    ( 3) 井内流砂。当采取井内排水时，井外的粉砂易随地下水一起涌入井内，常造成沉井出现突沉、偏斜、下沉过慢或不下沉等情况，一般采取井内灌水的方式处理。为从根本上杜绝流砂现象发生，必须做好沉井降水工作，控制地下水位。
    ( 4) 沉井下沉过快、过慢、搁置、悬挂等。沉井穿越砂层时，因砂层压缩性较大，而且不均匀，承载力低，可能出现突然下沉的现象。如发现下沉太快，应立即停止开挖或减少开挖土体，待稳定后再逐渐分层开挖，并在沉井井间及时回填粗糙材料，增大摩阻力; 亦或用型钢垫在刃脚下，空隙处填塞袋装混凝土，增加基础承载力，减缓下沉速度。沉井穿越含崩块石层时，由于自重不够，不能克服井壁与土的摩阻力、或遇孤石、大块石，出现沉井局部被卡住等情况，都将产生沉井下沉过慢、下沉搁置或悬挂的现象，此时应采取必要的加载或助沉措施帮助沉井下沉。
    ( 5) 沉井下沉致使周边土体塌方。沉井下沉时，对沉井外四周土体产生扰动影响是难以避免的。沉井四周如坍陷较严重时，应及时回填。对四周不均匀坍陷更应注意，以免因沉井四周土压力不均匀而引起沉井过大的倾斜。必要时可沿刃脚四周用木板或者砂袋形成挡板支护，以阻碍土体由井外向井内涌入，这样不仅可有效稳定井外土体，也有利于井内施工。
    ( 6) 沉井接高的稳定措施。每次接高沉井都必须满足其稳定要求，即传送至刃脚下土层的荷载，应小于该层土的极限承载力，必要时须在井周回填砂土或向井内灌水，保持刃脚下土层的稳定性。沉井分节制作、分次下沉，在混凝土浇筑前，应根据地基承载力和沉井总高度，提出适当的分次接高高度和下沉计划，并核算各次下沉开始和终结时的下沉系数。如下沉系数偏大，则应采取向井内灌水或在刃脚下填砂等必要措施，底节沉井下沉到位后，应立即用砂砾石或石渣将刃脚底部空隙填实，再开始上节井身的浇制。
    4· 结语
    针对向家坝工程堰基覆盖层深厚的地质特点，在充分考虑导流建筑物布置与通航需求的前提下，兼顾结构安全可靠及进度合理等要求，研究并实践了大型沉井群用于深厚覆盖层地基处理的技术思路。在沉井施工过程中将堆石混凝土施工技术应用于沉井填芯，较好地解决了沉井填芯快速施工问题，不仅温控效果好，且抛石率达到50% ～ 60%，相比传统施工方法具有质量好、进度快、工程投资省、施工安全易于保障等优势。