對(duì)向家壩水電站修建沉井復(fù)合式導(dǎo)墻的建議（上）

張寶聲

摘要：向家壩水電站二期縱向圍堰上游段堰體結(jié)構(gòu)型式的比選優(yōu)化，是對(duì)修建沉井復(fù)合式導(dǎo)墻進(jìn)一步探討。涉及了導(dǎo)墻修建程序、陸上就地澆制沉井原位下沉的施工程序、沉井群的施工特性與對(duì)策，并就施工程序的關(guān)鍵項(xiàng)目、沉井下沉機(jī)制、沉井結(jié)構(gòu)計(jì)算條件提出了見解。

關(guān)鍵詞：向家壩水電站；沉井修建；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；施工程序

中圖分類號(hào)：TV551文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

向家壩水電站是金沙江河段規(guī)劃的最后一個(gè)梯級(jí)電站。工程樞紐由攔河壩、右岸地下廠房、左岸壩后廠房、左岸垂直升船機(jī)和兩岸灌溉取水口等組成。

根據(jù)壩址地形，工程地質(zhì)、水文特性和樞紐布置等條件，采用分期導(dǎo)流方式。其導(dǎo)流程序?yàn)椋旱谝黄谙葒蟀叮谧蟀稙┑厣闲拗黄谕潦瘒撸诨又羞M(jìn)行左岸非溢流壩段及沖砂孔壩段的施工(包括預(yù)留6個(gè)導(dǎo)流底孔和做為二期導(dǎo)流使用的二期縱向混凝土圍堰)。第二期主河床截流，圍泄水壩段、左岸壩后廠房和左岸升船機(jī)等，待右岸工程具備擋水條件后，再行加高左岸非溢流壩段缺口，最后下閘封堵導(dǎo)流底孔，水庫(kù)蓄水。一期土石圍堰和二期縱向圍堰均修建在深厚的覆蓋層地基上，覆蓋層深達(dá)45～62m。根據(jù)施工總組織的進(jìn)度安排，二期縱向圍堰是在一期土石圍堰的防護(hù)下進(jìn)行施工的。二期縱向圍堰修建的難點(diǎn)在其上游段。

1 二期縱向圍堰上游段堰體的結(jié)構(gòu)型式

1.13種結(jié)構(gòu)型式

二期縱向圍堰上游段的結(jié)構(gòu)既要滿足第一期導(dǎo)流時(shí)的施工期安全，又要滿足第二期導(dǎo)流時(shí)的使用期安全。根據(jù)各部位受力條件與功能不同，將上游段分為臨空段、非臨空段、接頭段、導(dǎo)水段等4小段。除導(dǎo)水段外，其它段的建筑物均緊鄰一期土石圍堰的左岸坡腳，建筑物座落在深厚覆蓋層下的基巖上，深挖必傷其堰體坡腳危及堰坡穩(wěn)定，進(jìn)而影響一期土石圍堰的安全運(yùn)用。

設(shè)計(jì)提出3種處理方案：軟基導(dǎo)墻方案；地連墻圍護(hù)井挖方案；沉井式擋墻方案。

1.2選定沉井復(fù)合式導(dǎo)墻方案

在設(shè)計(jì)進(jìn)行三種方案相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算和對(duì)施工方法、進(jìn)度安排比較的基礎(chǔ)上，選擇了結(jié)構(gòu)可靠性較好，施工進(jìn)度保證性較高及投資最少的沉井擋墻方案。鑒于設(shè)計(jì)方案的沉井最大下沉深度達(dá)62.5m，實(shí)施該方案的難點(diǎn)在于地基不均勻沉陷引起的井身偏斜，糾偏影響工期；底部地層富含塊石，下沉速度慢。為此中國(guó)三峽總公司與設(shè)計(jì)單位邀請(qǐng)專家進(jìn)行了咨詢。設(shè)計(jì)單位按照減少沉井總體規(guī)模和下沉深度的意見，對(duì)原推薦的方案進(jìn)行了再次優(yōu)化。

優(yōu)化的成果是二期縱向圍堰上游段除導(dǎo)水段外，堰體均采用沉井復(fù)合式導(dǎo)墻方案，沉井擋墻做為導(dǎo)墻的一部分。沉井總個(gè)數(shù)減至9個(gè)，最大下沉深度為上游端9號(hào)沉井的52m。沉井鋼筋混凝土與井內(nèi)回填混凝土從23.02萬(wàn)m3減為16.11萬(wàn)m3，導(dǎo)墻混凝土從52.87萬(wàn)m3減為41.67萬(wàn)m3，優(yōu)化的成果是顯著的。詳見圖1(二期縱向圍堰上游段布置圖)；圖2(6、8號(hào)沉井剖面圖)。

2 沉井沉入覆蓋層和建基面特性

2.1覆蓋層組成及特性

沉積共分三層，上部砂卵礫石層厚8～13m，下界面高程249～252m；中間砂層厚14～25m，下界面高程237～253m，該層含有少量透鏡體展布的含卵礫石質(zhì)砂壤土和含淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層；底部含崩(塊)石砂礫石層，厚高8～22m，基巖頂板高程208～231m。

覆蓋層特性中，對(duì)于沉井施工而言，上部砂卵礫石層的指標(biāo)是重要的。該層密度一般為1.76～2.11g/cm3(測(cè)井結(jié)果為1.85～2.15g/cm3)；相對(duì)密度在細(xì)料含量20%～7.8%時(shí)，干密度的平均值為2.45g/cm3左右。砂卵礫石層有較小的壓縮系數(shù)和較大的壓縮模量，中等荷重時(shí)(pi＝800kPa)壓縮系數(shù)最小為0.0003MPa-1，最大為0.037Mpa-1；壓縮模量最小值為37.04Mpa，最大值為333.33MPa。砂卵礫石層抗剪強(qiáng)度Φd為34.2°-38.4°(低密度)和39．5°～43.9°(高密度)。

2.2建基面特性

建基面為T23厚至巨厚層微風(fēng)化至新鮮的中細(xì)砂巖。受立煤灣膝狀撓曲的影響，陡傾角節(jié)理裂隙相對(duì)較發(fā)育，加之巖層面及軟弱夾層構(gòu)成控制導(dǎo)墻墻體穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面。對(duì)于相對(duì)較差的T32-5和T32-3地層，應(yīng)采用挖除后回填混凝土的方法處理。

3修建沉井復(fù)合式導(dǎo)墻的程序

3.1修建沉井式擋土墻

沉井是在一期土石圍堰已經(jīng)完成堰體(施工平臺(tái)以下部分)和堰基防滲處理以后，并在其阻斷河水和河床滲水的條件下施工的。為減少沉井下沉工程量，宜選擇較低的始沉場(chǎng)地高程，此時(shí)左側(cè)泄水渠的表層開挖高程應(yīng)在始沉場(chǎng)地高程以下。沉井下沉?xí)r的積水主要來(lái)自泄水渠覆蓋層及左岸坡的地下水補(bǔ)給與施工用水。

始沉場(chǎng)地高程的確定還與地層組成與承載特性有關(guān)，要采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┐_保底節(jié)沉井整體的自重能逐步地轉(zhuǎn)移到承載的覆蓋層上。

沉井下沉終位后，回填井內(nèi)的混凝土形成沉井式擋土墻。

3.2在沉井式擋土墻支擋下開挖左側(cè)覆蓋層

沉井左側(cè)導(dǎo)墻基礎(chǔ)的覆蓋層開挖深達(dá)40m左右，是在沉井擋土墻施工完成后進(jìn)行的。該導(dǎo)墻基礎(chǔ)左側(cè)開挖邊坡將出露砂卵礫石層、砂層和含崩塊石砂卵礫石層，其中，砂層在有地下滲水出露時(shí)，施工邊坡的失穩(wěn)問題最為嚴(yán)重，是否需要事先對(duì)本層進(jìn)行振沖加固應(yīng)及早做好預(yù)案。對(duì)導(dǎo)墻建基面的地質(zhì)缺陷也要進(jìn)行必要的挖填處理。

3.3澆筑導(dǎo)墻混凝土

對(duì)沉井結(jié)合面做連接處理，對(duì)沉井接縫進(jìn)行換填，最終澆筑完成沉井復(fù)合式導(dǎo)墻。該導(dǎo)墻在二期導(dǎo)流時(shí)，其左側(cè)擋水、右側(cè)擋土或臨空，具備二期縱向圍堰安全運(yùn)用的功能。

4陸上就地澆制沉井(原位下沉)的施工程序

向家壩水電站二期縱向圍堰上游段共布置有9個(gè)沉井。

沉井法施工起源于交通工程中橋墩橋臺(tái)的建造。一般分為筑島就地澆制原位下沉與陸上澆制水面浮運(yùn)就位下沉兩大類。水利水電工程大多數(shù)移植沉井型式做為阻滑、防淘、導(dǎo)流、取水、支擋等建筑物使用，基本上采用陸上就地澆制原位下沉的方法。

圖26、8號(hào)沉井剖面圖

4.1施工準(zhǔn)備

(1)沉井施工前，應(yīng)對(duì)將沉人的地層及建基面的地質(zhì)勘探資料和成果進(jìn)行分析。特別是地下水的滲流或補(bǔ)給條件更為重要，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充的勘探。

(2)對(duì)始沉場(chǎng)地的平整碾壓，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地的換填，以滿足底節(jié)沉井全部自重荷載作用在刃腳踏面處承壓強(qiáng)度的要求。一般地基承載力應(yīng)大于0.3MPa。在壓實(shí)后的場(chǎng)地上應(yīng)沿刃腳踏面范圍內(nèi)外一定寬度，鋪筑30cm厚的砂礫石層，做為墊木的傳力墊層。

(3)預(yù)先進(jìn)行墊木加工、分段刃腳鋼護(hù)板加工和分段刃腳鋼筋網(wǎng)加工。鑒于刃腳內(nèi)鋼筋布置較多，加之鋼護(hù)板后有很多的錨筋，致使綁扎架立非常困難，建議鋼筋與鋼護(hù)板一并分段加工。

(4)吊運(yùn)機(jī)械行走場(chǎng)地(或軌道)的鋪設(shè)，應(yīng)注意避開沉井下沉?xí)r坍塌區(qū)范圍，加強(qiáng)場(chǎng)地碾壓或鋪設(shè)剛性路面，以確保機(jī) 械安全運(yùn)用。吊運(yùn)機(jī)械鄰近或在坍塌區(qū)內(nèi)進(jìn)行吊運(yùn)、墊渣、填渣作業(yè)時(shí)，造成始沉地面偏壓，是沉井下沉偏斜的重要原因，應(yīng)堅(jiān)決禁止這種違規(guī)現(xiàn)象。

4.2 底節(jié)制作

(1)鋪設(shè)墊木，搗實(shí)砂礫石墊層。墊木的設(shè)置應(yīng)嚴(yán)格按照支撐設(shè)計(jì)的規(guī)定進(jìn)行，墊木材質(zhì)和尺寸要滿足沉井模板支撐與澆筑混凝土?xí)r承載的要求；也要滿足抽墊時(shí)，局部承壓的要求，一般以后者為控制。

(2)安裝拼焊刃腳鋼護(hù)板，注意控制拼焊變形。因不參予受力，拼接焊縫要求可適當(dāng)從寬。

(3)順序安裝支撐排架、架立內(nèi)模、綁焊鋼筋、架立外模。由于底節(jié)沉井的鋼筋含量達(dá)50～80kg/m3，綁焊鋼筋的工作量大、費(fèi)時(shí)，必要時(shí)井壁鋼筋可采用沉井外鋼筋分片預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)組裝，內(nèi)隔墻鋼筋現(xiàn)場(chǎng)安裝的辦法。

(4)澆筑平臺(tái)搭設(shè)，注意與模板、支撐排架脫離，避免由于沉降變形不一致而產(chǎn)生安全事故。對(duì)于澆筑完畢的混凝土應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真地養(yǎng)護(hù)，低溫季節(jié)可采用覆蓋保溫被通蒸汽加熱養(yǎng)護(hù)的辦法，以提高混凝土的齡期強(qiáng)度，及早拆除支撐與模板。

4.3 拆模抽墊

這一施工程序要完成沉井自重由排架支撐轉(zhuǎn)移至墊木支撐的工藝過(guò)程；還要完成由墊木支撐轉(zhuǎn)移至始沉地面砂礫石層支撐的工藝過(guò)程。這是確保底節(jié)沉井澆制質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全并為正位下沉創(chuàng)造良好開端的施工程序，其中排架拆除與墊木抽除順序是底節(jié)沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)控制性的工況。

(1)拆除支撐排架是在拆除澆筑平臺(tái)、沉井內(nèi)外側(cè)模板后進(jìn)行的。總體拆除順序：“先隔墻，后周邊，兩者時(shí)間要隔開”。其中隔墻排架拆除順序?yàn)椤跋乳L(zhǎng)向，后短向”；周邊排架拆除順序?yàn)椤跋榷踢叄箝L(zhǎng)邊，最后是設(shè)計(jì)支承點(diǎn)”。拆除過(guò)程中應(yīng)注意觀察底節(jié)沉井頂部控制點(diǎn)的沉降變化，當(dāng)砂礫石地層壓實(shí)較均勻時(shí)，其各點(diǎn)沉降是均衡的。

(2)抽除墊木應(yīng)遵循“分批、對(duì)稱、斷續(xù)”與“隨抽隨回填(砂礫石料)”的原則，要平穩(wěn)地將墊木支撐轉(zhuǎn)移至砂礫石地層支撐。抽墊順序應(yīng)是“先短邊中心向兩端、再長(zhǎng)邊中心向兩端、最后抽除設(shè)計(jì)支承點(diǎn)”。一般情況底節(jié)沉井頂部控制點(diǎn)均衡降沉的機(jī)率不大，大多向短邊或長(zhǎng)邊一側(cè)微偏。此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整抽墊的順序和每批的數(shù)量，加強(qiáng)回填砂礫石料的搗實(shí)工作。

(3)抽墊至最后順序時(shí)，設(shè)計(jì)支承點(diǎn)處的墊木將承受大部分的井身自重，墊木抽除后在空隙回填的砂礫石將承受少部分自重荷載。該大部分自重荷載會(huì)剪斷墊木。當(dāng)始沉場(chǎng)地砂礫石層的地基承載力較低時(shí)，設(shè)計(jì)支承點(diǎn)處的墊木將被壓人地層或斷裂，這時(shí)會(huì)增加墊木損壞的數(shù)量，一般損壞數(shù)量應(yīng)控制在15%的范圍之內(nèi)。

(4)加強(qiáng)抽墊過(guò)程中井身沉降傾斜位移的觀測(cè)，沉降傾斜過(guò)大時(shí)應(yīng)密切觀察井壁與隔墻頂部產(chǎn)生的剪切裂縫。

4.4 挖渣初沉與糾偏

(1)挖渣下沉按照“分層均勻除渣，及時(shí)排水，同步掏挖”的原則。挖渣順序是：先中間后四周，先短邊后長(zhǎng)邊，間隔挖留支點(diǎn)，掏支點(diǎn)井下落。

(2)為使底節(jié)沉井順利正位下沉，應(yīng)特別注意下沉過(guò)程中井周地層的變化。圖3表示出井周地層變化的分區(qū)。其中坍塌區(qū)砂礫石層的細(xì)料大部分流人沉井內(nèi)被挖除，受擾動(dòng)區(qū)、蠕 動(dòng)區(qū)的共同作用致使地面沉陷。擾動(dòng)區(qū)地層中的細(xì)料在掏挖刃腳部位時(shí)流人井內(nèi)，地層中的粗料(塊石、崩塊石)受下沉井壁帶動(dòng)和蠕動(dòng)區(qū)土體壓力而向井壁移動(dòng)，成為產(chǎn)生井壁摩阻力的主要因素。

(3)糾編的重點(diǎn)是下沉深度小于平面尺寸最小值1.5倍的時(shí)段，因?yàn)槊看渭m偏都是“扶正”，均意味著平面位置的偏移。糾偏應(yīng)著重在下沉的初始階段進(jìn)行。

陸上就地澆制沉井，下沉偏斜的外部原因主要是地層松軟或軟硬不一與井口偏壓或井壁單側(cè)滲水；施工工藝的原因是沒有執(zhí)行“分層均勻除碴，及時(shí)排水、同步掏挖”的挖渣原則。糾偏的措施要針對(duì)產(chǎn)生的原因，采取井身非均勻加荷、非均勻挖渣、井口非均勻堆渣加壓(或挖渣減壓)、單側(cè)有限制地使用炮振法等。

4.5 逐節(jié)澆制與下沉

(1)底節(jié)沉井正位下沉到位后，應(yīng)立即用砂礫石或石渣將刃腳底部空隙填實(shí)，開始上節(jié)井身的澆制。澆制時(shí)嚴(yán)禁井壁外側(cè)模板支撐落地，應(yīng)支撐在底節(jié)井身上，以防澆制過(guò)程中，由于新增上節(jié)井身荷載致使沉井沉降，進(jìn)而引起模板支撐的損壞。新澆筑的混凝土應(yīng)均勻鋪筑振搗，要求沉井倉(cāng)內(nèi)的混凝土鋪筑面高差不大于0.5m。待井身混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定的齡期拆除模板后，方可進(jìn)行挖渣下沉作業(yè)。

(2)上節(jié)井身澆制時(shí)，盡量糾正下段井身的偏斜，下口與下節(jié)沉井的上口相接，繼承了下口的軸線偏移；上口在偏移不大的前提下，應(yīng)將偏移的軸線扭轉(zhuǎn)至正確位置。

(3)沉井沉至終位時(shí)，應(yīng)進(jìn)行建基面及嵌巖驗(yàn)收。驗(yàn)收的內(nèi)容包括井底平面位置偏差，建基面地質(zhì)缺陷處理，井身裂縫調(diào)查及滲水排引措施等。澆筑回填混凝土之前應(yīng)對(duì)沉井內(nèi)部井壁、基巖表面進(jìn)行清洗，清除殘留巖渣。(待續(xù))