向家壩水電站圍堰基礎(chǔ)沉井施工下沉阻力監(jiān)測

徐 濤，李 楊，吳民武，劉江磊

（1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

向家壩水電站圍堰基礎(chǔ)沉井施工下沉阻力監(jiān)測

徐 濤1，李 楊2，吳民武1，劉江磊1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

以金沙江向家壩水電站圍堰沉井基礎(chǔ)為研究對象，對沉井下沉過程中的刃腳土壓力、井壁側(cè)摩阻力進(jìn)行了全面監(jiān)測。根據(jù)大量現(xiàn)場的實(shí)測資料，系統(tǒng)地分析了沉井下沉過程中的受力特征，得出了沉井下沉過程中，經(jīng)過不同深度、不同地層時(shí)的刃腳土壓力及井壁摩阻力的大小及側(cè)阻力呈拋物線形分布規(guī)律，同時(shí)提出了下沉系數(shù)K值的計(jì)算方法。據(jù)實(shí)測，3次下沉的K值均小于1.15時(shí)，表示下沉到位困難。

沉井；土壓力；側(cè)摩阻力；現(xiàn)場監(jiān)測

沉井基礎(chǔ)是用鋼筋混凝土材料制成的無底無蓋的井狀結(jié)構(gòu)物，竣工后成為基礎(chǔ)的組成部分。施工時(shí)一般先是在場地上制作好井筒，然后在井筒內(nèi)挖土、排水，依靠其自身重量，克服井壁的側(cè)摩阻力以及刃腳土的支撐力等而下沉的，通過逐節(jié)接高達(dá)到預(yù)定深度后封底蓋頂而形成的沉井基礎(chǔ)。

沉井基礎(chǔ)軀體結(jié)構(gòu)剛性大、斷面大、承載力高、耐久性能好，內(nèi)部空間可有效利用［1］。適用于土質(zhì)范圍廣、施工深度大的基礎(chǔ)。具有對鄰近建筑物的影響小、抗震性能良好以及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，一直在地下泵房、橋梁墩臺基礎(chǔ)及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等工程中得到廣泛應(yīng)用。

沉井基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵問題是保證其平穩(wěn)下沉，達(dá)到預(yù)定深度。而刃腳土壓力及側(cè)摩阻力是控制其下沉的主要因素，現(xiàn)行的摩阻力分布是由大直徑樁的下沉機(jī)理分析取得，因此探討下沉阻力的分布規(guī)律是沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所需要解決的主要問題。本文以金沙江向家壩水電站圍堰沉井基礎(chǔ)為對象，通過現(xiàn)場埋設(shè)監(jiān)測元件，對沉井施工下沉全過程進(jìn)行監(jiān)測，獲得了大量的監(jiān)測資料，在此基礎(chǔ)上分析了沉井下沉機(jī)理及下沉阻力的分布特征。

1 工程概況

向家壩水電站是我國第三大水電站，為金沙江梯級開發(fā)中的最后一個梯級，位于川、滇兩省交界處的金沙江下游河段。壩址左岸下距四川省宜賓縣的安邊鎮(zhèn)4 km、宜賓市33 km，右岸下距云南省的水富縣城1.5 km，壩頂高程384 m，最大壩高162 m，總裝機(jī)容量6 000 MW。一期土石圍堰布置10個沉井，單個沉井尺寸為23 m×17 m，前期作為擋土墻進(jìn)行壩基開挖，后期作為二期圍堰結(jié)構(gòu)的一部分。單個沉井內(nèi)分6格，井格凈空平面尺寸為5.2 m× 5.6 m，外墻厚2 m，隔墻厚1.6 m，9＃沉井最深達(dá)55.5 m。沉井底節(jié)高7 m，其中底部3 m為外包鋼殼砼結(jié)構(gòu)，刃腳踏面寬30 cm，刃腳斜面高2 m，中隔墻離刃腳踏面高度1～3 m，3 m以上為鋼筋砼井身。沉井設(shè)計(jì)高度和下沉深度見表1。

二期縱向圍堰大壩上游河流沖積物厚度約39.5～68.43 m，上游厚、下游薄?；鶐r面高程大致為203.53～231.41 m。堰基基巖為T32厚-巨厚層微風(fēng)化至新鮮的中細(xì)砂巖。覆蓋層的組成按從上到下的順序大致歸并為三大層：第一大層為砂卵礫石層，層厚8～15.7 m，下界面高程254.2～263.49 m；第二大層為砂層，厚11.1～23.8 m，下界面高程238.33～246.21 m，為黃褐色、黃色或灰白色粉細(xì)-中粗砂夾少量卵礫石，砂層各處粒度成分差異較大，總體以中細(xì)砂為主；第三大層為含崩（塊）石的砂卵礫石層，層厚8～22 m，最大厚度29 m，此外還有少量透鏡狀展布的含砂壤土卵礫石或淤泥質(zhì)粉砂，厚度2～10 m，底部高程208～231 m。

表1 沉井群高度及下沉深度Table 1 Heights and sinkage depths of caissons

2 下沉阻力監(jiān)測成果分析

刃腳的土壓力通過安裝在踏面的土壓力傳感器直接測出。刃腳土壓力的大小分布直接關(guān)系到沉井受力是否均勻、下沉?xí)r是否會出現(xiàn)傾斜等不利的情況。及時(shí)掌握刃腳踏面土壓力有助于合理安排取土順序。側(cè)摩阻力通過鋼筋計(jì)應(yīng)力測試獲取，鋼筋計(jì)布置在刃腳以上9 m處及18 m兩截面處，每截面埋設(shè)10個。由于沉井結(jié)構(gòu)剛度大，可近似地認(rèn)為橫截面應(yīng)力分布均勻，通過在不同的下沉深度進(jìn)行應(yīng)力測試，可計(jì)算出側(cè)壁摩阻力沿深度的分布情況。

2.1 下沉曲線

3次下沉的現(xiàn)場監(jiān)測曲線見圖1。

第1次下沉5.5 m，穿過的土層為砂卵礫石層，土層較松軟，平均下沉速率為0.183 m／d；第2次下沉4.4 m，累積下沉為9.9 m，穿過的土層為砂卵礫石層、砂層，下沉阻力較大，速率有所變緩，平均下沉速率為0.122 m／d；第3次下沉13.5 m，累積下沉為23.4 m，穿過砂層，下沉阻力較大，通過以泥漿套助沉，才使沉井下沉至預(yù)定標(biāo)高，整個過程下沉緩慢，平均速率僅為0.081 m／d。

圖1 沉井基礎(chǔ)下沉曲線Fig.1 Sinking curve

2.2 井壁側(cè)摩阻力分布特征

目前國內(nèi)外還沒有能直接測量側(cè)摩阻力的一套理論和方法，工程應(yīng)用中一般采用通過測量應(yīng)變（應(yīng)力）來求得側(cè)摩阻力，其原理及方法如圖2所示。

圖中：Fi為i-1至i截面下端的應(yīng)力值（MPa）；Fi-1為i-1至i截面上端的應(yīng)力值（MPa）；F為 i-1至i截面間的摩阻力值（MPa）；Wi為i-1至i截面自重應(yīng)力值（MPa）。先測得上下端垂直方向的應(yīng)力值，并考慮自重應(yīng)力因素，然后由公式（1）計(jì)算得到側(cè)摩阻力，

圖2 井壁摩阻力計(jì)算簡圖Fig.2 Calculational picture of the side friction

圖3 中（a）、（b）、（c）分別為9＃沉井的3次下沉過程中對應(yīng)不同入土深度的沿井身的側(cè)摩阻力分布。

由圖3可見，在第1次下沉過程中，當(dāng)深度較小時(shí)，井壁摩阻力與入土深度基本成線性關(guān)系（圖3（a））。但是隨著入土深度的增加，側(cè)摩阻力分布則不是成線性比例關(guān)系，而是呈上下小、中間大的近似拋物線的分布形式，且下部的側(cè)摩阻力較上部為大。隨著下沉深度的增加實(shí)測側(cè)摩阻力的最大值也稍有增大（圖3（b））。圖3（c）與圖3（b）的下沉側(cè)摩阻力分布規(guī)律類似。

圖3 三次下沉過程中對應(yīng)不同入土深度的井壁摩阻力分布Fig.3 Side friction distribution vs embedded depth during three-time sinking process

2.3 刃腳端阻力分布特征

刃腳處的壓力是通過測頻儀測得的某個應(yīng)力狀態(tài)下雙膜土壓力盒的頻率，然后根據(jù)公式（2）直接計(jì)算取得。

式中：F應(yīng)為應(yīng)力值（MPa）；fx為某一壓力下所測頻率值（Hz）；fo為初始頻率（Hz）；k為靈敏度系數(shù)（kN／Hz）或（MPa／Hz）。

現(xiàn)場監(jiān)測所得到的沉井下沉過程中刃腳端阻力與下沉深度的關(guān)系曲線如圖4所示。端阻力曲線有一個非常明顯的壓力值變化點(diǎn)，壓力值突然降低，是因?yàn)樗鼗炷翂|層破除時(shí)，被破除的部位壓力值消減，相鄰測點(diǎn)的壓力值有所增加。沉井基礎(chǔ)下沉過程中刃腳端阻力的分布主要取決于土體的特性，當(dāng)?shù)貙訛樯奥训[石層時(shí)，端阻力較大，且端阻力波動也較大；當(dāng)?shù)貙訛樯皩訒r(shí)，端阻力較平緩，基本成直線型。下沉端阻力在總阻力中所占的比例為30%左右，隨著深度的增加有所減少。

圖4 沉井下沉過程中刃腳端阻力分布Fig.4 Distribution of friction of the cassion knife-edge

3 沉井基礎(chǔ)的受力特性

在沉井下沉過程中，假設(shè)基礎(chǔ)是鉛直的，沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)和側(cè)移，在鉛直方向上的受力分析如圖5所示。當(dāng)沉井通過人工挖土下沉?xí)r，開挖的過程中刃腳內(nèi)的土體被挖走，會在刃腳內(nèi)外形成壓力差，而使刃腳外側(cè)土體有向內(nèi)側(cè)的位移趨勢，從而形成圖5所示的壓力松弛區(qū)［2］。因此，沉井在下沉的過程中會使刃腳外側(cè)的土壓力降低，從而影響側(cè)摩阻力的分布，形成上下小、中間大的近似拋物線型的分布形式，如圖3中的（b）、（c）所示。而當(dāng)沉井入土深度較小時(shí)，刃腳附近的壓力松弛現(xiàn)象不明顯，故第1次下沉的側(cè)摩阻力呈近似線性增大的分布規(guī)律。

圖5 沉井下沉受力特征Fig.5 Forces acting on caisson during sinking

下沉系數(shù)KS是評價(jià)沉井能否順利下沉的系數(shù)，通過式（3）計(jì)算取得式中：G為沉井的各段總自重；Rb為沉井下沉?xí)r的刃腳端阻力；Rf為井壁側(cè)摩阻力。

按實(shí)測值計(jì)算，3次下沉的下沉系數(shù)均小于1.15，表示下沉到位困難。從施工的實(shí)際情況來看，在下沉過程中就存在下沉困難，還要穿越第三大層崩塊石層，由于沉井自重不夠，不能克服四周井壁與土的摩阻力和刃腳下的土壓力，或遇孤石、大塊石等障礙物，都將產(chǎn)生下沉過慢的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致工期延長、經(jīng)濟(jì)損失等不良后果?？刹扇∠铝邢鄳?yīng)的措施進(jìn)行處理：在沉井上部加載助沉；遇小孤石或塊石擱住時(shí)，可將四周土挖空后取出；對較大孤石或塊石，可采用小藥量控制爆破進(jìn)行破碎，然后清除。

4 結(jié) 語

通過對金沙江向家壩水電站圍堰基礎(chǔ)沉井施工下沉阻力監(jiān)測，獲得了沉井下沉過程中的刃腳土壓力及側(cè)摩阻力的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上分析得出了側(cè)摩阻力在入土深度不大時(shí)呈近似線性增大規(guī)律，隨著入土深度的增加，側(cè)摩阻力呈上下小、中間大的近似拋物線型分布規(guī)律，經(jīng)分析這是由于壓力松弛造成的。

［1］ 吳銘炳.大型沉井圍護(hù)結(jié)構(gòu)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16（1）：86-92.

［2］ 張志勇，陳曉平，茜平一.大型沉井基礎(chǔ)下沉阻力的現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（S1）：1000-1005.

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Resistance Monitoring in Construction of Caisson Foundation of Cofferdam of Xiangjiaba Hydropower Station

XU Tao1，Li Yang2，WU Min-wu1，LIU Jiang-lei1
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In the sinking process of caissons of cofferdam of the Xiangjiaba Hydropower Station，the side friction and the end bearing pressure of caissons weremonitored.According to the observed data，the resistance character pressure systematically was studied during the sinking，and the distribution of wall side friction and end bearing force during penetrating into different soil strata were obtained.And meanwhile，the formula of sinking coefficient KSwas proposed，and from observed data，when the KSwas less than 1.15 during threetime sinking，the caisson reached designed location to be difficult.

caisson；end bearing pressure；side friction；in-situ monitoring

TV551.3

A

2008-10-13；

2008-12-16

徐 濤（1983-），男，武漢市人，碩士研究生，主要從事地基與基礎(chǔ)的處理研究，（電話）13476150860（電子信箱）xutaoshulang＠163.com。