淺析三洋港樞紐工程擋潮閘沉井下沉質(zhì)量控制

緒星飛 楊國平

（1.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029）

新沭河治理三洋港樞紐工程位于江蘇省連云港市郊臨洪口，樞紐的主要建筑物包括：擋潮閘工程、排水閘工程及上、下游引河擴(kuò)挖工程等，其中，擋潮閘工程為大（1）型工程，共33 孔，單孔凈寬15 m，總凈寬495 m，總寬576.92 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計(jì)流量6400 m3/s。擋潮閘、排水閘閘室基礎(chǔ)均為沉井基礎(chǔ)，擋潮閘共17 只沉井，其中，16 只沉井順?biāo)飨蜷L為17.9 m，垂直水流向長為34 m，位于沉井群中間1 只沉井順?biāo)飨蜷L為17.9 m，垂直水流向長為16.9 m，井壁刃腳底高程▽-10.6 m，沉井頂高程▽-3.1 m，沉井間間距為1.1 m，沉井制作時(shí)刃腳底高程▽-3.9 m，沉井制作層為淤泥和淤泥質(zhì)壤土夾粉土、粉砂，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為4 t/m2，沉井下沉到位后的持力層為粘土和粉質(zhì)粘土夾砂礓及粉土，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為19 t/m2。沉井下沉采用兩邊低中間高三角形狀下沉方法。

1 下沉過程質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

由于相鄰沉井間間距僅有1.1 m，下沉過程中相互影響十分明顯。沉井群有向中間位移的趨勢，特別是邊井兩端面所受土壓力差較大，下沉過程中，兩邊井極易向中間位移靠攏，控制不當(dāng)極易造成沉井偏位。由于土質(zhì)的復(fù)雜性，且下沉深度僅為6.7 m，一旦發(fā)生偏位，糾偏困難，故下沉過程質(zhì)量控制顯得尤為重要。

2 下沉前組織準(zhǔn)備工作

（1）建立下沉質(zhì)量控制領(lǐng)導(dǎo)小組。施工單位成立了沉井下沉質(zhì)量控制小組，由項(xiàng)目總工程師任組長，沉井下沉施工隊(duì)隊(duì)長任副組長，觀測小組長、相關(guān)技術(shù)人員及施工班組長為小組成員。

（2）嚴(yán)格專項(xiàng)方案審查及交底制度。施工單位組織編制了沉井下沉專項(xiàng)施工方案，并組織召開專家審查會(huì)對方案進(jìn)行審查，對審查通過的方案提交監(jiān)理審批，并組織沉井下沉質(zhì)量控制小組人員及作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底。

（3）實(shí)施動(dòng)態(tài)觀測及糾偏措施。下沉前在每只沉井的四角自下而上繪制高程指示刻度線，并設(shè)立高度觀察指針，下沉過程中因受土體擾動(dòng)，經(jīng)常性對指針的精度加以校正；沉井群的兩端設(shè)立觀測裝置，用于觀測沉井下沉過程中上下游方向位移情況；沉井的頂部四角設(shè)立固定觀測點(diǎn)，用全站儀和水準(zhǔn)儀分別觀測沉井的水平位移及下沉量。沉井每下沉1 m，即檢測井位，控制井位平面位移值不大于25 cm，通過正交檢測井壁傾斜度，控制傾斜偏差不大于下沉總深度的2%，并做好相應(yīng)的記錄，通過對下沉數(shù)據(jù)綜合分析，指導(dǎo)后續(xù)糾編工作。

（4）加強(qiáng)值班值守，保持訊息暢通。因沉井下沉為連續(xù)作業(yè)，下沉期間，施工單位安排工程技術(shù)人員分4個(gè)班次進(jìn)行全天候值班，督促作業(yè)人員按專項(xiàng)方案進(jìn)行下沉和糾偏，及時(shí)反饋沉井下沉情況。

3 擋潮閘閘室沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

3.1 初沉階段的下沉系數(shù)驗(yàn)算

（1）考慮隔墻下混凝土墊層及砂墊層部分拆除、刃腳處磚胎模拆除、砂墊層未拆除時(shí)的下沉系數(shù)為：

式中：

G—井體自重，G=γV=2.5×1224=3060 t；

P—井壁刃腳踏面中心周長，取169.4 m；

A—井刃腳踏面及其下面砂墊層下擴(kuò)散面積之和，A=（0.4+1.05×2）×169.4=423.5 m2。

此工況下若沉井下沉，則砂墊層下的土體將發(fā)生剪切破壞，此狀態(tài)下土體承載力達(dá)到極限承載力。刃腳下土體極限承載力fv：

根據(jù)地質(zhì)資料查表或計(jì)算得Mb=0.18、r=0.65 t/m3、b=3、Md=1.73、ro=1.5 t/m3、d=1.5 m、Mc=4.17、Ck=1.2 t/m2。

計(jì)算得fv=9.25 t/m2，則

由計(jì)算得知，下沉系數(shù)小于1，表明刃腳下磚胎模拆除后砂墊層未拆除前沉井不會(huì)下沉。只要分批對稱拆除四周外墻下的砂墊層，沉井將會(huì)緩慢下沉。

（2）擋潮閘閘室沉井見示意圖1。沉井初沉?xí)r，當(dāng)井壁刃腳進(jìn)入土體內(nèi)0.5 m，隔墻下的砂墊層厚度為0 時(shí)，對沉井的穩(wěn)定最不利，對該工況條件下沉井下沉系數(shù)的驗(yàn)算如下：

沉井自重G=3060 t；

沉井井壁在砂墊中的摩擦力

井壁與砂墊層的摩擦力系數(shù)取4 t/m2；

井壁在土中的摩擦力R2=（34×4+17.9×2）×0.5×2.5=215.0 t；

因與井壁接觸的土中帶有砂，井壁與土的摩擦力系數(shù)取2.5 t/m2；

當(dāng)刃腳下的土體發(fā)生剪切破壞時(shí)的極限承載力為

查表或計(jì)算得Mb=0.18、r=0.65 t/m3、b=3、Md=1.73、ro=0.65 t/m3、d=0.5 m、Mc=4.17、Ck=1.2 t/m2，計(jì)算得fv=5.92 t/m2；

支撐刃腳的土體面

刃腳下受到土體作用力

隔墻底面比刃腳高0.5 m，其下土體承載力按標(biāo)準(zhǔn)承載力取4.0 t/m2；

隔墻受到土體作用力

P2=fvA2=4.0×44.1=176.4 t；

此狀態(tài)下沉井初沉?xí)r的下沉系數(shù)

表明在此工況條件下，沉井下沉，但不會(huì)發(fā)生突沉現(xiàn)象。

當(dāng)沉井下沉至隔墻下土體剪切破壞達(dá)到極限承載力時(shí)，隔墻受到土體作用力P2=fvA2=5.92×44.1=261 t。

此狀態(tài)下沉井初沉?xí)r下沉井下沉系數(shù)

沉井即使下沉也會(huì)隨著摩擦力的增加建立新的平衡狀態(tài)。

如果此時(shí)繼續(xù)沖挖刃腳、隔墻下土體，沉井將會(huì)繼續(xù)下沉再建立新的平衡狀態(tài)，如此周而復(fù)始循環(huán)下去，直至沉井接近設(shè)計(jì)高程，不再?zèng)_土終沉穩(wěn)定為止。

3.2 沉井入土最深時(shí)的下沉系數(shù)驗(yàn)算

圖1 擋潮閘閘室沉井示意圖

沉井下沉過程中摩阻力隨深度增加而增加，當(dāng)深度達(dá)到5.1 m 后，其摩阻力達(dá)到最大值。沉井全部入土，井壁刃腳下土體全部挖空，只考慮井外壁摩阻力的作用，考察沉井能否依靠自重順利下沉到位。

K=G/ Rf1

考慮井外壁由于下沉過程中墊層砂被帶入土體與井壁之間，摩阻力作用力取f=3 t/m2，則

表明沉井能夠順利下沉到位。

3.3 沉井終沉?xí)r穩(wěn)定性驗(yàn)算

沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，刃腳及隔墻底部進(jìn)入持力層，土體標(biāo)準(zhǔn)承載力為19 t/m2，沉井在井壁外側(cè)與土體之間的摩阻力、刃腳下土體支撐力的作用下能否處于平均狀態(tài)至關(guān)重要，驗(yàn)算此狀態(tài)下沉井的下沉系數(shù)如下：

考慮井外壁摩阻力作用力取f=3 t/m2，計(jì)算偏安全，井外壁摩阻力：

刃腳受到持力層的支撐力：

則沉井克服摩阻力時(shí)下沉系數(shù)：

計(jì)算結(jié)果表明，沉井終沉后將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 非正常下沉原因分析及預(yù)控措施

4.1 下沉過快及措施

下沉過快致使質(zhì)量難以控制，容易造成偏位。下沉過快主要原因有：①遇軟弱土層，土的承載力低，因沉井自重大，單塊沉井達(dá)3060 t，致使下沉速度超過挖土速度；②因長期抽水或砂的流動(dòng)，使井壁與土的摩阻力下降；③沉井外部土體出現(xiàn)液化。

相應(yīng)的措施有：①發(fā)現(xiàn)下沉過快，可重新調(diào)整挖土部位，暫停在刃腳底部挖土；②將排水法改為不排水法下沉，以增加浮力；③在沉井外壁間填粗糙材料，或?qū)⒕獾耐梁粚?shí)，增大摩阻力。

4.2 下沉過慢及措施

下沉過慢的原因主要有：①向刃腳方向削土深度不夠，正面阻力過大；②遇孤石或大塊石等障礙物，沉井局部被擱住，或刃腳被砂礫擠實(shí)；③遇摩阻力大的土層，未采取減阻措施，或減阻措施遭到破壞，側(cè)面摩阻力增大；④在軟粘性土層中下沉，因故中途停沉過久，側(cè)壓力增大而使下沉過慢或停沉。

相應(yīng)的措施有：①將刃腳下的土分段均勻挖除，減少正面阻力，或繼續(xù)進(jìn)行第二層（深40～50 cm）碗形破土，促使刃腳下土失穩(wěn)下沉；②遇小孤石或塊石擱住，可將四周土挖空后取出；對較大孤石或塊石，可用炸藥或靜態(tài)破碎劑實(shí)施破碎后清除；③如因沉井側(cè)面摩阻力過大造成下沉過慢，一般可在沉井外側(cè)用0.2～0.4 kPa 壓力水流動(dòng)水針(或膠皮水管)沿沉井外壁空隙射水沖刷助沉，下沉后，將射水孔用砂子填滿；如因沉井四壁減阻措施被破壞造成下沉過慢，應(yīng)設(shè)法恢復(fù)；④遇硬質(zhì)膠結(jié)土層時(shí)，可用重型抓斗或加大水槍的射水壓力和水中爆破聯(lián)合作業(yè)，也可用鋼軌沖擊破壞后，再用抓斗抓出；⑤在軟粘性土層中，宜采取連續(xù)挖土、連續(xù)下沉，中間停歇時(shí)間不要過長。

4.3 瞬間突沉

原因主要有：①在軟粘土層中，沉井側(cè)面摩阻力很小，當(dāng)沉井內(nèi)挖土較深，或刃腳下土層掏空過多，使沉井失去支撐，常導(dǎo)致突然大幅下沉，或急劇下沉；②當(dāng)粘土層中挖土超過刃腳太深，形成較深鍋底，或粘土層只局部挖除，其下部存在的砂層被水力吸泥機(jī)吸空時(shí)，刃腳下的粘土一旦被水浸泡而造成失穩(wěn)，會(huì)引起突然塌陷，使沉井突沉；③沉井下遇有粉砂層，由于動(dòng)水壓力的作用，向井筒內(nèi)大量涌砂，產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，而造成急劇下沉。

相應(yīng)的措施有：①加強(qiáng)操作控制，嚴(yán)格按次序均勻挖土，避免在刃腳部位過多掏空，或挖土過深，挖土?xí)r，可在刃腳部位保留約50 cm 寬的土堤，控制均勻削土，使沉井?dāng)D土緩慢下沉；②在粘土層中嚴(yán)格控制挖土深度（一般為40 cm），不能差太多，不要使挖土超過刃腳，可避免出現(xiàn)深的鍋底將刃腳掏空，粘土層下有砂層時(shí)，應(yīng)防止將砂層吸空；③控制排水高差和深度，減小動(dòng)水壓力，防止產(chǎn)生流砂或隆起現(xiàn)象，或采取不排水下沉的方法施工。

4.4 下沉擱置

原因主要有：①沉井下沉局部遇孤石、大塊卵石、礦渣塊、磚石等被擱置、卡住，造成沉井難以下沉；②下沉中遇局部軟硬不均地基或傾斜巖層。

相應(yīng)的措施有：①下沉前仔細(xì)查看地基勘察報(bào)告，對沉井壁下部3 m以內(nèi)的各種地下障礙物，下沉前通過挖井取出；②對局部軟硬不均地基或傾斜巖層，采取先破碎開挖較硬土層或傾斜巖層，再挖較弱土層，確保其均勻下沉。

4.5 沉井傾斜

原因主要有：①土層軟硬不均，或挖土不均勻，使井內(nèi)土面高低懸殊；或局部超挖過深，使下沉不均；或刃腳下掏空過多，使沉井不均勻引發(fā)突然下沉，易導(dǎo)致沉井傾斜；②刃腳局部被石塊或埋設(shè)物擱住，未及時(shí)處理；或排水下沉，井內(nèi)一側(cè)出現(xiàn)流砂。

相應(yīng)的措施有：①根據(jù)不同土質(zhì)情況，采用不同的挖土順序，分層開挖，對稱均勻挖土，使刃腳均勻受力，沉井均勻、豎直平穩(wěn)下沉。對松軟土質(zhì)，可先挖沉井中部土層（每層約深40～50 cm），沿沉井刃腳周圍保留土堤，使沉井?dāng)D土下沉；對中等密實(shí)土質(zhì)，如刃腳土堤挖出后仍很少下沉，可再從中部向刃腳分層均勻削薄土堤，使沉井平穩(wěn)下沉；對土質(zhì)軟硬不均的土層，應(yīng)先挖硬的一側(cè)，后挖軟的一側(cè)；對流砂層只挖中間不挖四周；對堅(jiān)硬土層，可按撤除墊木順序分段掏空刃腳，并隨即回填砂礫，待最后幾段（即定位承墊木處）掏空并回填后，再分層逐步挖去回填料，使沉井均勻下沉；沉井傾斜如受地下水流方向影響時(shí)，先挖背水方向的土，后挖迎水方向的土。②刃腳遇到小塊石、孤石擱住，可將四周土挖空后除去；較大塊石或孤石，用風(fēng)鎬破碎成小塊取出。③在初沉階段，采取在刃腳較高部位的一側(cè)加強(qiáng)挖土，在較低的一側(cè)少挖土或回填砂石來糾正；在終沉階段，利用設(shè)在井外側(cè)的射水管沖刷土體或采取井外射水來糾正傾斜。④下沉井過程中加強(qiáng)測量觀測，每班觀測不少于2 次，發(fā)現(xiàn)傾斜應(yīng)及時(shí)糾正。

4.6 沉井偏移或扭位

原因主要有：①沉井產(chǎn)生位移大多是由于傾斜引起，若沉井傾斜一側(cè)土質(zhì)較松軟，在糾正傾斜時(shí)，井身往往對傾斜一側(cè)下部產(chǎn)生較大的壓力，使得井身向傾斜方向產(chǎn)生一定位移。位移大小由土質(zhì)情況及向一邊傾斜的次數(shù)決定。當(dāng)傾斜方向與軸線不平行時(shí)，糾正后則會(huì)產(chǎn)生扭位，若多次往不同方向傾斜，在糾正傾斜后則會(huì)因位移產(chǎn)生的復(fù)合作用，常導(dǎo)致沉井產(chǎn)生偏離軸線方向的扭位；②沉井傾斜未經(jīng)糾正就繼續(xù)下沉，常會(huì)使沉井向傾斜相反方向產(chǎn)生一定位移；③未及時(shí)糾正測量偏差。

相應(yīng)的措施有：①沉井群可采取中間高兩邊低的三角形狀下沉，以抵抗沉井向中間位移的趨勢；邊井采取偏沉法，保持遠(yuǎn)離岸坡的一端先沉，靠近岸坡一端再調(diào)平下沉，有意向外糾正；②加強(qiáng)測量控制和檢測，每班觀測不少于2 次，發(fā)現(xiàn)位移或扭位應(yīng)及時(shí)糾正；③及時(shí)糾正傾斜，避免在傾斜情況下繼續(xù)下沉，造成位移或扭位；④對稱除土，控制每層除土的厚度不大于50 cm，盡量使沉井均勻下沉，以減小下沉偏差，降低糾偏工作量。

4.7 下沉裂縫

原因主要有：①沉井下沉?xí)r被大孤石、漂石或其他障礙物擱住，使井壁產(chǎn)生過大拉應(yīng)力而造成裂縫；②沉井下沉?xí)r，當(dāng)刃腳底面脫空，沉井被上部土體擠緊而懸掛在土層中，在井墻內(nèi)可能產(chǎn)生較大的豎向拉力，而將井筒水平拉裂。

相應(yīng)的措施有：①認(rèn)真查看地質(zhì)勘察報(bào)告，深3 m 以內(nèi)障礙物應(yīng)在沉井制作、下沉前挖除，下沉?xí)r采取先釬探，挖除障礙物后再挖土下沉；②下沉過程中注意避免發(fā)生過大的傾斜和突然下沉。

5 結(jié)果分析

對沉井下沉過程質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對下沉過程中可能出現(xiàn)的各種不利情況，事先提出預(yù)控措施，下沉過程中加強(qiáng)實(shí)時(shí)觀測，動(dòng)態(tài)糾偏，保證下沉質(zhì)量。沉井群順利下沉可為后續(xù)底板、閘墩及翼墻等施工創(chuàng)造有利條件。本工程的成功實(shí)施，為今后類似工程施工提供了借鑒。