沉井技術(shù)在水電站埋藏式壓力管道工程施工中的應(yīng)用

摘 要：四川西里水電站廠房后邊坡壓力管道為洪積堆積體土質(zhì)陡坡，該邊坡成功地采用沉井支護(hù)方式，確保了邊坡的穩(wěn)定和安全，為類似工程施工提供借鑒和成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：沉井；埋藏式；壓力管道；施工；應(yīng)用

1 工程介紹

西里水電站位于四川省阿壩州黑水縣境內(nèi)，是黑水河左岸一級(jí)支流毛爾蓋河水電梯級(jí)規(guī)劃的最末一級(jí)電站。電站為引水式開發(fā)，電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等組成，電站從閘址右岸側(cè)向取水，引水隧洞沿毛爾蓋河右岸至廠房全長13556.5m。廠區(qū)建筑物主要包括：主副廠房、GIS樓、尾水渠道及進(jìn)廠公路等，廠房布置平面上采用主機(jī)間與安裝間平行于河流呈“一”字型的布置格局，主廠房尺寸57.12×16.6×34.5m（長×寬×高），安裝三臺(tái)單機(jī)容量為30MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量90MW，多年平均年發(fā)電量3.634億kW·h。毛爾蓋河是黑水河流強(qiáng)烈下切，多呈“V”字型峽谷。兩岸多為基巖出露，地表植被發(fā)育。岸坡以斜坡、陡坡為主，河岸在一定高度范圍內(nèi)多有松散堆積體分布。廠址位于西里村下游開闊平緩的Ⅱ級(jí)階地及洪積堆積體上，廠房后坡布置埋藏式壓力管道，主要為土質(zhì)陡坡，地形坡度一般在25°-35°之間。邊坡結(jié)構(gòu)松散-稍密，fk=0.20-0.25MPa，E0=25-30MPa，具較低承載力、較高壓縮性特征，弱透水性的特點(diǎn)。

2 沉井結(jié)構(gòu)介紹

沉井技術(shù)是在地面上或地坑中，先制作鋼筋砼井身，井身砼達(dá)到一定強(qiáng)度后，在井筒內(nèi)分層挖土、運(yùn)土，隨著土面逐漸降低，使井身借其自重克服與土壁之間的摩擦阻力，不斷下沉就位的一種深基礎(chǔ)或地下建筑物支護(hù)施工工藝。隨著施工技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，沉井施工工藝也得到了發(fā)展和提高，按下沉方式的不同，主要有排水法下沉、不排水法下沉、不排水鉆吸法（中心島式）下沉等。

沉井一般由井壁、刃腳、隔墻、凹槽、封底（包括底板）和頂蓋等部分組成。沉井的外壁稱為井壁，是沉井的主要部分。它應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以便承受沉井下沉過程中及使用時(shí)作用的荷載；同時(shí)還要求有足夠的重量，使沉井在自重作用下能順利下沉。刃腳位于井壁的最下端，多做成有利于切入土中的形狀。此外，還要求有一定的強(qiáng)度，以免撓曲或損壞。刃腳下部的水平面稱為踏面，其寬度視土質(zhì)的軟硬和井壁重量、厚度而定。隔墻為了加強(qiáng)沉井的剛度，或由于使用需要設(shè)置隔墻。凹槽位于刃腳的上方，使混凝土底板能和井壁更好地連接。封底下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在沉井底面用素混凝土封底，作地下建筑物的基礎(chǔ)，再在凹槽處灌筑鋼筋混凝土底板。頂蓋作為地下建筑物，在修筑好滿足內(nèi)部使用要求的各種結(jié)構(gòu)后，還要修筑頂蓋。

按沉井的橫截面形狀及豎向剖面形狀將沉井分為多種形式，其各自的特點(diǎn)也有所不同。沉井類型及特點(diǎn)見下表1。

施工程序?yàn)椋壕c(diǎn)降水→基坑開挖→砼墊層→支刃腳內(nèi)?！壴摻睢Ь谕饽！鷿踩心_井壁砼→養(yǎng)護(hù)→拆除模板→破除砼墊層→挖土下沉→C10墊層→扎底板鋼筋→澆井底板砼。

3 沉井設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，西里水電站廠房后邊坡埋藏式壓力管道邊坡采用沉井方案支護(hù)。沉井平面斷面為矩形，設(shè)計(jì)斷面尺寸為8m*8.2m，井壁鋼筋砼厚60cm，頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高為EL2135.3m，刃腳設(shè)計(jì)底標(biāo)高為EL2109.0m，沉井總長為26.3m。根據(jù)地質(zhì)和現(xiàn)場實(shí)際情況，該沉井采用“井中人工干挖取土法”施工，排水下沉，干封底。設(shè)計(jì)下沉起始標(biāo)高為EL2134.8m。

此沉井分三節(jié)澆筑，第一節(jié)高9.55m，第二節(jié)高8.30m，第三節(jié)高8.45m。砼強(qiáng)度：井壁、橫梁、拱墻為C25，封底砼墊層為C15，找平層為C20。砼總方量為652.5m3。第一節(jié)為241.49m3，第二節(jié)為201.19m3，第三節(jié)為209.82m3。鋼筋制安98.2t，鋼筋采用HRB335，砼保護(hù)層為5cm，鋼筋錨固長度為40d。

4 沉井制作

4.1 整體穩(wěn)定性計(jì)算

整體穩(wěn)定是指由于井內(nèi)、外土體的高差達(dá)到一定程度后，井外土體在自重的作用下擠入井內(nèi)而造成周圍土體和沉井一起下沉。對(duì)軟土地質(zhì)應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定的計(jì)算。

采用瑞典條分法進(jìn)行驗(yàn)算。

式中：Ks-穩(wěn)定安全系數(shù)；R-圓弧的半徑，（m）；L-弧長，（m）；W-滑動(dòng)土塊的重量，（KN）；C-粘聚力，Kpa；？準(zhǔn)-土的內(nèi)摩擦角，度；αi-第i土條底面中點(diǎn)的法線與豎直線的夾角，度。

如驗(yàn)算不能滿足要求，可采用攪拌樁或白灰樁對(duì)基底進(jìn)行加固處理，處理后方可進(jìn)行沉井的施工。

4.2 沉井制作場地

沉井在地面上施工時(shí)，為了減少下沉的深度，一般在沉井制作前開挖基坑，基坑的位置應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的坐標(biāo)確定，基坑底的平面尺寸應(yīng)滿足施工的需要?；拥酌嫠闹軕?yīng)設(shè)斷面不小于30cm×30cm的排水溝，并接入基坑內(nèi)的集水井中，集水井應(yīng)比排水溝深50cm，用排水泵將集水井內(nèi)的水排到基坑外指定的地方?；娱_挖的深度應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、地下水位、現(xiàn)場施工條件等確定。

4.3 沉井地基處理

當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足制作沉井的需要時(shí)，刃腳下應(yīng)鋪設(shè)墊木或混凝土承墊層，并根據(jù)計(jì)算決定是否在其下鋪砂墊層。當(dāng)?shù)鼗休d力可以滿足制作沉井的需要時(shí)，可采用土胎?；虼u模做刃腳。

4.4 沉井井筒

4.4.1 刃腳的制作

沉井刃腳的支模方法視沉井自重、施工荷載和地基土的承載力等情況，分為墊木支模、混凝土承墊層支模和土模。

4.4.2 井壁的制作

模板采用定型組合鋼模板，包括平面鋼模P3015、P2015、P1015等和轉(zhuǎn)角模板。聯(lián)接采用標(biāo)準(zhǔn)扣件。模板支撐采用Φ48腳手管、Φ12螺桿和拉筋固定，拆模后表面不留鋼筋頭，拉模筋孔采用砂漿及時(shí)填補(bǔ)。局部補(bǔ)縫采用現(xiàn)立木模，面板為5cm厚杉木板，圍檁采用5cm×10cm方木或Φ48鋼管，內(nèi)拉方式與現(xiàn)立組合鋼模相同。

鋼筋按照圖紙尺寸和鋼筋下料表，在鋼筋加工場加工成型，用10t平板汽車運(yùn)至現(xiàn)場，再用塔機(jī)或25噸吊車吊運(yùn)至工作面安裝。

鋼筋制安的基本程序?yàn)椋鹤x圖→編制鋼筋加工料表→鋼筋廠加工成型→現(xiàn)場安裝→調(diào)整→“三檢制”驗(yàn)收→監(jiān)理驗(yàn)收。

鋼筋的存儲(chǔ)：到貨鋼筋應(yīng)根據(jù)原附質(zhì)量證明書或者試驗(yàn)證明單，按照不同等級(jí)、牌號(hào)、規(guī)格及生產(chǎn)廠家分批驗(yàn)收檢查每批鋼筋的外觀質(zhì)量等，并測量鋼筋的直徑。不符合質(zhì)量要求的不得使用。驗(yàn)收后的鋼筋按照不同等級(jí)、牌號(hào)、規(guī)格及廠家分別掛牌堆放，不得混雜。鋼筋不與酸、鹽、油等物品存放在一起，堆放地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離有害氣體，采取措施防止鋼筋銹蝕或污染。

鋼筋的加工：鋼筋加工均在鋼筋場內(nèi)完成：（1）對(duì)已彎曲或變形的鋼筋采用鋼筋調(diào)直機(jī)進(jìn)行調(diào)直；（2）鋼筋切割在斷筋機(jī)或鋼筋切割機(jī)上切割，不得采用氣割或其它熱切割；（3）鋼筋按設(shè)計(jì)圖紙要求的形式在彎曲機(jī)上彎曲，對(duì)小箍筋可采用人工彎曲。鋼筋嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙的形式進(jìn)行加工，加工的誤差必須滿足表2、表3規(guī)定。

鋼筋安裝：（1）本工程所有鋼筋均在倉號(hào)人工進(jìn)行安裝。（2）鋼筋安裝的位置、間距嚴(yán)格按設(shè)計(jì)文件及規(guī)范的要求執(zhí)行，做好鋼筋架立、加固工作，使安裝后的鋼筋具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。（3）在混凝土澆筑過程中，安排專人負(fù)責(zé)檢查鋼筋架立位置。如發(fā)現(xiàn)移動(dòng)則及時(shí)矯正，并防止為方便混凝土澆筑而擅自移動(dòng)或割除鋼筋現(xiàn)象發(fā)生。

鋼筋接頭施工：（1）直徑在Φ28mm及以下的鋼筋，采用電渣壓力焊焊接或搭接接頭電弧焊焊接。采用電弧焊時(shí)，單面焊焊接長度為10d，雙面焊焊接長度為5d。優(yōu)先考慮采用電渣壓力焊焊接。（2）對(duì)于直徑在Φ32mm及以上（包括Φ32mm）的鋼筋，采用幫條手工電弧焊焊接，單面焊焊接長度為10d，雙面焊焊接長度為5d。（3）采用焊接工藝時(shí)，按有關(guān)的規(guī)范要求執(zhí)行，電焊工必須做到持證上崗。

混凝土澆筑：（1）應(yīng)將沉井井壁四周分成若干段，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)對(duì)稱、均勻、分層進(jìn)行，避免高差懸殊，壓力不均勻造成地基不均勻下沉或產(chǎn)生傾斜。（2）有抗?jié)B要求時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)采用抗?jié)B混凝土。上、下節(jié)井壁的施工縫要處理好，以防滲水。施工縫可作成凹式或凸式。施工縫處鑿毛并沖洗干凈后，先澆一層砂漿，然后再繼續(xù)正常澆筑混凝土。井筒混凝土允許偏差見表4。

表4 井筒混凝土允許偏差

5 沉井下沉

5.1 沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算

本沉井下沉高度按5m考慮，采取一次制作、一次下沉，制作時(shí)應(yīng)保證其穩(wěn)定性，使沉井能在自重下順利下沉，其下沉系數(shù)不小于1.15，可按下式計(jì)算：K=（Q-B）/[L（H-2.5）f+R]≥1.15（當(dāng)H≥5m時(shí)）。

式中：Q-沉井自重及附加荷重（t）；B-被井壁排除的水重（t），當(dāng)干施工時(shí)B=0；H-沉井下沉深度（m）；L-沉井外部周長（m）；2.5-按摩擦力在深5m時(shí)達(dá)到最大值，5m以下保持常值；f-單位面積摩擦力的平均值，取16KN/m2；R-刃腳反力，當(dāng)挖空時(shí)R=0。

第一次制作高度為9.55m，其混凝土量為：241.49m3，取R=0，f=16KN/m2，則計(jì)算結(jié)果如下所示：

K=（241.49×25-0）÷[（8+8.2）×2×（9.55-2.5）×16+0]=1.65，K大于1.15，可以滿足下沉要求。

5.2 挖土下沉

5.2.1 沉井下沉準(zhǔn)備

當(dāng)沉井井筒的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上時(shí)，方可拆除模板、承墊層進(jìn)行下沉。沉井下沉前，應(yīng)封堵井壁全部預(yù)留孔洞，對(duì)較大的孔洞可用水泥砂漿砌磚封堵，并在靠土的一側(cè)用水泥砂漿抹平。沉井下沉前應(yīng)檢查降、排水效果，符合設(shè)計(jì)要求后方可開始下沉。放線定位：沉井下沉前先在內(nèi)外井壁上各對(duì)稱彈出4條垂線，以測定沉井下沉?xí)r的傾斜度。在沉井內(nèi)部4條垂線的頂端懸掛垂球，并在刃腳處設(shè)標(biāo)盤，觀察沉井偏斜度，以便及時(shí)糾偏。在沉井外壁沿4條垂線繪制水平測量標(biāo)尺，并在基坑的相對(duì)位置設(shè)水平指示標(biāo)尺，以此測定沉井的下沉量及下沉偏差。

5.2.2 破墊

抽除墊木或破除混凝土墊層之前，應(yīng)對(duì)墊木或混凝土墊層進(jìn)行分組編號(hào)，從沉井平面上互相垂直的兩條軸線等距點(diǎn)開始，同時(shí)分組，依次對(duì)稱的向軸線方向抽出墊木或破除混凝土墊層。如沉井內(nèi)有內(nèi)隔墻時(shí)，應(yīng)先抽出內(nèi)隔墻下墊木或破除墊層，然后再抽除外墻墊木或破除墊層。破墊的方法是分段將墊木底部的土挖空抽出并用砂填實(shí)，或?qū)⒒炷翂|破除并用砂填實(shí)。施工時(shí)必須有專人指揮、互相協(xié)調(diào)、各段進(jìn)度一致，并連續(xù)作業(yè)直至完成。

5.2.3 下沉

根據(jù)沉井處的地質(zhì)、水文情況，施工現(xiàn)場已有建筑物、構(gòu)筑物和地下管線的要求，施工隊(duì)伍的施工能力等方面可采用不排水下沉或排水下沉的施工方法。

本工程采用井點(diǎn)降水排水挖土下沉。降水深度在6m以內(nèi)可采用輕型井點(diǎn)進(jìn)行降水，超過6m應(yīng)采用深井降水。井點(diǎn)的布置應(yīng)沿沉井的四周，布置的數(shù)量應(yīng)通過計(jì)算確定。

采用人工挖土，塔吊垂直提升運(yùn)土，自卸車運(yùn)土。應(yīng)分層進(jìn)行挖土，每層厚度約為30cm，應(yīng)從中央向四周挖土，中央部分的土面應(yīng)始終低于四周土面30cm以上；雙孔和多孔沉井中的土面應(yīng)相平，其高差不大于20cm。沿刃腳內(nèi)壁應(yīng)保留土臺(tái)，土臺(tái)的寬度可根據(jù)土質(zhì)決定，一般為1m左右。沉井下沉?xí)r，按平面軸線的位置逐層沿四周挖去土臺(tái)。當(dāng)土臺(tái)經(jīng)不住沉井刃腳的擠壓時(shí)土體破壞塌落，沉井便均勻地下沉，每次下沉宜控制在20cm左右。在挖除刃腳附近和刃腳下部的土?xí)r要求對(duì)稱均勻，挖土的速度要相同，土面高程要保持一致。

5.3 沉井干封底

當(dāng)沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)觀測8h累計(jì)下沉量不大于10mm時(shí)，即應(yīng)進(jìn)行沉井封底，沉井封底的施工方法有排水封底和不排水封底。本工程采用排水法封底。

5.3.1 施工準(zhǔn)備

（1）當(dāng)沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，井內(nèi)繼續(xù)降水，地下水位在基底以下不少于0.5m，清除井底余土，整平土基，使土基由沉井內(nèi)壁四周向集水井傾斜，在集水井處為最低點(diǎn)。

（2）由集水井向井壁四周輻射挖排水溝，然后在土基上鋪5-10cm粗砂或細(xì)石，在其上及排水溝底和壁上鋪土工布，在土工布上及排水溝內(nèi)填鋪碎石濾料，使沉井底的地下水通過濾料層及排水盲溝匯集到集水井中用泵排出。

（3）為防止?jié)仓|層混凝土?xí)r污染濾料，以及防止新澆筑的混凝土在凝固前被地下水沖刷，應(yīng)在濾料上鋪土工布或塑料布，作為混凝土和濾料的隔離層，在隔離層上澆筑混凝土墊層和鋼筋混凝土底板。墊層和底板應(yīng)留出集水井的位置，待強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)封底。

5.3.2 施工方法

（1）法蘭盤短管封底法。澆筑沉井底板混凝土?xí)r，在集水井處預(yù)埋帶止水環(huán)的法蘭鋼管，其內(nèi)徑一般為60cm左右。法蘭鋼管盤面的高程，應(yīng)低于底板混凝土面20-30cm，從法蘭鋼管中排除地下水。待底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且滿足抗浮要求時(shí)，停止抽水，將排水泵從法蘭鋼管中拔出，并迅速蓋上法蘭蓋和止水墊圈，用螺栓擰緊至不漏水。然后將該處底板混凝土補(bǔ)齊。補(bǔ)澆混凝土前應(yīng)將新舊混凝土接茬處沖洗干凈。

（2）快硬水泥封底法。當(dāng)?shù)叵滤克枯^少，集水井內(nèi)的地下水抽干后，水面上升到土基的時(shí)間在4h以上時(shí)，可不使用法蘭鋼管，而采用直接封底法，即在排凈集水井內(nèi)的地下水后，用快硬水泥拌制的混凝土，或摻入速凝劑的混凝土（控制終凝時(shí)間少于4h），將集水井處預(yù)留的墊層和混凝土底板鋪上。在補(bǔ)澆混凝土前應(yīng)將新舊混凝土接茬處沖洗干凈，剔除浮石、雜物，以利于新舊混凝土的結(jié)合。本工程采用水泥封底法施工。

6 沉井糾偏措施

沉井在下沉過程中，時(shí)常出現(xiàn)井筒傾斜、沉井位置偏移等情況時(shí)，應(yīng)立即分析原因，進(jìn)行糾偏。

6.1 沉井傾斜糾偏

原因分析：（1）沉井四周土質(zhì)軟硬不均；（2）沒有均勻挖土，使沉井內(nèi)土面高差懸殊；（3）刃腳一側(cè)被障礙物攔??；（4）沉井外面有棄土或堆物，井上附加荷重分布不均造成對(duì)井壁的偏壓。

糾正傾斜的方法：（1）沉井四周土質(zhì)軟硬不均及挖土不當(dāng)引起的沉井傾斜的糾偏方法有三種，其一是挖土糾偏，即通過調(diào)整挖土的高差，及調(diào)整沉井刃腳處保留土臺(tái)的寬度，進(jìn)行糾偏。其二是射水糾偏，沉井在下沉過程中發(fā)生偏斜而用挖土糾偏仍不見效時(shí)，采用下沉較慢一側(cè)的沉井井筒外部沿外壁四周注射壓力水，使該處的土成為泥漿，以減小土的抗力。其三是局部增加荷載糾偏，當(dāng)井筒下沉過程中出現(xiàn)傾斜時(shí)，可在井筒較高的一側(cè)增加荷載（一般采用鐵塊、砂石袋加壓），促使井筒較高側(cè)較快下沉。（2）因刃腳一側(cè)遇較小孤石，可將四周土掏空后將孤石取出；較大孤石可用松動(dòng)爆破方法將大孤石破碎成小塊取出。（3）因井外棄土或堆物以及井上附加荷載分布不均造成的傾斜。其糾偏方法為：將井外棄土或堆物清除；調(diào)整井上附加荷載的位置，使其荷載均勻。

6.2 沉井位移糾偏

原因分析：沉井下沉中發(fā)現(xiàn)位移，大多是由于傾斜引起的，當(dāng)發(fā)生傾斜和糾斜時(shí)，井身常向一側(cè)的下部增加較大壓力，因而產(chǎn)生一定位移。位移的大小隨土質(zhì)情況及向一側(cè)傾斜的次數(shù)而定。

糾正位移的方法：（1）控制沉井不再偏移的方向傾斜。（2）有意使沉井向偏移的相反方向傾斜，當(dāng)幾次傾斜糾正后，即可恢復(fù)到正確位置。

7 結(jié)束語

沉井在深基坑或地下建筑物支護(hù)施工中具有由于其占地面積小，不需要板樁圍護(hù)，技術(shù)上又比較穩(wěn)妥可靠；與大型開挖相比挖方量較小，節(jié)約工程投資；無需特殊的專業(yè)設(shè)備，操作較簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此在國內(nèi)外工程施工中得到廣泛采用和發(fā)展。2012年6月至9月，作者主持完成了四川西里水電站廠房后邊坡埋藏式壓力管道沉井支護(hù)施工，施工效果較理想，為類似工程施工提供借鑒和成功經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡介：王利（1976，4-），男，漢族，四川仁壽人，高級(jí)工程師，中國水利水電第十工程局嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程項(xiàng)目經(jīng)理部副經(jīng)理兼總工程師，長期從事水利水電施工技術(shù)與項(xiàng)目管理工作。