對向家壩水電站修建沉井復合式導墻的建議（上）

張寶聲

摘要：向家壩水電站二期縱向圍堰上游段堰體結構型式的比選優化，是對修建沉井復合式導墻進一步探討。涉及了導墻修建程序、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策，并就施工程序的關鍵項目、沉井下沉機制、沉井結構計算條件提出了見解。

關鍵詞：向家壩水電站；沉井修建；結構設計；施工程序

中圖分類號：TV551文獻標識碼：A

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

根據壩址地形，工程地質、水文特性和樞紐布置等條件，采用分期導流方式。其導流程序為：第一期先圍左岸，在左岸灘地上修筑一期土石圍堰，在基坑中進行左岸非溢流壩段及沖砂孔壩段的施工(包括預留6個導流底孔和做為二期導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，最后下閘封堵導流底孔，水庫蓄水。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45～62m。根據施工總組織的進度安排，二期縱向圍堰是在一期土石圍堰的防護下進行施工的。二期縱向圍堰修建的難點在其上游段。

1 二期縱向圍堰上游段堰體的結構型式

1.13種結構型式

二期縱向圍堰上游段的結構既要滿足第一期導流時的施工期安全，又要滿足第二期導流時的使用期安全。根據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、導水段等4小段。除導水段外，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定，進而影響一期土石圍堰的安全運用。

設計提出3種處理方案：軟基導墻方案；地連墻圍護井挖方案；沉井式擋墻方案。

1.2選定沉井復合式導墻方案

在設計進行三種方案相關結構計算和對施工方法、進度安排比較的基礎上，選擇了結構可靠性較好，施工進度保證性較高及投資最少的沉井擋墻方案。鑒于設計方案的沉井最大下沉深度達62.5m，實施該方案的難點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。為此中國三峽總公司與設計單位邀請專家進行了咨詢。設計單位按照減少沉井總體規模和下沉深度的意見，對原推薦的方案進行了再次優化。

優化的成果是二期縱向圍堰上游段除導水段外，堰體均采用沉井復合式導墻方案，沉井擋墻做為導墻的一部分。沉井總個數減至9個，最大下沉深度為上游端9號沉井的52m。沉井鋼筋混凝土與井內回填混凝土從23.02萬m3減為16.11萬m3，導墻混凝土從52.87萬m3減為41.67萬m3，優化的成果是顯著的。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砂壤土和含淤泥質粉細砂層；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，對于沉井施工而言，上部砂卵礫石層的指標是重要的。該層密度一般為1.76～2.11g/cm3(測井結果為1.85～2.15g/cm3)；相對密度在細料含量20%～7.8%時，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和較大的壓縮模量，中等荷重時(pi＝800kPa)壓縮系數最小為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厚至巨厚層微風化至新鮮的中細砂巖。受立煤灣膝狀撓曲的影響，陡傾角節理裂隙相對較發育，加之巖層面及軟弱夾層構成控制導墻墻體穩定的主要結構面。對于相對較差的T32-5和T32-3地層，應采用挖除后回填混凝土的方法處理。

3修建沉井復合式導墻的程序

3.1修建沉井式擋土墻

沉井是在一期土石圍堰已經完成堰體(施工平臺以下部分)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地高程，此時左側泄水渠的表層開挖高程應在始沉場地高程以下。沉井下沉時的積水主要來自泄水渠覆蓋層及左岸坡的地下水補給與施工用水。

始沉場地高程的確定還與地層組成與承載特性有關，要采取適當的工藝措施確保底節沉井整體的自重能逐步地轉移到承載的覆蓋層上。

沉井下沉終位后，回填井內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覆蓋層

沉井左側導墻基礎的覆蓋層開挖深達40m左右，是在沉井擋土墻施工完成后進行的。該導墻基礎左側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，施工邊坡的失穩問題最為嚴重，是否需要事先對本層進行振沖加固應及早做好預案。對導墻建基面的地質缺陷也要進行必要的挖填處理。

3.3澆筑導墻混凝土

對沉井結合面做連接處理，對沉井接縫進行換填，最終澆筑完成沉井復合式導墻。該導墻在二期導流時，其左側擋水、右側擋土或臨空，具備二期縱向圍堰安全運用的功能。

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個沉井。

沉井法施工起源于交通工程中橋墩橋臺的建造。一般分為筑島就地澆制原位下沉與陸上澆制水面浮運就位下沉兩大類。水利水電工程大多數移植沉井型式做為阻滑、防淘、導流、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號沉井剖面圖

4.1施工準備

(1)沉井施工前，應對將沉人的地層及建基面的地質勘探資料和成果進行分析。特別是地下水的滲流或補給條件更為重要，必要時應進行補充的勘探。

(2)對始沉場地的平整碾壓，必要時應進行場地的換填，以滿足底節沉井全部自重荷載作用在刃腳踏面處承壓強度的要求。一般地基承載力應大于0.3MPa。在壓實后的場地上應沿刃腳踏面范圍內外一定寬度，鋪筑30cm厚的砂礫石層，做為墊木的傳力墊層。

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

(4)吊運機械行走場地(或軌道)的鋪設，應注意避開沉井下沉時坍塌區范圍，加強場地碾壓或鋪設剛性路面，以確保機 械安全運用。吊運機械鄰近或在坍塌區內進行吊運、墊渣、填渣作業時，造成始沉地面偏壓，是沉井下沉偏斜的重要原因，應堅決禁止這種違規現象。

4.2 底節制作

(1)鋪設墊木，搗實砂礫石墊層。墊木的設置應嚴格按照支撐設計的規定進行，墊木材質和尺寸要滿足沉井模板支撐與澆筑混凝土時承載的要求；也要滿足抽墊時，局部承壓的要求，一般以后者為控制。

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

(3)順序安裝支撐排架、架立內模、綁焊鋼筋、架立外模。由于底節沉井的鋼筋含量達50～80kg/m3，綁焊鋼筋的工作量大、費時，必要時井壁鋼筋可采用沉井外鋼筋分片預制現場組裝，內隔墻鋼筋現場安裝的辦法。

(4)澆筑平臺搭設，注意與模板、支撐排架脫離，避免由于沉降變形不一致而產生安全事故。對于澆筑完畢的混凝土應進行認真地養護，低溫季節可采用覆蓋保溫被通蒸汽加熱養護的辦法，以提高混凝土的齡期強度，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移至墊木支撐的工藝過程；還要完成由墊木支撐轉移至始沉地面砂礫石層支撐的工藝過程。這是確保底節沉井澆制質量、結構安全并為正位下沉創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沉井結構設計時一個控制性的工況。

(1)拆除支撐排架是在拆除澆筑平臺、沉井內外側模板后進行的?？傮w拆除順序：“先隔墻，后周邊，兩者時間要隔開”。其中隔墻排架拆除順序為“先長向，后短向”；周邊排架拆除順序為“先短邊，后長邊，最后是設計支承點”。拆除過程中應注意觀察底節沉井頂部控制點的沉降變化，當砂礫石地層壓實較均勻時，其各點沉降是均衡的。

(2)抽除墊木應遵循“分批、對稱、斷續”與“隨抽隨回填(砂礫石料)”的原則，要平穩地將墊木支撐轉移至砂礫石地層支撐。抽墊順序應是“先短邊中心向兩端、再長邊中心向兩端、最后抽除設計支承點”。一般情況底節沉井頂部控制點均衡降沉的機率不大，大多向短邊或長邊一側微偏。此時應及時調整抽墊的順序和每批的數量，加強回填砂礫石料的搗實工作。

(3)抽墊至最后順序時，設計支承點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剪斷墊木。當始沉場地砂礫石層的地基承載力較低時，設計支承點處的墊木將被壓人地層或斷裂，這時會增加墊木損壞的數量，一般損壞數量應控制在15%的范圍之內。

(4)加強抽墊過程中井身沉降傾斜位移的觀測，沉降傾斜過大時應密切觀察井壁與隔墻頂部產生的剪切裂縫。

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，先短邊后長邊，間隔挖留支點，掏支點井下落。

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

(3)糾編的重點是下沉深度小于平面尺寸最小值1.5倍的時段，因為每次糾偏都是“扶正”，均意味著平面位置的偏移。糾偏應著重在下沉的初始階段進行。

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滲水；施工工藝的原因是沒有執行“分層均勻除碴，及時排水、同步掏挖”的挖渣原則。糾偏的措施要針對產生的原因，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)、單側有限制地使用炮振法等。

4.5 逐節澆制與下沉

(1)底節沉井正位下沉到位后，應立即用砂礫石或石渣將刃腳底部空隙填實，開始上節井身的澆制。澆制時嚴禁井壁外側模板支撐落地，應支撐在底節井身上，以防澆制過程中，由于新增上節井身荷載致使沉井沉降，進而引起模板支撐的損壞。新澆筑的混凝土應均勻鋪筑振搗，要求沉井倉內的混凝土鋪筑面高差不大于0.5m。待井身混凝土養護達到規定的齡期拆除模板后，方可進行挖渣下沉作業。

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

(3)沉井沉至終位時，應進行建基面及嵌巖驗收。驗收的內容包括井底平面位置偏差，建基面地質缺陷處理，井身裂縫調查及滲水排引措施等。澆筑回填混凝土之前應對沉井內部井壁、基巖表面進行清洗，清除殘留巖渣。(待續)