浅析三洋港枢纽工程挡潮闸沉井下沉质量控制

绪星飞 杨国平

（1.江苏省水利建设工程有限公司，江苏 扬州 225002；2.江苏省水利工程建设局，江苏 南京 210029）

新沭河治理三洋港枢纽工程位于江苏省连云港市郊临洪口，枢纽的主要建筑物包括：挡潮闸工程、排水闸工程及上、下游引河扩挖工程等，其中，挡潮闸工程为大（1）型工程，共33 孔，单孔净宽15 m，总净宽495 m，总宽576.92 m，设计洪水标准为50年一遇，设计流量6400 m3/s。挡潮闸、排水闸闸室基础均为沉井基础，挡潮闸共17 只沉井，其中，16 只沉井顺水流向长为17.9 m，垂直水流向长为34 m，位于沉井群中间1 只沉井顺水流向长为17.9 m，垂直水流向长为16.9 m，井壁刃脚底高程▽-10.6 m，沉井顶高程▽-3.1 m，沉井间间距为1.1 m，沉井制作时刃脚底高程▽-3.9 m，沉井制作层为淤泥和淤泥质壤土夹粉土、粉砂，承载力标准值为4 t/m2，沉井下沉到位后的持力层为粘土和粉质粘土夹砂礓及粉土，承载力标准值为19 t/m2。沉井下沉采用两边低中间高三角形状下沉方法。

1 下沉过程质量控制要点分析

由于相邻沉井间间距仅有1.1 m，下沉过程中相互影响十分明显。沉井群有向中间位移的趋势，特别是边井两端面所受土压力差较大，下沉过程中，两边井极易向中间位移靠拢，控制不当极易造成沉井偏位。由于土质的复杂性，且下沉深度仅为6.7 m，一旦发生偏位，纠偏困难，故下沉过程质量控制显得尤为重要。

2 下沉前组织准备工作

（1）建立下沉质量控制领导小组。施工单位成立了沉井下沉质量控制小组，由项目总工程师任组长，沉井下沉施工队队长任副组长，观测小组长、相关技术人员及施工班组长为小组成员。

（2）严格专项方案审查及交底制度。施工单位组织编制了沉井下沉专项施工方案，并组织召开专家审查会对方案进行审查，对审查通过的方案提交监理审批，并组织沉井下沉质量控制小组人员及作业人员进行技术交底。

（3）实施动态观测及纠偏措施。下沉前在每只沉井的四角自下而上绘制高程指示刻度线，并设立高度观察指针，下沉过程中因受土体扰动，经常性对指针的精度加以校正；沉井群的两端设立观测装置，用于观测沉井下沉过程中上下游方向位移情况；沉井的顶部四角设立固定观测点，用全站仪和水准仪分别观测沉井的水平位移及下沉量。沉井每下沉1 m，即检测井位，控制井位平面位移值不大于25 cm，通过正交检测井壁倾斜度，控制倾斜偏差不大于下沉总深度的2%，并做好相应的记录，通过对下沉数据综合分析，指导后续纠编工作。

（4）加强值班值守，保持讯息畅通。因沉井下沉为连续作业，下沉期间，施工单位安排工程技术人员分4个班次进行全天候值班，督促作业人员按专项方案进行下沉和纠偏，及时反馈沉井下沉情况。

3 挡潮闸闸室沉井下沉系数验算

3.1 初沉阶段的下沉系数验算

（1）考虑隔墙下混凝土垫层及砂垫层部分拆除、刃脚处砖胎模拆除、砂垫层未拆除时的下沉系数为：

式中：

G—井体自重，G=γV=2.5×1224=3060 t；

P—井壁刃脚踏面中心周长，取169.4 m；

A—井刃脚踏面及其下面砂垫层下扩散面积之和，A=（0.4+1.05×2）×169.4=423.5 m2。

此工况下若沉井下沉，则砂垫层下的土体将发生剪切破坏，此状态下土体承载力达到极限承载力。刃脚下土体极限承载力fv：

根据地质资料查表或计算得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。

计算得fv=9.25 t/m2，则

由计算得知，下沉系数小于1，表明刃脚下砖胎模拆除后砂垫层未拆除前沉井不会下沉。只要分批对称拆除四周外墙下的砂垫层，沉井将会缓慢下沉。

（2）挡潮闸闸室沉井见示意图1。沉井初沉时，当井壁刃脚进入土体内0.5 m，隔墙下的砂垫层厚度为0 时，对沉井的稳定最不利，对该工况条件下沉井下沉系数的验算如下：

沉井自重G=3060 t；

沉井井壁在砂垫中的摩擦力

井壁与砂垫层的摩擦力系数取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；

因与井壁接触的土中带有砂，井壁与土的摩擦力系数取2.5 t/m2；

当刃脚下的土体发生剪切破坏时的极限承载力为

查表或计算得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，计算得fv=5.92 t/m2；

支撑刃脚的土体面

刃脚下受到土体作用力

隔墙底面比刃脚高0.5 m，其下土体承载力按标准承载力取4.0 t/m2；

隔墙受到土体作用力

P2=fvA2=4.0×44.1=176.4 t；

此状态下沉井初沉时的下沉系数

表明在此工况条件下，沉井下沉，但不会发生突沉现象。

当沉井下沉至隔墙下土体剪切破坏达到极限承载力时，隔墙受到土体作用力P2=fvA2=5.92×44.1=261 t。

此状态下沉井初沉时下沉井下沉系数

沉井即使下沉也会随着摩擦力的增加建立新的平衡状态。

如果此时继续冲挖刃脚、隔墙下土体，沉井将会继续下沉再建立新的平衡状态，如此周而复始循环下去，直至沉井接近设计高程，不再冲土终沉稳定为止。

3.2 沉井入土最深时的下沉系数验算

图1 挡潮闸闸室沉井示意图

沉井下沉过程中摩阻力随深度增加而增加，当深度达到5.1 m 后，其摩阻力达到最大值。沉井全部入土，井壁刃脚下土体全部挖空，只考虑井外壁摩阻力的作用，考察沉井能否依靠自重顺利下沉到位。

K=G/ Rf1

考虑井外壁由于下沉过程中垫层砂被带入土体与井壁之间，摩阻力作用力取f=3 t/m2，则

表明沉井能够顺利下沉到位。

3.3 沉井终沉时稳定性验算

沉井下沉至设计标高时，刃脚及隔墙底部进入持力层，土体标准承载力为19 t/m2，沉井在井壁外侧与土体之间的摩阻力、刃脚下土体支撑力的作用下能否处于平均状态至关重要，验算此状态下沉井的下沉系数如下：

考虑井外壁摩阻力作用力取f=3 t/m2，计算偏安全，井外壁摩阻力：

刃脚受到持力层的支撑力：

则沉井克服摩阻力时下沉系数：

计算结果表明，沉井终沉后将处于稳定状态。

4 非正常下沉原因分析及预控措施

4.1 下沉过快及措施

下沉过快致使质量难以控制，容易造成偏位。下沉过快主要原因有：①遇软弱土层，土的承载力低，因沉井自重大，单块沉井达3060 t，致使下沉速度超过挖土速度；②因长期抽水或砂的流动，使井壁与土的摩阻力下降；③沉井外部土体出现液化。

相应的措施有：①发现下沉过快，可重新调整挖土部位，暂停在刃脚底部挖土；②将排水法改为不排水法下沉，以增加浮力；③在沉井外壁间填粗糙材料，或将井外的土夯实，增大摩阻力。

4.2 下沉过慢及措施

下沉过慢的原因主要有：①向刃脚方向削土深度不够，正面阻力过大；②遇孤石或大块石等障碍物，沉井局部被搁住，或刃脚被砂砾挤实；③遇摩阻力大的土层，未采取减阻措施，或减阻措施遭到破坏，侧面摩阻力增大；④在软粘性土层中下沉，因故中途停沉过久，侧压力增大而使下沉过慢或停沉。

相应的措施有：①将刃脚下的土分段均匀挖除，减少正面阻力，或继续进行第二层（深40～50 cm）碗形破土，促使刃脚下土失稳下沉；②遇小孤石或块石搁住，可将四周土挖空后取出；对较大孤石或块石，可用炸药或静态破碎剂实施破碎后清除；③如因沉井侧面摩阻力过大造成下沉过慢，一般可在沉井外侧用0.2～0.4 kPa 压力水流动水针(或胶皮水管)沿沉井外壁空隙射水冲刷助沉，下沉后，将射水孔用砂子填满；如因沉井四壁减阻措施被破坏造成下沉过慢，应设法恢复；④遇硬质胶结土层时，可用重型抓斗或加大水枪的射水压力和水中爆破联合作业，也可用钢轨冲击破坏后，再用抓斗抓出；⑤在软粘性土层中，宜采取连续挖土、连续下沉，中间停歇时间不要过长。

4.3 瞬间突沉

原因主要有：①在软粘土层中，沉井侧面摩阻力很小，当沉井内挖土较深，或刃脚下土层掏空过多，使沉井失去支撑，常导致突然大幅下沉，或急剧下沉；②当粘土层中挖土超过刃脚太深，形成较深锅底，或粘土层只局部挖除，其下部存在的砂层被水力吸泥机吸空时，刃脚下的粘土一旦被水浸泡而造成失稳，会引起突然塌陷，使沉井突沉；③沉井下遇有粉砂层，由于动水压力的作用，向井筒内大量涌砂，产生流砂现象，而造成急剧下沉。

相应的措施有：①加强操作控制，严格按次序均匀挖土，避免在刃脚部位过多掏空，或挖土过深，挖土时，可在刃脚部位保留约50 cm 宽的土堤，控制均匀削土，使沉井挤土缓慢下沉；②在粘土层中严格控制挖土深度（一般为40 cm），不能差太多，不要使挖土超过刃脚，可避免出现深的锅底将刃脚掏空，粘土层下有砂层时，应防止将砂层吸空；③控制排水高差和深度，减小动水压力，防止产生流砂或隆起现象，或采取不排水下沉的方法施工。

4.4 下沉搁置

原因主要有：①沉井下沉局部遇孤石、大块卵石、矿渣块、砖石等被搁置、卡住，造成沉井难以下沉；②下沉中遇局部软硬不均地基或倾斜岩层。

相应的措施有：①下沉前仔细查看地基勘察报告，对沉井壁下部3 m以内的各种地下障碍物，下沉前通过挖井取出；②对局部软硬不均地基或倾斜岩层，采取先破碎开挖较硬土层或倾斜岩层，再挖较弱土层，确保其均匀下沉。

4.5 沉井倾斜

原因主要有：①土层软硬不均，或挖土不均匀，使井内土面高低悬殊；或局部超挖过深，使下沉不均；或刃脚下掏空过多，使沉井不均匀引发突然下沉，易导致沉井倾斜；②刃脚局部被石块或埋设物搁住，未及时处理；或排水下沉，井内一侧出现流砂。

相应的措施有：①根据不同土质情况，采用不同的挖土顺序，分层开挖，对称均匀挖土，使刃脚均匀受力，沉井均匀、竖直平稳下沉。对松软土质，可先挖沉井中部土层（每层约深40～50 cm），沿沉井刃脚周围保留土堤，使沉井挤土下沉；对中等密实土质，如刃脚土堤挖出后仍很少下沉，可再从中部向刃脚分层均匀削薄土堤，使沉井平稳下沉；对土质软硬不均的土层，应先挖硬的一侧，后挖软的一侧；对流砂层只挖中间不挖四周；对坚硬土层，可按撤除垫木顺序分段掏空刃脚，并随即回填砂砾，待最后几段（即定位承垫木处）掏空并回填后，再分层逐步挖去回填料，使沉井均匀下沉；沉井倾斜如受地下水流方向影响时，先挖背水方向的土，后挖迎水方向的土。②刃脚遇到小块石、孤石搁住，可将四周土挖空后除去；较大块石或孤石，用风镐破碎成小块取出。③在初沉阶段，采取在刃脚较高部位的一侧加强挖土，在较低的一侧少挖土或回填砂石来纠正；在终沉阶段，利用设在井外侧的射水管冲刷土体或采取井外射水来纠正倾斜。④下沉井过程中加强测量观测，每班观测不少于2 次，发现倾斜应及时纠正。

4.6 沉井偏移或扭位

原因主要有：①沉井产生位移大多是由于倾斜引起，若沉井倾斜一侧土质较松软，在纠正倾斜时，井身往往对倾斜一侧下部产生较大的压力，使得井身向倾斜方向产生一定位移。位移大小由土质情况及向一边倾斜的次数决定。当倾斜方向与轴线不平行时，纠正后则会产生扭位，若多次往不同方向倾斜，在纠正倾斜后则会因位移产生的复合作用，常导致沉井产生偏离轴线方向的扭位；②沉井倾斜未经纠正就继续下沉，常会使沉井向倾斜相反方向产生一定位移；③未及时纠正测量偏差。

相应的措施有：①沉井群可采取中间高两边低的三角形状下沉，以抵抗沉井向中间位移的趋势；边井采取偏沉法，保持远离岸坡的一端先沉，靠近岸坡一端再调平下沉，有意向外纠正；②加强测量控制和检测，每班观测不少于2 次，发现位移或扭位应及时纠正；③及时纠正倾斜，避免在倾斜情况下继续下沉，造成位移或扭位；④对称除土，控制每层除土的厚度不大于50 cm，尽量使沉井均匀下沉，以减小下沉偏差，降低纠偏工作量。

4.7 下沉裂缝

原因主要有：①沉井下沉时被大孤石、漂石或其他障碍物搁住，使井壁产生过大拉应力而造成裂缝；②沉井下沉时，当刃脚底面脱空，沉井被上部土体挤紧而悬挂在土层中，在井墙内可能产生较大的竖向拉力，而将井筒水平拉裂。

相应的措施有：①认真查看地质勘察报告，深3 m 以内障碍物应在沉井制作、下沉前挖除，下沉时采取先钎探，挖除障碍物后再挖土下沉；②下沉过程中注意避免发生过大的倾斜和突然下沉。

5 结果分析

对沉井下沉过程质量控制的关键环节进行分析，对下沉过程中可能出现的各种不利情况，事先提出预控措施，下沉过程中加强实时观测，动态纠偏，保证下沉质量。沉井群顺利下沉可为后续底板、闸墩及翼墙等施工创造有利条件。本工程的成功实施，为今后类似工程施工提供了借鉴。