沉井技术在水电站埋藏式压力管道工程施工中的应用

摘 要：四川西里水电站厂房后边坡压力管道为洪积堆积体土质陡坡，该边坡成功地采用沉井支护方式，确保了边坡的稳定和安全，为类似工程施工提供借鉴和成功经验。

关键词：沉井；埋藏式；压力管道；施工；应用

1 工程介绍

西里水电站位于四川省阿坝州黑水县境内，是黑水河左岸一级支流毛尔盖河水电梯级规划的最末一级电站。电站为引水式开发，电站由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等组成，电站从闸址右岸侧向取水，引水隧洞沿毛尔盖河右岸至厂房全长13556.5m。厂区建筑物主要包括：主副厂房、GIS楼、尾水渠道及进厂公路等，厂房布置平面上采用主机间与安装间平行于河流呈“一”字型的布置格局，主厂房尺寸57.12×16.6×34.5m（长×宽×高），安装三台单机容量为30MW的立轴混流式水轮发电机组，装机容量90MW，多年平均年发电量3.634亿kW·h。毛尔盖河是黑水河流强烈下切，多呈“V”字型峡谷。两岸多为基岩出露，地表植被发育。岸坡以斜坡、陡坡为主，河岸在一定高度范围内多有松散堆积体分布。厂址位于西里村下游开阔平缓的Ⅱ级阶地及洪积堆积体上，厂房后坡布置埋藏式压力管道，主要为土质陡坡，地形坡度一般在25°-35°之间。边坡结构松散-稍密，fk=0.20-0.25MPa，E0=25-30MPa，具较低承载力、较高压缩性特征，弱透水性的特点。

2 沉井结构介绍

沉井技术是在地面上或地坑中，先制作钢筋砼井身，井身砼达到一定强度后，在井筒内分层挖土、运土，随着土面逐渐降低，使井身借其自重克服与土壁之间的摩擦阻力，不断下沉就位的一种深基础或地下建筑物支护施工工艺。随着施工技术的不断更新和进步，沉井施工工艺也得到了发展和提高，按下沉方式的不同，主要有排水法下沉、不排水法下沉、不排水钻吸法（中心岛式）下沉等。

沉井一般由井壁、刃脚、隔墙、凹槽、封底（包括底板）和顶盖等部分组成。沉井的外壁称为井壁，是沉井的主要部分。它应有足够的强度，以便承受沉井下沉过程中及使用时作用的荷载；同时还要求有足够的重量，使沉井在自重作用下能顺利下沉。刃脚位于井壁的最下端，多做成有利于切入土中的形状。此外，还要求有一定的强度，以免挠曲或损坏。刃脚下部的水平面称为踏面，其宽度视土质的软硬和井壁重量、厚度而定。隔墙为了加强沉井的刚度，或由于使用需要设置隔墙。凹槽位于刃脚的上方，使混凝土底板能和井壁更好地连接。封底下沉到设计标高后，在沉井底面用素混凝土封底，作地下建筑物的基础，再在凹槽处灌筑钢筋混凝土底板。顶盖作为地下建筑物，在修筑好满足内部使用要求的各种结构后，还要修筑顶盖。

按沉井的横截面形状及竖向剖面形状将沉井分为多种形式，其各自的特点也有所不同。沉井类型及特点见下表1。

施工程序为：井点降水→基坑开挖→砼垫层→支刃脚内模→绑扎钢筋→支井壁外模→浇刃脚井壁砼→养护→拆除模板→破除砼垫层→挖土下沉→C10垫层→扎底板钢筋→浇井底板砼。

3 沉井设计方案

根据设计要求，西里水电站厂房后边坡埋藏式压力管道边坡采用沉井方案支护。沉井平面断面为矩形，设计断面尺寸为8m*8.2m，井壁钢筋砼厚60cm，顶面设计标高为EL2135.3m，刃脚设计底标高为EL2109.0m，沉井总长为26.3m。根据地质和现场实际情况，该沉井采用“井中人工干挖取土法”施工，排水下沉，干封底。设计下沉起始标高为EL2134.8m。

此沉井分三节浇筑，第一节高9.55m，第二节高8.30m，第三节高8.45m。砼强度：井壁、横梁、拱墙为C25，封底砼垫层为C15，找平层为C20。砼总方量为652.5m3。第一节为241.49m3，第二节为201.19m3，第三节为209.82m3。钢筋制安98.2t，钢筋采用HRB335，砼保护层为5cm，钢筋锚固长度为40d。

4 沉井制作

4.1 整體稳定性计算

整体稳定是指由于井内、外土体的高差达到一定程度后，井外土体在自重的作用下挤入井内而造成周围土体和沉井一起下沉。对软土地质应进行整体稳定的计算。

采用瑞典条分法进行验算。

式中：Ks-稳定安全系数；R-圆弧的半径，（m）；L-弧长，（m）；W-滑动土块的重量，（KN）；C-粘聚力，Kpa；？准-土的内摩擦角，度；αi-第i土条底面中点的法线与竖直线的夹角，度。

如验算不能满足要求，可采用搅拌桩或白灰桩对基底进行加固处理，处理后方可进行沉井的施工。

4.2 沉井制作场地

沉井在地面上施工时，为了减少下沉的深度，一般在沉井制作前开挖基坑，基坑的位置应根据设计的坐标确定，基坑底的平面尺寸应满足施工的需要。基坑底面四周应设断面不小于30cm×30cm的排水沟，并接入基坑内的集水井中，集水井应比排水沟深50cm，用排水泵将集水井内的水排到基坑外指定的地方。基坑开挖的深度应根据土质、地下水位、现场施工条件等确定。

4.3 沉井地基处理

当地基承载力不能满足制作沉井的需要时，刃脚下应铺设垫木或混凝土承垫层，并根据计算决定是否在其下铺砂垫层。当地基承载力可以满足制作沉井的需要时，可采用土胎模或砖模做刃脚。

4.4 沉井井筒

4.4.1 刃脚的制作

沉井刃脚的支模方法视沉井自重、施工荷载和地基土的承载力等情况，分为垫木支模、混凝土承垫层支模和土模。

4.4.2 井壁的制作

模板采用定型组合钢模板，包括平面钢模P3015、P2015、P1015等和转角模板。联接采用标准扣件。模板支撑采用Φ48脚手管、Φ12螺杆和拉筋固定，拆模后表面不留钢筋头，拉模筋孔采用砂浆及时填补。局部补缝采用现立木模，面板为5cm厚杉木板，围檩采用5cm×10cm方木或Φ48钢管，内拉方式与现立组合钢模相同。

钢筋按照图纸尺寸和钢筋下料表，在钢筋加工场加工成型，用10t平板汽车运至现场，再用塔机或25吨吊车吊运至工作面安装。

钢筋制安的基本程序为：读图→编制钢筋加工料表→钢筋厂加工成型→现场安装→调整→“三检制”验收→监理验收。

钢筋的存储：到货钢筋应根据原附质量证明书或者试验证明单，按照不同等级、牌号、规格及生产厂家分批验收检查每批钢筋的外观质量等，并测量钢筋的直径。不符合质量要求的不得使用。验收后的钢筋按照不同等级、牌号、规格及厂家分别挂牌堆放，不得混杂。钢筋不与酸、盐、油等物品存放在一起，堆放地点应远离有害气体，采取措施防止钢筋锈蚀或污染。

钢筋的加工：钢筋加工均在钢筋场内完成：（1）对已弯曲或变形的钢筋采用钢筋调直机进行调直；（2）钢筋切割在断筋机或钢筋切割机上切割，不得采用气割或其它热切割；（3）钢筋按设计图纸要求的形式在弯曲机上弯曲，对小箍筋可采用人工弯曲。钢筋严格按照设计图纸的形式进行加工，加工的误差必须满足表2、表3规定。

钢筋安装：（1）本工程所有钢筋均在仓号人工进行安装。（2）钢筋安装的位置、间距严格按设计文件及规范的要求执行，做好钢筋架立、加固工作，使安装后的钢筋具有足够的刚度和稳定性。（3）在混凝土浇筑过程中，安排专人负责检查钢筋架立位置。如发现移动则及时矫正，并防止为方便混凝土浇筑而擅自移动或割除钢筋现象发生。

钢筋接头施工：（1）直径在Φ28mm及以下的钢筋，采用电渣压力焊焊接或搭接接头电弧焊焊接。采用电弧焊时，单面焊焊接长度为10d，双面焊焊接长度为5d。优先考虑采用电渣压力焊焊接。（2）对于直径在Φ32mm及以上（包括Φ32mm）的钢筋，采用帮条手工电弧焊焊接，单面焊焊接长度为10d，双面焊焊接长度为5d。（3）采用焊接工艺时，按有关的规范要求执行，电焊工必须做到持证上岗。

混凝土浇筑：（1）应将沉井井壁四周分成若干段，浇筑混凝土时应对称、均匀、分层进行，避免高差悬殊，压力不均匀造成地基不均匀下沉或产生倾斜。（2）有抗渗要求时，应按设计采用抗渗混凝土。上、下节井壁的施工缝要处理好，以防渗水。施工缝可作成凹式或凸式。施工缝处凿毛并冲洗干净后，先浇一层砂浆，然后再继续正常浇筑混凝土。井筒混凝土允许偏差见表4。

表4 井筒混凝土允许偏差

5 沉井下沉

5.1 沉井下沉系数验算

本沉井下沉高度按5m考虑，采取一次制作、一次下沉，制作时应保证其稳定性，使沉井能在自重下顺利下沉，其下沉系数不小于1.15，可按下式计算：K=（Q-B）/[L（H-2.5）f+R]≥1.15（当H≥5m时）。

式中：Q-沉井自重及附加荷重（t）；B-被井壁排除的水重（t），当干施工时B=0；H-沉井下沉深度（m）；L-沉井外部周长（m）；2.5-按摩擦力在深5m时达到最大值，5m以下保持常值；f-单位面积摩擦力的平均值，取16KN/m2；R-刃脚反力，当挖空时R=0。

第一次制作高度为9.55m，其混凝土量为：241.49m3，取R=0，f=16KN/m2，则计算结果如下所示：

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

5.2 挖土下沉

5.2.1 沉井下沉准备

当沉井井筒的混凝土强度达到设计强度的75%以上时，方可拆除模板、承垫层进行下沉。沉井下沉前，应封堵井壁全部预留孔洞，对较大的孔洞可用水泥砂浆砌砖封堵，并在靠土的一侧用水泥砂浆抹平。沉井下沉前应检查降、排水效果，符合设计要求后方可开始下沉。放线定位：沉井下沉前先在内外井壁上各对称弹出4条垂线，以测定沉井下沉时的倾斜度。在沉井内部4条垂线的顶端悬挂垂球，并在刃腳处设标盘，观察沉井偏斜度，以便及时纠偏。在沉井外壁沿4条垂线绘制水平测量标尺，并在基坑的相对位置设水平指示标尺，以此测定沉井的下沉量及下沉偏差。

5.2.2 破垫

抽除垫木或破除混凝土垫层之前，应对垫木或混凝土垫层进行分组编号，从沉井平面上互相垂直的两条轴线等距点开始，同时分组，依次对称的向轴线方向抽出垫木或破除混凝土垫层。如沉井内有内隔墙时，应先抽出内隔墙下垫木或破除垫层，然后再抽除外墙垫木或破除垫层。破垫的方法是分段将垫木底部的土挖空抽出并用砂填实，或将混凝土垫破除并用砂填实。施工时必须有专人指挥、互相协调、各段进度一致，并连续作业直至完成。

5.2.3 下沉

根据沉井处的地质、水文情况，施工现场已有建筑物、构筑物和地下管线的要求，施工队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。

本工程采用井点降水排水挖土下沉。降水深度在6m以内可采用轻型井点进行降水，超过6m应采用深井降水。井点的布置应沿沉井的四周，布置的数量应通过计算确定。

采用人工挖土，塔吊垂直提升运土，自卸车运土。应分层进行挖土，每层厚度约为30cm，应从中央向四周挖土，中央部分的土面应始终低于四周土面30cm以上；双孔和多孔沉井中的土面应相平，其高差不大于20cm。沿刃脚内壁应保留土台，土台的宽度可根据土质决定，一般为1m左右。沉井下沉时，按平面轴线的位置逐层沿四周挖去土台。当土台经不住沉井刃脚的挤压时土体破坏塌落，沉井便均匀地下沉，每次下沉宜控制在20cm左右。在挖除刃脚附近和刃脚下部的土时要求对称均匀，挖土的速度要相同，土面高程要保持一致。

5.3 沉井干封底

当沉井沉到设计标高，经观测8h累计下沉量不大于10mm时，即应进行沉井封底，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 施工准备

（1）当沉井下沉到设计标高后，井内继续降水，地下水位在基底以下不少于0.5m，清除井底余土，整平土基，使土基由沉井内壁四周向集水井倾斜，在集水井处为最低点。

（2）由集水井向井壁四周辐射挖排水沟，然后在土基上铺5-10cm粗砂或细石，在其上及排水沟底和壁上铺土工布，在土工布上及排水沟内填铺碎石滤料，使沉井底的地下水通过滤料层及排水盲沟汇集到集水井中用泵排出。

（3）为防止浇筑垫层混凝土时污染滤料，以及防止新浇筑的混凝土在凝固前被地下水冲刷，应在滤料上铺土工布或塑料布，作为混凝土和滤料的隔离层，在隔离层上浇筑混凝土垫层和钢筋混凝土底板。垫层和底板应留出集水井的位置，待强度达到要求时封底。

5.3.2 施工方法

（1）法兰盘短管封底法。浇筑沉井底板混凝土时，在集水井处预埋带止水环的法兰钢管，其内径一般为60cm左右。法兰钢管盘面的高程，应低于底板混凝土面20-30cm，从法兰钢管中排除地下水。待底板混凝土强度达到设计要求，且满足抗浮要求时，停止抽水，将排水泵从法兰钢管中拔出，并迅速盖上法兰盖和止水垫圈，用螺栓拧紧至不漏水。然后将该处底板混凝土补齐。补浇混凝土前应将新旧混凝土接茬处冲洗干净。

（2）快硬水泥封底法。当地下水涌水量较少，集水井内的地下水抽干后，水面上升到土基的时间在4h以上时，可不使用法兰钢管，而采用直接封底法，即在排净集水井内的地下水后，用快硬水泥拌制的混凝土，或掺入速凝剂的混凝土（控制终凝时间少于4h），将集水井处预留的垫层和混凝土底板铺上。在补浇混凝土前应将新旧混凝土接茬处冲洗干净，剔除浮石、杂物，以利于新旧混凝土的结合。本工程采用水泥封底法施工。

6 沉井纠偏措施

沉井在下沉过程中，时常出现井筒倾斜、沉井位置偏移等情况时，应立即分析原因，进行纠偏。

6.1 沉井倾斜纠偏

原因分析：（1）沉井四周土质软硬不均；（2）没有均匀挖土，使沉井内土面高差悬殊；（3）刃脚一侧被障碍物拦住；（4）沉井外面有弃土或堆物，井上附加荷重分布不均造成对井壁的偏压。

纠正倾斜的方法：（1）沉井四周土质软硬不均及挖土不当引起的沉井倾斜的纠偏方法有三种，其一是挖土纠偏，即通过调整挖土的高差，及调整沉井刃脚处保留土台的宽度，进行纠偏。其二是射水纠偏，沉井在下沉过程中发生偏斜而用挖土纠偏仍不见效时，采用下沉较慢一侧的沉井井筒外部沿外壁四周注射压力水，使该处的土成为泥浆，以减小土的抗力。其三是局部增加荷载纠偏，当井筒下沉过程中出现倾斜时，可在井筒较高的一侧增加荷载（一般采用铁块、砂石袋加压），促使井筒较高侧较快下沉。（2）因刃脚一侧遇较小孤石，可将四周土掏空后将孤石取出；较大孤石可用松动爆破方法将大孤石破碎成小块取出。（3）因井外弃土或堆物以及井上附加荷载分布不均造成的倾斜。其纠偏方法为：将井外弃土或堆物清除；调整井上附加荷载的位置，使其荷载均匀。

6.2 沉井位移纠偏

原因分析：沉井下沉中發现位移，大多是由于倾斜引起的，当发生倾斜和纠斜时，井身常向一侧的下部增加较大压力，因而产生一定位移。位移的大小随土质情况及向一侧倾斜的次数而定。

纠正位移的方法：（1）控制沉井不再偏移的方向倾斜。（2）有意使沉井向偏移的相反方向倾斜，当几次倾斜纠正后，即可恢复到正确位置。

7 结束语

沉井在深基坑或地下建筑物支护施工中具有由于其占地面积小，不需要板桩围护，技术上又比较稳妥可靠；与大型开挖相比挖方量较小，节约工程投资；无需特殊的专业设备，操作较简单等优点，因此在国内外工程施工中得到广泛采用和发展。2012年6月至9月，作者主持完成了四川西里水电站厂房后边坡埋藏式压力管道沉井支护施工，施工效果较理想，为类似工程施工提供借鉴和成功经验。

参考文献

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[3]GB 50141-2012.给水排水构筑物施工及验收规范[S].

[4]王寿华，王贤光，等.建筑施工手册[M].

[5]水利水电工程施工手册[M].中国水利水电出版社.

作者简介：王利（1976，4-），男，汉族，四川仁寿人，高级工程师，中国水利水电第十工程局嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程项目经理部副经理兼总工程师，长期从事水利水电施工技术与项目管理工作。