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        淺析三洋港樞紐工程擋潮閘沉井下沉質(zhì)量控制

        2014-12-12 03:14:46緒星飛楊國平
        江蘇水利 2014年1期
        關鍵詞:承載力

        緒星飛 楊國平

        (1.江蘇省水利建設工程有限公司,江蘇 揚州 225002;2.江蘇省水利工程建設局,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,設計洪水標準為50年一遇,設計流量6400 m3/s。擋潮閘、排水閘閘室基礎均為沉井基礎,擋潮閘共17 只沉井,其中,16 只沉井順水流向長為17.9 m,垂直水流向長為34 m,位于沉井群中間1 只沉井順水流向長為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,承載力標準值為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,承載力標準值為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,控制不當極易造成沉井偏位。由于土質(zhì)的復雜性,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 下沉前組織準備工作

        (1)建立下沉質(zhì)量控制領導小組。施工單位成立了沉井下沉質(zhì)量控制小組,由項目總工程師任組長,沉井下沉施工隊隊長任副組長,觀測小組長、相關技術人員及施工班組長為小組成員。

        (2)嚴格專項方案審查及交底制度。施工單位組織編制了沉井下沉專項施工方案,并組織召開專家審查會對方案進行審查,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)人員進行技術交底。

        (3)實施動態(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,并設立高度觀察指針,下沉過程中因受土體擾動,經(jīng)常性對指針的精度加以校正;沉井群的兩端設立觀測裝置,用于觀測沉井下沉過程中上下游方向位移情況;沉井的頂部四角設立固定觀測點,用全站儀和水準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%,并做好相應的記錄,通過對下沉數(shù)據(jù)綜合分析,指導后續(xù)糾編工作。

        (4)加強值班值守,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人員分4個班次進行全天候值班,督促作業(yè)人員按專項方案進行下沉和糾偏,及時反饋沉井下沉情況。

        3 擋潮閘閘室沉井下沉系數(shù)驗算

        3.1 初沉階段的下沉系數(shù)驗算

        (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。

        計算得fv=9.25 t/m2,則

        由計算得知,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下沉。只要分批對稱拆除四周外墻下的砂墊層,沉井將會緩慢下沉。

        (2)擋潮閘閘室沉井見示意圖1。沉井初沉時,當井壁刃腳進入土體內(nèi)0.5 m,隔墻下的砂墊層厚度為0 時,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;

        當刃腳下的土體發(fā)生剪切破壞時的極限承載力為

        查表或計算得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準承載力取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)下沉井初沉時的下沉系數(shù)

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

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

        此狀態(tài)下沉井初沉時下沉井下沉系數(shù)

        沉井即使下沉也會隨著摩擦力的增加建立新的平衡狀態(tài)。

        如果此時繼續(xù)沖挖刃腳、隔墻下土體,沉井將會繼續(xù)下沉再建立新的平衡狀態(tài),如此周而復始循環(huán)下去,直至沉井接近設計高程,不再沖土終沉穩(wěn)定為止。

        3.2 沉井入土最深時的下沉系數(shù)驗算

        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,當深度達到5.1 m 后,其摩阻力達到最大值。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 沉井終沉時穩(wěn)定性驗算

        沉井下沉至設計標高時,刃腳及隔墻底部進入持力層,土體標準承載力為19 t/m2,沉井在井壁外側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)至關重要,驗算此狀態(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下沉系數(shù):

        計算結果表明,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,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,或將井外的土夯實,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;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,側壓力增大而使下沉過慢或停沉。

        相應的措施有: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)破碎劑實施破碎后清除;③如因沉井側面摩阻力過大造成下沉過慢,一般可在沉井外側用0.2~0.4 kPa 壓力水流動水針(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,應設法恢復;④遇硬質(zhì)膠結土層時,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,沉井側面摩阻力很小,當沉井內(nèi)挖土較深,或刃腳下土層掏空過多,使沉井失去支撐,常導致突然大幅下沉,或急劇下沉;②當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吸空時,刃腳下的粘土一旦被水浸泡而造成失穩(wěn),會引起突然塌陷,使沉井突沉;③沉井下遇有粉砂層,由于動水壓力的作用,向井筒內(nèi)大量涌砂,產(chǎn)生流砂現(xiàn)象,而造成急劇下沉。

        相應的措施有:①加強操作控制,嚴格按次序均勻挖土,避免在刃腳部位過多掏空,或挖土過深,挖土時,可在刃腳部位保留約50 cm 寬的土堤,控制均勻削土,使沉井擠土緩慢下沉;②在粘土層中嚴格控制挖土深度(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,應防止將砂層吸空;③控制排水高差和深度,減小動水壓力,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。

        相應的措施有:①下沉前仔細查看地基勘察報告,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,易導致沉井傾斜;②刃腳局部被石塊或埋設物擱住,未及時處理;或排水下沉,井內(nèi)一側出現(xiàn)流砂。

        相應的措施有: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,使沉井擠土下沉;對中等密實土質(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,應先挖硬的一側,后挖軟的一側;對流砂層只挖中間不挖四周;對堅硬土層,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,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加強挖土,在較低的一側少挖土或回填砂石來糾正;在終沉階段,利用設在井外側的射水管沖刷土體或采取井外射水來糾正傾斜。④下沉井過程中加強測量觀測,每班觀測不少于2 次,發(fā)現(xiàn)傾斜應及時糾正。

        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,若沉井傾斜一側土質(zhì)較松軟,在糾正傾斜時,井身往往對傾斜一側下部產(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。當傾斜方向與軸線不平行時,糾正后則會產(chǎn)生扭位,若多次往不同方向傾斜,在糾正傾斜后則會因位移產(chǎn)生的復合作用,常導致沉井產(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,常會使沉井向傾斜相反方向產(chǎn)生一定位移;③未及時糾正測量偏差。

        相應的措施有: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)位移或扭位應及時糾正;③及時糾正傾斜,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沉井下沉時被大孤石、漂石或其他障礙物擱住,使井壁產(chǎn)生過大拉應力而造成裂縫;②沉井下沉時,當刃腳底面脫空,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。

        相應的措施有:①認真查看地質(zhì)勘察報告,深3 m 以內(nèi)障礙物應在沉井制作、下沉前挖除,下沉時采取先釬探,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 結果分析

        對沉井下沉過程質(zhì)量控制的關鍵環(huán)節(jié)進行分析,對下沉過程中可能出現(xiàn)的各種不利情況,事先提出預控措施,下沉過程中加強實時觀測,動態(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。本工程的成功實施,為今后類似工程施工提供了借鑒。

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