坝基桩支承式沉井施工技术分析

龚国联

摘要:文章结合某水库大坝基础的设计与施工,介绍了桩支承式沉井在水工结构工程中的运用。通过全面分析,对桩支承式沉井坝基方案的施工安全合理性作出了评价。

关键词:大坝基础;桩支承式;沉井施工;水工结构;坝基方案

中图分类号:TU991文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0153-02

当基础埋置比较深时,如果采用明挖法施工,则因基坑深,坑壁支撑或板桩围堰等所受的土压力和水压力大,则需要更长、更强的板桩和支撑结构,施工很不方便,也不经济。如超过30m时,在施工技术上困难会更大,不易保证施工的安全,这时应采用沉井作为基础。

沉井既可作为修筑深基坑的围壁之用,同时其本身在底板封底之后还可作为建筑物基础。作为建筑物基础的沉井的建造过程是先将位于地下一定深度的建筑物或建筑物基础在地面上制作完成,形成井状构筑物,然后在井内不断挖土,借助井体自重而逐步下沉,下沉到设计标高后封底,根据建筑需要构筑井内底板、梁、楼板、内隔墙、顶板等构件,形成建筑物的基础。

沉井是修建深基础和地下深构筑物的主要基础类型,广泛地应用于工程实践。桩支承式沉井有效地预防了在软土地基中极易产生超沉、偏倾等施工难题,在工程实践中收到了较为满意的效果。

一、工程概况

某电站是为引水式开发,枢纽由钢筋混凝土拦河闸、右岸引水道及地面厂房组成。电站设计装机规模80MW。江水流域位于高原区,地形起伏较大。通过初步分析计算,电站坝址处控制流域面积12087km2,多年平均流量136m3/s,年径流总量42.89×108m3。洪水主要由暴雨形成,坝址处五十年一遇洪峰流量3440m3/s,五百年一遇洪峰流量5720m3/s。流域中游河段由于河道急剧下切,两岸边坡陡峻,受人类活动影响,植被稀少,水土流失严重,据推算洪石岩坝址处多年平均悬移质输沙量约1209.8×104t,推移质约181.48×104t。

二、桩支承式沉井

(一)地基处理方案的选择

坝基处理对比了大开挖、地下连续墙、桩支承式沉井等多种可能坝基方案,综合考虑各方面因素决定采用高度为13.5m的桩支承式沉井方案。

基于洪石岩水电站坝址的地质条件和大坝的平面位置、尺寸以及地基土层分布情况,考虑到坝体下方土体主要为深厚的有机质和泥质含量较高的壤土和砂壤土,地基承载力较低,同时靠近左岸区域由壤土层直接过渡到弱风化基岩面,基岩面坡度较陡,沉井下沉控制有一定难度。故选择大型框架式桩支承沉井(采用排水下沉施工方法)作为坝体基础方案。

(二)桩支承式沉井的施工方案

1.大坝基础平面施工。拦河闸坝主体平面尺寸宽度为90m,沿水流方向底面宽度为20m,坝体高度22.5m(高程1146.5～1124m),局部冲砂闸高度23.5m(高程1146.5m～1123m)。平面上由于上部坝体底部呈90×20m的狭长矩形。其中左岸坝体底板部分进入基岩,右岸底板边缘接近基岩出露面。

根据上述地质条件和坝体平剖面位置,本方案考虑采用沿坝体走向的桩支承式矩形沉井作为大坝的基础,沉井平面轴线尺寸64m×24m(高度13.5m),上游处沉井轴线与拦河闸坝体边缘齐平,下游处沉井轴线伸出坝体4m,以抵御外荷载引起的坝体滑移和倾覆。沉井中间各层用现浇钢筋混凝土框架支撑,井中边缘及闸墩下部分用C10毛石混凝土和夹土碎石填实(80%碎石+20%黄粘土,要求级配良好,压实系数不小于0.95)。沉井内部采用3层8×3跨框架式支撑,纵横轴线间距均为8m。

2.大坝基础剖面施工。考虑到坝体下方土体主要为深厚的有机质和泥质含量较高的壤土和砂壤土,地基承载力较低。靠近左岸区域由壤土层直接过渡到弱风化基岩面,且基岩面坡度较陡,沉井下沉控制有一定难度。

根据上述实际工程条件,在综合考虑坝基安全和施工可行性的基础上,同时考虑经济性原则,决定采用桩支承式沉井方案:即先在沉井所在平面区域内施打大直径钻孔灌注桩(C25,控制桩端全断面入岩一倍桩径以上,桩底残渣<50mm),桩顶标高根据平面上不同位置分别控制在沉井刃脚底标高、沉井底梁底标高和封底底板底标高,桩顶适当超灌100cm左右;桩身混凝土终凝后用合金钢平钻头将灌注桩顶磨平至上述设计标高,桩顶以上用砂土暂时回填;然后按一般沉井施工方法将沉井沉至桩顶位置。

井下一定深度范围内为砂壤土层和壤土层,地震发生时为可液化土层,本方案采用注浆加固,以提高土层的抗液化能力,使井底土体承载力和井底与土体的摩擦力得以提升。注浆孔平面间距1.0m×1.0m,在支承桩之间布设,注浆深度以穿透井底以下壤土层至基岩面或局部位置进入砾石土层0.5m控制,注浆每米水泥用量100kg,水灰比0.5,注浆压力0.5MPa。

沉井中用3×8跨3层框架结构支撑,上部三道框架式支撑顶面分别位于沉井顶部和距离沉井顶部4.0m和8.0m处,底部一道框架式支撑及底板顶面位于距离沉井顶部12.0m处。

此外,靠近上下游最外一排钻孔灌注支承桩在桩间注浆,与沉井上游侧壁以及两岸换填的毛石混凝土共同形成坝基的止水帷幕。桩间注浆深度以进入基岩面0.5m控制,注浆每米水泥用量150kg,水灰比0.5,注浆压力0.5MPa。沉井四周井壁与支承桩用靠近沉井内侧预埋在桩体内的3根与桩主筋焊接的钢索(d=15.0(7φ5)钢绞线)连接,沉井下沉时钢索置于沉井内侧;待沉井沉至设计标高并与桩顶有效接触以后,拉紧钢索并与沉井内壁预埋件焊接。以保证沉井与灌注桩有效连成整体,共同作用抵抗外部荷载作用。

3.沉井构造。沉井壁厚均取1.0m,框架柱截面0.8m×0.8m,框架梁底部高度1.0m(同底板厚度),其余高度0.8m,宽度均为0.8m,底板厚度均为1.0m,封底混凝土沉井中心厚度1.5m。

两沉井刃脚做法相同,刃脚踏面宽度0.3m,根部宽度0.7m,刃脚高度1.5m。沉井与支承桩的连接在沉井梁(柱)位置和刃脚位置桩顶分别与梁(柱)底和刃脚底部齐平,平面上轴线重合;在底板位置桩头伸入底板100mm。

沉井侧壁和内部框架柱所有主筋伸入上部结构底板与底板主筋焊接,以增加上部结构和桩支承式沉井基础的连接,保证整体结构的整体性。

三、桩支承式沉井受力稳定验算

设计单位提供的上部结构荷载资料为:泄洪闸段,闸墩作用于基础竖向荷载标准值Fv=41380kN,水平荷载标准值Fh =27000kN;冲沙闸段,闸墩作用于基础竖向荷载标准值Fv=44350kN,水平荷载标准值Fh=27000kN。沿坝体走向每沿米作用于基础竖向荷载(含3m厚底板)标准值Fv=3832kN/m,水平荷载标准值Fh=1500kN/m。

施工时沉井总重(不含底板):3476×25=79400(kN)

正常使用阶段沉井总重(含底板,回填毛石硷和碎石):

25×4692+24×9558+23×8500=542192kN(8472kN/m)

浮力:10×21937.5=219375kN(3375kN/m)

(一)沉井下沉系数计算

施工各阶段沉井下沉系数计算用以下公式:

Kc=(G-B)/(Ti+R1+R2+R3)

沉井下沉施工时下沉系数K。宜控制在1.05～1.25,可以根据以上下沉系数计算表通过调整沉井底部框架梁底、刃脚侧面和刃脚底部底挖土量来控制。

(二)沉井施工

沉井下沉采用排水下沉,设计高度为13.5m,沉井分层制作,分两次下沉,第一次下沉8.5m,第二次下沉5m到设计标高。沉井制作前先施工井底支承桩,且四周井壁下的支承桩先行施工。这样既有利于沉井的定位,同时可以探明沉井下沉时井壁处的地下情况,及时发现大孤石等可能出现的障碍以及探明两岸基岩面的确切位置,以保证沉井的顺利下沉。上游止水帷幕桩矩较小处施工时采用间隔钻孔成桩。

沉井挖土下沉过程中遇不易移除的大块孤石等障碍物时,由于沉井深度较浅,可以采用局部放小炮开挖的方法,及时排除障碍,避免沉井局部应力集中的不利影响。

参考文献

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