向家坝水电站围堰基础沉井施工下沉阻力监测

徐 涛，李 杨，吴民武，刘江磊

（1.中国地质大学工程学院，武汉 430074；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640）

向家坝水电站围堰基础沉井施工下沉阻力监测

徐 涛1，李 杨2，吴民武1，刘江磊1

（1.中国地质大学工程学院，武汉 430074；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640）

以金沙江向家坝水电站围堰沉井基础为研究对象，对沉井下沉过程中的刃脚土压力、井壁侧摩阻力进行了全面监测。根据大量现场的实测资料，系统地分析了沉井下沉过程中的受力特征，得出了沉井下沉过程中，经过不同深度、不同地层时的刃脚土压力及井壁摩阻力的大小及侧阻力呈抛物线形分布规律，同时提出了下沉系数K值的计算方法。据实测，3次下沉的K值均小于1.15时，表示下沉到位困难。

沉井；土压力；侧摩阻力；现场监测

沉井基础是用钢筋混凝土材料制成的无底无盖的井状结构物，竣工后成为基础的组成部分。施工时一般先是在场地上制作好井筒，然后在井筒内挖土、排水，依靠其自身重量，克服井壁的侧摩阻力以及刃脚土的支撑力等而下沉的，通过逐节接高达到预定深度后封底盖顶而形成的沉井基础。

沉井基础躯体结构刚性大、断面大、承载力高、耐久性能好，内部空间可有效利用［1］。适用于土质范围广、施工深度大的基础。具有对邻近建筑物的影响小、抗震性能良好以及占地面积小等优点，一直在地下泵房、桥梁墩台基础及基坑围护结构等工程中得到广泛应用。

沉井基础施工的关键问题是保证其平稳下沉，达到预定深度。而刃脚土压力及侧摩阻力是控制其下沉的主要因素，现行的摩阻力分布是由大直径桩的下沉机理分析取得，因此探讨下沉阻力的分布规律是沉井基础设计所需要解决的主要问题。本文以金沙江向家坝水电站围堰沉井基础为对象，通过现场埋设监测元件，对沉井施工下沉全过程进行监测，获得了大量的监测资料，在此基础上分析了沉井下沉机理及下沉阻力的分布特征。

1 工程概况

向家坝水电站是我国第三大水电站，为金沙江梯级开发中的最后一个梯级，位于川、滇两省交界处的金沙江下游河段。坝址左岸下距四川省宜宾县的安边镇4 km、宜宾市33 km，右岸下距云南省的水富县城1.5 km，坝顶高程384 m，最大坝高162 m，总装机容量6 000 MW。一期土石围堰布置10个沉井，单个沉井尺寸为23 m×17 m，前期作为挡土墙进行坝基开挖，后期作为二期围堰结构的一部分。单个沉井内分6格，井格净空平面尺寸为5.2 m× 5.6 m，外墙厚2 m，隔墙厚1.6 m，9＃沉井最深达55.5 m。沉井底节高7 m，其中底部3 m为外包钢壳砼结构，刃脚踏面宽30 cm，刃脚斜面高2 m，中隔墙离刃脚踏面高度1～3 m，3 m以上为钢筋砼井身。沉井设计高度和下沉深度见表1。

二期纵向围堰大坝上游河流冲积物厚度约39.5～68.43 m，上游厚、下游薄。基岩面高程大致为203.53～231.41 m。堰基基岩为T32厚-巨厚层微风化至新鲜的中细砂岩。覆盖层的组成按从上到下的顺序大致归并为三大层：第一大层为砂卵砾石层，层厚8～15.7 m，下界面高程254.2～263.49 m；第二大层为砂层，厚11.1～23.8 m，下界面高程238.33～246.21 m，为黄褐色、黄色或灰白色粉细-中粗砂夹少量卵砾石，砂层各处粒度成分差异较大，总体以中细砂为主；第三大层为含崩（块）石的砂卵砾石层，层厚8～22 m，最大厚度29 m，此外还有少量透镜状展布的含砂壤土卵砾石或淤泥质粉砂，厚度2～10 m，底部高程208～231 m。

表1 沉井群高度及下沉深度Table 1 Heights and sinkage depths of caissons

2 下沉阻力监测成果分析

刃脚的土压力通过安装在踏面的土压力传感器直接测出。刃脚土压力的大小分布直接关系到沉井受力是否均匀、下沉时是否会出现倾斜等不利的情况。及时掌握刃脚踏面土压力有助于合理安排取土顺序。侧摩阻力通过钢筋计应力测试获取，钢筋计布置在刃脚以上9 m处及18 m两截面处，每截面埋设10个。由于沉井结构刚度大，可近似地认为横截面应力分布均匀，通过在不同的下沉深度进行应力测试，可计算出侧壁摩阻力沿深度的分布情况。

2.1 下沉曲线

3次下沉的现场监测曲线见图1。

第1次下沉5.5 m，穿过的土层为砂卵砾石层，土层较松软，平均下沉速率为0.183 m／d；第2次下沉4.4 m，累积下沉为9.9 m，穿过的土层为砂卵砾石层、砂层，下沉阻力较大，速率有所变缓，平均下沉速率为0.122 m／d；第3次下沉13.5 m，累积下沉为23.4 m，穿过砂层，下沉阻力较大，通过以泥浆套助沉，才使沉井下沉至预定标高，整个过程下沉缓慢，平均速率仅为0.081 m／d。

图1 沉井基础下沉曲线Fig.1 Sinking curve

2.2 井壁侧摩阻力分布特征

目前国内外还没有能直接测量侧摩阻力的一套理论和方法，工程应用中一般采用通过测量应变（应力）来求得侧摩阻力，其原理及方法如图2所示。

图中：Fi为i-1至i截面下端的应力值（MPa）；Fi-1为i-1至i截面上端的应力值（MPa）；F为 i-1至i截面间的摩阻力值（MPa）；Wi为i-1至i截面自重应力值（MPa）。先测得上下端垂直方向的应力值，并考虑自重应力因素，然后由公式（1）计算得到侧摩阻力，

图2 井壁摩阻力计算简图Fig.2 Calculational picture of the side friction

图3 中（a）、（b）、（c）分别为9＃沉井的3次下沉过程中对应不同入土深度的沿井身的侧摩阻力分布。

由图3可见，在第1次下沉过程中，当深度较小时，井壁摩阻力与入土深度基本成线性关系（图3（a））。但是随着入土深度的增加，侧摩阻力分布则不是成线性比例关系，而是呈上下小、中间大的近似抛物线的分布形式，且下部的侧摩阻力较上部为大。随着下沉深度的增加实测侧摩阻力的最大值也稍有增大（图3（b））。图3（c）与图3（b）的下沉侧摩阻力分布规律类似。

图3 三次下沉过程中对应不同入土深度的井壁摩阻力分布Fig.3 Side friction distribution vs embedded depth during three-time sinking process

2.3 刃脚端阻力分布特征

刃脚处的压力是通过测频仪测得的某个应力状态下双膜土压力盒的频率，然后根据公式（2）直接计算取得。

式中：F应为应力值（MPa）；fx为某一压力下所测频率值（Hz）；fo为初始频率（Hz）；k为灵敏度系数（kN／Hz）或（MPa／Hz）。

现场监测所得到的沉井下沉过程中刃脚端阻力与下沉深度的关系曲线如图4所示。端阻力曲线有一个非常明显的压力值变化点，压力值突然降低，是因为素混凝土垫层破除时，被破除的部位压力值消减，相邻测点的压力值有所增加。沉井基础下沉过程中刃脚端阻力的分布主要取决于土体的特性，当地层为砂卵砾石层时，端阻力较大，且端阻力波动也较大；当地层为砂层时，端阻力较平缓，基本成直线型。下沉端阻力在总阻力中所占的比例为30%左右，随着深度的增加有所减少。

图4 沉井下沉过程中刃脚端阻力分布Fig.4 Distribution of friction of the cassion knife-edge

3 沉井基础的受力特性

在沉井下沉过程中，假设基础是铅直的，没有发生任何偏转和侧移，在铅直方向上的受力分析如图5所示。当沉井通过人工挖土下沉时，开挖的过程中刃脚内的土体被挖走，会在刃脚内外形成压力差，而使刃脚外侧土体有向内侧的位移趋势，从而形成图5所示的压力松弛区［2］。因此，沉井在下沉的过程中会使刃脚外侧的土压力降低，从而影响侧摩阻力的分布，形成上下小、中间大的近似抛物线型的分布形式，如图3中的（b）、（c）所示。而当沉井入土深度较小时，刃脚附近的压力松弛现象不明显，故第1次下沉的侧摩阻力呈近似线性增大的分布规律。

图5 沉井下沉受力特征Fig.5 Forces acting on caisson during sinking

下沉系数KS是评价沉井能否顺利下沉的系数，通过式（3）计算取得式中：G为沉井的各段总自重；Rb为沉井下沉时的刃脚端阻力；Rf为井壁侧摩阻力。

按实测值计算，3次下沉的下沉系数均小于1.15，表示下沉到位困难。从施工的实际情况来看，在下沉过程中就存在下沉困难，还要穿越第三大层崩块石层，由于沉井自重不够，不能克服四周井壁与土的摩阻力和刃脚下的土压力，或遇孤石、大块石等障碍物，都将产生下沉过慢的现象，从而导致工期延长、经济损失等不良后果。可采取下列相应的措施进行处理：在沉井上部加载助沉；遇小孤石或块石搁住时，可将四周土挖空后取出；对较大孤石或块石，可采用小药量控制爆破进行破碎，然后清除。

4 结 语

通过对金沙江向家坝水电站围堰基础沉井施工下沉阻力监测，获得了沉井下沉过程中的刃脚土压力及侧摩阻力的数据，在此基础上分析得出了侧摩阻力在入土深度不大时呈近似线性增大规律，随着入土深度的增加，侧摩阻力呈上下小、中间大的近似抛物线型分布规律，经分析这是由于压力松弛造成的。

［1］ 吴铭炳.大型沉井围护结构［J］.岩土工程学报，1994，16（1）：86-92.

［2］ 张志勇，陈晓平，茜平一.大型沉井基础下沉阻力的现场监测及结果分析［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（S1）：1000-1005.

（编辑：赵卫兵）

Resistance Monitoring in Construction of Caisson Foundation of Cofferdam of Xiangjiaba Hydropower Station

XU Tao1，Li Yang2，WU Min-wu1，LIU Jiang-lei1
（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In the sinking process of caissons of cofferdam of the Xiangjiaba Hydropower Station，the side friction and the end bearing pressure of caissons weremonitored.According to the observed data，the resistance character pressure systematically was studied during the sinking，and the distribution of wall side friction and end bearing force during penetrating into different soil strata were obtained.And meanwhile，the formula of sinking coefficient KSwas proposed，and from observed data，when the KSwas less than 1.15 during threetime sinking，the caisson reached designed location to be difficult.

caisson；end bearing pressure；side friction；in-situ monitoring

TV551.3

A

2008-10-13；

2008-12-16

徐 涛（1983-），男，武汉市人，硕士研究生，主要从事地基与基础的处理研究，（电话）13476150860（电子信箱）xutaoshulang＠163.com。