淺談高邊坡粉砂土土質(zhì)導(dǎo)流河開挖技術(shù)

孫海波

一、基本情況

1.工程概況

淮安市古黃河水利樞紐工程位于漣水縣城下游約3km處古黃河上，是市主城區(qū)水環(huán)境綜合提升重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。工程主要功能是控制水位，兼顧交通和水能綜合利用，改善區(qū)間水環(huán)境，提升水景觀，提高河川庫(kù)容以保障區(qū)域供水安全。

工程新建節(jié)制閘、水電站、交通橋三結(jié)合樞紐工程一處，其中節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量230m3/s，規(guī)模為中型水閘；水電站總裝機(jī)功率為840kW，發(fā)電流量60m3/s；交通橋?qū)?6m，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

古黃河為流域性河道，兼顧排澇、灌溉功能，為確保施工期不斷流，開挖導(dǎo)流河1條，導(dǎo)流河設(shè)計(jì)流量180m3/s，全長(zhǎng) 1020m，河道為梯形復(fù)式斷面，河底高程4.0m，寬度40m，河口寬約110m，高程9.0m處設(shè)5m寬青坎，青坎以下河坡1∶3.5，青坎以上河坡1∶3，青坎及以下河坡采用編織袋裝土壓護(hù)彩條布防護(hù)，進(jìn)出口段為編織袋裝土滿布?jí)鹤o(hù)，中間段為編織袋裝土局部防護(hù)。

2.地質(zhì)情況

古黃河是黃河侵泗奪淮形成的一條高山流水河道，導(dǎo)流河布置在古黃河南岸的灘面上,場(chǎng)地的地貌分區(qū)屬徐淮黃泛平原區(qū)，地貌類型為堤內(nèi)灘地。鉆探深度范圍內(nèi)的土層大致分為5個(gè)工程地質(zhì)層，導(dǎo)流河開挖涉及土層為1-2層素填土和2層輕粉質(zhì)沙壤土，3層粘性土為下臥層，1-2層及2層為主要潛水含水層，4層為承壓水含水層，承壓水位為2.25m。在導(dǎo)流河開挖的過程中，涉及到的1-2層素填土和2層輕粉質(zhì)沙壤土邊坡穩(wěn)定性都很差，水的滲透性都很強(qiáng)。

二、施工中存在的主要問題

1.高邊坡、粉砂土質(zhì)穩(wěn)定性差，滲透性強(qiáng)

導(dǎo)流河部位的原灘面高程為12.5～16.5m，開挖河底高程為4.0m，開挖深度為8.5～12.5m，針對(duì)地質(zhì)情況，形成了粉砂土質(zhì)高邊坡。粉砂土結(jié)構(gòu)松散，透水性較強(qiáng)，防滲抗沖能力差，有“遇風(fēng)則揚(yáng)，遇水則淌”的特征，流砂嚴(yán)重，在開挖的過程中基本成型的開挖面常常在夜間又被流砂淤平，不但河道難成型，且工效很低。

2.難度大、工期緊、任務(wù)重

導(dǎo)流河開挖土方約68萬m3，工期只有60天時(shí)間，且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)機(jī)械較多，棄土區(qū)爬坡高（最高達(dá)12.0m）。在工期緊、任務(wù)重、土質(zhì)條件差的情況下，要確保導(dǎo)流河如期在汛前發(fā)揮作用，對(duì)導(dǎo)流河的開挖作業(yè)提出了更高的要求。

三、制定合理施工方案

1.選擇有效的降排水措施

工程地質(zhì)及鉆探報(bào)告顯示，對(duì)該導(dǎo)流河開挖可能造成影響的主要為第1-2地質(zhì)層與第2地質(zhì)層的潛水含水層及第4層的承壓含水層潛水層。經(jīng)分析，承壓水層對(duì)工程不造成危害，故不考慮承壓水的影響，重點(diǎn)考慮潛水層對(duì)工程的影響。對(duì)導(dǎo)流河造成影響的潛水含水層主要集中在第1-2地質(zhì)層與第2地質(zhì)層上，層底標(biāo)高分別在10.88～3.06m（1-2地質(zhì)層）、2.12～-0.30m（2地質(zhì)層），1-2地質(zhì)層的滲透系數(shù)為7.12×10-4cm/s，2地質(zhì)層的滲透系數(shù)為5.97×10-4cm/s，涌水量計(jì)算時(shí)滲透系數(shù)按7.12×10-4cm/s計(jì)算。

綜合考慮，本工程可選用輕型井點(diǎn)降水和明溝降水兩個(gè)方案。開挖初期，在現(xiàn)場(chǎng)布置了一組（100m長(zhǎng)度）輕型井點(diǎn)，通過一個(gè)星期的降水試驗(yàn)表明：河道較長(zhǎng)，輕型井點(diǎn)管難以形成封閉圈，降水范圍小，成本高；降水效果不明顯，周期長(zhǎng)，效果差；井點(diǎn)管布置后，密度較大，直接影響挖掘機(jī)開挖導(dǎo)流河。采用明溝降水，砂土滲水性強(qiáng)，降水效果明顯，速度快；直接開挖集水坑，使用潛水泵抽排，操作簡(jiǎn)單，成本低；可以在開挖面的任意處布置降水點(diǎn)，對(duì)挖掘機(jī)開挖影響甚小。經(jīng)專家論證、方案比選，充分考慮工程地質(zhì)特點(diǎn)、土質(zhì)滲透系數(shù)、施工環(huán)境等諸多因素，最終決定采用深挖壟溝明溝降水方案。

2.明溝降水方案

在導(dǎo)流河開挖過程中，采取了在9.0m高程面上沿導(dǎo)流河北側(cè)底線開挖壟溝，壟溝低于開挖高程約0.5m，為增加排水效果，壟溝開挖采用縱、橫向布置，橫向壟溝間距40m。溝內(nèi)布置多臺(tái)潛水泵隨時(shí)抽排滲水，并采取沿壟溝向南臺(tái)階式開挖，兩臺(tái)或多臺(tái)挖機(jī)接龍的方法開挖導(dǎo)流河。

在深挖壟溝過程中，起始時(shí)土中含水量特別豐富，邊挖邊塌，溝坡無法成型，但堅(jiān)持邊塌邊挖，因而溝越挖越大，水越匯越多，抽水量由原來預(yù)計(jì)的每日1500m3增加到3000m3以上，經(jīng)過持續(xù)十幾天的深挖壟溝、持續(xù)排水，終于徹底降低了附近土體內(nèi)的地下水，在設(shè)計(jì)河底高程4.0m以上的任一層面施工機(jī)械都可以重載自由行走。由于降排水措施得當(dāng)，導(dǎo)流河開挖順利實(shí)施。

3.導(dǎo)流河開挖

導(dǎo)流河開挖總體方案采用挖掘機(jī)配合自卸車、明溝降排水，分成二層開挖，第一層開挖至導(dǎo)流河設(shè)計(jì)青坎高程9.0m，第二層開挖至設(shè)計(jì)河底高程4.0m。在高程9.0m以上，挖掘機(jī)與運(yùn)土車直接配合施工，將開挖的土方運(yùn)至堆土區(qū)。在高程9.0m以下，由于土體內(nèi)含水量較高，壟溝開挖后在短短的3～5天內(nèi)降水效果難以達(dá)到規(guī)范要求，且壟溝不斷被流砂淤平，施工單位嚴(yán)格按照明溝降水方案（即采用導(dǎo)流河開挖與壟溝開挖相結(jié)合、分層與分段開挖相結(jié)合的方法）進(jìn)行施工。施工采用兩臺(tái)或三臺(tái)挖掘機(jī)上下接龍的方法沿北側(cè)河底線向南側(cè)開始開挖，同時(shí)根據(jù)粉砂土易失水的特性，將下層土方送至上層爽水（約爽水1天左右），實(shí)行深挖龍溝排水、爽水翻土晾曬，當(dāng)下層土體能夠支撐挖掘機(jī)和運(yùn)土車行走時(shí)，正好將爽干棄土運(yùn)至堆土區(qū)，并繼續(xù)向下開挖，以此循環(huán)的方法開挖、爽水、運(yùn)土，注重在開挖下層土的過程中，始終將開挖壟溝放在第一位，并不斷抽排壟溝中的積水，保證挖掘機(jī)、運(yùn)土車干地施工，按此方法順利將導(dǎo)流河開挖至設(shè)計(jì)高程（實(shí)際施工時(shí)比河底略低10～15cm，考慮流砂會(huì)將低的部分淤平）。

四、體會(huì)與建議

1.選擇合理的降排水方案

由于粉砂土結(jié)構(gòu)松散、透水性較強(qiáng)、砂土流失嚴(yán)重，當(dāng)開挖面接近地下水位時(shí)，在挖掘機(jī)和運(yùn)土車的重載之下，地下水會(huì)迅速滲透砂土較大的空隙上升，造成施工機(jī)械的沉陷，嚴(yán)重阻礙施工，因此挖土速度要快于沙土流淌速度，最大程度消除流沙的影響，多臺(tái)挖掘機(jī)接龍施工要求快速擴(kuò)大壟溝的容量、迅速降排水。本工程采用了明溝降水方案，結(jié)果表明是成本最低、速度最快、效果最明顯的方案。

2.選用可靠排水設(shè)施

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文氣象情況，準(zhǔn)確界定用于計(jì)算滲透量的各種參數(shù)，精確計(jì)算滲水量，選用可靠的排水泵。在選用水泵時(shí)，額定出水量要大于計(jì)算滲水量約1倍，迅速抽排壟溝積水，促使地下水位降低。

3.制定合理的土方調(diào)配平衡方案

導(dǎo)流河開挖土方總量為68萬m3，堆土區(qū)平均堆高4.5m，占地260畝，施工高峰期，現(xiàn)場(chǎng)挖掘機(jī)多達(dá)17臺(tái)、運(yùn)土車130多臺(tái)。在工程施工之初根據(jù)測(cè)量計(jì)算結(jié)果劃分土方調(diào)配區(qū)，在場(chǎng)地平面圖上先劃出挖、填方區(qū)域線，并在挖、填方區(qū)劃出若干調(diào)配區(qū)，確定調(diào)配方向，制定土方調(diào)配平衡表，在施工過程中嚴(yán)格按調(diào)配平衡方案實(shí)施。由于運(yùn)輸機(jī)械、土方調(diào)配方向、運(yùn)輸路線選擇恰當(dāng)，使土方運(yùn)輸無對(duì)流和亂流現(xiàn)象，確保了挖土區(qū)與堆土區(qū)的平衡，避免了重復(fù)倒運(yùn)，使總運(yùn)輸費(fèi)用最低、工效最高、安全無事故。

4.導(dǎo)流河、堆土區(qū)邊坡防護(hù)

做好導(dǎo)流河、堆土區(qū)邊坡防護(hù)，對(duì)導(dǎo)流河、堆土區(qū)的穩(wěn)定和周邊的環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。導(dǎo)流河9.0m平臺(tái)以上邊坡種植狗牙根草進(jìn)行防護(hù)，9.0m及以下河坡采用彩條布（150g/m2）鋪設(shè)，編織袋裝土壓護(hù)彩條布，進(jìn)、出水段河底和河坡全部防護(hù)。堆土區(qū)采用推土機(jī)平整，并在堆土過程中將邊坡做成一定的坡度，以保證堆土不塌方。在堆土區(qū)的頂面四周做一道高1～1.5m的保水子堰，每隔一定距離設(shè)置一道排水溝，使雨水有序排放，頂面及邊坡的排水溝全部用彩條鋪設(shè)，保證雨水下流不對(duì)邊坡造成破壞，并在堆土區(qū)四周紅線范圍內(nèi)開挖排水溝，將雨水全部有序排放到導(dǎo)流河中。

古黃河水利樞紐工程導(dǎo)流河的成功開挖，為以后粉砂土質(zhì)河道開挖提供了一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。在粉砂土河道的開挖過程中，采用明溝降排水、挖掘機(jī)上下接龍、爽水翻曬土等有效措施，可以成功實(shí)現(xiàn)低成本、高工效的高邊坡粉砂土土質(zhì)河道開挖