古黃河水利樞紐工程土方施工組織與平衡的探討

姜 海，孫海波，孟佳佳

(淮安市水利局，江蘇淮安 223005)

古黃河水利樞紐工程土方施工組織與平衡的探討

姜 海，孫海波，孟佳佳

(淮安市水利局，江蘇淮安 223005)

本文結(jié)合古黃河水利樞紐工程土方施工的實(shí)踐，對(duì)粉砂土的施工組織與調(diào)配平衡進(jìn)行了探討，對(duì)土方工程施工中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)進(jìn)行了分析總結(jié)。

土方工程;導(dǎo)流河;基坑;施工降排水;經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

1 工程概況

古黃河水利樞紐工程位于漣水縣南門大橋下游約3km的古黃河上(樁號(hào)42+150)，工程新建節(jié)制閘、水電站、公路橋三結(jié)合的樞紐工程一處，主要作用是抬高區(qū)間水位，保障區(qū)域供水安全，兼顧南北交通和水能利用。其中節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量230m3/s，校核流量500m3/s，閘上控制水位8.3m，閘下設(shè)計(jì)水位6.2m，5孔，每孔凈寬8m;水電站選用6臺(tái)套低水頭豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)流量60m3/s，裝機(jī)容量840kW;交通橋長(zhǎng)114.52m，寬26m，南連淮安區(qū)側(cè)234省道，北接漣水側(cè)327省道。工程批復(fù)概算總投資2.04億元，其中征地移民工程投資0.24億元。

古黃河為流域性河道，具有泄洪、排澇、灌溉和供水功能，為確保施工期不斷流，開挖導(dǎo)流河1條，設(shè)計(jì)流量180m3/s，長(zhǎng)1020m，底寬40m，口寬約 110m，河底高程4.0m。總土方約70萬m3。工程于2011年3月10日開工，計(jì)劃2013年10月完成主體工程。

2 地質(zhì)概況

工程場(chǎng)區(qū)大地構(gòu)造單元屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，蘇北斷坳的北緣。場(chǎng)地地貌分區(qū)屬徐淮黃泛平原區(qū)，地貌類型為堤內(nèi)灘地。地質(zhì)勘探揭示，鉆探深度范圍內(nèi)的土層可分為5個(gè)工程地質(zhì)層：

a.1層：根據(jù)土層的地質(zhì)成因及力學(xué)強(qiáng)度，細(xì)分為三個(gè)亞層。1-1層為雜填土，成分復(fù)雜，層底標(biāo)高11.89～11.04m，層厚2.2m。1-2層為素填土，以黃灰色砂壤土為主，為人工填筑而成，層底標(biāo)高10.88～3.06m，層厚8.9～0.9m。1-3層為粉質(zhì)壤土夾粉質(zhì)砂壤土，軟 ～可塑狀，層底標(biāo)高 6.79～5.24m，層厚4.9～2.4m。

b.2層：輕粉質(zhì)砂壤土。灰色，稍密～中密狀，層底標(biāo)高2.12～－0.3m，層厚7.3～2.4m。

c.3層：以黏性土為主，細(xì)分為三個(gè)亞層。3-1層為黏土，青灰色或灰色，軟～可塑狀，局部上部夾腐植物及貝殼片，層底標(biāo)高0.65～－0.85m，層厚2.5～0.7m。3-2層為淤泥質(zhì)黏土，灰色或灰黑色，流塑狀，層底標(biāo)高－0.92～－2.75m，層厚8.2～1.4m。3-3層為粉質(zhì)黏土，灰色或黃灰色，可塑狀，層底標(biāo)高－2.90～－10.08m，層厚8.2～1.4m。

d.4層：重粉質(zhì)砂壤土(局部夾粉質(zhì)壤土)。灰黃色，局部灰色，中密 ～密實(shí)狀，層底標(biāo)高 －4.90～－8.05m，層厚3.3～0.8m。

e.5層：以黏性土為主。較深，未鉆透。

地基土中，1-2層素填土主要為砂壤土，該層結(jié)構(gòu)松散，防滲抗沖能力差，極易發(fā)生滲透破壞;2層輕粉質(zhì)砂壤土砂性較大，透水性較強(qiáng)，易發(fā)生滲流破壞。

3 施工概述

土方工程采用立體開挖方法進(jìn)行施工，分層開挖，工作面隨著開挖深度的下降而下降，岸坡采用挖掘機(jī)修整到位，局部進(jìn)行人工修整。

3.1 導(dǎo)流河降排水

對(duì)導(dǎo)流河開挖造成影響的潛水含水層集中在1-2及2層地質(zhì)層上。涌水量滲透系數(shù)按7.12×10－4cm/s計(jì)算。

導(dǎo)流河施工以明溝排水方法為主，采用截、疏、集、抽的排水方法。截，是開挖龍溝，截住水流;疏，是利用龍溝，疏干土體內(nèi)積水;集，是利用龍溝，收集雨水和土壤滲水;抽，是在閘塘底部設(shè)置機(jī)塘，將積水用水泵抽走。

3.1.1 龍溝開挖

導(dǎo)流河工程基本上為平地開河，采用陸上土方機(jī)械施工，即利用挖掘機(jī)配合運(yùn)土車開挖成型，其開挖深度最深達(dá)到14m左右。俗話說“龍溝不成河不成”，為保證施工機(jī)械正常作業(yè)以及雨后盡快恢復(fù)施工，必須同時(shí)開挖龍溝爽水。

龍溝位置主要依據(jù)土源去向等進(jìn)行設(shè)計(jì)布置。該工程除了上下游施工圍堰向北出土以外，其余開挖的大部分棄土單向往南運(yùn)至棄土場(chǎng)，故龍溝布置貼近北坡。為使河道能開挖到底，龍溝底高程必須低于河底1.0m以上，從高程9.0m起至3.0m，主龍溝須分三次開挖才能滿足施工要求，每次開挖深度宜2.5m左右。由于下層土料含水量大，為加快爽水增加效果，使土料含水量不至過大，沿垂直河道方向每隔50m左右布置一條支溝，在開挖期間確保主龍溝底要低于開挖面1m以上，支溝底高程比主龍溝底高程要略高，以確保施工場(chǎng)地?zé)o積水。

龍溝斷面設(shè)計(jì)：導(dǎo)流河土質(zhì)以1-2層砂壤土、2層粉土為主，龍溝設(shè)計(jì)斷面為主龍溝底寬4m，支溝底寬2.0m，坡比1∶2，主龍溝最終高程比河底深1.0～1.5m。

3.1.2 機(jī)塘設(shè)置

設(shè)主機(jī)塘4個(gè)，頭尾各設(shè)置1個(gè)，中間段兩個(gè)。機(jī)塘與主龍溝及支溝相通，用來排除該段施工期滲水、雨水等，排除的積水流入古黃河，集水坑底面積為20m2左右，坑底高程始終低于龍溝底1m。

3.1.3 排水設(shè)備選擇

排水設(shè)備主要用來排除施工期間的滲水，在4個(gè)機(jī)塘處各布設(shè)2臺(tái)4吋泵，平時(shí)1臺(tái)4吋泵排滲水，1臺(tái)下雨時(shí)備用，可以滿足施工排水要求。并預(yù)留4臺(tái)2吋流動(dòng)泵備用。

3.2 基坑降排水

主要以深井降水為主，明溝排水為輔。

3.2.1 深井布置

水電站及節(jié)制閘基坑降水采用深井降水，其主要目的是降低承壓水頭，確保基坑開挖中承壓水上覆蓋土層厚度滿足壓重要求。根據(jù)深井影響半徑在水電站及節(jié)制閘基坑四周設(shè)置深水井，共布置21口φ40cm深井，井底高程－11.0m，井口高程4.0m，井深15m，井間距約15m，抽排水歷時(shí)4個(gè)月。

3.2.2 機(jī)塘設(shè)置

設(shè)主機(jī)塘2個(gè)，靠上下游圍堰各設(shè)置1個(gè)，用以排除主體工程閘塘施工期間的滲水、雨水等，排除的積水流入古黃河，上、下游集水坑面積約120m2，坑底高程低于河底1.5m，邊坡為1∶5。

4 土方平衡

4.1 導(dǎo)流河土方平衡

導(dǎo)流河開挖總土方量為68.5萬m3(包括上下游預(yù)留壩土方3萬m3)。土方去向?yàn)椋?結(jié)合填筑上下游圍堰土方約10萬m3;?西南側(cè)Ⅰ號(hào)棄土場(chǎng)臨時(shí)堆土土方量為26萬m3;?東南側(cè)Ⅱ號(hào)棄土場(chǎng)臨時(shí)堆土土方量為26萬m3;?中隔島上游圍堰附近Ⅵ號(hào)臨時(shí)堆土土方量約3萬m3;?中隔島下游圍堰附近Ⅶ號(hào)臨時(shí)堆土土方量約3萬m3;?樞紐工程建成后，導(dǎo)流河開挖土方除了部分用于建筑物右側(cè)回填外，其余基本用于導(dǎo)流河回填。詳見棄土場(chǎng)布置圖。

棄土場(chǎng)布置圖

4.2 基坑土方平衡

基坑開挖陸上土方約18.6萬m3，下游孤島水下土方3.2萬m3。土方去向?yàn)椋?西北側(cè)Ⅲ號(hào)棄土場(chǎng)臨時(shí)堆土土方量為10萬m3，部分回填建筑物，部分墊高管理所用地;?東北側(cè)Ⅳ號(hào)棄土場(chǎng)臨時(shí)堆土土方量為8.6萬m3，部分回填建筑物，部分填平魚塘;?孤島水下方3.2萬m3棄土棄至導(dǎo)流河內(nèi);?上下游圍堰水上方用于建筑物回填，水下方約4萬m3棄土棄至東北側(cè)Ⅴ號(hào)棄土場(chǎng)。詳見土方平衡計(jì)算表。

土方平衡計(jì)算表

4.3 土方平衡方案優(yōu)化

導(dǎo)流河圍堰填筑土方原方案從Ⅵ、Ⅶ號(hào)棄土場(chǎng)及古黃河北側(cè)灘面取土，優(yōu)化后土方基本上從Ⅵ、Ⅶ號(hào)棄土場(chǎng)取土，北側(cè)取土量大大減少。

基坑開挖土方約5萬m3直接用于公路地基填筑，未堆放在原Ⅲ號(hào)棄土場(chǎng)內(nèi);由于圍堰填筑土方基本上從Ⅵ、Ⅶ號(hào)棄土場(chǎng)取，基坑開挖約3萬m3土堆放在Ⅵ、Ⅶ號(hào)棄土場(chǎng)，未堆放在原Ⅳ號(hào)棄土場(chǎng)。

經(jīng)土方平衡方案優(yōu)化后，可減少約8萬m3棄土堆放占地，減少臨時(shí)占地面積約3.33hm2，節(jié)省了征地相關(guān)費(fèi)用及征遷難度。

5 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

隨著水利工程規(guī)模擴(kuò)大、投資增多、地位及重要性增加等因素影響，不良土質(zhì)條件下土方開挖和復(fù)雜土方平衡技術(shù)變得越來越重要。科學(xué)合理的開挖方案可確保工程工期和施工過程中的人身安全，并為工程節(jié)省大量資金。

5.1 導(dǎo)流河開挖經(jīng)驗(yàn)

對(duì)于粉砂土地區(qū)開挖導(dǎo)流河，該工程總結(jié)了三個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)。

5.1.1 開挖超級(jí)龍溝

導(dǎo)流河施工方法為：縱向分段、橫向帶坡、豎向分層開挖。豎向共分為3層，自上而下每層開挖深度逐漸減少，開挖的龍溝隨著滲流量的增加逐步加大。第1層龍溝規(guī)模為小溝級(jí)、第2層為中溝級(jí)、第3層為大溝級(jí)。

排水龍溝布置結(jié)合河道開挖施工，自導(dǎo)流河北側(cè)河底腳附近向南側(cè)開挖，開挖的龍溝大而深、連續(xù)不斷。由于粉砂土容易產(chǎn)生流沙，淤積嚴(yán)重，需要經(jīng)常對(duì)龍溝進(jìn)行疏浚，一般為2～3天拓浚一次，保證龍溝成型爽水。隨著開挖面的加寬以及縱、橫向龍溝的形成，土體中的含水量減少，河道即可開挖成型。

5.1.2 合理組織機(jī)械

a.根據(jù)土質(zhì)情況，合理選擇施工機(jī)械。該工程選擇了挖掘機(jī)裝土、自卸運(yùn)土車運(yùn)土、推土機(jī)整理?xiàng)壨翀?chǎng)3種類型機(jī)械組合施工。

b.根據(jù)施工機(jī)械性能，確定機(jī)械組合。在工程開工前，通過短期試挖迅速摸清土質(zhì)、運(yùn)距、機(jī)械性能、工作效率等各方面的情況，確定挖機(jī)與自卸運(yùn)土車按最佳搭配比例，保證機(jī)械高效使用，不發(fā)生挖機(jī)或自卸車窩工的狀況。高峰期出動(dòng)挖掘機(jī)17臺(tái)、推土機(jī)4臺(tái)、自卸車130多臺(tái)，平均每天完成土方開挖1.2萬m3，高峰時(shí)達(dá)2萬m3，保證了導(dǎo)流河開挖進(jìn)度。

5.1.3 合理安排開挖順序

根據(jù)開挖的不同高程，確定開挖順序。在土壤滲水層以上為挖、裝、卸連續(xù)作業(yè);第2、3層用挖掘機(jī)接龍2～3次開挖，中間臨時(shí)堆土爽水。

在青坎以下滲水層開挖時(shí)，由于土壤中的水分含量大，土體難以成型，運(yùn)土車無法運(yùn)土。采用挖機(jī)接龍的方法將下層土方送至上層部位爽水，爽干土體中的水分后再運(yùn)至棄土場(chǎng)，由北向南漸次開挖至設(shè)計(jì)河底高程4.0m。在開挖河道過程中，始終將開挖龍溝放在第一位，并不間斷地抽排積水，保證挖掘機(jī)干地施工。

5.2 閘塘開挖工程中的教訓(xùn)

5.2.1 沒有認(rèn)真復(fù)核各棄土場(chǎng)的容量

導(dǎo)流河開挖堆放在中洲島的棄土可用于上下游圍堰填筑，基坑開挖時(shí)也有部分棄土可以堆放在中洲島的棄土場(chǎng)內(nèi)，由于對(duì)數(shù)量未進(jìn)一步核實(shí)，增大了其他棄土場(chǎng)的土方占地面積。

5.2.2 沒有對(duì)基坑土方挖填實(shí)施動(dòng)態(tài)平衡分析

在土方施工過程中，并不是所有土方都要全部一次性取上來進(jìn)行堆放，而是可以有的先取結(jié)合設(shè)計(jì)要求使用，有的后取進(jìn)行部分回填，剩余的運(yùn)往棄土場(chǎng)堆放。如：對(duì)回填的水泥土、公路路基等部位邊開挖邊回填，實(shí)際棄土量遠(yuǎn)少于開挖量。如將這些因素考慮到土方平衡分析中，可以進(jìn)一步降低棄土場(chǎng)的土方量，減少臨時(shí)占地。

Discussion on Ancient Yellow River Water Conservancy Project Earthwork Construction Organization and Balance

JIANG Hai，SUN Hai-bo，MENG Jia-jia
(Huai’an Municipal Water Conservancy Bureau，Huai’an 223005，China)

In the paper，earthwork construction practice of ancient Yellow River Water Conservancy Project is utilized to discuss silt construction organization and deployment balance，in addition，experience and lessons in earthwork construction are analyzed and summarized．

earthwork project;diversion river;foundation pit;construction water dropping and drainage;experience and lessons

TV61

B

1005-4774(2014)04-0013-03