大范圍深厚低液限淤泥快速開挖技術

成 奇， 陳 洪 波， 唐 洪 應， 李 亮

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

亞曼蘇水電站位于新疆阿克蘇地區烏什縣亞曼蘇鄉境內，電站廠房距烏什縣縣城22 km，距阿克蘇市約130 km。電站為徑流式電站，采用引水式開發。廠內安裝3臺、單機容量為70 MW和1臺、單機容量為34 MW的水輪發電機組，總裝機容量為244 MW。

尾水渠沿廠房軸線向下游側布置，尾水渠總長度約3 764.51 m，樁號為尾0+000.00～尾3+764.51 m，進口底高程為1 494.53 m，出口高程為1 490.77 m，渠底總坡降為1/1 000，渠道底寬為3 m，設計過水斷面邊坡坡比為1∶2，設計過水斷面高度為5 m。地下水位以下邊坡坡比為1∶1.75，地下水位以上坡比為1∶1.5。

尾水渠最大開挖深度約54 m，其地層為出露具二元結構的上更新統沖洪積(Q32al+pl)低液限粘土層及上更新統沖洪積(Q31al+pl)砂卵礫石層。由于地下水位線較高，導致部分低液限粘土層呈飽和狀態，土質呈流塑狀的淤泥，濕陷性強烈，既不宜作為渠基持力層，也無法直接運用常規開挖設備，且其保水性好，泌水緩慢，短期排水效果不佳。該項目淤泥覆蓋尾水渠的長度達3 km，最大寬度達120 m，最大深度達13 m，淤泥總量約80萬m3，范圍大，淤泥深厚，施工難度相當大。

2 施工方法的對比分析及選擇

2.1 針對常規淤泥采用的開挖方法

在淤泥不具備承載力的情況下，常規施工設備無法深入，此時，應在開挖范圍周邊盡量設置排水溝和集水坑對周邊淤泥進行排水。但對于亞曼蘇水電站尾水渠這種大范圍的淤泥開挖卻無能為力，只能采取自周邊向中間逐步蠶食的方法進行開挖，或者采用填筑大量的砂礫石料以形成臨時施工道路到達其中部，但由于淤泥承載力極低且具有流動性，其填筑工程量將達到開挖量的2～3倍以上，施工效率卻并不高。

在大范圍淤泥開挖中，為了保證開挖運輸期間道路不擴散變形、車輛不易沉陷、提高運輸開挖效率，道路填筑一次必須填筑到位，否則，為節約填筑料所致的厚度不夠造成車輛跑不了幾趟就報廢，前功盡棄，二次返工費工費時，損失更大。施工過程中需及時維護，發現彈簧土要徹底根治，切忌臨時推平或再鋪一層而造成道路越毀越嚴重、影響開挖進度。填筑道路的砂礫石運輸成本高，拆除時還需二次外運。實踐證明：用于大范圍淤泥開挖的砂礫石道路厚度應不小于2～3 m；填筑厚度低于2 m時，地下水很容易將砂礫石道路浸泡，車輛容易陷車，易發生安全事故；填筑道路的砂礫料二次周轉不可行——使用后反復碾壓、與泥混合，拆除后不能再利用。

2.2 鋼板鋪筑道路施工法

采用 1.5 cm 厚、1 m×2 m的鋼板鋪筑道路進行試驗，其結果為：鋼板道路整體性差，搬運困難，斜坡上汽車打滑且其容易疲勞變形，鋼板棱角容易損壞輪胎。

2.3 水陸兩用濕地挖掘機實施“網格化”明溝排水、鋪筑“魚刺型”道路施工法

技術人員在亞曼蘇水電站尾水渠開挖過程中不斷總結經驗，通過不斷試驗與論證，采用現場組裝一臺水陸兩用濕地挖掘機直接用于在淤泥層上開挖“網格化”明溝集水引排至分段設置的集水坑、再通過抽排水設備將水排至基坑以外的方法進行施工。在淤泥逐漸失水、流動性逐漸降低、土體具備一定的承載能力后，運輸砂礫石料填筑“魚刺型”道路，使開挖運輸設備能夠到達作業面的每一個角落進行開挖。通過一系列現場試驗與改進，結合對分段分層的調整和控制，最終取得了各段輪換交替進行各工序施工、快速、高效、安全地施工效果。

通過對比分析，結合項目現場實際施工情況，最終在施工過程中選擇了水陸兩用濕地挖掘機實施“網格化”明溝排水、鋪筑“魚刺型”道路施工法。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

大范圍深厚淤泥的開挖采用濕地挖掘機依照分段依次開挖排水溝→晾曬→鋪筑施工道路→開挖運輸的順序進行施工，各段間輪換進行流水作業。

3.2 操作要點

3.2.1 水陸兩用濕地挖掘機的組裝和應用

水陸兩用濕地挖掘機是一種適用于陸地、沼澤地、淤泥及淺水工作的多用途工程機械，仰仗其底盤浮箱的強勁浮力和較低的接地比壓，可以在濕陷性強烈、承載力較低的施工場地進行作業。對于水利水電工程遇到的大范圍深厚淤泥需要按照水工設計要求開挖成型，在其它施工機械無法進入的條件下，濕地挖掘機是一個很好的選擇。

根據地勘資料，上更新統沖洪積(Q32al+pl)低液限粘土的地基承載力為0.1～0.15 MPa，遇水泥化呈流塑狀后其承載力更低，加之傳統挖掘機履帶無排泥功能，在深厚淤泥條件下根本無法行走和停駐，而寬度上百米的大范圍淤泥亦使任何施工機械鞭長莫及。

濕地挖掘機由1臺現代225長臂挖掘機改裝而成，該機工作重量約22 t，加上浮箱重量14.5 t，按照在淤泥狀態下行走及工作，單個浮箱尺寸選用7 700 mm×1 500 mm×1 500 mm，最大吃水深度為1 m，則其接地比壓僅為15.8 kPa；加上浮箱封閉，可產生35 t以上的浮力，完全能夠滿足承載力要求。

將長臂挖掘機原有行走裝置改裝為浮箱后，其仍具有陸地行走能力，同時可以在淤泥作業面上自由行走，通過系統規劃排水、開挖等工序調配，利用濕地挖掘機可以實現大面積淤泥開挖的快速施工。

3.2.2 “網格狀”明溝排水

采用網格狀明溝排水考慮的是淤泥土質較細、孔隙率低、泌水緩慢，依靠自然排水效率極低。通過亞曼蘇水電站尾水渠作業面現場實測數據可知：在淤泥層表面無積水的情況下依靠自然泌水揮發，在月總降雨量小于10 mm、水面蒸發量達220 mm的氣候狀態下，淤泥含水率降至30%以下、1 m深度范圍內的淤泥狀態從流塑狀變為軟塑狀～可塑狀的時間需要25 d以上。顯然，這樣的速度根本無法滿足施工要求。

“網格狀”明溝排水是利用濕地挖掘機在大面積淤泥層上開挖出1～2條主排水溝，斷面尺寸為底寬1.5 m、頂寬4 m、深3 m；另外，在全作業面開挖網格狀次排水溝，斷面尺寸為底寬1.5 m、頂寬3 m、深1.5～3 m，間距15～20 m，并與主排水溝相連，將整個作業面的淤泥泌水通道打通連接、將水引排至鄰近的集水坑，再通過抽排水設備抽排至基坑以外。

網格狀排水溝的整體布局需考慮到后期施工通道的布設，其應交錯布置、互不影響，同時應根據集水坑的位置綜合考慮排水走向，確保集水坑均衡排水。

在開挖排水溝的過程中，由于淤泥體具有流動性，局部會出現壅塞、坍塌等情況。為避免多次開挖，可針對該部位采用回填反濾料的方法保持整體排水通道的通暢。

“網格狀”明溝排水可以縮短大面積淤泥的泌水通道，盡快形成明溝排水，降低地下水位，使土體盡早失水，從而減小其流動性、增加承載力，為后續的開挖施工和邊坡穩定創造條件。通過亞曼蘇水電站尾水渠現場試驗得知：同等條件下達到上述排水效果僅需要8～12 d。

3.2.3 “魚刺狀”施工道路

通過上述明溝排水和短時間晾曬后，淤泥已經逐漸失水成淤泥質土，其流動性和承載力逐步向著具備開挖運輸設備能夠在其上面作業的條件變化。但是，在深厚淤泥條件下，若要完全靠明溝排水完成達到直接施工的條件卻不現實。開挖運輸設備尤其是自卸汽車對地基承載力的要求較高，對于濕陷性強烈的低液限土基礎不經處理幾乎無法達到其施工條件，加之降雨天氣的影響，必須對路基采取人工干預的方法快速形成施工通道，方能具備施工條件。

在大范圍淤泥開挖過程中，挖運設備需要顧及作業面的各個角落。根據常用挖掘設備特性，按最大開挖深度3 m、最大挖掘半徑6～8 m計算，開挖道路采用魚刺狀布置，主道路路寬不小于9 m，主道路每隔10～15 m設置一條支路，整體布置呈魚刺形，與主路連接、遍及作業面的各個角落。

道路就地取材采用砂卵礫石填筑，根據淤泥失水與承載力情況確定填筑厚度。根據亞曼蘇水電站尾水渠開挖試驗結果，按淤泥失水后承載力達到0.1 MPa以上的條件，道路填筑厚度一般不小于70 cm，支路路寬不小于6 m；若遇到淤泥層設備容易沉陷時，將在淤泥表面直接填筑厚度不小于1.5 m的砂礫石。

整體工程開挖采用分段依次開挖排水溝→晾曬→鋪筑施工道路→開挖運輸的順序進行施工，各段間輪換進行流水作業，可以實現資源和施工進度的最優效果。

4 經濟效益

亞曼蘇水電站尾水渠于2017年4月開始進行淤泥開挖試驗及濕地挖掘機的組裝，期間克服了雨季對開挖作業的影響等困難，于2017年8月完成了淤泥開挖，歷時4個月完成了總量80萬m3的淤泥開挖，每月平均開挖方量為20萬m3，且開挖過程中安全、質量可控。

該施工方法相比于常規直接填筑道路、再分層進行開挖的淤泥開挖方法的對比情況如下：

(1)直接成本對比。

①濕地挖掘機+“網格狀”排水溝+“魚刺狀”施工道路方法施工成本分析。

該方案投入濕地挖掘機1臺，設備購買、改裝拆除費用共約20萬元；

濕地挖掘機投入“網格狀”排水溝挖設共耗時4個月、120個臺班，費用按15萬元計；

魚刺狀施工道路共填筑約25萬m3，費用估算為350萬元；

抽排水費用，按每月20萬元計，共計80萬元；

淤泥開挖費用。由于淤泥經過處理后變為軟塑狀～可塑狀，挖運難度降低，80萬m3淤泥開挖費用共計1 000萬元。

綜上所述，采用該方法施工的直接成本為1 465萬元。

②常規直接填筑道路、再分層進行開挖的淤泥開挖方法施工成本分析。

在淤泥區直接進行道路填筑，其厚度需達到1.5 m以上才能滿足施工機械要求，道路寬度需保證在8 m以上(填筑道路靠近其邊緣時承載力驟降，無法承載機械)，其填筑總量預計達到40萬m3，費用估算為560萬元。

采用該方法填筑其厚度增加，相應的有效開挖效率降低30%以上，同時流塑態的淤泥運輸、卸車的效率均有所降低，對開挖效率的影響降低達20%以上，施工工期預計會延長1倍以上。按8個月時間完成施工計算，抽排水費用將達到160萬元，淤泥開挖單價也會增加1倍以上，則80萬m3淤泥開挖費用將達2 000萬元。

綜上所述，采用該方法施工支接成本為2 720萬元。

(2)總計節約費用。

通過上述直接成本計算，亞曼蘇水電站尾水渠淤泥開挖采用濕地挖掘機+“網格狀”排水溝+“魚刺狀”施工道路方法施工，累計節約成本約：2 720萬元-1 465萬元=1 255萬元。

5 施工效果及應用前景

亞曼蘇水電站尾水渠于2017年4月開始進行淤泥開挖試驗及濕地挖掘機的組裝，期間克服了雨季對開挖作業的影響等困難，于2017年8月完成淤泥開挖，歷時4個月完成總量80萬m3的淤泥開挖，每月平均開挖方量為20萬m3，且開挖過程中安全、質量可控。

引進水陸兩用濕地挖掘機不僅可以盡早地使淤泥全范圍形成系統的“網格狀”排水通道，爭取了必要的淤泥失水時間，而且可以保護邊坡，避免因滲水出現管涌、滑坡等地質問題；“魚刺狀”開挖道路可以節省道路修整成本，從而取得快速、高效、安全的施工效果。經驗總結與實踐證明：在大范圍深厚淤泥開挖施工中采用水陸兩用濕地挖掘機進行“網格狀”排水明溝開挖、填筑“魚刺狀”道路經濟可行，該施工方法施工效率高、安全可靠，在今后的類似條件工程施工中值得推廣。