拋石擠淤技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

南 海 江, 劉 紅 遠, 萬 柯

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

毗河供水一期工程第七施工段新生水庫灌區(qū)的終期灌溉面積為30.76萬畝(1hm2=15畝),該標段灌區(qū)渠系工程由新生水庫取水口(正常蓄水位高程為400 m)、新安分干渠、東禪支渠、中興支渠組成。新生水庫灌區(qū)一期工程渠道的總長度為54.94 km,其中明渠長24.48 km;隧洞45座,長度為24.10 km;渡槽4座,長度為0.89 km;倒虹管20座,長度為5.47 km。

該工程所處的四川省遂寧市地層為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)。巖石特性為粉砂質(zhì)泥巖(局部相變?yōu)槟噘|(zhì)粉砂巖),顏色為鮮紅、紫紅色;中～厚層狀長石石英砂巖、巖屑長石石英砂巖、巖屑砂巖不等厚互層,顏色為紫灰、灰色、黃灰色。整個工區(qū)根據(jù)其巖性特點共分為二十層(代號為J3s(1)～J3s(20)),其中J3s(1)、J3s(3)、J3s(5)、J3s(7)、J3s(9)、J3s(11)、J3s(13)、J3s(15)、J3s(17)、J3s(19)層以粉砂質(zhì)泥巖為主,局部夾薄層狀砂巖或透鏡體;J3s(2)、J3s(4)、J3s(6)、J3s(8)、J3s(10)、J3s(12)、J3s(14)、J3s(16)、J3s(18)、J3s(20)層主要由砂巖組成。

四川盆地以東的廣大丘陵區(qū)地質(zhì)構(gòu)造變形微弱,多以鼻狀、短軸狀背斜和向斜為特征,無斷裂構(gòu)造。川中褶皺帶內(nèi)與總干渠有關(guān)的褶皺有八角廟背斜、元興場向斜、回龍場背斜、放生鋪向斜、方光寺背斜和東岳廟向斜。褶皺的軸向為NE、NNE,略呈向SW收斂、向NE撒開、微向NW彎突。另外,在樂至以東書永分干渠一帶分布有區(qū)域東西向構(gòu)造;在總干渠末端安岳縣回瀾鎮(zhèn)、岳源鄉(xiāng)一帶分布有近南北向構(gòu)造,且其均以平緩褶皺特征為主。

該標段工程的建筑物包括倒虹管、明渠、暗渠、暗涵且均處于或跨越較為開闊的河流、沖溝或洼地,在河床、階地及沖溝、洼地等區(qū)域廣泛分布第四系沖積、沖洪積或坡洪積堆積層,厚度一般為2～12 m。強風(fēng)化帶的厚度為1～7 m;弱風(fēng)化帶的厚度為4～7 m。河床、階地覆蓋層的巖性為砂質(zhì)粉土和卵礫石夾砂,沖溝、洼地覆蓋層的巖性為黏土,兩岸坡零星分布坡殘積黏土夾塊碎石。分布于階地表層的砂質(zhì)粉土厚度較小,且其疏松、承載力低;黏土大多處于飽和狀態(tài),壓縮性中等、透水性極微、承載能力較低,易產(chǎn)生較大的壓縮變形;卵礫石夾砂結(jié)構(gòu)密實;強風(fēng)化帶上部巖體一般破碎,完整性差。因此,需要采取有效的技術(shù)措施改善支承建筑物地基的承載能力或改善其變形或滲透性質(zhì)以確保建筑物的順利施工和使用過程中的穩(wěn)定與安全。

2 拋石擠淤基礎(chǔ)處理的原理

2.1 淤泥質(zhì)軟土具有的特點

淤泥質(zhì)軟土具有的特點是孔隙比大、含水量大、強度低,又被稱為高靈敏土。這種淤泥質(zhì)軟土具有非常明顯的觸變性,一旦受到外界擾動,淤泥結(jié)構(gòu)從絮凝結(jié)構(gòu)( 膠粒凝聚) 變成一定程度的分散結(jié)構(gòu)( 膠溶現(xiàn)象) ,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)強度急劇降低,從而為施工時采用拋石擠淤的基礎(chǔ)處理方法、使土石填筑體直接擠開淤泥沉至基礎(chǔ)淤泥中并形成人工置換地基提供了非常有利的條件[1]。

2.2 拋石擠淤技術(shù)的原理

在淤泥質(zhì)軟土土體中進行拋填石塊施工會使淤泥產(chǎn)生整體剪切破壞。隨著拋石體下方的淤泥被擠出,被擠淤泥土體中的超孔隙水壓力逐漸排出、有效應(yīng)力逐漸增大,淤泥的結(jié)構(gòu)強度逐漸恢復(fù),承載力逐漸加大,填筑體日趨成為懸浮于淤泥中部或底部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。壓載擠淤后形成的填筑體在施工期可以作為施工道路及工作平臺,在運營期內(nèi)其又能成為可靠的構(gòu)筑物。

拋石擠淤法處理地基即基于以上原理,通過向流塑狀高靈敏度淤泥質(zhì)土的表面大量集中拋填土石方料、依靠填筑體的自重和施工機械的工作壓力將淤泥強行擠出基底范圍并占據(jù)其位置,達到強制置換淤泥質(zhì)軟土的目的,以此來提高地基承載力、減小沉降量、提高土體的穩(wěn)定性[2]。

2.3 拋石擠淤技術(shù)具有的優(yōu)點

采用該方法施工不需要抽水、挖淤,施工簡單、迅速。該方法適用于湖塘、河流、水田等積水洼地,且因軟土液限大、層厚小,使石塊能下臥底層的軟弱地基。拋填石塊的直徑一般不宜小于0.3 m。拋石時應(yīng)自地基中部開始,逐次向兩旁展開,使淤泥向兩旁被擠出,當(dāng)石塊高出水面后用重碾碾壓,然后在其上鋪設(shè)反濾料或黏土即可[3]。

3 設(shè)計單位提出的技術(shù)要求

根據(jù)該工程施工開挖時揭示的地質(zhì)條件,部分過溝段明渠、暗渠、倒虹管底板建基面以下分布巖性軟弱、強度較低、含水量較豐富的黏土或淤泥質(zhì)黏土層,該土層承載力低、壓縮變形大,對明渠、暗渠、倒虹管等建筑物的安全穩(wěn)定存在較大隱患。設(shè)計方針對不同類型的渠道結(jié)構(gòu)形式采取了不同的處理措施。

(1)填方梯形明渠。清表后,采用塊徑為50～80 cm的塊石擠淤,振動碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)后再進行其上部石渣的填筑,填筑指標與堤身設(shè)計填筑指標相同。填方梯形明渠情況見圖1。

圖1 填方梯形明渠示意圖

(2)淺挖梯形明渠(地面高于底板1 m以內(nèi))。清基至底板高程,根據(jù)實際地質(zhì)情況采用塊石擠淤或塊石換填,塊石的塊徑為50～80 cm,采用振動碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)。塊石頂部采用30 cm厚的石渣找平,找平層指標與堤身填筑設(shè)計指標相同。淺挖梯形明渠情況見圖2。

圖2 淺挖梯形明渠示意圖

(3)深挖梯形明渠(地面高于底板1 m以上)。對于底板,設(shè)計要求將建基面以下30 cm挖除后對其邊坡部分采用石渣換填,水平寬度為1.5 m,石渣的換填指標與堤身填筑指標相同。底板部分則根據(jù)實際地質(zhì)情況采用塊石擠淤或塊石換填,塊石的塊徑為50～80 cm,采用振動碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)。塊石頂部采用30 cm厚的石渣找平,找平層指標與堤身填筑設(shè)計指標相同。深挖梯形明渠情況見圖3。

圖3 深挖梯形明渠示意圖

(4)填方矩形明渠。清表后,采用塊徑為50～80 cm的塊石擠淤,振動碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)后再進行其上部石渣的填筑,填筑指標與堤身填筑設(shè)計指標相同。頂部采用30 cm厚C15干拌混凝土作為找平層,找平層的超寬為結(jié)構(gòu)外廓線左右各1 m。填方矩形明渠情況見圖4。

圖4 填方矩形明渠示意圖

(5)挖方矩形明渠或暗渠。對于底板,設(shè)計要求將建基面以下1.1 m挖除后采用塊徑為50～80 cm的塊石擠淤,振動碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)后,對其上部采用塊徑為10～50 cm的砂巖石渣料換填80 cm,對其頂部采用30 cm厚C15干拌混凝土作為找平層,找平層的超寬為結(jié)構(gòu)外廓線左右各1 m。挖方矩形明渠或暗渠情況見圖5。

圖5 挖方矩形明渠或暗渠示意圖

4 工程量的確認

拋石擠淤施工作業(yè)前,先邀請建設(shè)單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位的相關(guān)人員到現(xiàn)場確定拋石深度。在指定位置做拋石試驗,采用挖掘機將塊石擠入淤泥,待塊石沉入、穩(wěn)定后將其取出,挖出探坑,初步確定拋石深度。待拋石擠淤施工完成之后,再次組織參建四方人員到拋石現(xiàn)場的指定位置將石塊挖出,復(fù)核拋石的深度,以此作為工程量計算的依據(jù)。

5 拋石擠淤施工的控制要點

5.1 施工準備

拋石擠淤施工前,為保證施工質(zhì)量必須做好以下準備工作:

(1)組織技術(shù)人員認真閱讀設(shè)計圖紙、技術(shù)核定單,施工方案等,熟悉合同文件和技術(shù)規(guī)范,并對施工現(xiàn)場的作業(yè)人員進行技術(shù)交底工作。

(2)做好施工現(xiàn)場的布置及臨時設(shè)施的施工、維護工作,修建施工臨時便道,充分利用既有公路和鄉(xiāng)村道路,結(jié)合該施工標段的施工道路作為施工現(xiàn)場運輸?shù)闹鞅愕馈?/p>

(3)在施工現(xiàn)場配備發(fā)電機用于施工及生活用電。

(4)準備泥漿泵對施工范圍內(nèi)的表層污水進行抽排,做好拋石擠淤的準備工作。

(5)在拋石擠淤施工紅線范圍內(nèi)沿邊線設(shè)置排水溝,以保持施工場地始終處于無水狀態(tài)。抽排水過程中一定要避免附近的農(nóng)田遭受沖刷、淤積和污染。

(6)尋找塊石來源,保證工程需要的塊石量。

(7)組織參建四方人員赴現(xiàn)場先確認樁號(范圍),然后確認拋石深度。

5.2 拋石擠淤施工的工藝流程

拋石擠淤施工工藝流程見圖6。

圖6 拋石擠淤施工工藝流程圖

5.3 地表清理及抽排水

施工前,先將拋填施工范圍內(nèi)的雜土、有機土、建筑垃圾、樹根、樹墩等表層雜物清除。由于其基礎(chǔ)為淤泥,道路不能滿足裝載機等大型設(shè)備的運行條件,故場地的清理主要采用人工配合機械設(shè)備進行清理的方式,采用挖掘機裝自卸汽車將其運至渣場棄渣,然后由自卸汽車運干石渣到現(xiàn)場,按照設(shè)計要求先采用石渣進行道路的填筑施工,其填筑參數(shù)為:厚0.5 m,寬3.5 m。場地清理前,首先確定現(xiàn)場工作的界線并按照施工現(xiàn)場的監(jiān)理工程師和相關(guān)規(guī)定保留應(yīng)該保護的樹木和建筑物[4]。

5.4 淤泥的開挖

對基礎(chǔ)范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土進行開挖的初期,由于淤泥質(zhì)土自身具有的特點(飽水性與流動性大等)而不能直接裝車將其運至渣場。但因施工現(xiàn)場場地及征地邊線區(qū)域有限,且受川東地區(qū)天氣、氣候條件及施工工期要求等因素影響,不能等待淤泥曬干成型后再進行清運。因此,項目部根據(jù)工程所在地的實際情況,采取將開挖出的淤泥和干石渣混合的方法以降低開挖出的淤泥流動性,使其成為成型的可塑狀,然后利用施工機械對開挖出的淤泥和干石渣進行攪拌并采用自卸汽車將其運輸至棄渣場。施工現(xiàn)場的淤泥和干石渣比例根據(jù)現(xiàn)場開挖出的淤泥質(zhì)土的含水量大小確定[5]。

由于淤泥自身具有的特點,開挖時,為防止邊坡垮塌而影響到周圍農(nóng)田建筑等,技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場開挖經(jīng)驗,將淤泥質(zhì)邊坡的開挖坡比平均設(shè)為1∶3,具體以技術(shù)核定單或四方簽證為準。開挖采用順水流方向、倒退法分層開挖,待其具有開挖性后開始開挖,開挖后采用1.5 m3反鏟挖掘機裝10 t自卸汽車將其運至附近的渣場。

5.5 拋石擠淤施工

(1)施工過程中,一定要保證所使用石料的連續(xù)供應(yīng),施工現(xiàn)場應(yīng)儲備足夠的石料并安排專人在現(xiàn)場進行指揮。主要采用施工機械作業(yè),對不平整的地方則采用人工配合進行平整作業(yè)。

(2)拋石采用挖掘機。每5 m作為一個施工段,首先采用反鏟挖掘機、裝載機等施工機械對其表層進行處理,然后從拋石范圍的一側(cè)開始進行拋石施工,利用反鏟挖掘機抓斗底平面對塊石進行擠壓。施工過程中嚴禁采用抓斗上下重復(fù)拍打、避免出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象,直至所填筑的塊石完全穩(wěn)定。拋石擠淤工藝的順序:拋石時應(yīng)自基礎(chǔ)中部開始、逐次向兩旁展開,將淤泥向兩旁擠出。拋石施工完成后,在拋石上采用壓路機等機械進行碾壓,碾壓遍數(shù)應(yīng)不低于5遍,對擠出的淤泥按照上述“淤泥開挖”的方式進行處理。塊石碾壓完成后,及時上報現(xiàn)場監(jiān)理工程師進行工序驗收,待其驗收合格后方可進行下一道工序的施工。

拋石擠淤施工完成并經(jīng)監(jiān)理工程師驗收合格后,方可鋪筑一定厚度的砂卵石,采用FLT-600B手扶單鋼輪振動碾進行碾壓,之后進行干密度試驗和地基承載力試驗,待其達到設(shè)計承載要求并報監(jiān)理工程師同意后,方可進行基礎(chǔ)填筑施工。

6 結(jié) 語

地基基礎(chǔ)處理是工程建設(shè)中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),毗河供水一期工程中拋石擠淤法的運用,在施工過程中不僅不用抽水、不用挖淤,而且有效的節(jié)約了施工成本,保證了施工工期,同時確保了建筑物在其后期使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性,可為今后類似水利工程或軟弱地基處理采用拋石擠淤法提供了一定的參考。