抛石挤淤技术在水利工程中的应用

南 海 江, 刘 红 远, 万 柯

(中国水利水电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库灌区的终期灌溉面积为30.76万亩(1hm2=15亩),该标段灌区渠系工程由新生水库取水口(正常蓄水位高程为400 m)、新安分干渠、东禅支渠、中兴支渠组成。新生水库灌区一期工程渠道的总长度为54.94 km,其中明渠长24.48 km;隧洞45座,长度为24.10 km;渡槽4座,长度为0.89 km;倒虹管20座,长度为5.47 km。

该工程所处的四川省遂宁市地层为侏罗系上统遂宁组(J3s)。岩石特性为粉砂质泥岩(局部相变为泥质粉砂岩),颜色为鲜红、紫红色;中～厚层状长石石英砂岩、岩屑长石石英砂岩、岩屑砂岩不等厚互层,颜色为紫灰、灰色、黄灰色。整个工区根据其岩性特点共分为二十层(代号为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)层以粉砂质泥岩为主,局部夹薄层状砂岩或透镜体;J3s(2)、J3s(4)、J3s(6)、J3s(8)、J3s(10)、J3s(12)、J3s(14)、J3s(16)、J3s(18)、J3s(20)层主要由砂岩组成。

四川盆地以东的广大丘陵区地质构造变形微弱,多以鼻状、短轴状背斜和向斜为特征,无断裂构造。川中褶皱带内与总干渠有关的褶皱有八角庙背斜、元兴场向斜、回龙场背斜、放生铺向斜、方光寺背斜和东岳庙向斜。褶皱的轴向为NE、NNE,略呈向SW收敛、向NE撒开、微向NW弯突。另外,在乐至以东书永分干渠一带分布有区域东西向构造;在总干渠末端安岳县回澜镇、岳源乡一带分布有近南北向构造,且其均以平缓褶皱特征为主。

该标段工程的建筑物包括倒虹管、明渠、暗渠、暗涵且均处于或跨越较为开阔的河流、冲沟或洼地,在河床、阶地及冲沟、洼地等区域广泛分布第四系冲积、冲洪积或坡洪积堆积层,厚度一般为2～12 m。强风化带的厚度为1～7 m;弱风化带的厚度为4～7 m。河床、阶地覆盖层的岩性为砂质粉土和卵砾石夹砂,冲沟、洼地覆盖层的岩性为黏土,两岸坡零星分布坡残积黏土夹块碎石。分布于阶地表层的砂质粉土厚度较小,且其疏松、承载力低;黏土大多处于饱和状态,压缩性中等、透水性极微、承载能力较低,易产生较大的压缩变形;卵砾石夹砂结构密实;强风化带上部岩体一般破碎,完整性差。因此,需要采取有效的技术措施改善支承建筑物地基的承载能力或改善其变形或渗透性质以确保建筑物的顺利施工和使用过程中的稳定与安全。

2 抛石挤淤基础处理的原理

2.1 淤泥质软土具有的特点

淤泥质软土具有的特点是孔隙比大、含水量大、强度低,又被称为高灵敏土。这种淤泥质软土具有非常明显的触变性,一旦受到外界扰动,淤泥结构从絮凝结构( 胶粒凝聚) 变成一定程度的分散结构( 胶溶现象) ,导致其结构强度急剧降低,从而为施工时采用抛石挤淤的基础处理方法、使土石填筑体直接挤开淤泥沉至基础淤泥中并形成人工置换地基提供了非常有利的条件[1]。

2.2 抛石挤淤技术的原理

在淤泥质软土土体中进行抛填石块施工会使淤泥产生整体剪切破坏。随着抛石体下方的淤泥被挤出,被挤淤泥土体中的超孔隙水压力逐渐排出、有效应力逐渐增大,淤泥的结构强度逐渐恢复,承载力逐渐加大,填筑体日趋成为悬浮于淤泥中部或底部的稳定结构。压载挤淤后形成的填筑体在施工期可以作为施工道路及工作平台,在运营期内其又能成为可靠的构筑物。

抛石挤淤法处理地基即基于以上原理,通过向流塑状高灵敏度淤泥质土的表面大量集中抛填土石方料、依靠填筑体的自重和施工机械的工作压力将淤泥强行挤出基底范围并占据其位置,达到强制置换淤泥质软土的目的,以此来提高地基承载力、减小沉降量、提高土体的稳定性[2]。

2.3 抛石挤淤技术具有的优点

采用该方法施工不需要抽水、挖淤,施工简单、迅速。该方法适用于湖塘、河流、水田等积水洼地,且因软土液限大、层厚小,使石块能下卧底层的软弱地基。抛填石块的直径一般不宜小于0.3 m。抛石时应自地基中部开始,逐次向两旁展开,使淤泥向两旁被挤出,当石块高出水面后用重碾碾压,然后在其上铺设反滤料或黏土即可[3]。

3 设计单位提出的技术要求

根据该工程施工开挖时揭示的地质条件,部分过沟段明渠、暗渠、倒虹管底板建基面以下分布岩性软弱、强度较低、含水量较丰富的黏土或淤泥质黏土层,该土层承载力低、压缩变形大,对明渠、暗渠、倒虹管等建筑物的安全稳定存在较大隐患。设计方针对不同类型的渠道结构形式采取了不同的处理措施。

(1)填方梯形明渠。清表后,采用块径为50～80 cm的块石挤淤,振动碾压(碾压遍数不低于5遍)后再进行其上部石渣的填筑,填筑指标与堤身设计填筑指标相同。填方梯形明渠情况见图1。

图1 填方梯形明渠示意图

(2)浅挖梯形明渠(地面高于底板1 m以内)。清基至底板高程,根据实际地质情况采用块石挤淤或块石换填,块石的块径为50～80 cm,采用振动碾压(碾压遍数不低于5遍)。块石顶部采用30 cm厚的石渣找平,找平层指标与堤身填筑设计指标相同。浅挖梯形明渠情况见图2。

图2 浅挖梯形明渠示意图

(3)深挖梯形明渠(地面高于底板1 m以上)。对于底板,设计要求将建基面以下30 cm挖除后对其边坡部分采用石渣换填,水平宽度为1.5 m,石渣的换填指标与堤身填筑指标相同。底板部分则根据实际地质情况采用块石挤淤或块石换填,块石的块径为50～80 cm,采用振动碾压(碾压遍数不低于5遍)。块石顶部采用30 cm厚的石渣找平,找平层指标与堤身填筑设计指标相同。深挖梯形明渠情况见图3。

图3 深挖梯形明渠示意图

(4)填方矩形明渠。清表后,采用块径为50～80 cm的块石挤淤,振动碾压(碾压遍数不低于5遍)后再进行其上部石渣的填筑,填筑指标与堤身填筑设计指标相同。顶部采用30 cm厚C15干拌混凝土作为找平层,找平层的超宽为结构外廓线左右各1 m。填方矩形明渠情况见图4。

图4 填方矩形明渠示意图

(5)挖方矩形明渠或暗渠。对于底板,设计要求将建基面以下1.1 m挖除后采用块径为50～80 cm的块石挤淤,振动碾压(碾压遍数不低于5遍)后,对其上部采用块径为10～50 cm的砂岩石渣料换填80 cm,对其顶部采用30 cm厚C15干拌混凝土作为找平层,找平层的超宽为结构外廓线左右各1 m。挖方矩形明渠或暗渠情况见图5。

图5 挖方矩形明渠或暗渠示意图

4 工程量的确认

抛石挤淤施工作业前,先邀请建设单位、设计单位、监理单位、施工单位的相关人员到现场确定抛石深度。在指定位置做抛石试验,采用挖掘机将块石挤入淤泥,待块石沉入、稳定后将其取出,挖出探坑,初步确定抛石深度。待抛石挤淤施工完成之后,再次组织参建四方人员到抛石现场的指定位置将石块挖出,复核抛石的深度,以此作为工程量计算的依据。

5 抛石挤淤施工的控制要点

5.1 施工准备

抛石挤淤施工前,为保证施工质量必须做好以下准备工作:

(1)组织技术人员认真阅读设计图纸、技术核定单,施工方案等,熟悉合同文件和技术规范,并对施工现场的作业人员进行技术交底工作。

(2)做好施工现场的布置及临时设施的施工、维护工作,修建施工临时便道,充分利用既有公路和乡村道路,结合该施工标段的施工道路作为施工现场运输的主便道。

(3)在施工现场配备发电机用于施工及生活用电。

(4)准备泥浆泵对施工范围内的表层污水进行抽排,做好抛石挤淤的准备工作。

(5)在抛石挤淤施工红线范围内沿边线设置排水沟,以保持施工场地始终处于无水状态。抽排水过程中一定要避免附近的农田遭受冲刷、淤积和污染。

(6)寻找块石来源,保证工程需要的块石量。

(7)组织参建四方人员赴现场先确认桩号(范围),然后确认抛石深度。

5.2 抛石挤淤施工的工艺流程

抛石挤淤施工工艺流程见图6。

图6 抛石挤淤施工工艺流程图

5.3 地表清理及抽排水

施工前,先将抛填施工范围内的杂土、有机土、建筑垃圾、树根、树墩等表层杂物清除。由于其基础为淤泥,道路不能满足装载机等大型设备的运行条件,故场地的清理主要采用人工配合机械设备进行清理的方式,采用挖掘机装自卸汽车将其运至渣场弃渣,然后由自卸汽车运干石渣到现场,按照设计要求先采用石渣进行道路的填筑施工,其填筑参数为:厚0.5 m,宽3.5 m。场地清理前,首先确定现场工作的界线并按照施工现场的监理工程师和相关规定保留应该保护的树木和建筑物[4]。

5.4 淤泥的开挖

对基础范围内的淤泥质土进行开挖的初期,由于淤泥质土自身具有的特点(饱水性与流动性大等)而不能直接装车将其运至渣场。但因施工现场场地及征地边线区域有限,且受川东地区天气、气候条件及施工工期要求等因素影响,不能等待淤泥晒干成型后再进行清运。因此,项目部根据工程所在地的实际情况,采取将开挖出的淤泥和干石渣混合的方法以降低开挖出的淤泥流动性,使其成为成型的可塑状,然后利用施工机械对开挖出的淤泥和干石渣进行搅拌并采用自卸汽车将其运输至弃渣场。施工现场的淤泥和干石渣比例根据现场开挖出的淤泥质土的含水量大小确定[5]。

由于淤泥自身具有的特点,开挖时,为防止边坡垮塌而影响到周围农田建筑等,技术人员结合现场开挖经验,将淤泥质边坡的开挖坡比平均设为1∶3,具体以技术核定单或四方签证为准。开挖采用顺水流方向、倒退法分层开挖,待其具有开挖性后开始开挖,开挖后采用1.5 m3反铲挖掘机装10 t自卸汽车将其运至附近的渣场。

5.5 抛石挤淤施工

(1)施工过程中,一定要保证所使用石料的连续供应,施工现场应储备足够的石料并安排专人在现场进行指挥。主要采用施工机械作业,对不平整的地方则采用人工配合进行平整作业。

(2)抛石采用挖掘机。每5 m作为一个施工段,首先采用反铲挖掘机、装载机等施工机械对其表层进行处理,然后从抛石范围的一侧开始进行抛石施工,利用反铲挖掘机抓斗底平面对块石进行挤压。施工过程中严禁采用抓斗上下重复拍打、避免出现弹簧土现象,直至所填筑的块石完全稳定。抛石挤淤工艺的顺序:抛石时应自基础中部开始、逐次向两旁展开,将淤泥向两旁挤出。抛石施工完成后,在抛石上采用压路机等机械进行碾压,碾压遍数应不低于5遍,对挤出的淤泥按照上述“淤泥开挖”的方式进行处理。块石碾压完成后,及时上报现场监理工程师进行工序验收,待其验收合格后方可进行下一道工序的施工。

抛石挤淤施工完成并经监理工程师验收合格后,方可铺筑一定厚度的砂卵石,采用FLT-600B手扶单钢轮振动碾进行碾压,之后进行干密度试验和地基承载力试验,待其达到设计承载要求并报监理工程师同意后,方可进行基础填筑施工。

6 结 语

地基基础处理是工程建设中一个非常关键的环节,毗河供水一期工程中抛石挤淤法的运用,在施工过程中不仅不用抽水、不用挖淤,而且有效的节约了施工成本,保证了施工工期,同时确保了建筑物在其后期使用过程中的稳定性和可靠性,可为今后类似水利工程或软弱地基处理采用抛石挤淤法提供了一定的参考。