曼維萊水電站沼澤渠道地基處理方案比選

徐建閩 孫志峰

曼維萊水電站沼澤渠道地基處理方案比選

徐建閩 孫志峰

曼維萊水電站輸水明渠存在長約300 m的沼澤渠段，因淺層地基以淤泥和粉細(xì)砂為主，需進(jìn)行地基處理以確保工程安全運行。APD階段，擬對該渠段采用振沖碎石樁加固的地基處理方案。由于振沖碎石樁地基處理方案存在一些不定因素，比如需在制樁試驗之后方能最終確定現(xiàn)場施工設(shè)備與技術(shù)參數(shù)、施工質(zhì)量不易控制和保障、成樁后的質(zhì)量檢測手段比較繁復(fù)等，這使得振沖碎石樁法存在一定的風(fēng)險和隱患。CD階段，經(jīng)補充地質(zhì)勘察，根據(jù)沼澤渠段地基工程地質(zhì)條件，結(jié)合本工程輸水明渠施工場地開闊、現(xiàn)場換填材料資源豐富、換填后質(zhì)量可控且抽檢簡單易行等特點，最終確定該段地基處理采用換填方案。經(jīng)現(xiàn)場地基換填法實施效果證實，不僅換填后基礎(chǔ)質(zhì)量可靠，而且工程施工進(jìn)展順利、施工費用低，經(jīng)濟效果十分顯著。

沼澤渠段 地基處理 振沖碎石樁法 地基換填法

曼維萊（MEMVE’ELE）水電站工程，位于喀麥隆南部地區(qū)NYABESSAN鎮(zhèn)附近的恩特姆河主干流上，電站總裝機容量201 MW，主體建筑物主要由攔河壩、溢洪道以及引水發(fā)電系統(tǒng)等構(gòu)成。該電站由中國進(jìn)出口銀行向喀麥隆提供買方信用貸款，經(jīng)喀麥隆民主共和國能源部委托中國水電建設(shè)集團建設(shè)，采用總價承包合同（EPC）。

曼維萊水電站引水發(fā)電系統(tǒng)包括渠道進(jìn)水口、輸水明渠、天然前池、電站進(jìn)水口及壓力管道等主要建筑物。其中，電站輸水明渠總長約3.15 km，設(shè)計引水流量為450 m3/s，進(jìn)口底板高程386.0 m，渠道出口底板高程385.28 m。采用梯形斷面，渠道底寬15.0 m，邊坡1∶2.0，全斷面混凝土襯砌。

輸水明渠樁號0+090—0+390段布設(shè)于溝谷，為全填方渠段，因淺層地基以淤泥和粉細(xì)砂為主，工程性質(zhì)不良，其強度無法滿足設(shè)計要求，需進(jìn)行地基處理以確保工程安全運行。對于EPC項目，在確保工程安全運營的前提下，如何減少工程量以獲取利益最大化，是工程建設(shè)需要重視的問題。因此，曼維萊水電站沼澤渠段地基處理方案比選，需從工程安全、施工便利、經(jīng)濟效益等幾方面綜合考慮。

1 沼澤渠道工程地質(zhì)條件

沼澤渠段地面高程384～386 m，以全填方渠段為主。因地處溝谷，雨季時節(jié)多被河水淹沒，旱季則以濕地為主，地下水埋深0～0.4 m。

鉆孔標(biāo)貫試驗結(jié)果，寬谷底部表層分布的少量第四系全新統(tǒng)湖沼相淤泥，其標(biāo)貫擊數(shù)為1～2擊（參見圖1）。

圖1 過沼澤渠段湖積層標(biāo)貫擊數(shù)散點圖

圖2 過沼澤渠段沖積層標(biāo)貫擊數(shù)散點圖

全風(fēng)化殘積層，標(biāo)貫擊數(shù)隨深度增加的趨勢十分明顯（參見圖3），表層2～4 m標(biāo)貫擊數(shù)略低，在7～9擊之間；層頂面5 m以下標(biāo)貫擊數(shù)一般大于15擊，以15～20擊者居多；含水狀態(tài)對全風(fēng)化殘積層的強度亦有影響，ZKH1位于沼澤段邊緣，相同深度下，其標(biāo)貫擊數(shù)（18～28擊）即高于其它鉆孔。此外，因全風(fēng)化殘積層中隨機分布有未完全風(fēng)化的巖塊，致使個別試段標(biāo)貫擊數(shù)大于50擊。

從取樣試驗結(jié)果（參見表1）看，全風(fēng)化殘積層天然密度1.61～1.93 g/cm3，含水率12.0%～44.0%，塑性指數(shù)Ip＝16.0～49.0，壓縮系數(shù)av＝0.13～0.55 MPa－1、屬中等—高壓縮性，三軸（CU）試驗：φcu＝12.0°～23.0°、Ccu＝15.7～78.5 kPa，φ′＝23.0°～37.0°、C′＝14.7～46.1 kPa。試驗指標(biāo)表現(xiàn)出土體具有明顯的不均一性。

圖3 過沼澤渠段全風(fēng)化殘積層標(biāo)貫擊數(shù)散點圖

2 地基處理方案1——振沖碎石樁加固處理

表1 全風(fēng)化殘積層試驗成果總表

APD（相當(dāng)于國內(nèi)初步設(shè)計）階段，在日本NIPPON KOEI公司提交的可研報告基礎(chǔ)上，鑒于沼澤渠段軟土地基厚度較大，擬對該渠段采用振沖碎石樁加固的地基處理方案。

自20世紀(jì)60年代起，振沖碎石樁法廣泛運用于軟土地基處理施工中，主要適用于黏性土、粉土、飽和黃土、人工填土等地基的處理。它是利用一個產(chǎn)生水平向振動的管狀設(shè)備，在高壓水流下邊振邊沖，以便在軟弱地基中成孔，然后，再在孔內(nèi)分批填入碎石等堅硬材料制成一根根樁體，樁體和原來的土體構(gòu)成所謂復(fù)合地基。相較原有地基，復(fù)合地基的承載力高、壓縮性小。

鑒于曼維萊水電站沼澤渠段地基土層厚度較大，本工程振沖碎石樁擬采用浮筏式基礎(chǔ)，也即，樁體并未打到下伏基巖（相對硬層），復(fù)合地基主要起墊層的作用。為了確保渠道地基振沖加密效果，布孔范圍擴大至渠道基礎(chǔ)輪廓線外5.0 m。根據(jù)場區(qū)土層特性和一般工程經(jīng)驗，振沖碎石樁的直徑初定為1.0 m，間距2.0 m，呈等邊三角形布置，平均樁長為10.0 m，樁端坐落在全風(fēng)化殘積層上。此外，樁頂部約1 m范圍需做挖除換填或壓密處理。

3 地基處理方案2——地基換填

CD（相當(dāng)于國內(nèi)施工圖設(shè)計階段）階段，對沼澤渠段實施了補充地質(zhì)勘察。根據(jù)最新的地勘成果，渠道地基自上而下，第四系全新統(tǒng)湖沼相淤泥，厚約1～3 m，性軟，不宜作為渠基；其下全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂或粉土，多呈松散至稍密狀態(tài)，該層下部局部為中粗砂，多呈中密狀態(tài)，考慮到渠基對地基強度要求不高，除該層表部性狀略差外，中下部不失為較好的持力層。

鑒于此，根據(jù)本工程輸水明渠施工場地開闊、便于機械化施工，施工質(zhì)量可控且換填材料資源豐富等諸多有利條件，擬定該段地基處理采用換填方案。也即，將渠道設(shè)計底板高程以下一定范圍的軟土地基挖除，換以工程性質(zhì)較好的石渣、礫質(zhì)土以及黏性土，并通過分層碾壓，使其達(dá)到要求的密度，成為良好的人工地基，以此來解決天然地基承載力不足、沉降過大的問題。換填原則為：表層淤泥質(zhì)黏土全部予以置換，并換填掉一定深度的第四系全新統(tǒng)沖積物或全風(fēng)化殘積層，地基換填深度最大約7.0 m。

具體施工方法如下：

（1）從現(xiàn)狀地面下挖至379.00 m高程，然后采用石渣回填至380.50 m高程。運用后退法卸料攤鋪，由中間向兩頭同時進(jìn)行，采用20 t自卸車運料，推土機推平，攤鋪厚度約100 cm，采用振動平碾進(jìn)行碾壓；碾壓后碎石層孔隙率應(yīng)控制在25%左右或者其相對密度不小于0.8。

（2）380.50～382.95 m高程，采用礫石土回填。運用前進(jìn)法卸料攤鋪，由中間向兩頭同時進(jìn)行，采用20 t自卸車運料，推土機推平，攤鋪厚度約30 cm，采用振動平碾進(jìn)行碾壓；根據(jù)擊實試驗成果，碾壓后礫石土層干密度指標(biāo)應(yīng)大于或等于1.85 g/cm3。

（3）382.95～386.0 m高程，采用黏性土料（同渠堤填筑料）回填。運用前進(jìn)法卸料攤鋪，由中間向兩頭同時進(jìn)行，采用20 t自卸車運料，推土機推平，攤鋪厚度約30 cm，采用振動凸塊碾進(jìn)行碾壓；根據(jù)擊實試驗成果，碾壓后回填黏性土層干密度指標(biāo)應(yīng)大于或等于1.50 g/cm3。

4 地基處理方案比選

經(jīng)初步計算，采用上述2種方案進(jìn)行地基處理后，均可以滿足設(shè)計要求。但是，相對而言，振沖碎石樁地基處理方案存在一些不確定因素。

（1）由于復(fù)合地基容許承載力以及最終沉降量的計算方法還不夠成熟，某些設(shè)計參數(shù)還只能憑經(jīng)驗選定，振沖碎石樁法加固設(shè)計，實際上處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)，因此，對于重要工程或復(fù)雜的地質(zhì)情況，必須在現(xiàn)場進(jìn)行制樁試驗，并根據(jù)試驗資料修改設(shè)計，制定施工要求。也即，具體的現(xiàn)場施工設(shè)備與技術(shù)參數(shù)，需在制樁試驗之后方可最終確定，這對于設(shè)備進(jìn)場周期至少需要3～4個月的國際項目而言，顯然增加了施工前準(zhǔn)備和設(shè)備調(diào)度等方面的困難和風(fēng)險。

（2）勘探成果表明，沼澤渠段下伏土層變化較大且不易查明，這就使得振沖碎石樁法置換地基的適應(yīng)性受到影響，僅通過少數(shù)制樁試驗難以確保整個沼澤渠段地基處理可以順利施工并達(dá)到預(yù)期效果，而大量實施制樁試驗對工期的影響是顯而易見的。加上該渠段地處溝谷，當(dāng)?shù)乜傞L約6個月的大、小雨季施工不便，也從另一方面對沼澤渠段地基處理提出了較為嚴(yán)苛的工期要求。

（3）振沖碎石樁法置換地基，屬隱蔽工程，施工質(zhì)量不易控制和保障，成樁后的質(zhì)量檢測手段也比較繁復(fù)，使得振沖碎石樁法存在一定的風(fēng)險和隱患。

（4）振沖碎石樁方案施工經(jīng)費遠(yuǎn)高于地基換填方案。

相對而言，地基換填的優(yōu)越性則十分明顯：施工場地開闊，便于機械化施工，可在大、小旱季安排施工并且工期可以保障；現(xiàn)場換填材料資源豐富，換填后質(zhì)量可控，抽檢簡單易行；此外，運輸車輛以及碾壓設(shè)備均可通過生產(chǎn)計劃實施現(xiàn)場調(diào)度而無需再進(jìn)設(shè)備，大大節(jié)省了相應(yīng)的設(shè)備籌備工作和物流資金。

從現(xiàn)場地基換填實施效果來看，不僅換填后地基質(zhì)量可靠，而且工程施工進(jìn)展十分順利。就經(jīng)濟效益而言，僅通過地基換填取代振沖碎石樁一項，就節(jié)省建設(shè)費用約1 000萬美元，這對于EPC合同項目來說，效果尤其顯著。

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1007-6980（2015）02-0048-03

2015-03-13）

徐建閩 男 教授級高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津 300222

孫志峰 男 工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津 300222