大范圍深厚低液限淤泥快速開挖技術(shù)

成 奇， 陳 洪 波， 唐 洪 應(yīng)， 李 亮

(中國(guó)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(qū)烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)境內(nèi)，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(fā)。廠內(nèi)安裝3臺(tái)、單機(jī)容量為70 MW和1臺(tái)、單機(jī)容量為34 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為244 MW。

尾水渠沿廠房軸線向下游側(cè)布置，尾水渠總長(zhǎng)度約3 764.51 m，樁號(hào)為尾0+000.00～尾3+764.51 m，進(jìn)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(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝孢吰缕卤葹?∶2，設(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝娓叨葹? 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(jié)構(gòu)的上更新統(tǒng)沖洪積(Q32al+pl)低液限粘土層及上更新統(tǒng)沖洪積(Q31al+pl)砂卵礫石層。由于地下水位線較高，導(dǎo)致部分低液限粘土層呈飽和狀態(tài)，土質(zhì)呈流塑狀的淤泥，濕陷性強(qiáng)烈，既不宜作為渠基持力層，也無(wú)法直接運(yùn)用常規(guī)開挖設(shè)備，且其保水性好，泌水緩慢，短期排水效果不佳。該項(xiàng)目淤泥覆蓋尾水渠的長(zhǎng)度達(dá)3 km，最大寬度達(dá)120 m，最大深度達(dá)13 m，淤泥總量約80萬(wàn)m3，范圍大，淤泥深厚，施工難度相當(dāng)大。

2 施工方法的對(duì)比分析及選擇

2.1 針對(duì)常規(guī)淤泥采用的開挖方法

在淤泥不具備承載力的情況下，常規(guī)施工設(shè)備無(wú)法深入，此時(shí)，應(yīng)在開挖范圍周邊盡量設(shè)置排水溝和集水坑對(duì)周邊淤泥進(jìn)行排水。但對(duì)于亞曼蘇水電站尾水渠這種大范圍的淤泥開挖卻無(wú)能為力，只能采取自周邊向中間逐步蠶食的方法進(jìn)行開挖，或者采用填筑大量的砂礫石料以形成臨時(shí)施工道路到達(dá)其中部，但由于淤泥承載力極低且具有流動(dòng)性，其填筑工程量將達(dá)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(yùn)輸期間道路不擴(kuò)散變形、車輛不易沉陷、提高運(yùn)輸開挖效率，道路填筑一次必須填筑到位，否則，為節(jié)約填筑料所致的厚度不夠造成車輛跑不了幾趟就報(bào)廢，前功盡棄，二次返工費(fèi)工費(fèi)時(shí)，損失更大。施工過(guò)程中需及時(shí)維護(hù)，發(fā)現(xiàn)彈簧土要徹底根治，切忌臨時(shí)推平或再鋪一層而造成道路越毀越嚴(yán)重、影響開挖進(jìn)度。填筑道路的砂礫石運(yùn)輸成本高，拆除時(shí)還需二次外運(yùn)。實(shí)踐證明：用于大范圍淤泥開挖的砂礫石道路厚度應(yīng)不小于2～3 m；填筑厚度低于2 m時(shí)，地下水很容易將砂礫石道路浸泡，車輛容易陷車，易發(fā)生安全事故；填筑道路的砂礫料二次周轉(zhuǎn)不可行——使用后反復(fù)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(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果為：鋼板道路整體性差，搬運(yùn)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(jī)實(shí)施“網(wǎng)格化”明溝排水、鋪筑“魚刺型”道路施工法

技術(shù)人員在亞曼蘇水電站尾水渠開挖過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)不斷試驗(yàn)與論證，采用現(xiàn)場(chǎng)組裝一臺(tái)水陸兩用濕地挖掘機(jī)直接用于在淤泥層上開挖“網(wǎng)格化”明溝集水引排至分段設(shè)置的集水坑、再通過(guò)抽排水設(shè)備將水排至基坑以外的方法進(jìn)行施工。在淤泥逐漸失水、流動(dòng)性逐漸降低、土體具備一定的承載能力后，運(yùn)輸砂礫石料填筑“魚刺型”道路，使開挖運(yùn)輸設(shè)備能夠到達(dá)作業(yè)面的每一個(gè)角落進(jìn)行開挖。通過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與改進(jìn)，結(jié)合對(duì)分段分層的調(diào)整和控制，最終取得了各段輪換交替進(jìn)行各工序施工、快速、高效、安全地施工效果。

通過(guò)對(duì)比分析，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，最終在施工過(guò)程中選擇了水陸兩用濕地挖掘機(jī)實(shí)施“網(wǎng)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(diǎn)

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(jī)依照分段依次開挖排水溝→晾曬→鋪筑施工道路→開挖運(yùn)輸?shù)捻樞蜻M(jìn)行施工，各段間輪換進(jìn)行流水作業(yè)。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 水陸兩用濕地挖掘機(jī)的組裝和應(yīng)用

水陸兩用濕地挖掘機(jī)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(jī)械，仰仗其底盤浮箱的強(qiáng)勁浮力和較低的接地比壓，可以在濕陷性強(qiáng)烈、承載力較低的施工場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)。對(duì)于水利水電工程遇到的大范圍深厚淤泥需要按照水工設(shè)計(jì)要求開挖成型，在其它施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)入的條件下，濕地挖掘機(jī)是一個(gè)很好的選擇。

根據(jù)地勘資料，上更新統(tǒng)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(tǒng)挖掘機(jī)履帶無(wú)排泥功能，在深厚淤泥條件下根本無(wú)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(jī)械鞭長(zhǎng)莫及。

濕地挖掘機(jī)由1臺(tái)現(xiàn)代225長(zhǎng)臂挖掘機(jī)改裝而成，該機(jī)工作重量約22 t，加上浮箱重量14.5 t，按照在淤泥狀態(tài)下行走及工作，單個(gè)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(chǎn)生35 t以上的浮力，完全能夠滿足承載力要求。

將長(zhǎng)臂挖掘機(jī)原有行走裝置改裝為浮箱后，其仍具有陸地行走能力，同時(shí)可以在淤泥作業(yè)面上自由行走，通過(guò)系統(tǒng)規(guī)劃排水、開挖等工序調(diào)配，利用濕地挖掘機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大面積淤泥開挖的快速施工。

3.2.2 “網(wǎng)格狀”明溝排水

采用網(wǎng)格狀明溝排水考慮的是淤泥土質(zhì)較細(xì)、孔隙率低、泌水緩慢，依靠自然排水效率極低。通過(guò)亞曼蘇水電站尾水渠作業(yè)面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知：在淤泥層表面無(wú)積水的情況下依靠自然泌水揮發(fā)，在月總降雨量小于10 mm、水面蒸發(fā)量達(dá)220 mm的氣候狀態(tài)下，淤泥含水率降至30%以下、1 m深度范圍內(nèi)的淤泥狀態(tài)從流塑狀變?yōu)檐浰軤睢伤軤畹臅r(shí)間需要25 d以上。顯然，這樣的速度根本無(wú)法滿足施工要求。

“網(wǎng)格狀”明溝排水是利用濕地挖掘機(jī)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(yè)面開挖網(wǎng)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(gè)作業(yè)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(guò)抽排水設(shè)備抽排至基坑以外。

網(wǎng)格狀排水溝的整體布局需考慮到后期施工通道的布設(shè)，其應(yīng)交錯(cuò)布置、互不影響，同時(shí)應(yīng)根據(jù)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(guò)程中，由于淤泥體具有流動(dòng)性，局部會(huì)出現(xiàn)壅塞、坍塌等情況。為避免多次開挖，可針對(duì)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(wǎng)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(dòng)性、增加承載力，為后續(xù)的開挖施工和邊坡穩(wěn)定創(chuàng)造條件。通過(guò)亞曼蘇水電站尾水渠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得知：同等條件下達(dá)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(guò)上述明溝排水和短時(shí)間晾曬后，淤泥已經(jīng)逐漸失水成淤泥質(zhì)土，其流動(dòng)性和承載力逐步向著具備開挖運(yùn)輸設(shè)備能夠在其上面作業(yè)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(dá)到直接施工的條件卻不現(xiàn)實(shí)。開挖運(yùn)輸設(shè)備尤其是自卸汽車對(duì)地基承載力的要求較高，對(duì)于濕陷性強(qiáng)烈的低液限土基礎(chǔ)不經(jīng)處理幾乎無(wú)法達(dá)到其施工條件，加之降雨天氣的影響，必須對(duì)路基采取人工干預(yù)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(guò)程中，挖運(yùn)設(shè)備需要顧及作業(yè)面的各個(gè)角落。根據(jù)常用挖掘設(shè)備特性，按最大開挖深度3 m、最大挖掘半徑6～8 m計(jì)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(shè)置一條支路，整體布置呈魚刺形，與主路連接、遍及作業(yè)面的各個(gè)角落。

道路就地取材采用砂卵礫石填筑，根據(jù)淤泥失水與承載力情況確定填筑厚度。根據(jù)亞曼蘇水電站尾水渠開挖試驗(yàn)結(jié)果，按淤泥失水后承載力達(dá)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(shè)備容易沉陷時(shí)，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(yùn)輸?shù)捻樞蜻M(jìn)行施工，各段間輪換進(jìn)行流水作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)資源和施工進(jìn)度的最優(yōu)效果。

4 經(jīng)濟(jì)效益

亞曼蘇水電站尾水渠于2017年4月開始進(jìn)行淤泥開挖試驗(yàn)及濕地挖掘機(jī)的組裝，期間克服了雨季對(duì)開挖作業(yè)的影響等困難，于2017年8月完成了淤泥開挖，歷時(shí)4個(gè)月完成了總量80萬(wàn)m3的淤泥開挖，每月平均開挖方量為20萬(wàn)m3，且開挖過(guò)程中安全、質(zhì)量可控。

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

(1)直接成本對(duì)比。

①濕地挖掘機(jī)+“網(wǎng)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(jī)1臺(tái)，設(shè)備購(gòu)買、改裝拆除費(fèi)用共約20萬(wàn)元；

濕地挖掘機(jī)投入“網(wǎng)格狀”排水溝挖設(shè)共耗時(shí)4個(gè)月、120個(gè)臺(tái)班，費(fèi)用按15萬(wàn)元計(jì)；

魚刺狀施工道路共填筑約25萬(wàn)m3，費(fèi)用估算為350萬(wàn)元；

抽排水費(fèi)用，按每月20萬(wàn)元計(jì)，共計(jì)80萬(wàn)元；

淤泥開挖費(fèi)用。由于淤泥經(jīng)過(guò)處理后變?yōu)檐浰軤睢伤軤?，挖運(yùn)難度降低，80萬(wàn)m3淤泥開挖費(fèi)用共計(jì)1 000萬(wàn)元。

綜上所述，采用該方法施工的直接成本為1 465萬(wàn)元。

②常規(guī)直接填筑道路、再分層進(jìn)行開挖的淤泥開挖方法施工成本分析。

在淤泥區(qū)直接進(jìn)行道路填筑，其厚度需達(dá)到1.5 m以上才能滿足施工機(jī)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(shí)承載力驟降，無(wú)法承載機(jī)械)，其填筑總量預(yù)計(jì)達(dá)到40萬(wàn)m3，費(fèi)用估算為560萬(wàn)元。

采用該方法填筑其厚度增加，相應(yīng)的有效開挖效率降低30%以上，同時(shí)流塑態(tài)的淤泥運(yùn)輸、卸車的效率均有所降低，對(duì)開挖效率的影響降低達(dá)20%以上，施工工期預(yù)計(jì)會(huì)延長(zhǎng)1倍以上。按8個(gè)月時(shí)間完成施工計(jì)算，抽排水費(fèi)用將達(dá)到160萬(wàn)元，淤泥開挖單價(jià)也會(huì)增加1倍以上，則80萬(wàn)m3淤泥開挖費(fèi)用將達(dá)2 000萬(wàn)元。

綜上所述，采用該方法施工支接成本為2 720萬(wàn)元。

(2)總計(jì)節(jié)約費(fèi)用。

通過(guò)上述直接成本計(jì)算，亞曼蘇水電站尾水渠淤泥開挖采用濕地挖掘機(jī)+“網(wǎng)格狀”排水溝+“魚刺狀”施工道路方法施工，累計(jì)節(jié)約成本約：2 720萬(wàn)元-1 465萬(wàn)元=1 255萬(wàn)元。

5 施工效果及應(yīng)用前景

亞曼蘇水電站尾水渠于2017年4月開始進(jìn)行淤泥開挖試驗(yàn)及濕地挖掘機(jī)的組裝，期間克服了雨季對(duì)開挖作業(yè)的影響等困難，于2017年8月完成淤泥開挖，歷時(shí)4個(gè)月完成總量80萬(wàn)m3的淤泥開挖，每月平均開挖方量為20萬(wàn)m3，且開挖過(guò)程中安全、質(zhì)量可控。

引進(jìn)水陸兩用濕地挖掘機(jī)不僅可以盡早地使淤泥全范圍形成系統(tǒng)的“網(wǎng)格狀”排水通道，爭(zhēng)取了必要的淤泥失水時(shí)間，而且可以保護(hù)邊坡，避免因滲水出現(xiàn)管涌、滑坡等地質(zhì)問(wèn)題；“魚刺狀”開挖道路可以節(jié)省道路修整成本，從而取得快速、高效、安全的施工效果。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與實(shí)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(jī)進(jìn)行“網(wǎng)格狀”排水明溝開挖、填筑“魚刺狀”道路經(jīng)濟(jì)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。