拋石擠淤技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

南 海 江, 劉 紅 遠(yuǎn), 萬(wàn) 柯

(中國(guó)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(kù)灌區(qū)的終期灌溉面積為30.76萬(wàn)畝(1hm2=15畝),該標(biāo)段灌區(qū)渠系工程由新生水庫(kù)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(kù)灌區(qū)一期工程渠道的總長(zhǎng)度為54.94 km,其中明渠長(zhǎng)24.48 km;隧洞45座,長(zhǎng)度為24.10 km;渡槽4座,長(zhǎng)度為0.89 km;倒虹管20座,長(zhǎng)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(zhǎng)石石英砂巖、巖屑長(zhǎng)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(gè)工區(qū)根據(jù)其巖性特點(diǎn)共分為二十層(代號(hào)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(wú)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(chǎng)向斜、回龍場(chǎng)背斜、放生鋪向斜、方光寺背斜和東岳廟向斜。褶皺的軸向?yàn)镹E、NNE,略呈向SW收斂、向NE撒開(kāi)、微向NW彎突。另外,在樂(lè)至以東書(shū)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(biāo)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(kāi)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(qiáng)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(shí);強(qiáng)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(guò)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(diǎn)

淤泥質(zhì)軟土具有的特點(diǎn)是孔隙比大、含水量大、強(qiáng)度低,又被稱(chēng)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(dòng),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(qiáng)度急劇降低,從而為施工時(shí)采用拋石擠淤的基礎(chǔ)處理方法、使土石填筑體直接擠開(kāi)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(jìn)行拋填石塊施工會(huì)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(qiáng)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(tái),在運(yùn)營(yíng)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(guò)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(jī)械的工作壓力將淤泥強(qiáng)行擠出基底范圍并占據(jù)其位置,達(dá)到強(qiáng)制置換淤泥質(zhì)軟土的目的,以此來(lái)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(diǎn)

采用該方法施工不需要抽水、挖淤,施工簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)自地基中部開(kāi)始,逐次向兩旁展開(kāi),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(jì)單位提出的技術(shù)要求

根據(jù)該工程施工開(kāi)挖時(shí)揭示的地質(zhì)條件,部分過(guò)溝段明渠、暗渠、倒虹管底板建基面以下分布巖性軟弱、強(qiáng)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(duì)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(jì)方針對(duì)不同類(lèi)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(dòng)碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)后再進(jìn)行其上部石渣的填筑,填筑指標(biāo)與堤身設(shè)計(jì)填筑指標(biāo)相同。填方梯形明渠情況見(jiàn)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?xún)?nèi))。清基至底板高程,根據(jù)實(shí)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(dòng)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(biāo)與堤身填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)相同。淺挖梯形明渠情況見(jiàn)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(duì)于底板,設(shè)計(jì)要求將建基面以下30 cm挖除后對(duì)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(biāo)與堤身填筑指標(biāo)相同。底板部分則根據(jù)實(shí)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(dòng)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(biāo)與堤身填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)相同。深挖梯形明渠情況見(jiàn)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(dòng)碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)后再進(jìn)行其上部石渣的填筑,填筑指標(biāo)與堤身填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)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(jiàn)圖4。

圖4 填方矩形明渠示意圖

(5)挖方矩形明渠或暗渠。對(duì)于底板,設(shè)計(jì)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(dòng)碾壓(碾壓遍數(shù)不低于5遍)后,對(duì)其上部采用塊徑為10～50 cm的砂巖石渣料換填80 cm,對(duì)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(jiàn)圖5。

圖5 挖方矩形明渠或暗渠示意圖

4 工程量的確認(rèn)

拋石擠淤施工作業(yè)前,先邀請(qǐng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位的相關(guān)人員到現(xiàn)場(chǎng)確定拋石深度。在指定位置做拋石試驗(yàn),采用挖掘機(jī)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(chǎng)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(jì)算的依據(jù)。

5 拋石擠淤施工的控制要點(diǎn)

5.1 施工準(zhǔn)備

拋石擠淤施工前,為保證施工質(zhì)量必須做好以下準(zhǔn)備工作:

(1)組織技術(shù)人員認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)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(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底工作。

(2)做好施工現(xiàn)場(chǎng)的布置及臨時(shí)設(shè)施的施工、維護(hù)工作,修建施工臨時(shí)便道,充分利用既有公路和鄉(xiāng)村道路,結(jié)合該施工標(biāo)段的施工道路作為施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)闹鞅愕馈?/p>

(3)在施工現(xiàn)場(chǎng)配備發(fā)電機(jī)用于施工及生活用電。

(4)準(zhǔn)備泥漿泵對(duì)施工范圍內(nèi)的表層污水進(jìn)行抽排,做好拋石擠淤的準(zhǔn)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(chǎng)地始終處于無(wú)水狀態(tài)。抽排水過(guò)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(lái)源,保證工程需要的塊石量。

(7)組織參建四方人員赴現(xiàn)場(chǎng)先確認(rèn)樁號(hào)(范圍),然后確認(rèn)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(jiàn)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(jī)土、建筑垃圾、樹(shù)根、樹(shù)墩等表層雜物清除。由于其基礎(chǔ)為淤泥,道路不能滿(mǎn)足裝載機(jī)等大型設(shè)備的運(yùn)行條件,故場(chǎng)地的清理主要采用人工配合機(jī)械設(shè)備進(jìn)行清理的方式,采用挖掘機(jī)裝自卸汽車(chē)將其運(yùn)至渣場(chǎng)棄渣,然后由自卸汽車(chē)運(yùn)干石渣到現(xiàn)場(chǎng),按照設(shè)計(jì)要求先采用石渣進(jìn)行道路的填筑施工,其填筑參數(shù)為:厚0.5 m,寬3.5 m。場(chǎng)地清理前,首先確定現(xiàn)場(chǎng)工作的界線并按照施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)理工程師和相關(guān)規(guī)定保留應(yīng)該保護(hù)的樹(shù)木和建筑物[4]。

5.4 淤泥的開(kāi)挖

對(duì)基礎(chǔ)范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土進(jìn)行開(kāi)挖的初期,由于淤泥質(zhì)土自身具有的特點(diǎn)(飽水性與流動(dòng)性大等)而不能直接裝車(chē)將其運(yùn)至渣場(chǎng)。但因施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(jìn)行清運(yùn)。因此,項(xiàng)目部根據(jù)工程所在地的實(shí)際情況,采取將開(kāi)挖出的淤泥和干石渣混合的方法以降低開(kāi)挖出的淤泥流動(dòng)性,使其成為成型的可塑狀,然后利用施工機(jī)械對(duì)開(kāi)挖出的淤泥和干石渣進(jìn)行攪拌并采用自卸汽車(chē)將其運(yùn)輸至棄渣場(chǎng)。施工現(xiàn)場(chǎng)的淤泥和干石渣比例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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(diǎn),開(kāi)挖時(shí),為防止邊坡垮塌而影響到周?chē)r(nóng)田建筑等,技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖經(jīng)驗(yàn),將淤泥質(zhì)邊坡的開(kāi)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(zhǔn)。開(kāi)挖采用順?biāo)鞣较?、倒退法分層開(kāi)挖,待其具有開(kāi)挖性后開(kāi)始開(kāi)挖,開(kāi)挖后采用1.5 m3反鏟挖掘機(jī)裝10 t自卸汽車(chē)將其運(yùn)至附近的渣場(chǎng)。

5.5 拋石擠淤施工

(1)施工過(guò)程中,一定要保證所使用石料的連續(xù)供應(yīng),施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)儲(chǔ)備足夠的石料并安排專(zhuān)人在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指揮。主要采用施工機(jī)械作業(yè),對(duì)不平整的地方則采用人工配合進(jìn)行平整作業(yè)。

(2)拋石采用挖掘機(jī)。每5 m作為一個(gè)施工段,首先采用反鏟挖掘機(jī)、裝載機(jī)等施工機(jī)械對(duì)其表層進(jìn)行處理,然后從拋石范圍的一側(cè)開(kāi)始進(jìn)行拋石施工,利用反鏟挖掘機(jī)抓斗底平面對(duì)塊石進(jìn)行擠壓。施工過(guò)程中嚴(yán)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(shí)應(yīng)自基礎(chǔ)中部開(kāi)始、逐次向兩旁展開(kāi),將淤泥向兩旁擠出。拋石施工完成后,在拋石上采用壓路機(jī)等機(jī)械進(jìn)行碾壓,碾壓遍數(shù)應(yīng)不低于5遍,對(duì)擠出的淤泥按照上述“淤泥開(kāi)挖”的方式進(jìn)行處理。塊石碾壓完成后,及時(shí)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師進(jìn)行工序驗(yàn)收,待其驗(yàn)收合格后方可進(jìn)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(yàn)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(dòng)碾進(jìn)行碾壓,之后進(jìn)行干密度試驗(yàn)和地基承載力試驗(yàn),待其達(dá)到設(shè)計(jì)承載要求并報(bào)監(jiān)理工程師同意后,方可進(jìn)行基礎(chǔ)填筑施工。

6 結(jié) 語(yǔ)

地基基礎(chǔ)處理是工程建設(shè)中一個(gè)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(yùn)用,在施工過(guò)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(shí)確保了建筑物在其后期使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性,可為今后類(lèi)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。