大方量低液限黏土开挖研究与探索

2015-08-19陈建国河南省水利第一工程局

河南水利与南水北调 2015年14期

□陈建国（河南省水利第一工程局）

1 工程概况

出山店水库位于河南省信阳市，坝址在京广铁路以西14km的淮河干流上，控制流域面积2900km2，出山店水库是历次淮河流域规划中列为淮干上游的唯一一座防洪控制工程，水库总库容12.51 亿m3。

出山店水库是一座以防洪为主，结合供水、灌溉、兼顾发电等综合利用的大（1）型水利枢纽工程。出山店水库采用明渠导流，导流明渠工程全长1264.75m,全渠道分为进口段、明渠段、出口段，断面型式采用梯形断面，底宽50m，边坡坡比为1:2.50，渠底纵坡为1:800，挖深7～8m，桩号0+700～1+050 填筑子堤顶宽3m、高度3～4m，护砌采用40cm 厚铅丝石笼，底部铺设350g/m2土工布，桩号0+700～1+050 段铅丝石笼与土工布之间铺设10cm厚碎石垫层，护砌高程按非汛期10a 一遇水位超高1.00m 标准确定。

由于明渠底板位于不良级配砂层上，为避免水流淘刷带来的不利影响，导流明渠进口段和出口段渠底边线两侧和桩号0+000 及1+168.59 横向设置水泥搅拌桩加固地基。桩径50cm，采用42.5 级普通硅酸盐水泥，粉喷桩顶部与明渠底板护砌底部平齐，桩深度至良好级配砾石层下1.00m，高程介于71～68.50m之间，桩间距为40cm，采用套桩连接，平面布置上形成U 型。

为保证施工期间导流明渠两岸的交通，导流明渠中心线桩号1+073.92 处设交通桥一座，桥梁纵轴线与导流明渠中心线正交。桥梁单跨长度为20.20m，共4 孔，总长80.80m。桥面宽度按双车道布置，桥面总宽8m，净宽7m，两侧设栏杆，不设人行道。桥梁上部结构采用装配式钢筋混凝土预应力空心板，下部采用双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，桩径1.40m，墩柱1.20m。

2 水文气象及工程地质

出山店水库多年平均降雨量约1000mm。其特点是年际变化大，年内分布很不均匀，6-8月降水量约占全年降雨的50%以上，其中又多集中暴雨。

导流明渠土、岩体从上至下依次分布为第四系全新统下段冲积（Q1al4）低液限粘土、级配不良砂；第四系上更新统冲洪积（Qalp3）级配良好砾以及级配不良砂透镜体；古近系吴城群毛家坡组（Em）粘土岩、砂岩及砾岩；导流明渠场区地质结构属土岩双层结构。场区表层分布有坑塘和稻田，底部分布淤泥质土，多呈软塑状，灰黑，有腥臭味。

低液限粘土属弱透水层，级配不良砂属中等透水层，砾石属强透水层，古近系毛家坡组砂质粘土岩、粘土质砂岩属弱透水层。导流明渠场区地貌属淮河左岸阶地，地形平坦，地面高程80.00～83.27m。上覆第四系粘性土层、砂层及砾石层，下伏古近系粘土岩、砂砾岩等，地层起伏较大，地层分布不稳定，岩性变化也较大。

3 低液限黏土特点及需要研究与探索的问题

低液限黏土属于弱透水层，含水量在25%～28%之间，保水性好，自然密实，整体性好，抗冲刷能力强，承载力低，容易出现弹簧土。因此基坑开挖过程中面临自卸汽车运输道路陷车，渣场弃渣卸不净，第一层弃料后无法进行第二层弃料，渣场需要面积大，利用率低的困难。信阳市属华中副热带气候区，平均相对湿度为70%～80%，受季风影响显著。其气候主要特点，4-9月从太平洋进入的暖湿气流水汽充沛，往往与北方的冷气流交绥，造成大量降雨。

由于信阳市雨水丰富、空气湿度大，加上导流明渠工程土方开挖工程量大，工期紧，有效工作日少，要求的施工强度大，急需解决和探索的问题就是——解决施工道路、粘土卸不净、提高渣场利用率。

4 提高施工效率的技术措施

4.1 施工机械的选择

借鉴淮河流域洪河治理的土方施工经验，开挖含水量较高的粘土采用履带式东方红铲运机，该铲运机斗容量为2.75m3，自铲自卸自推平，爬坡能力强，开挖含水量较高的粘土不陷车，在渣场弃渣堆高优势显著，可是铲运机的经济运距为100～200m，遇见砂层时铲运困难。针对出山店水库导流明渠工程土方开挖上部为低液限黏土下部为砂砾的特点，弃渣场距离渠道较近，采用分段分片，东方红铲运机开挖与挖掘机装自卸汽车相结合的方法进行，铲运机完成上部低液限黏土开挖，在经济运距范围内提高功效的同时又能规范土料的分类堆放。挖掘机装自卸汽车开挖下部砂砾料能够解决粘土陷车、渣场卸料堆高困难等问题，弥补了铲运机的短板。

4.2 施工道路修筑是关键

土方开挖时基坑内及通往渣场的道路是关键，道路的承载力直接影响到运输效率、设备完好率、开挖成本。修路常规采用开挖路槽后填筑路基料，路基料就地取材——选取开挖的石渣、胶结砂砾料、含水量较低的粘土料等。出山店水库导流明渠工程施工区域内土料全部为低液限黏土，含水量较高，不适宜用作筑路材料。右坝肩上游附近河岸边堆弃的采矿废渣料为强风化花岗岩，运距2.50km，同时跨过淮河需修筑漫水桥道路，成本较高。面对困难，不得已，在基坑低液限黏土上开路槽宽3～4m，深0.70m，填筑石渣厚度0.80～1.00m。路槽起到节约回填料问题，同时运行期间保持道路不扩散变形，换填料提高道路承载力保障运输过程不陷车，提高运输效率。换填料的选择及厚度是关键，根据现场情况一次换填到位，否则为节约料换填厚度不够造成车辆跑不了几趟就报废，前功尽弃，二次返工费工费时，损失更大。运行过程中及时维护，发现弹簧处要彻底根治，切忌临时推平或再铺一层，道路越毁越严重，影响开挖进度。

修筑道路的石渣运输成本高，拆除时还需二次外运，为降低石渣填筑及拆除成本，解决修路材料的周转问题是关键。实践证明，路槽用石渣二次周转不可行——使用后反复碾压，与泥混合，拆除后不能再利用。用15mm 厚1.00m ×2.00m 钢板铺筑道路进行试验，结果钢板道路整体性差，搬运困难，斜坡上汽车打滑，钢板容易疲劳变形，钢板棱角容易损坏轮胎。经过分析研究，发现南阳油田有报废的长9m，直径10cm 的无缝钢管钻杆。无缝钢管具有强度高、刚性好、宁折不弯的特点，做成钢排能够解决路腿道路问题。工程人员购买了大量无缝钢管钻杆做成宽3m、长9m 钢排，底部每间隔1.00m 用南水北调衬砌机轨道钢轨做横梁连接，钢管之间、钢管与道轨之间全部采取焊接，每个钢排重约4t，运输采用挖掘机挂钢丝绳托运。经过探索实践发现，基坑路腿运输道路采用钢排节省修路时间，效果好，可以重复利用，提高了运输效率及设备完好率，较石渣筑路节约了成本。

渠道下部开挖料为中粗砂，含泥量小，透水性好。通过探索，采用中粗砂开挖料修筑沿渠及渣场运输道路也是可行的，厚度不低于1.50m，进占法修路，装载机不错辙反复碾压，多次在车辙处填筑砂料碾压，及时维护是确保道路正常使用的法宝。

渣场弃渣道路两侧开挖排水沟，经雨雪天气后道路不被雨水浸泡。采购储备塑料布，雨前对道路进行覆盖保护，雨后组织排水，及时把塑料布掀开，晾晒道路为及早开工做准备。

4.3 渣场弃渣要灵活

低液限黏土在弃渣场堆高困难，推土机拢堆高度2.50m 左右，汽车在渣场内运输行走困难，主要呈现为低液限黏土上修路填筑用石渣需求量大，利用率低，经统计石渣量为开挖量的12%，同时车辆损毁率高。车辆底部铺设10mm 厚聚乙烯塑料板，解决粘土粘车底卸不净问题。为充分利用渣场，提高运输效率，在已修筑的通往渣场主运输道路边开挖3.00m ×3.00m ×3.50m的集料坑，自卸汽车将开挖料卸至集料坑，用PC240 小松挖掘机二次倒运拢高土料。经统计测算，多了一次挖掘机甩土，弃料可以堆高至5～6m，充分利用了料场，提高了弃渣效率，自卸汽车多拉快跑，降低了维修费用，同时节省了外运石渣的费用，总体节约了成本。