大方量低液限黏土開挖研究與探索

□陳建國（河南省水利第一工程局）

1 工程概況

出山店水庫位于河南省信陽市，壩址在京廣鐵路以西14km的淮河干流上，控制流域面積2900km2，出山店水庫是歷次淮河流域規(guī)劃中列為淮干上游的唯一一座防洪控制工程，水庫總庫容12.51 億m3。

出山店水庫是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉、兼顧發(fā)電等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程。出山店水庫采用明渠導流，導流明渠工程全長1264.75m,全渠道分為進口段、明渠段、出口段，斷面型式采用梯形斷面，底寬50m，邊坡坡比為1:2.50，渠底縱坡為1:800，挖深7～8m，樁號0+700～1+050 填筑子堤頂寬3m、高度3～4m，護砌采用40cm 厚鉛絲石籠，底部鋪設(shè)350g/m2土工布，樁號0+700～1+050 段鉛絲石籠與土工布之間鋪設(shè)10cm厚碎石墊層，護砌高程按非汛期10a 一遇水位超高1.00m 標準確定。

由于明渠底板位于不良級配砂層上，為避免水流淘刷帶來的不利影響，導流明渠進口段和出口段渠底邊線兩側(cè)和樁號0+000 及1+168.59 橫向設(shè)置水泥攪拌樁加固地基。樁徑50cm，采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，粉噴樁頂部與明渠底板護砌底部平齊，樁深度至良好級配礫石層下1.00m，高程介于71～68.50m之間，樁間距為40cm，采用套樁連接，平面布置上形成U 型。

為保證施工期間導流明渠兩岸的交通，導流明渠中心線樁號1+073.92 處設(shè)交通橋一座，橋梁縱軸線與導流明渠中心線正交。橋梁單跨長度為20.20m，共4 孔，總長80.80m。橋面寬度按雙車道布置，橋面總寬8m，凈寬7m，兩側(cè)設(shè)欄桿，不設(shè)人行道。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力空心板，下部采用雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.40m，墩柱1.20m。

2 水文氣象及工程地質(zhì)

出山店水庫多年平均降雨量約1000mm。其特點是年際變化大，年內(nèi)分布很不均勻，6-8月降水量約占全年降雨的50%以上，其中又多集中暴雨。

導流明渠土、巖體從上至下依次分布為第四系全新統(tǒng)下段沖積（Q1al4）低液限粘土、級配不良砂；第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Qalp3）級配良好礫以及級配不良砂透鏡體；古近系吳城群毛家坡組（Em）粘土巖、砂巖及礫巖；導流明渠場區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬土巖雙層結(jié)構(gòu)。場區(qū)表層分布有坑塘和稻田，底部分布淤泥質(zhì)土，多呈軟塑狀，灰黑，有腥臭味。

低液限粘土屬弱透水層，級配不良砂屬中等透水層，礫石屬強透水層，古近系毛家坡組砂質(zhì)粘土巖、粘土質(zhì)砂巖屬弱透水層。導流明渠場區(qū)地貌屬淮河左岸階地，地形平坦，地面高程80.00～83.27m。上覆第四系粘性土層、砂層及礫石層，下伏古近系粘土巖、砂礫巖等，地層起伏較大，地層分布不穩(wěn)定，巖性變化也較大。

3 低液限黏土特點及需要研究與探索的問題

低液限黏土屬于弱透水層，含水量在25%～28%之間，保水性好，自然密實，整體性好，抗沖刷能力強，承載力低，容易出現(xiàn)彈簧土。因此基坑開挖過程中面臨自卸汽車運輸?shù)缆废蒈嚕鼒鰲壴恫粌簦谝粚訔壛虾鬅o法進行第二層棄料，渣場需要面積大，利用率低的困難。信陽市屬華中副熱帶氣候區(qū)，平均相對濕度為70%～80%，受季風影響顯著。其氣候主要特點，4-9月從太平洋進入的暖濕氣流水汽充沛，往往與北方的冷氣流交綏，造成大量降雨。

由于信陽市雨水豐富、空氣濕度大，加上導流明渠工程土方開挖工程量大，工期緊，有效工作日少，要求的施工強度大，急需解決和探索的問題就是——解決施工道路、粘土卸不凈、提高渣場利用率。

4 提高施工效率的技術(shù)措施

4.1 施工機械的選擇

借鑒淮河流域洪河治理的土方施工經(jīng)驗，開挖含水量較高的粘土采用履帶式東方紅鏟運機，該鏟運機斗容量為2.75m3，自鏟自卸自推平，爬坡能力強，開挖含水量較高的粘土不陷車，在渣場棄渣堆高優(yōu)勢顯著，可是鏟運機的經(jīng)濟運距為100～200m，遇見砂層時鏟運困難。針對出山店水庫導流明渠工程土方開挖上部為低液限黏土下部為砂礫的特點，棄渣場距離渠道較近，采用分段分片，東方紅鏟運機開挖與挖掘機裝自卸汽車相結(jié)合的方法進行，鏟運機完成上部低液限黏土開挖，在經(jīng)濟運距范圍內(nèi)提高功效的同時又能規(guī)范土料的分類堆放。挖掘機裝自卸汽車開挖下部砂礫料能夠解決粘土陷車、渣場卸料堆高困難等問題，彌補了鏟運機的短板。

4.2 施工道路修筑是關(guān)鍵

土方開挖時基坑內(nèi)及通往渣場的道路是關(guān)鍵，道路的承載力直接影響到運輸效率、設(shè)備完好率、開挖成本。修路常規(guī)采用開挖路槽后填筑路基料，路基料就地取材——選取開挖的石渣、膠結(jié)砂礫料、含水量較低的粘土料等。出山店水庫導流明渠工程施工區(qū)域內(nèi)土料全部為低液限黏土，含水量較高，不適宜用作筑路材料。右壩肩上游附近河岸邊堆棄的采礦廢渣料為強風化花崗巖，運距2.50km，同時跨過淮河需修筑漫水橋道路，成本較高。面對困難，不得已，在基坑低液限黏土上開路槽寬3～4m，深0.70m，填筑石渣厚度0.80～1.00m。路槽起到節(jié)約回填料問題，同時運行期間保持道路不擴散變形，換填料提高道路承載力保障運輸過程不陷車，提高運輸效率。換填料的選擇及厚度是關(guān)鍵，根據(jù)現(xiàn)場情況一次換填到位，否則為節(jié)約料換填厚度不夠造成車輛跑不了幾趟就報廢，前功盡棄，二次返工費工費時，損失更大。運行過程中及時維護，發(fā)現(xiàn)彈簧處要徹底根治，切忌臨時推平或再鋪一層，道路越毀越嚴重，影響開挖進度。

修筑道路的石渣運輸成本高，拆除時還需二次外運，為降低石渣填筑及拆除成本，解決修路材料的周轉(zhuǎn)問題是關(guān)鍵。實踐證明，路槽用石渣二次周轉(zhuǎn)不可行——使用后反復碾壓，與泥混合，拆除后不能再利用。用15mm 厚1.00m ×2.00m 鋼板鋪筑道路進行試驗，結(jié)果鋼板道路整體性差，搬運困難，斜坡上汽車打滑，鋼板容易疲勞變形，鋼板棱角容易損壞輪胎。經(jīng)過分析研究，發(fā)現(xiàn)南陽油田有報廢的長9m，直徑10cm 的無縫鋼管鉆桿。無縫鋼管具有強度高、剛性好、寧折不彎的特點，做成鋼排能夠解決路腿道路問題。工程人員購買了大量無縫鋼管鉆桿做成寬3m、長9m 鋼排，底部每間隔1.00m 用南水北調(diào)襯砌機軌道鋼軌做橫梁連接，鋼管之間、鋼管與道軌之間全部采取焊接，每個鋼排重約4t，運輸采用挖掘機掛鋼絲繩托運。經(jīng)過探索實踐發(fā)現(xiàn)，基坑路腿運輸?shù)缆凡捎娩撆殴?jié)省修路時間，效果好，可以重復利用，提高了運輸效率及設(shè)備完好率，較石渣筑路節(jié)約了成本。

渠道下部開挖料為中粗砂，含泥量小，透水性好。通過探索，采用中粗砂開挖料修筑沿渠及渣場運輸?shù)缆芬彩强尚械模穸炔坏陀?.50m，進占法修路，裝載機不錯轍反復碾壓，多次在車轍處填筑砂料碾壓，及時維護是確保道路正常使用的法寶。

渣場棄渣道路兩側(cè)開挖排水溝，經(jīng)雨雪天氣后道路不被雨水浸泡。采購儲備塑料布，雨前對道路進行覆蓋保護，雨后組織排水，及時把塑料布掀開，晾曬道路為及早開工做準備。

4.3 渣場棄渣要靈活

低液限黏土在棄渣場堆高困難，推土機攏堆高度2.50m 左右，汽車在渣場內(nèi)運輸行走困難，主要呈現(xiàn)為低液限黏土上修路填筑用石渣需求量大，利用率低，經(jīng)統(tǒng)計石渣量為開挖量的12%，同時車輛損毀率高。車輛底部鋪設(shè)10mm 厚聚乙烯塑料板，解決粘土粘車底卸不凈問題。為充分利用渣場，提高運輸效率，在已修筑的通往渣場主運輸?shù)缆愤呴_挖3.00m ×3.00m ×3.50m的集料坑，自卸汽車將開挖料卸至集料坑，用PC240 小松挖掘機二次倒運攏高土料。經(jīng)統(tǒng)計測算，多了一次挖掘機甩土，棄料可以堆高至5～6m，充分利用了料場，提高了棄渣效率，自卸汽車多拉快跑，降低了維修費用，同時節(jié)省了外運石渣的費用，總體節(jié)約了成本。

5 結(jié)束語

不同區(qū)域受水文氣象及地質(zhì)條件的影響不同，土方開挖過程中采用靈活多變的施工方法，能夠加快施工進度，確保施工節(jié)點，降低施工成本，提高功效，同時及時總結(jié)便于類似工程借鑒采納。