王越 郭天龍

摘要：換填法因具有施工便捷、可管控施工質量、不需要特定的機械設備、成本投入力度較低等突出優(yōu)點，被建筑企業(yè)廣泛利用在地基處理工作中。本文介紹在總結普通地質條件基礎換填施工經(jīng)驗的基礎上，結合熱帶雨林地區(qū)沼澤地的實際情況，分析、研究、改進并應用于本工程輸水明渠沼澤地基礎的處理，因地制宜改進技術處理方法，加快了施工進度、保證了施工質量，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：地基處理;換填法;施工技術

1.工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆南部安壩省境內緊鄰赤道幾內亞的恩特姆河上，是喀麥隆最大的水電站，電站采用引水式發(fā)電，水庫總庫容為1.13億 m3，電站裝機共4臺，總裝機容量為211MW，電站運行多年平均發(fā)電量為11.87 億kW·h。電站由攔河壩、溢洪道、取水口、輸水渠道、天然壓力前池、二道壩、進水口、壓力管道、廠房、尾水渠及開關站等組成。

工程輸水明渠總長約3010m，輸水明渠起始端的渠底設計高程為 386.0m，渠頂設計高程為395.0m，渠道縱坡為1/4000，根據(jù)地形條件（地面高程與渠頂高程、渠底高程的關系），渠道分為三種類型，即全挖方斷面、全填方斷面和半挖半填斷面。全挖方段渠道長約2070m，最大挖深約42.0m;全填方渠道長約320m，位于沼澤段，最大填高約18m;其余渠段為半挖半填渠道，長約620m。

輸水明渠沼澤地地面高程在384.0～386.0m，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0～0.4m。沼澤地地基表層為第四系全新統(tǒng)湖沼相（Q4l）淤泥，厚約1～3m;其下第四系全新統(tǒng)沖積物（Q4al）以粉細砂或粉土為主，其下局部為中粗砂，溝谷中部最大厚度約7.0m，向其兩側逐漸減少為2.5m;下伏下元古界恩特姆組（Pt1N）全風化層厚度約16.0m，向其兩側逐漸減少為4.0～5.0m;全風化層之下為強～弱風化基巖。施工段強～弱風化基巖面起伏較大，強風化基巖面高程約 353.9m，沿渠道上、下游分別逐漸抬升至371.2.0～365.5m。

施工段因地處沼澤地帶，基巖上覆軟土厚度大，需采取適宜的地基補強措施。經(jīng)多方案比選，最終確定采用換填的方案對沼澤地進行處理。

1.1換填法的主要作用和優(yōu)點

基礎換填法在工程施工中應用較為廣泛，特別適用于大面積、淺層基礎的地基補強施工，如淤泥、淤泥質土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基及暗溝、暗塘等，具有便于機械化施工和回填質量易于控制等優(yōu)點，避免了隱蔽工程施工時缺陷不易發(fā)現(xiàn)、后期缺陷處理任務繁重的問題。

（1）增強地基強度，提高承載力：將基礎范圍內抗剪強度小的淤泥、淤泥質土、濕陷性黃土、素填土、雜填土等，替換為抗剪強度高的砂、卵石、灰土、煤渣、礦渣等，提高地基抗剪破壞的能力;

（2）減少地基沉降：將壓縮性高的土質，替換為低壓縮性的土質，可以有效減少地基的沉降量。同時，隨著地基抗剪強度的增加，其應力擴散作用更為明顯，在總壓力不變的情況下，可以有效減小作用在下臥層基礎上的壓應力，減少地基沉降量;

（3）加速軟弱土層的排水固結：底層采用透水性強的材料進行換填，軟弱土層受壓后，墊層可以作為良好的排水面，使基礎下面的土壓力快速消散，加速墊層下軟弱土層的排水固結，提高其強度;

（4）減小渠道內水與外水的滲透作用，防止渠堤滲透破壞：換填施工時，采用透水性好的石渣等材料作為墊層材料，上部結構采用滲透系數(shù)較小的粘土進行回填，可以有效減小渠道內水與水庫外水通過渠堤的滲透作用，防止渠堤滲透破壞;

（5）可以有效控制換填施工質量：基礎換填采用分層壓實的方法進行回填，每層均需進行質量檢測，當填筑層不合格時，嚴禁進行上層結構的回填施工，可以對填筑施工質量進行有效控制，減少后期缺陷處理工作;

（6）便于機械化施工，加快施工進度：回填施工工作面大，便于多組機械同時進行開挖、回填作業(yè)，有效加快施工進度;

（7）減少工程成本投入：在特定的條件下，如特種地基處理設備難以進行采購、租賃等情況下，土石方開挖機械同樣可以用于回填作業(yè)，避免了特種機械的采購、租賃、運輸?shù)纫幌盗袉栴}，減少了購買特種機械的工程成本投入。

1.2換填法適用范圍

基礎換填法適用于淺層、大面積地基處理，包括淤泥、淤泥質土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結的吹填土等地基處理以及暗塘、暗溝等淺層處理和低洼區(qū)域的填筑。換填法還適用于一些地域性特殊土的處理，用于膨脹土地基可消除地基土的脹縮作用;用于濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性;用于季節(jié)性凍土地基可消除消除凍脹力和防止凍脹破壞;用于山區(qū)地基可用于處理巖面傾斜、破碎、高低差、軟硬不均及巖溶等。

1.3換填法施工原理

基礎換填的基本原理：采用強度高、壓縮性低、抗侵蝕的材料，將強度低、壓縮性高及易受侵蝕基礎進行置換，以達到提高地基承載力，增加地基強度，減少地基沉降的目的。

2.工藝流程及施工要點

2.1.執(zhí)行標準和要求

2.1.1.執(zhí)行規(guī)范

（1）《水利水電工程地質勘察規(guī)范》 GB50487-2008;

（2）《巖土工程勘察規(guī)范》 GB50021-2001;

（3）《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》 SL251-2000;

（4）《碾壓式土石壩設計規(guī)范》 SL274-2001;

（5）《碾壓式土石壩施工規(guī)范》 DL/T5129-2001;

（6）《水電水利工程碾壓式土石壩施工組織設計導則》 DL/T5116-2000;

（7）《土工試驗規(guī)程》 SL237-1999.

2.1.2.設計參數(shù)

（1）設計開挖面高程379.0m;

（2）高程379.0～380.5m填筑堆石料（滿足設計級配要求的石料），壓實后干密度大于2.3g/cm3;

（3）高程380.5～383.0m填筑含礫石粘土料，礫石含量大于20%，壓實后抗?jié)B系數(shù)小于1x10-4cm/s;

（4）高程383.0以上填筑純粘土料，壓實后要求壓實度大于等于98%，抗?jié)B系數(shù)小于1x10-6cm/s;

（5）堆石料虛鋪厚度1.2m，壓實后厚度約1.0m，粘土料虛鋪厚度35cm，壓實后厚度約為30cm;

（6）邊坡坡度除與庫區(qū)相鄰的一側為1：3外，其它邊坡均為1：2;

（7）當填筑層試驗檢測不合格時，嚴禁進行上一層填筑施工。

2.2.施工方法

首先進行輸水渠道兩側臨時圍堰填筑，在圍堰填筑前，使用挖掘機以邊坡實地或已經(jīng)填筑的區(qū)域作為作業(yè)平臺將表層樹枝及淤泥等雜物盡可能清理干凈，采用20t自卸車運輸至棄渣場，必要時采用長臂挖掘機配合清理工作。表層清理完成后，進行圍堰填筑作業(yè)，采用20t自卸車運料，進占法卸料。由于沼澤區(qū)淤泥比較厚，為了安全考慮，對已經(jīng)填筑區(qū)域采用挖掘機在該處反復行走數(shù)遍，對沉降區(qū)域重新填筑，直至戧體穩(wěn)定為止，進行下一段施工。如此循環(huán)作業(yè)完成戧體填筑，填筑高程高于水面線1.0m。在圍堰填筑完成后進行基坑排水，基坑排水分為基坑初期排水和基坑經(jīng)常性排水。初期排水主要包括基坑積水及圍堰滲水，初期排水時，基坑水位下降速度控制在每晝夜不超過1.0m，以免影響圍堰邊坡穩(wěn)定。經(jīng)常性排水主要包括圍堰滲水、基坑滲水、降水及施工廢水等。

在完成基坑初期排水后進行基坑開挖施工，開挖采用分層的方式進行，分層厚度可根據(jù)總的開挖厚度及機械性能設置為2～4m。由于施工機械無法在沼澤內進行施工作業(yè)，需首先對換填區(qū)域采用填筑紅土礫石的方法擠淤，使得機械能正常施工作業(yè)。填筑采用端進法，填筑之前采用挖掘機或長臂挖掘機對表層樹枝等雜物進行簡單清理。開挖至設計高程（379.0m）后，因此高程以粉細砂或粉土為主，滲水較為嚴重，堆石料回填采用小面積分塊快速回填的方式，防止基礎在滲流作用下結構破壞而導致強度降低，同時減少抽排水工作。在第一層堆石料填筑完成后，上部每層堆石料均采用大面積快速回填的方式，填筑工程中注意對整個工作面進行找平，以防止后期不均勻沉降。

在堆石料填筑完成后，進行截滲槽的施工，首先進行放樣，采用挖掘機進行刻槽，考慮下伏層為易受擾動的粉細砂或粉土，截滲墻施工采用薄層靜壓的方式進行施工，以防止擾動破壞。截滲槽兩側邊坡2.m范圍內，采用細碎石渣進行回填，以保護截滲墻墻體。在截滲槽填筑至設計高程（380.5m）后，含礫粘土與粘土采用分層、平齊上升的方式進行填筑，分層虛鋪厚度為35cm（根據(jù)工程具體條件，經(jīng)碾壓工藝性試驗確定），碾壓后為30cm。此時，因整個工作面較大，填筑時采用大面積、機械化、分塊的方式進行施工，以進行循環(huán)作業(yè)，提高填筑面各類施工機械的使用效率，加快施工進度。單元循環(huán)的原則是：一個單元在攤鋪，另一個單元在灑水、碾壓，第三個單元已經(jīng)（或接近）通過驗收，照此循環(huán)往復。

2.3.工藝流程

2.4.沼澤地基礎換填法施工關鍵要點

2.4.1.圍堰填筑

（1）圍堰形式

圍堰形式根據(jù)圍堰外側水流大小進行確定，若設計水流較大，則宜采用心墻式，以防止沖刷破壞，若設計水流較小，則可采用防滲鋪蓋加堆石體的形式，以加快施工進度。

（2）圍堰尺寸

臨時圍堰尺寸根據(jù)是否具有通車要求進行設置，有通車要求時，頂部尺寸宜為7～9m，無通車要求時，應保證頂部寬度在4.0m以上。石方邊坡坡度宜為1：1，土方邊坡坡度宜為1：1.5，由特殊要求時，應根據(jù)具體情況進行加寬。

（3）圍堰高度

圍堰高度宜超出最高設計水位1.0m以上，并盡量在旱季進行換填施工。

2.4.2.基坑排水

（1）初期排水

在對基坑進行初期排水時，應控制降水速度小于1.0m/天，以免影響圍堰邊坡穩(wěn)定。

（2）經(jīng)常性排水

經(jīng)常性排水采用排水溝引水、井點集水的方式進行，在圍堰坡腳2.0m以外開挖截水溝，每隔20m設置一個集水坑，采用污水泵進行抽排水工作，保證基坑水位在填筑面1.0m以下。

2.4.3.基坑開挖及堆石料回填

基坑開挖應根據(jù)開挖深度采用一次性開挖或分層開挖的方式進行，開挖至設計高程后，進行堆石料回填。在開挖完成后，應立即進行堆石料回填施工，以減少基礎結構破壞，因此，在最后一層開挖時，應根據(jù)開挖能力，采用小面積快速開挖的方式進行，以便及時進行驗收及回填施工。

2.4.4.防滲體填筑

防滲體填筑采用分層的方式進行，在填筑前，應進行粘土碾壓工藝性試驗，以確定碾壓機械組合、攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)等參數(shù)。同時，對料場粘土料提前進行擊實實驗以確定粘土料最大干密度和最優(yōu)含水率。

3.材料與機具設備

3.1.材料

沼澤地基礎換填法主要用到的材料與普通基礎換填施工所用到的材料基本相同，即堆石料、含礫粘土及純粘土。堆石料生產(chǎn)應盡量簡化，可通過控制爆破參數(shù)間接控制堆石料級配，使堆石料滿足設計級配要求，可直接用于填筑施工。粘土及含礫粘土在填筑施工前，應先進行料場勘探，料源滿足設計要求后方可進行填筑施工，同時，在施工前和施工過程中，應對料源不定時檢查其含水率，含水率不合格，應進行翻曬或灑水處理，達到設計要求后，方可繼續(xù)進行填筑施工。

3.2.機械設備

投入的主要施工設備見下表1。

序號 設備名稱 規(guī)格型號 數(shù)量（臺）

1 裝載機 LG850，3.0m3 2

2 長臂挖掘機 CAT320DL，0.6m3 1

3 反鏟挖掘機 CAT324DL，1.7m3 2

4 推土機 SD22，162KW 1

5 推土機 SD32，239KW 2

6 自卸汽車 SX3254BM294，20t 19

7 柴油發(fā)電機 200KW 1

8 柴油發(fā)電機 50KW 1

9 離心泵 IS（H）200-150-315 3

10 潛水泵 QS80-22-7.5 6

11 振動平碾 DYNAMPC，CA610D，20.7t 1

12 振動凸塊碾 DYNAMPC，CA610PD，20.7t 1

4.質量控制

4.1.圍堰填筑質量控制

4.1.1.圍堰填筑前應進行放樣，保證圍堰在設計開挖線以外一定距離，以確保圍堰邊坡穩(wěn)定，同時給排水溝開挖留有一定余地;

4.1.2.圍堰填筑前應對沼澤地表層樹枝、雜物、淤泥等，盡可能清理干凈，以減少圍堰滲漏水量;

4.1.3.圍堰填筑時，應分層填筑并壓實，以防止圍堰沉陷、裂縫甚至垮塌;

4.1.4.心墻防滲體或上游鋪蓋防滲體填筑時，應閉氣良好，發(fā)現(xiàn)管涌或流土現(xiàn)象時，應及時處理，以保證堰體穩(wěn)定。

4.2.基坑開挖質量控制

4.2.1.基坑開挖時，應確保抽排水系統(tǒng)有效運行，以防止邊坡坍塌;

4.2.2.基坑開挖至設計高程后，應按小面積、快速開挖的方式進行，以減少基礎因滲流和擾動破壞;

4.2.3.在開挖完成后、堆石料回填前，應保證開挖面無積水、爛泥。

4.3.渠堤填筑質量控制

4.3.1.渠堤填筑應分層進行，并根據(jù)已批準的施工參數(shù)進行攤鋪、碾壓;

4.3.2.堆石料填筑過程中，應注意對填筑面進行找平，以較小后期不均勻沉降;

4.3.3.每填筑完成一層，應對填筑結果進行試驗檢測，合格后，方可進行上面一層填筑施工，若試驗結果不合格，應進行返工處理，直至合格。

5.安全措施及注意事項

1）加強對作業(yè)人員的安全教育，并經(jīng)培訓后上崗;

2）進入現(xiàn)場施工，必須正確佩戴安全帽;

3）開挖施工時，挖機活動范圍內嚴禁站人;

4）挖機作業(yè)時，嚴禁進入未進行填筑的沼澤內，以防止陷入;

5）圍堰填筑前，對沼澤地表層樹枝、雜物及淤泥應盡量清除，以減弱、防止后期滲透破壞;

6）圍堰填筑完成后，應在初期和水位上漲期加強圍堰安全穩(wěn)定監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時進行處理，以防止堰體滲透破壞;

7）基坑初期排水時，應限制降水速度小于1.0m/天，以免影響邊坡圍堰穩(wěn)定;

8）堆石料取料時，應清除石料內的泥塊和超徑石塊;

9）粘土取料時，應清除土料內的樹根、石塊等雜物。

6.環(huán)保及節(jié)能措施

1）在施工前，應做好各機具、設備的檢修調試工作，確保在施工中不因發(fā)生故障而造成施工中斷，保證施工的連續(xù)性;

2）基坑開挖棄渣應堆放在指定的棄渣場，減少耕地占用和環(huán)境破壞;

3）基坑排水應首先抽排至天然的沉淀池，經(jīng)沉淀后自流至庫區(qū)或河道;

4）經(jīng)常性排水，排水系統(tǒng)采用間歇性排水或小流量不間斷的方式進行，以減少發(fā)電機運轉時間或降低排量;

5）堆石料回填施工時，取料后應盡量直接用于填筑施工，減少轉運次數(shù);

6）粘土取料時，應將表層腐殖土集中堆放，取料后進行場地恢復。

7.結語

基礎換填法所使用的機械設備與土石方開挖所使用的機械設備基本相同，在開挖完成后，采用相同的設備進行回填施工，提高了現(xiàn)有機械的利用效率，同時減少了其它地基處理方案所使用特殊設備的采購、租賃及運輸費用，特別在經(jīng)濟不發(fā)達的國家，機械設備采購、租賃、運輸困難時?；A換填法易于大面積機械化施工，加快了施工進度，節(jié)約了約1/3的工期，具有良好的推廣意義。

參考文獻

[l]《地基處理手冊》編委會.地基處理手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.33-52.

[2]劉景政，楊素春，鐘冬波.地基處理與實例分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.16-35.