曼维莱水电站沼泽渠道地基处理方案比选

徐建闽 孙志峰

曼维莱水电站沼泽渠道地基处理方案比选

徐建闽 孙志峰

曼维莱水电站输水明渠存在长约300 m的沼泽渠段，因浅层地基以淤泥和粉细砂为主，需进行地基处理以确保工程安全运行。APD阶段，拟对该渠段采用振冲碎石桩加固的地基处理方案。由于振冲碎石桩地基处理方案存在一些不定因素，比如需在制桩试验之后方能最终确定现场施工设备与技术参数、施工质量不易控制和保障、成桩后的质量检测手段比较繁复等，这使得振冲碎石桩法存在一定的风险和隐患。CD阶段，经补充地质勘察，根据沼泽渠段地基工程地质条件，结合本工程输水明渠施工场地开阔、现场换填材料资源丰富、换填后质量可控且抽检简单易行等特点，最终确定该段地基处理采用换填方案。经现场地基换填法实施效果证实，不仅换填后基础质量可靠，而且工程施工进展顺利、施工费用低，经济效果十分显著。

沼泽渠段 地基处理 振冲碎石桩法 地基换填法

曼维莱（MEMVE’ELE）水电站工程，位于喀麦隆南部地区NYABESSAN镇附近的恩特姆河主干流上，电站总装机容量201 MW，主体建筑物主要由拦河坝、溢洪道以及引水发电系统等构成。该电站由中国进出口银行向喀麦隆提供买方信用贷款，经喀麦隆民主共和国能源部委托中国水电建设集团建设，采用总价承包合同（EPC）。

曼维莱水电站引水发电系统包括渠道进水口、输水明渠、天然前池、电站进水口及压力管道等主要建筑物。其中，电站输水明渠总长约3.15 km，设计引水流量为450 m3/s，进口底板高程386.0 m，渠道出口底板高程385.28 m。采用梯形断面，渠道底宽15.0 m，边坡1∶2.0，全断面混凝土衬砌。

输水明渠桩号0+090—0+390段布设于沟谷，为全填方渠段，因浅层地基以淤泥和粉细砂为主，工程性质不良，其强度无法满足设计要求，需进行地基处理以确保工程安全运行。对于EPC项目，在确保工程安全运营的前提下，如何减少工程量以获取利益最大化，是工程建设需要重视的问题。因此，曼维莱水电站沼泽渠段地基处理方案比选，需从工程安全、施工便利、经济效益等几方面综合考虑。

1 沼泽渠道工程地质条件

沼泽渠段地面高程384～386 m，以全填方渠段为主。因地处沟谷，雨季时节多被河水淹没，旱季则以湿地为主，地下水埋深0～0.4 m。

钻孔标贯试验结果，宽谷底部表层分布的少量第四系全新统湖沼相淤泥，其标贯击数为1～2击（参见图1）。

图1 过沼泽渠段湖积层标贯击数散点图

图2 过沼泽渠段冲积层标贯击数散点图

全风化残积层，标贯击数随深度增加的趋势十分明显（参见图3），表层2～4 m标贯击数略低，在7～9击之间；层顶面5 m以下标贯击数一般大于15击，以15～20击者居多；含水状态对全风化残积层的强度亦有影响，ZKH1位于沼泽段边缘，相同深度下，其标贯击数（18～28击）即高于其它钻孔。此外，因全风化残积层中随机分布有未完全风化的岩块，致使个别试段标贯击数大于50击。

从取样试验结果（参见表1）看，全风化残积层天然密度1.61～1.93 g/cm3，含水率12.0%～44.0%，塑性指数Ip＝16.0～49.0，压缩系数av＝0.13～0.55 MPa－1、属中等—高压缩性，三轴（CU）试验：φcu＝12.0°～23.0°、Ccu＝15.7～78.5 kPa，φ′＝23.0°～37.0°、C′＝14.7～46.1 kPa。试验指标表现出土体具有明显的不均一性。

图3 过沼泽渠段全风化残积层标贯击数散点图

2 地基处理方案1——振冲碎石桩加固处理

表1 全风化残积层试验成果总表

APD（相当于国内初步设计）阶段，在日本NIPPON KOEI公司提交的可研报告基础上，鉴于沼泽渠段软土地基厚度较大，拟对该渠段采用振冲碎石桩加固的地基处理方案。

自20世纪60年代起，振冲碎石桩法广泛运用于软土地基处理施工中，主要适用于黏性土、粉土、饱和黄土、人工填土等地基的处理。它是利用一个产生水平向振动的管状设备，在高压水流下边振边冲，以便在软弱地基中成孔，然后，再在孔内分批填入碎石等坚硬材料制成一根根桩体，桩体和原来的土体构成所谓复合地基。相较原有地基，复合地基的承载力高、压缩性小。

鉴于曼维莱水电站沼泽渠段地基土层厚度较大，本工程振冲碎石桩拟采用浮筏式基础，也即，桩体并未打到下伏基岩（相对硬层），复合地基主要起垫层的作用。为了确保渠道地基振冲加密效果，布孔范围扩大至渠道基础轮廓线外5.0 m。根据场区土层特性和一般工程经验，振冲碎石桩的直径初定为1.0 m，间距2.0 m，呈等边三角形布置，平均桩长为10.0 m，桩端坐落在全风化残积层上。此外，桩顶部约1 m范围需做挖除换填或压密处理。

3 地基处理方案2——地基换填

CD（相当于国内施工图设计阶段）阶段，对沼泽渠段实施了补充地质勘察。根据最新的地勘成果，渠道地基自上而下，第四系全新统湖沼相淤泥，厚约1～3 m，性软，不宜作为渠基；其下全新统冲积粉细砂或粉土，多呈松散至稍密状态，该层下部局部为中粗砂，多呈中密状态，考虑到渠基对地基强度要求不高，除该层表部性状略差外，中下部不失为较好的持力层。

鉴于此，根据本工程输水明渠施工场地开阔、便于机械化施工，施工质量可控且换填材料资源丰富等诸多有利条件，拟定该段地基处理采用换填方案。也即，将渠道设计底板高程以下一定范围的软土地基挖除，换以工程性质较好的石渣、砾质土以及黏性土，并通过分层碾压，使其达到要求的密度，成为良好的人工地基，以此来解决天然地基承载力不足、沉降过大的问题。换填原则为：表层淤泥质黏土全部予以置换，并换填掉一定深度的第四系全新统冲积物或全风化残积层，地基换填深度最大约7.0 m。

具体施工方法如下：

（1）从现状地面下挖至379.00 m高程，然后采用石渣回填至380.50 m高程。运用后退法卸料摊铺，由中间向两头同时进行，采用20 t自卸车运料，推土机推平，摊铺厚度约100 cm，采用振动平碾进行碾压；碾压后碎石层孔隙率应控制在25%左右或者其相对密度不小于0.8。

（2）380.50～382.95 m高程，采用砾石土回填。运用前进法卸料摊铺，由中间向两头同时进行，采用20 t自卸车运料，推土机推平，摊铺厚度约30 cm，采用振动平碾进行碾压；根据击实试验成果，碾压后砾石土层干密度指标应大于或等于1.85 g/cm3。

（3）382.95～386.0 m高程，采用黏性土料（同渠堤填筑料）回填。运用前进法卸料摊铺，由中间向两头同时进行，采用20 t自卸车运料，推土机推平，摊铺厚度约30 cm，采用振动凸块碾进行碾压；根据击实试验成果，碾压后回填黏性土层干密度指标应大于或等于1.50 g/cm3。

4 地基处理方案比选

经初步计算，采用上述2种方案进行地基处理后，均可以满足设计要求。但是，相对而言，振冲碎石桩地基处理方案存在一些不确定因素。

（1）由于复合地基容许承载力以及最终沉降量的计算方法还不够成熟，某些设计参数还只能凭经验选定，振冲碎石桩法加固设计，实际上处于半理论半经验状态，因此，对于重要工程或复杂的地质情况，必须在现场进行制桩试验，并根据试验资料修改设计，制定施工要求。也即，具体的现场施工设备与技术参数，需在制桩试验之后方可最终确定，这对于设备进场周期至少需要3～4个月的国际项目而言，显然增加了施工前准备和设备调度等方面的困难和风险。

（2）勘探成果表明，沼泽渠段下伏土层变化较大且不易查明，这就使得振冲碎石桩法置换地基的适应性受到影响，仅通过少数制桩试验难以确保整个沼泽渠段地基处理可以顺利施工并达到预期效果，而大量实施制桩试验对工期的影响是显而易见的。加上该渠段地处沟谷，当地总长约6个月的大、小雨季施工不便，也从另一方面对沼泽渠段地基处理提出了较为严苛的工期要求。

（3）振冲碎石桩法置换地基，属隐蔽工程，施工质量不易控制和保障，成桩后的质量检测手段也比较繁复，使得振冲碎石桩法存在一定的风险和隐患。

（4）振冲碎石桩方案施工经费远高于地基换填方案。

相对而言，地基换填的优越性则十分明显：施工场地开阔，便于机械化施工，可在大、小旱季安排施工并且工期可以保障；现场换填材料资源丰富，换填后质量可控，抽检简单易行；此外，运输车辆以及碾压设备均可通过生产计划实施现场调度而无需再进设备，大大节省了相应的设备筹备工作和物流资金。

从现场地基换填实施效果来看，不仅换填后地基质量可靠，而且工程施工进展十分顺利。就经济效益而言，仅通过地基换填取代振冲碎石桩一项，就节省建设费用约1 000万美元，这对于EPC合同项目来说，效果尤其显著。

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1007-6980（2015）02-0048-03

2015-03-13）

徐建闽 男 教授级高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

孙志峰 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222