换填法施工技术在非洲热带雨林沼泽地基处理中的应用

王越 郭天龙

摘要：换填法因具有施工便捷、可管控施工质量、不需要特定的机械设备、成本投入力度较低等突出优点，被建筑企业广泛利用在地基处理工作中。本文介绍在总结普通地质条件基础换填施工经验的基础上，结合热带雨林地区沼泽地的实际情况，分析、研究、改进并应用于本工程输水明渠沼泽地基础的处理，因地制宜改进技术处理方法，加快了施工进度、保证了施工质量，取得了明显的经济效益。

关键词：地基处理;换填法;施工技术

1.工程概况

曼维莱水电站位于喀麦隆南部安坝省境内紧邻赤道几内亚的恩特姆河上，是喀麦隆最大的水电站，电站采用引水式发电，水库总库容为1.13亿 m3，电站装机共4台，总装机容量为211MW，电站运行多年平均发电量为11.87 亿kW·h。电站由拦河坝、溢洪道、取水口、输水渠道、天然压力前池、二道坝、进水口、压力管道、厂房、尾水渠及开关站等组成。

工程输水明渠总长约3010m，输水明渠起始端的渠底设计高程为 386.0m，渠顶设计高程为395.0m，渠道纵坡为1/4000，根据地形条件（地面高程与渠顶高程、渠底高程的关系），渠道分为三种类型，即全挖方断面、全填方断面和半挖半填断面。全挖方段渠道长约2070m，最大挖深约42.0m;全填方渠道长约320m，位于沼泽段，最大填高约18m;其余渠段为半挖半填渠道，长约620m。

输水明渠沼泽地地面高程在384.0～386.0m，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0～0.4m。沼泽地地基表层为第四系全新统湖沼相（Q4l）淤泥，厚约1～3m;其下第四系全新统冲积物（Q4al）以粉细砂或粉土为主，其下局部为中粗砂，沟谷中部最大厚度约7.0m，向其两侧逐渐减少为2.5m;下伏下元古界恩特姆组（Pt1N）全风化层厚度约16.0m，向其两侧逐渐减少为4.0～5.0m;全风化层之下为强～弱风化基岩。施工段强～弱风化基岩面起伏较大，强风化基岩面高程约 353.9m，沿渠道上、下游分别逐渐抬升至371.2.0～365.5m。

施工段因地处沼泽地带，基岩上覆软土厚度大，需采取适宜的地基补强措施。经多方案比选，最终确定采用换填的方案对沼泽地进行处理。

1.1换填法的主要作用和优点

基础换填法在工程施工中应用较为广泛，特别适用于大面积、浅层基础的地基补强施工，如淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等，具有便于机械化施工和回填质量易于控制等优点，避免了隐蔽工程施工時缺陷不易发现、后期缺陷处理任务繁重的问题。

（1）增强地基强度，提高承载力：将基础范围内抗剪强度小的淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土等，替换为抗剪强度高的砂、卵石、灰土、煤渣、矿渣等，提高地基抗剪破坏的能力;

（2）减少地基沉降：将压缩性高的土质，替换为低压缩性的土质，可以有效减少地基的沉降量。同时，随着地基抗剪强度的增加，其应力扩散作用更为明显，在总压力不变的情况下，可以有效减小作用在下卧层基础上的压应力，减少地基沉降量;

（3）加速软弱土层的排水固结：底层采用透水性强的材料进行换填，软弱土层受压后，垫层可以作为良好的排水面，使基础下面的土压力快速消散，加速垫层下软弱土层的排水固结，提高其强度;

（4）减小渠道内水与外水的渗透作用，防止渠堤渗透破坏：换填施工时，采用透水性好的石渣等材料作为垫层材料，上部结构采用渗透系数较小的粘土进行回填，可以有效减小渠道内水与水库外水通过渠堤的渗透作用，防止渠堤渗透破坏;

（5）可以有效控制换填施工质量：基础换填采用分层压实的方法进行回填，每层均需进行质量检测，当填筑层不合格时，严禁进行上层结构的回填施工，可以对填筑施工质量进行有效控制，减少后期缺陷处理工作;

（6）便于机械化施工，加快施工进度：回填施工工作面大，便于多组机械同时进行开挖、回填作业，有效加快施工进度;

（7）减少工程成本投入：在特定的条件下，如特种地基处理设备难以进行采购、租赁等情况下，土石方开挖机械同样可以用于回填作业，避免了特种机械的采购、租赁、运输等一系列问题，减少了购买特种机械的工程成本投入。

1.2换填法适用范围

基础换填法适用于浅层、大面积地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理，用于膨胀土地基可消除地基土的胀缩作用;用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性;用于季节性冻土地基可消除消除冻胀力和防止冻胀破坏;用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差、软硬不均及岩溶等。

1.3换填法施工原理

基础换填的基本原理：采用强度高、压缩性低、抗侵蚀的材料，将强度低、压缩性高及易受侵蚀基础进行置换，以达到提高地基承载力，增加地基强度，减少地基沉降的目的。

2.工艺流程及施工要点

2.1.执行标准和要求

2.1.1.执行规范

（1）《水利水电工程地质勘察规范》 GB50487-2008;

（2）《岩土工程勘察规范》 GB50021-2001;

（3）《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》 SL251-2000;

（4）《碾压式土石坝设计规范》 SL274-2001;

（5）《碾压式土石坝施工规范》 DL/T5129-2001;

（6）《水电水利工程碾压式土石坝施工组织设计导则》 DL/T5116-2000;

（7）《土工试验规程》 SL237-1999.

2.1.2.设计参数

（1）设计开挖面高程379.0m;

（2）高程379.0～380.5m填筑堆石料（满足设计级配要求的石料），压实后干密度大于2.3g/cm3;

（3）高程380.5～383.0m填筑含砾石粘土料，砾石含量大于20%，压实后抗渗系数小于1x10-4cm/s;

（4）高程383.0以上填筑纯粘土料，压实后要求压实度大于等于98%，抗渗系数小于1x10-6cm/s;

（5）堆石料虛铺厚度1.2m，压实后厚度约1.0m，粘土料虚铺厚度35cm，压实后厚度约为30cm;

（6）边坡坡度除与库区相邻的一侧为1：3外，其它边坡均为1：2;

（7）当填筑层试验检测不合格时，严禁进行上一层填筑施工。

2.2.施工方法

首先进行输水渠道两侧临时围堰填筑，在围堰填筑前，使用挖掘机以边坡实地或已经填筑的区域作为作业平台将表层树枝及淤泥等杂物尽可能清理干净，采用20t自卸车运输至弃渣场，必要时采用长臂挖掘机配合清理工作。表层清理完成后，进行围堰填筑作业，采用20t自卸车运料，进占法卸料。由于沼泽区淤泥比较厚，为了安全考虑，对已经填筑区域采用挖掘机在该处反复行走数遍，对沉降区域重新填筑，直至戗体稳定为止，进行下一段施工。如此循环作业完成戗体填筑，填筑高程高于水面线1.0m。在围堰填筑完成后进行基坑排水，基坑排水分为基坑初期排水和基坑经常性排水。初期排水主要包括基坑积水及围堰渗水，初期排水时，基坑水位下降速度控制在每昼夜不超过1.0m，以免影响围堰边坡稳定。经常性排水主要包括围堰渗水、基坑渗水、降水及施工废水等。

在完成基坑初期排水后进行基坑开挖施工，开挖采用分层的方式进行，分层厚度可根据总的开挖厚度及机械性能设置为2～4m。由于施工机械无法在沼泽内进行施工作业，需首先对换填区域采用填筑红土砾石的方法挤淤，使得机械能正常施工作业。填筑采用端进法，填筑之前采用挖掘机或长臂挖掘机对表层树枝等杂物进行简单清理。开挖至设计高程（379.0m）后，因此高程以粉细砂或粉土为主，渗水较为严重，堆石料回填采用小面积分块快速回填的方式，防止基础在渗流作用下结构破坏而导致强度降低，同时减少抽排水工作。在第一层堆石料填筑完成后，上部每层堆石料均采用大面积快速回填的方式，填筑工程中注意对整个工作面进行找平，以防止后期不均匀沉降。

在堆石料填筑完成后，进行截渗槽的施工，首先进行放样，采用挖掘机进行刻槽，考虑下伏层为易受扰动的粉细砂或粉土，截渗墙施工采用薄层静压的方式进行施工，以防止扰动破坏。截渗槽两侧边坡2.m范围内，采用细碎石渣进行回填，以保护截渗墙墙体。在截渗槽填筑至设计高程（380.5m）后，含砾粘土与粘土采用分层、平齐上升的方式进行填筑，分层虚铺厚度为35cm（根据工程具体条件，经碾压工艺性试验确定），碾压后为30cm。此时，因整个工作面较大，填筑时采用大面积、机械化、分块的方式进行施工，以进行循环作业，提高填筑面各类施工机械的使用效率，加快施工进度。单元循环的原则是：一个单元在摊铺，另一个单元在洒水、碾压，第三个单元已经（或接近）通过验收，照此循环往复。

2.3.工艺流程

2.4.沼泽地基础换填法施工关键要点

2.4.1.围堰填筑

（1）围堰形式

围堰形式根据围堰外侧水流大小进行确定，若设计水流较大，则宜采用心墙式，以防止冲刷破坏，若设计水流较小，则可采用防渗铺盖加堆石体的形式，以加快施工进度。

（2）围堰尺寸

临时围堰尺寸根据是否具有通车要求进行设置，有通车要求时，顶部尺寸宜为7～9m，无通车要求时，应保证顶部宽度在4.0m以上。石方边坡坡度宜为1：1，土方边坡坡度宜为1：1.5，由特殊要求时，应根据具体情况进行加宽。

（3）围堰高度

围堰高度宜超出最高设计水位1.0m以上，并尽量在旱季进行换填施工。

2.4.2.基坑排水

（1）初期排水

在对基坑进行初期排水时，应控制降水速度小于1.0m/天，以免影响围堰边坡稳定。

（2）经常性排水

经常性排水采用排水沟引水、井点集水的方式进行，在围堰坡脚2.0m以外开挖截水沟，每隔20m设置一个集水坑，采用污水泵进行抽排水工作，保证基坑水位在填筑面1.0m以下。

2.4.3.基坑开挖及堆石料回填

基坑开挖应根据开挖深度采用一次性开挖或分层开挖的方式进行，开挖至设计高程后，进行堆石料回填。在开挖完成后，应立即进行堆石料回填施工，以减少基础结构破坏，因此，在最后一层开挖时，应根据开挖能力，采用小面积快速开挖的方式进行，以便及时进行验收及回填施工。

2.4.4.防渗体填筑

防渗体填筑采用分层的方式进行，在填筑前，应进行粘土碾压工艺性试验，以确定碾压机械组合、摊铺厚度、碾压遍数等参数。同时，对料场粘土料提前进行击实实验以确定粘土料最大干密度和最优含水率。

3.材料与机具设备

3.1.材料

沼泽地基础换填法主要用到的材料与普通基础换填施工所用到的材料基本相同，即堆石料、含砾粘土及纯粘土。堆石料生产应尽量简化，可通过控制爆破参数间接控制堆石料级配，使堆石料满足设计级配要求，可直接用于填筑施工。粘土及含砾粘土在填筑施工前，应先进行料场勘探，料源满足设计要求后方可进行填筑施工，同时，在施工前和施工过程中，应对料源不定时检查其含水率，含水率不合格，应进行翻晒或洒水处理，达到设计要求后，方可继续进行填筑施工。

3.2.机械设备

投入的主要施工设备见下表1。

序号 设备名称 规格型号 数量（台）

1 装载机 LG850，3.0m³ 2

2 长臂挖掘机 CAT320DL，0.6m3 1

3 反铲挖掘机 CAT324DL，1.7m3 2

4 推土机 SD22，162KW 1

5 推土机 SD32，239KW 2

6 自卸汽车 SX3254BM294，20t 19

7 柴油发电机 200KW 1

8 柴油发电机 50KW 1

9 离心泵 IS（H）200-150-315 3

10 潜水泵 QS80-22-7.5 6

11 振动平碾 DYNAMPC，CA610D，20.7t 1

12 振动凸块碾 DYNAMPC，CA610PD，20.7t 1

4.质量控制

4.1.围堰填筑质量控制

4.1.1.围堰填筑前应进行放样，保证围堰在设计开挖线以外一定距离，以确保围堰边坡稳定，同时给排水沟开挖留有一定余地;

4.1.2.围堰填筑前应对沼泽地表层树枝、杂物、淤泥等，尽可能清理干净，以减少围堰渗漏水量;

4.1.3.围堰填筑时，应分层填筑并压实，以防止围堰沉陷、裂缝甚至垮塌;

4.1.4.心墙防渗体或上游铺盖防渗体填筑时，应闭气良好，发现管涌或流土现象时，应及时处理，以保证堰体稳定。

4.2.基坑开挖质量控制

4.2.1.基坑开挖时，应确保抽排水系统有效运行，以防止边坡坍塌;

4.2.2.基坑开挖至设计高程后，应按小面积、快速开挖的方式进行，以减少基础因渗流和扰动破坏;

4.2.3.在开挖完成后、堆石料回填前，应保证开挖面无积水、烂泥。

4.3.渠堤填筑质量控制

4.3.1.渠堤填筑应分层进行，并根据已批准的施工参数进行摊铺、碾压;

4.3.2.堆石料填筑过程中，应注意对填筑面进行找平，以较小后期不均匀沉降;

4.3.3.每填筑完成一层，应对填筑结果进行试验检测，合格后，方可进行上面一层填筑施工，若试验结果不合格，应进行返工处理，直至合格。

5.安全措施及注意事项

1）加强对作业人员的安全教育，并经培训后上岗;

2）进入现场施工，必须正确佩戴安全帽;

3）开挖施工时，挖机活动范围内严禁站人;

4）挖机作业时，严禁进入未进行填筑的沼泽内，以防止陷入;

5）围堰填筑前，对沼泽地表层树枝、杂物及淤泥应尽量清除，以减弱、防止后期渗透破坏;

6）围堰填筑完成后，应在初期和水位上涨期加强围堰安全稳定监测，发现问题及时进行处理，以防止堰体渗透破坏;

7）基坑初期排水时，应限制降水速度小于1.0m/天，以免影响边坡围堰稳定;

8）堆石料取料时，应清除石料内的泥块和超径石块;

9）粘土取料时，应清除土料内的树根、石块等杂物。

6.环保及节能措施

1）在施工前，应做好各机具、设备的检修调试工作，确保在施工中不因发生故障而造成施工中断，保证施工的连续性;

2）基坑開挖弃渣应堆放在指定的弃渣场，减少耕地占用和环境破坏;

3）基坑排水应首先抽排至天然的沉淀池，经沉淀后自流至库区或河道;

4）经常性排水，排水系统采用间歇性排水或小流量不间断的方式进行，以减少发电机运转时间或降低排量;

5）堆石料回填施工时，取料后应尽量直接用于填筑施工，减少转运次数;

6）粘土取料时，应将表层腐殖土集中堆放，取料后进行场地恢复。

7.结语

基础换填法所使用的机械设备与土石方开挖所使用的机械设备基本相同，在开挖完成后，采用相同的设备进行回填施工，提高了现有机械的利用效率，同时减少了其它地基处理方案所使用特殊设备的采购、租赁及运输费用，特别在经济不发达的国家，机械设备采购、租赁、运输困难时。基础换填法易于大面积机械化施工，加快了施工进度，节约了约1/3的工期，具有良好的推广意义。

参考文献

[l]《地基处理手册》编委会.地基处理手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2000.33-52.

[2]刘景政，杨素春，钟冬波.地基处理与实例分析[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.16-35.