陳金山，劉 付

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

水力沖挖技術(shù)在河湖工程施工中的應(yīng)用

陳金山，劉 付

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

水力沖挖施工技術(shù)是利用水力沖挖原理，進(jìn)行河湖工程土方的開(kāi)挖、運(yùn)輸和填塘浸壓等工作，具有工效高、成本低、環(huán)境影響小等特點(diǎn)，目前在沿海、河、湖等地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用。本文就水力沖挖技術(shù)在上海市浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)第五跑道二級(jí)排水?dāng)U建工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹，為以后類似工程的施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

水力沖挖 施工技術(shù) 浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng) 人工湖調(diào)蓄工程

1 水力沖挖概述

水力沖挖是利用水力沖挖機(jī)組開(kāi)挖河道、湖泊的施工技術(shù)。水力沖挖機(jī)組是由一臺(tái)離心立式泥漿泵、一臺(tái)離心式清水泵以及引水、輸泥、配電系統(tǒng)及其附件組成，分為三大系統(tǒng)：(1)清水泵、輸水管、沖土水槍構(gòu)成沖水系統(tǒng)；(2)浮體、立式泥漿泵、水泥管線構(gòu)成輸泥系統(tǒng)；(3)配電柜、配電箱、浮體泡沫板、防水電纜等構(gòu)成配電系統(tǒng)。在水力沖挖施工中，立式泥漿泵和離心式清水泵是施工核心部位，起主導(dǎo)作用。

水力沖挖施工技術(shù)基本工作原理是模擬的水流沖刷現(xiàn)象，借助水力切割的作用來(lái)完成挖土，利用泥漿攜砂的原理完成運(yùn)土的土方工程施工作業(yè)。離心泵自供水源抽取水后，水流由高壓泵產(chǎn)生壓力，通過(guò)水槍噴嘴射出一股密集的高壓、高速柱狀水流，對(duì)需要開(kāi)挖的土體進(jìn)行切割、粉碎，使之濕化、崩解，混合液經(jīng)排水溝匯流入集漿坑內(nèi)，再由泥漿泵經(jīng)輸泥管道輸送至棄土區(qū)域進(jìn)行沉淀，從而完成土方工程挖、裝、運(yùn)、卸、填的各道施工工序。其基本作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 水力沖挖施工作業(yè)流程

水力沖挖機(jī)組施工、管道送土，沒(méi)有耕地、植被踏廢問(wèn)題，有利保護(hù)沿河、湖泊竹木和其它植被，還可利用送土較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，平整廢溝、浜塘和低洼地。水力沖挖機(jī)組施工可直接接駁電箱，動(dòng)力輸送，無(wú)燃油尾氣排放，減少環(huán)境污染，利于生態(tài)平衡；可以完成遠(yuǎn)距離棄土和淤泥、流沙等軟土的輸送，解決流沙、淤泥開(kāi)挖的技術(shù)難題，施工中不產(chǎn)生揚(yáng)塵等污染物，有利于環(huán)境保護(hù)。

2 工程概況

上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)第五跑道項(xiàng)目二級(jí)排水?dāng)U建工程，主要內(nèi)容包括新建河道2條，聯(lián)系河518m和隨塘河13716m；新建人工湖泊一個(gè)，面積1.5km2；新建薛家泓泵閘一座，其中泵站設(shè)計(jì)裝機(jī)流量60m3/s。通過(guò)新建河道、人工湖、泵閘，形成浦東機(jī)場(chǎng)的蓄排水系統(tǒng)，達(dá)到浦東機(jī)場(chǎng)獨(dú)立調(diào)節(jié)自身降排水的功能。水力沖挖主要工程量：人工湖268萬(wàn)m3，河道890.5m3。

浦東機(jī)場(chǎng)二期排水工程屬于內(nèi)河，設(shè)計(jì)高水位3.60m(上海吳淞基面，下同)，設(shè)計(jì)常水位2.35m，設(shè)計(jì)低水位1.50m。外海200年一遇高潮位為6.37m，歷史最低潮位為-0.82m，多年平均高潮位3.51m，多年平均低潮位為0.73m。

在人工湖湖區(qū)和河道范圍內(nèi)，土層依次為吹填土、淤泥土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土和粘土，由于施工范圍比較大，各土層埋設(shè)深度不一。其中，吹填土埋深高程為-0.13m～2.07m，淤泥土埋深高程為-2.13m～-0.13m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的埋深高程為-4.63m～-2.13m，砂質(zhì)粘土的埋深高程為-7.93m～-4.63m，粘土的埋深高程為-26.83m～-7.93m。

3 工藝選擇

本項(xiàng)目土方開(kāi)挖可供選擇的施工工藝，包括機(jī)械開(kāi)挖配合自卸車運(yùn)輸、挖泥船開(kāi)挖和水力沖挖，施工工藝的選擇需考慮場(chǎng)地交通條件和交叉施工的影響。

反鏟挖掘機(jī)開(kāi)挖配合自卸車運(yùn)輸?shù)耐练介_(kāi)挖工藝，適用于粘土層、砂質(zhì)土層，但本工程中存在淤泥土層，地下水位較高。實(shí)施該工藝存在的主要問(wèn)題有：(1)需要處理淤泥土層，采用拋石擠淤或筑島施工等方式，土方運(yùn)輸效率會(huì)降低30%以上，而且會(huì)增加晾曬和二次等工序，影響施工效率，增加成本；(2)地下水位以下施工需考慮提前降水問(wèn)題。本工程施工軸線長(zhǎng)、范圍大，先行降水的方案將大幅增加降水費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)上不可行；(3)機(jī)場(chǎng)環(huán)保要求較高，自卸汽車運(yùn)輸會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，如超標(biāo)將會(huì)影響機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行。

挖泥船開(kāi)挖工藝適用于吹填土、淤泥土、砂質(zhì)黏土等土層，適用于本工程的地層，但在應(yīng)用范圍上受到限制，主要問(wèn)題有：(1)河道需在原狀土層中開(kāi)挖，可利用的河床寬度僅為5m～8m，水深僅為0.5m～1.0m，挖泥船在河道開(kāi)挖項(xiàng)目中無(wú)法作業(yè)，且無(wú)法開(kāi)挖邊坡，技術(shù)上受到極大限制，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果；(2)由于新建河道和人工湖湖區(qū)需與四周護(hù)岸結(jié)構(gòu)同步進(jìn)行，大范圍內(nèi)交叉作業(yè)，會(huì)造成很大的施工干擾，降低工效。

水力沖挖施工適用于砂土、壤土，也能沖挖亞粘土、淤泥土，可以滿足本工程的要求。而且該工藝既能夠干地作業(yè)，也可以帶水作業(yè)，機(jī)動(dòng)靈活，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上均可行。采用局部沖挖和充填方式，水力沖挖機(jī)組可以在河湖中形成小的圍堰，劃分區(qū)域施工，減少同其他工藝的交叉干擾，施工效率能得到很好的保證。同時(shí)，水力沖挖形成的施工斷面平整，減少了后續(xù)修坡工作量，工程質(zhì)量好。

綜合上述工藝比選，水力沖挖工藝滿足本工程施工需要，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上都屬于最優(yōu)，最終確定選擇該施工工藝。

4 水力沖挖工藝及控制要點(diǎn)

4.1 施工區(qū)段劃分

河道緊鄰防洪大堤，其施工會(huì)對(duì)大堤產(chǎn)生沉降、位移等影響，嚴(yán)重時(shí)可能危及大堤安全，因此區(qū)段劃分為300m～500m一段，相鄰區(qū)段間隔施工。

湖面面積近150萬(wàn)，在原湖區(qū)水位由+3.0m高程自排至+2.0m高程(湖區(qū)平均攤面高程為+1.85m)時(shí)，湖區(qū)水力沖挖施工前，先根據(jù)場(chǎng)地條件做隔堰將湖區(qū)面積分割成若干個(gè)施工區(qū)域，每塊面積(1～10)萬(wàn)不等。根據(jù)湖區(qū)底部西高東低的走勢(shì)情況，施工順序由西往東推進(jìn)。構(gòu)筑隔堰用原湖區(qū)土質(zhì)，采取水挖機(jī)堆土筑堰，堰底寬度3.0m，堰頂寬度1.5m，遇原始灘面過(guò)軟地段，隔堰采取充泥管袋構(gòu)筑，保證施工沖挖期間起到阻隔外來(lái)水源，保護(hù)沖挖單元的作用。各區(qū)域逐塊排水，逐塊沖挖。湖區(qū)區(qū)域劃分見(jiàn)圖2。

圖2 湖區(qū)區(qū)域劃分示意

湖區(qū)水力沖挖配合湖區(qū)護(hù)岸結(jié)構(gòu)施工，同步協(xié)調(diào)，將交叉施工干擾降到最低。

4.2 水平衡方法

本工程水平衡主要為人工湖排水控制，鑒于湖區(qū)面積較大，深度不一，開(kāi)挖施工中既要保留水源保證工程水力沖挖用水，又要排水創(chuàng)造最優(yōu)的施工條件，水平衡規(guī)劃顯得格外重要。水源的供給應(yīng)按工程規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)、施工進(jìn)程、施工區(qū)域附近水源情況，采取不同的方式方法進(jìn)行：

(1)橫滾法。運(yùn)用湖區(qū)面積較大的有利條件，在一個(gè)施工區(qū)域沖挖同時(shí)，其緊鄰施工區(qū)域供水(每個(gè)施工區(qū)域面積不小于25萬(wàn))，滾動(dòng)貯供施工水源；

(2)外補(bǔ)法。從就近的外海提引水源和積蓄滲入的地下水進(jìn)行施工；

(3)回歸法。將棄土區(qū)的水經(jīng)沉淀澄清，引入開(kāi)挖區(qū)域的貯水段，進(jìn)行循環(huán)利用。

本工程人工湖水力沖挖施工，沖挖1m3土，需用水量為4m3～6m3。前期水源補(bǔ)給采用外補(bǔ)法和橫滾法，后期主要采用回歸法補(bǔ)充水源，收到良好的效果。

前期湖區(qū)沖挖以外海(長(zhǎng)江水源)補(bǔ)給，通過(guò)新建大堤臨時(shí)排水口，利用潮汐原理，根據(jù)沖挖機(jī)組施工進(jìn)度，在漲潮時(shí)開(kāi)啟管路閥門，將長(zhǎng)江水源引入湖區(qū)，通過(guò)前期疏浚的引流渠輸送至匯水坑。匯水坑面積約1萬(wàn)m2，儲(chǔ)水量約2萬(wàn)m3，經(jīng)清水泵抽排至各個(gè)沖挖據(jù)點(diǎn)。后期沖挖利用棄土區(qū)排水，經(jīng)沉淀澄清循環(huán)使用，以減少擋土圍堰兩側(cè)水位差，保證圍堰安全。循環(huán)水使用見(jiàn)圖3所示。

圖3 湖區(qū)循環(huán)水利用示意

4.3 水力沖挖技術(shù)控制要點(diǎn)

根據(jù)湖區(qū)樣板段實(shí)踐及大面積施工的經(jīng)驗(yàn)，較好的水力沖挖技術(shù)必須關(guān)注以下幾點(diǎn)：

4.3.1 泥漿泵工作位置比沖挖點(diǎn)深，一般不小于0.5m，以加快泥漿流速，提高泥漿含泥量。泥漿泵與沖挖土體的距離不宜太遠(yuǎn)，一般對(duì)于無(wú)雜物的沖挖土體不宜大于100m；在有雜物的地段可適當(dāng)遠(yuǎn)置，一般不超過(guò)150m，以利清除雜物，防止損傷機(jī)泵。

4.3.2 一個(gè)作業(yè)區(qū)域要一次性達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)驗(yàn)收合格允許充水后，方可移動(dòng)泥漿泵進(jìn)入下一工作區(qū)域(或施工單元)。對(duì)于貯存施工水源的作業(yè)區(qū)域及施工隔堰，要隨工程的進(jìn)展隨時(shí)沖挖拆除，不得留有后遺癥。

4.3.3 輸泥管道要順直平坦，彎度力求平緩，整個(gè)管道不得漏泥、漏水，接頭應(yīng)緊固嚴(yán)密。出泥管口必須遠(yuǎn)離圍堰外坡腳，防止泥漿沖擊堰體，影響安全。本項(xiàng)目出泥口管線距離圍堰外坡腳為30m，隨沖挖過(guò)程不斷變動(dòng)輸泥管出口位置，避免局部堆泥過(guò)高，造成安全隱患。

4.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.4.1 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工方案分層沖挖，逐層下降，避免一次沖挖到底，周邊土體失去平衡，發(fā)生坍塌。在坡腳、坡面、湖底等關(guān)鍵部位，預(yù)留足夠的保護(hù)層。護(hù)岸邊坡保護(hù)層厚度不小于3.0m，湖底保護(hù)層厚度不小于0.3m，避免在沖挖過(guò)程中，土體發(fā)生坍塌，出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。

4.4.2 沖挖時(shí)，做好復(fù)測(cè)工作，控制好邊坡坡度及高程。對(duì)完成的施工單元要隨時(shí)進(jìn)行檢查測(cè)量，發(fā)現(xiàn)欠挖超過(guò)允許值時(shí)，要及時(shí)加工補(bǔ)沖達(dá)標(biāo)。

4.5 安全控制要點(diǎn)

4.5.1 合理規(guī)劃排水管線和棄土場(chǎng)地，湖區(qū)水力沖挖施工前，對(duì)棄土區(qū)域擋土圍堰質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)收。水力沖挖機(jī)組沖挖土方前，切實(shí)加強(qiáng)湖區(qū)內(nèi)隔堰維修與防護(hù)，避免儲(chǔ)水單元內(nèi)積水沖垮隔堰，發(fā)生垮壩事故。

4.5.2 水力沖挖施工中，增加安全措施，配備充足救生設(shè)施。施工人員配置腳底浮板(浮板長(zhǎng)度不小于1.5m，寬度不小于0.8m)，要求施工人員在浮板上操作，避免陷入淤泥質(zhì)地層中，遇緊急情況時(shí)，操作人員可趴在浮板上方，擴(kuò)大浮板與淤泥土的接觸面積，將沉陷速率降至最低，贏取后期營(yíng)救時(shí)間。

4.5.3 配電系統(tǒng)設(shè)置防潮措施。防水電纜采取泡沫浮板固定，避免線路浸泡水中出現(xiàn)短路造成故障，同時(shí)要求電工持證上崗，加強(qiáng)電器安全防護(hù)設(shè)施維護(hù)，確保安全用電。

4.5.4 定期監(jiān)測(cè)臨近防洪大堤施工區(qū)域。如變形、沉降速率和累計(jì)量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，及時(shí)采取回灌、回填或增加維護(hù)結(jié)構(gòu)等措施，確保大堤安全。

5 結(jié)語(yǔ)

新建人工湖湖區(qū)水力沖挖施工效益顯著。經(jīng)測(cè)算，共投入5臺(tái)泰安泥漿泵、4臺(tái)泰興泥漿泵，平均工效為1.20萬(wàn)m3/d。每臺(tái)泰安泥漿泵每班配置10～12人，24h兩班制連續(xù)作業(yè)，24h平均可以沖挖土方2100m3，人均工效58m3/工日～70m3/工日，與常規(guī)機(jī)械施工方法相比，效率較

高，工藝施工成本較低，較之近期河道、湖泊疏浚單價(jià)(包括圍堰工程、供電設(shè)施、施工供、排水費(fèi)用在內(nèi))及同期勞力一般市場(chǎng)單價(jià)低。同時(shí)，將土方的開(kāi)挖和回填可以有效結(jié)合，最大程度地發(fā)揮工程效益。

水力沖挖施工工藝在浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)二級(jí)排水?dāng)U建工程新建人工湖調(diào)蓄工程施工中的成熟應(yīng)用，為以后類似工程的施工提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。水力沖挖技術(shù)適用于多種地層，尤其適于砂土、壤土、淤泥質(zhì)土，解決遠(yuǎn)距離棄土及流沙、淤泥開(kāi)挖的技術(shù)難題，在以后類似工程施工中，可根據(jù)不同的地質(zhì)情況采取不同的施工工藝流程，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)利益的最大化。

劉 付(1985-),男，河北保定人，工程師，主要從事水利水電工程施工技術(shù)管理工作。

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陳金山(1978-),男，吉林長(zhǎng)春人，工程師，主要從事水利水電工程施工技術(shù)管理工作；