第四章 土石坝施工.docx

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第四章土石坝施工

学习本章的意义：

水利水电工程中存在大量土工建筑物，土工建筑物对基础的适应性最大，通过本章学习，以最广泛的土石坝为主要坝型，掌握碾压式土石坝施工过程，理解施工机械联合作业的流程。

本章内容：

土石料场规划、土石坝的综合机械化施工、坝面作业的施工组织、土石坝施工的质量控制、面板堆石坝施工工艺和施工特点、土石坝的冬雨季施工中技术措施。

本章重点：

土石坝料场规划、土石坝施工挖、运、填等各道工序的“一条龙”生产工艺流程、土石坝施工全过程的施工质量检查和控制。

本章难点：

土石坝工程料场的选择；土石坝综合机械化配套施工方案的确定；流水作业的工序组织；土料含水量的检测；土料不同特性对施工组织的影响。

第四章土石坝施工

第一节坝体材料与料场规划

第二节土石料的开挖与运输

第三节坝体填筑与压实

附：

本章练习题

第四章土石坝施工

土石坝包括各种碾压式土坝、堆石坝和土石混合坝，是一种充分利用当地材料的坝型。

根据施工方法的不同分为：

干填碾压、水中填土、水力冲填（包括水坠坝）和定向爆破修筑等。

碾石式土石坝的施工包括准备作业、基本作业、辅助作业和附加作业。

准备作业：

三通一平，架设通讯线路，修建生产、生活、办公用房、排水清基等。

基本作业：

料场土石料开采，挖、装、运、卸和坝面铺平、压实、质检。

辅助作业：

清除施工场地及料场的覆盖，从上坝土料中剔除超径石块、杂物，坝面排水、层间刨毛和加水等。

附加作业：

坝坡修整，铺砌护面块石及铺植草皮等。

第一节坝体材料与料场规划

一、土石坝筑坝材料及其要求

   在选坝阶段应从空间与时间、质与量等方面进行全面规划。

料场土料的储量一般要求是设计工程量的1.5～2.0倍，并要求提供备用料场。

粘性土料采用钻探或坑探取样。

砾类土用坑探取样，布孔间距50～100m。

防渗料的勘探要仔细按深度查明天然含水量。

堆石料的勘探可以采用钻探及洞探。

⒈防渗料

    防渗的土料最基本的要求：

    防渗性：

渗透系数不大于l×10-5cm/s时，一般即可满足要求。

    施工性：

土料的天然含水量在最优含水量附近，无影响压实的超径材料，压实后的坝面有较高的承载力。

⒉坝壳料

    工程实践中，堆石、砂砾石及风化料等均可作为坝壳料。

    堆石:

按其型式可分为抛填、分层碾压、手工干砌石、机械干砌石等；

    按其材料及来源可分为采石场玄武岩、变质安山岩、砂岩、砾岩、采石场花岗岩、片麻岩、石灰岩、冲击的漂卵石、石渣料等。

堆石是最好的筑坝材料，现广泛用于高土石坝的坝壳料。

     砂砾石:

碾压砂砾石压缩性低，抗剪强度高，但易冲蚀、易管涌。

     风化料:

属于抗压强度小于30MPa的软岩类，往往存在湿陷问题。

⒊反滤料和过渡料

    反滤料一般要满足坚固度要求，应尽量避免用纯砂做反滤料。

二、料场规划的原则

    料场的合理规划与使用关系到坝体的施工质量、工期和工程投资，而且还会影响道工程的生态环境和国民经济其他部门。

施工前应从空间、时间、质与量等方面进行全面规划。

   空间规划，系指对料场位置、高程的恰当选择，合理布置。

    时间规划，是要考虑施工强度和坝体填筑部位的变化。

    质与量的规划，应对地质成因、产状、埋深、储量以及各种物理力学指标进行全面勘探和试验。

不仅应使料场的总储量满足坝体总方量的要求，而且应满足施工各个阶段最大上坝强度的要求。

料尽其用，充分利用永久和临时建筑物基础开挖碴料。

     主要料场和备用料场之分，质好、量大、运距近，且有利于常年开采；通常在淹没区外，做主要料场之备用。

三、料场优化的基本方法

土石方平衡的原则：

充分而合理地利用建筑物开挖料。

     1．填挖料平衡计算

     2．土石方调度优化

     3．弃料处理

第二节土石料的开挖与运输

一、土石料的开采与加工

     料场开采前的准备工作：

划定料场范围；分期分区清理覆盖层；

 设置排水系统；修建施工道路；修建辅助设施。

 1．土料的开采

    土料开采一般有立采和平采两种。

    立面开采方法适用于土层较厚，天然含水量接近填筑含水量，土料层次较多，各层土质差异较大时。

    平面开采方法适用于土层较薄，土料层次少且相对均质、天然含水量偏高需翻晒减水的情况下，宜采用。

       规划中应将料场划分成数区，进行流水作业。

 2．土料加工

    调整土料含水量

    降低土料含水量的方法有挖装运卸中的自然蒸发、翻晒、掺料、烘烤等方法。

    提高土料含水量的方法有在料场加水，料堆加水，在开挖、装料、运输过程中加水。

    掺合、超径料处理

    一般掺合办法有：

     ①水平互层铺料——立面（斜面）开采掺合法；

     ②土料场水平单层铺放掺料——立面开采掺合法；

     ③在填筑面堆放掺合法；

     ④漏斗——带式输送机掺合法。

   第①、④种方法采用较多。

   砾质土中超径石含量不多时，常用装耙的堆土机先在料场中初步清除，然后在坝体填筑面上进行填筑平整时再作进一步清除；当超径石的含量较多时，可用料斗加设蓖条筛（格筛）或其他简单筛分装置加以筛除，还可采用从高坡下料，造成粗细分离的方法清除粗粒径。

粗粒径较大的过渡料宜直接采用控制爆破技术开采，对于较细的、质量要求高的反滤料，垫层料则可用破碎、筛分、掺和工艺加工。

 3．砂砾石料和堆石料开采

   砂砾石料开采

   陆上开采：

一般挖运设备即可。

   水下开采：

采用采砂船和索铲开采。

当水下开采砂砾石料含水量高时，需加以堆放排水。

   块石料开采：

    结合建筑物开挖或由石料场开采，开采的布置要形成多工作面流水作业方式。

    开采方法一般采用深孔梯段爆破，特定目的使用洞室爆破。

  4．超径处理

    超径块石料的处理方法主要有浅孔爆破法和机械破碎法两种。

    浅孔爆破法：

指采用手持式风动凿岩机对超径石进行钻孔爆破。

    机械破碎法：

指采用风动和振冲破石、锤破碎超径块石，也可利用吊车起吊重锤，利用重锤自由下落破碎超径块石。

二、挖运机械

（一）挖掘机械

     1．单斗式挖掘机

    以正向铲挖掘机为代表的单斗式挖掘机，有柴油或电力驱动两类，后者又称电铲。

挖掘机有回转、行使和挖掘三个装置。

正向铲挖掘机有强力的推力装置，能挖掘Ⅰ～Ⅳ级土和破碎后的岩石。

主要挖掘停机地面以上的土石方，也可以挖掘停机地面以下不深的地方。

机型常根据挖斗容量来区分。

     2．多斗式挖掘机

     斗轮式挖掘机式陆上使用较普遍的一种多斗连续式挖掘机。

（二）挖运组合机械

    能同时担负开挖、运输、卸土、铺土任务的有推土机和铲运机。

     1．推土机

    以拖拉机为原动机械，另加切土片的推土器，既可薄层切土又能短距离推运。

它又按推土器在平面能否转动分为固定式和万能式，前者结构简单而牢固，应用普遍，多用液压操作。

若长距离推土，土料从推土器两侧散失较多，有效推土量大为减少。

推土机的经济运距为60～100m。

为了减少推土过程中土料的散失，可在推土器两侧加挡板，或先推成槽，然后在槽中推土，或多台并列推土。

    2．铲运机

    按行驶方式，铲运机分为牵引式和自行式。

    前者用拖拉机牵引铲斗，后者自身有行驶动力装置。

    铲运机的经济运距与铲斗容量有关，一般在几百米至几公里以内。

三、土石料开挖运输方案

    坝料的开挖与运输，是保证上坝强度的重要环节之一。

    开挖运输方案主要根据坝体结构布置特点、坝料性质、填筑强度、料场特性、运距远近、可供选择的机械设备型号等多种因素，综合分析比较确定。

    土石坝施工设备的选型对坝的施工进度、施工质量以及经济效益产生重大影响。

（一）设备选型的基本原则：

    1．所选机械的技术性能能适应工作的要求、施工对象的性质和施工场地特征，保证施工质量，能充分发挥机械效率，生产能力满足整个施工过程的要求。

    2．所选施工机械应技术先进、生产效率高，操作灵活、机动性好，安全可靠，结构简单，易于检修保养；

    3．类型比较单一，通用性好；

    4．工艺流程中各供需所用机械应成龙配套，各类设备应能充分发挥效率，特别应注意充分发挥主导机械的效率。

   5．设备购置费和运行费用较低，易于获得零、配件，便于维修、保养、管理和调度，经济效果好。

对于关键的、数量少且不能替代的设备，应使用新购置的，以保证施工质量，避免在一条龙生产中卡壳影响进度。

（二）土石坝施工中开挖运输方案主要有以下几种：

    1.正向铲开挖，自卸汽车运输上坝

    正向铲开挖、装载，自卸汽车运输直接上坝，通常运距小于10km。

自卸汽车可运各种坝料，运输能力高，设备通用，能直接铺料，机动灵活，转弯半径小，爬坡能力较强，管理方便，设备易于获得。

 在施工布置上，正向铲一般都采用立面开挖，汽车运输道路可布置成循环路线，装料时停在挖掘机一侧的同一平面上，即汽车鱼贯式地装料与行驶。

    2.正向铲开挖、胶带机运输

    国内外水利水电工程施工中，广泛采用了胶带机运输土、砂石料。

胶带机的爬坡能力大，架设简易，运输费用较低，比自卸汽车可降低运输费用1/3～1/2，运输能力也较高。

胶带机合理运距小于10km，可直接从料场运输上坝；也可与自卸汽车配合，作长距离运输，在坝前经漏斗由汽车转运上坝；与有轨机车配合，用胶带机转运上坝作短距离运输。

    3．斗轮式挖掘机开挖，胶带机运输，转自卸汽车上坝 

对于填筑方量大、上坝强度高的土石坝，若料场储量大而集中，可采用斗轮式挖掘机开挖，其生产率高，具有连续挖掘、装料的特点。

斗轮式挖掘机将料转入移动式胶带机，其后接长距离的固定式胶带机至坝面或坝面附近经自卸汽车运至填筑面。

这种布置方案，可使挖、装、运连续进行，简化了施工工艺，提高了机械化水平和生产率。

   4．采砂船开挖，有轨机车运输，转胶带机（或自卸汽车）上坝

有轨机车具有机械结构简单、修配容易的优点。

当料场集中，运输量大，运距较远（大于10km）时，可用有轨机车进行水平运输。

有轨机车运输的临建工程量大，设备投资较高，对线路坡度、转弯半径等的要求也较高。

有轨机车不能直接上坝，在坝脚经卸料装置至胶带机或自卸汽车转运上坝。

   坝料的开挖运输方案很多，但无论采用何种方案，都应结合工程施工的具体条件，提高机械利用率；减少坝料的转运次数；各种坝料铺筑方法及设备应尽量一致，减少辅助设施；充分利用地形条件，统筹规划和布置。

第三节坝体填筑与压实

   当基础开挖和基础处理基本完成后，就可进行坝体的铺筑、压实施工。

   土石坝坝面作业施工组织规划

   土石坝坝面作业施工程序包括铺料、平仓、洒水、压实、质检等工作。

    坝面作业，工作面狭窄，共种多，共序多，机械设备多，施工时需有妥善的施工组织规划。

为避免坝面施工中的干扰，延误施工进度，土石坝坝面作业宜采用流水作业施工。

    流水作业施工组织应先按施工工序数目对坝面分段，然后组织相应专业施工队依次进入各工段施工。

 对同一工段而言，各专业队按工序依次连续施工；对各专业施工队而言，依次不停地在各工段完成固定的专业作业。

    流水作业施工的优点

    其结果是实现了施工专业化，有利于工人劳动熟练程度的提高，从而有利于提高劳动效率和工程施工质量。

同时，各工段都有专业队施工固定的施工机具，从而保证施工过程人、机、地三不闲，避免施工干扰，有利于坝面作业多、快、好、省、安全地进行。

附：

本章练习题

一、填空题

1.土石坝施工需要对料场从________、________、_______与_________等方面进行全面规划。

（空间时间质量数量）

2.土石坝施工，坝面铺料行之有效的方法是________、________、__________、________、________、________。

（算方上料定点卸料随卸随平定机定人铺平把关插钎检查）

3.常用的碾压机械有________、__________与________。

（羊足碾振动碾气胎碾）

4.压实粘性土的压实参数包括_________、______________及_________。

（铺土厚度碾压遍数最优含水量）

5.压实非粘性土的压实参数包括_________、_________。

（铺土厚度碾压遍数）

6.土石坝冬季施工，可采取_________、_________、__________三方面的措施。

（防冻保温加热）

7．土石坝冬季施工，对粘性土应将含水量降低到塑限的________倍。

土料中的冻土块含量不超过_______。

冻土块直径不超过铺土层厚的__________。

（0.915%1/3～1/2）

8.土石坝预计施工的防雨措施可以采用_________、_________、__________。

（雨前将铺土压成光面坝面向外筑成缓坡以利排水来不及压实的松土用帆布或塑料布覆盖）

二、选择题

1.土石坝施工料场规划实际可开采总量与坝体填筑量之比，土斜—般为________（A）

   A．2—2.5   B．1.5—2.0   C．1.0—1.5

2.料场内装料面的间距以________m为宜。

（C）

  A．200   B．150   C．100

3.挖掘机开挖、子卸汽车运输两者配套时，自卸汽车运距为2.0km，车厢和铲斗容量的合理比值为_______。

（B）

  A.3－5   B.4-7    C.7－10

4.心墙坝或斜墙坝施工，坝面应向上倾斜_________的坡度。

（A）

  A.1%－2% B.3%－4%  C.4%－5% 

5.振动碾的压实影响深度可达________以上。

（C）

  A.0.5m    B.0.8m   C.1.0m

6.土石坝粘性土防渗体碾压部位的干容重、含水量取样次数为________。

（A）

  A．1次/（100~200）m3   B.1次/（200~400）m3   C.1次/（400~600）m3

三、判断题

1.正向铲挖掘机适于挖掘停机面以下的土方和水下土方。

（×）

2.土石坝施工中。

因挖、运、填是配套的，所以开挖强度、运输强度均与伤疤强度数值相等。

（×）

3.土石坝施工坝面流水作业的流水工段数应等于流水工序数。

（√）

4.羊足碾只能用压实粘性土，振动碾最适宜于压实非粘性土。

（√）

5.土石坝的压实标准对非粘性土的一级建筑，其现对密度D可取0.7~0.75。

（√）

6.一般说，冬季土石坝施工，开采温度不低于5~10℃、碾压温度不低于2℃，便能保证土料的压实效果。

（√）

四、问答量

1.     土石坝施工料场的空向规划应考虑哪些方面的问题?

（

（1）料场距土坝运距要尽可能短；

（2）近的料场不得影响坝体防渗稳定；（3）坝的上下及左右岸最好均有料场；（4）料场低用，高料高用；（5）石料场应距重要建筑物和居民点有足够的防爆、防震安全距离。

2．土石坝施工料场规划中，如何体现“料尽其用”的原则？

（

（1）充分利用永久和临时建筑物基础开挖的石渣；

（2）利用混凝土骨料的超粒径作为坝壳填料；（3）心墙用料筛分，将较大石料作坝壳等。

）

3．组织土石坝综合机械化施工的基本原则是什么？

（

（1）充分发挥主要机械的作用；

（2）根据工作特点选择挖、运机械、合理配套；（3）机械配套有利使用、维修和管理；（4）加强管理、调度，提高机械时间利用系数；（5）合理布置工作面，改善道路条件，减少机械的转移时间。

）

4．土石坝施工坝面如何组织流水作业？

（按照坝面作业的工序数目将坝分段。

如坝面作业包括铺土、平土洒水、压实、刨毛质检四个工序，则将坝面分为四段，各工序的专业队依次进入各工段施工。

）

5．土石坝施工达到坝体上部时，工作面减少，流水工段数小于流水工序数时，如何处理方能保证流水作业顺利进行？

（合并某些工序，减少流水作业工序数目，使流水工序数目与段数相等。

）

6．什么是最优含水量？

施工中如何保证土料的含水量为最优含水量？

（在压实功能一定的情况下，与土料最大干容重对应的含水量为相应压实功能的最优含水量（或耗费最小压实功能就能达到最大的压实密度时的土料含水量）。

土料过湿则应翻晒。

土料过干则应在土场加水使土料达最优含水量。

）

7．选择压实机械应考虑哪些主要原则？

（

（1）应与压实土料的物理力学性质相适应。

（2）能满足设计压实标准（3）能满足施工强度要求（4）设备类型、规格与工作面大小、压实部位相适应（5）施工队伍现有装备与经验（6）可能取得的设备类型）

8．简述如何用压试验确定非粘性土的压实参数。

（在实验场地变换铺料厚度与碾压遍数。

以铺料厚度为参变量，绘制干容重与碾压遍数的关系曲线。

由此可以求出达到设计干容重的铺料厚度与碾压遍数。

其中铺料厚度/碾压遍数最大者即为最优铺料厚度与碾压遍数。

）

五、计算题

1．已知砂砾开挖强度为4966.25m3/d。

用1m3正铲挖土，10t自卸汽车运土。

正铲挖装土的循环时间为26s，土斗的充盈系数为1，土的松散影响系数为0.75。

求所需挖掘机的台数。

正铲每分钟循环作业次数

次

土斗的充盈系数取为KH=1，时间利用系数KB=0.85，联合作业延误系数Kt＝0.9，土料的松散影响系数K’P=0.75。

故正铲的生产率为

P铲＝60×1×2.3×2.3×1×0.75×0.85×0.9＝79.18m3/h

每天按工作21h计，所需正铲台属为

，取3台

2．砂砾石的容重2.3t/m3，松散影响系数为0.75。

用1m3正铲开挖的循环时间为26s。

用10t自卸汽车运土。

运距1730m，运行平均速度18km/h，卸土时间1min，求每台正铲徐配几辆汽车。

取土料充盈系数为1，则每辆斗装斗数

，取5，则装车时间为26×5/60=2.16min，已知卸车时间为1min，来往运输时间为

每台正铲需配汽车辆数

，取7辆。

3．土坝施工，粘性土的上坝强度为4992m3/d。

已知设计干容重为1.65t/m3，料场土料干容重1.35t/m3，土料松散干容重为1.28t/m3。

土料开挖损失系数为0.95，运输损失系数为0.98，求开挖与运输强度。

开挖强度

＝6461.63m3/d

运输强度

＝6474.25m3/d

4．粘性土上坝强度为4922m3/d。

用滚筒宽度为1.3m的5t羊足碾压实。

铺土厚度0.3m。

碾压遍数16次。

行速4.53km/h。

坝体设计干容重为1.65t/m3，松铺土料湿容重1.42t/m3，含水量18％。

求所需羊足碾台数。

运输土料干容重

t/m3。

层压实厚度

m。

搭接宽度C取0.2m，时间利用系数取0.85，羊足碾的生产率为

＝58.24m3/h

每日工作21h，需羊足碾台数为

台