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第四章土石坝工程土石坝是一种充分利用当地材料的坝型，它不仅有利于群众性施工，而且随着大型高效施工机具的广泛应用，施工人数减少，施工工期进一步缩短，施工费用显著降低，施工条件日益改善。土石坝工程的应用比任何坝型应用都广。目前，国内外采用最多的土石坝为碾压式土石坝。碾压式土石坝的施工，包括：1）准备作业：①一平：平整场地；②三通：风、水、电保证①②，可以创造良好的工作条件。2）基本作业：土石料的开采，挖、装、运、卸及坝面铺平、压实、质检。3）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。4）附加作业：防护及整理、坝坡整理、植草皮。第一节土石料场规划土石坝的土石料用量很大，为了保证质量、节约投资，加快施工进度，有必要从空间、时间，质与量等方面进行全面的规划。一、土石坝筑坝材料及其要求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。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（含漂卵石、石渣料）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，而且还会影响到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。1.空间规划：料场的位置、高程的恰当选择，合理布置。①运距尽可能短，高程上有利于重车下坡，减少运输机械功率的消耗；②左右岸最好都有料场，有利上下由左右岸同时供料，还可以减少干扰，保证坝体均衡上升；2.时间规划考虑施工强度及坝体填筑部位的变化，随着季节及坝前蓄水情况，料场的工作条件也在变。一般填筑强度较高时，选择距离近的料场；填筑强度较低时，选择距离远的料场。这样可以时运输任务均衡。3.料场质与量的规划①质：对料场的地质成因、产状、埋深、储量及各种物理力学指标进行仓面勘探和试验。②量：对施工的各个用料多少，用料分配和开采程序有统一的规划布置。物尽其用，充分利用永久和临时建筑物基础开挖的渣料是土石坝料场规划的重要原则，为此增加必要的施工技术组织措施确保渣料的充分利用。料场规划还应该考虑主要料场既质好、量大、距近且利于长年开挖的料场；备用料场即通常在淹没区外，当前者被淹没或因库水位抬高、土料过湿或其它原因中断时，则用备用料场保证坝体填筑不致中断。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．弃料处理第二节土方机械化施工1.常用土方施工机械1.1推土机按行走的方式，可分为履带式推土机和轮胎式推土机。履带式推土机附着力强，爬坡性能好，适应性强；轮胎式推土机行驶速度快，灵活性好。目前，我国生产的履带式推土机有东方32100、T-120、黄河220等；轮胎式推土机有TL160等。1.2铲运机按行走方式分为牵引式铲运机和自行式铲运机；按铲斗操纵系统分，有液压操纵和机械操纵两种。为了提高铲运机的生产效率，可以采取下坡铲土、推土机推土助铲等方法，缩短装土时间，使铲斗的土装得较满。助铲法：根据填、挖方区分布情况，结合当地具体条件，合理选择运行路线，提高生产率。一般有环形路线和“8”字形路线两种形式。环形路线见图1.23“8”见图1.24环形路线“8”字形路线1.3单斗挖土机–单斗挖土机按工作装置不同，可分为正铲、反铲、拉铲和抓铲四种(图1.25)。–单斗挖土机按其操纵机构的不同，可分为机械式和液压式两类。–液压式单斗挖土机的优点是能无级调速且调速范围大；快速作业时，惯性小，并能高速反转；转动平稳，可减少强烈的冲击和振动；结构简单，机身轻，尺寸小；附有不同的装置，能一机多用；操纵省力，易实现自动化。挖掘机的工作方式(1)正铲挖土机–正铲挖土机的工作特点是前进行驶，铲斗由下向上强制切土，挖掘力大，生产效率高；适用于开挖含水量不大于27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业；可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。–正铲挖土机的开挖方式，根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种：•正向挖土，侧向卸土(图1.26(b))•正向挖土，反向卸土(图1.26(a))(2)反铲挖土机–反铲挖土机的工作特点是机械后退行驶，铲斗由上而下强制切土，用于开挖停机面以下的一至三类土，适用于挖掘深度不大于4m的基坑、基槽、管沟，也适用湿土、含水量–反铲挖土机的开行方式有沟端开挖和沟侧开挖两种。•沟端开挖(图1.28(a))反铲挖土机停在沟端，向后退着挖土。•沟侧开挖(图1.28(b))挖土机在沟槽一侧挖土，挖土机移动方向与挖土方向垂直。(3)拉铲挖土机拉铲挖土机工作时利用惯性，把铲斗甩出后靠收紧和放松钢丝绳进行挖土或卸土，铲斗由上而下，靠自重切土，可以开挖一、二类土壤的基坑、基槽和管沟等地面以下的挖土工程，特别适用于含水量大的水下松软土和普通土的挖掘。拉铲开挖方式与反铲相似，可沟端开挖，也可沟侧开挖。(4)抓铲挖土机抓铲挖土机主要用于开挖土质比较松软，施工面比较狭窄的基坑、沟槽、沉井等工程，特别适于水下挖土。土质坚硬时不能用抓铲施工。2、土方机械的选择2.1土方机械选择的原则施工机械的选择应与施工内容相适应；土方施工机械的选择与工程实际情况相结合；主导施工机械确定后，要合理配备完成其他辅助施工过程的机械；选择土方施工机械要考虑其他施工方法，辅助土方机械化施工2.2土方开挖方式与机械选择(1)平整场地常由土方的开挖、运输、填筑和压实等工序完成。–地势较平坦、含水量适中的大面积平整场地，选用铲运机较适宜。–地形起伏较大，挖方、填方量大且集中的平整场地，运距在1000m以上时，可选择正铲挖土机配合自卸车进行挖土、运土，在填方区配备推土机平整及压路机碾压施工。–挖填方高度均不大，运距在60～100m以内时，采用推土机施工，灵活、经济。3、填土压实的影响因素填土压实的主要影响因素为压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。3.1压实功的影响填土压实后的密度与压实机械在其上所施加功的关系见图1.33。3.2含水量的影响–填土含水量的大小直接影响碾压(或夯实)遍数和质量。–较为干燥的土，由于摩阻力较大，而不易压实；当土具有适当含水量时，土的颗粒之间因水的润滑作用使摩阻力减小，在同样压实功作用下，得到最大的密实度，这时土的含水量称做最佳含水量(图1.34)。–各种土的最佳含水量和最大干密度见表1.7所示。土的最佳含水量和最大干密度参考表项次土的种类变动范围最佳含水量(%)(质量比)最大干密度(g/cm3)1砂土8～121.80～1.882粘土19～231.58～1.703粉质粘土12～151.85～1.954粉土16～221.61～1.803.3铺土厚度的影响–在压实功作用下，土中的应力随深度增加而逐渐减小(图1.35)，其压实作用也随土层深度的增加而逐渐减小。–各种压实机械的压实影响深度与土的性质和含水量等因素有关。–对于重要填方工程，其达到规定密实度所需的压实遍数、铺土厚度等应根据土质和压实机械在施工现场的压实试验决定。若无试验依据应符合表1.8的规定。填土施工时的分层厚度及压实遍数压实机具分层厚度(mm)每层压实遍数平碾250～3006～8振动压实机250～3503～4柴油打夯机200～2503～4人工打夯＜2003～44、填土质量检查填土压实后必须要达到密实度要求，填土密实度以设计规定的控制干密度ρd(或规定的压实系数λ)作为检查标准。土的控制干密度与最大干密度之比称为压实系数。土的最大干密度乘以规范规定或设计要求的压实系数，即可计算出填土控制干密度ρd的值。土的实际干密度可用“环刀法”测定。填方施工结束后，应检查标高、边坡坡度、压实程度等应符合规定要求。第三节土石料挖运方案土石坝施工有挖、运、填等各道工序及匹配的工程机械来完成，构成“一条龙”的生产流程，称为土石坝的综合机械化施工。在组织综合机械化施工中应遵循如下的原则：1.充分发挥主要机械的作用，有利于加快施工进度，降低工程成本；2.挖运机械应该根据工作特点配套选择；有轨运输、连续式、循环式也可。（带式运输机、斗轮挖掘机、自卸汽车）连续式挖掘机与连续式运输机械相配套；循环式挖掘机与循环式运输机械相配套。3.机械配套要有利于使用、维修和管理尽量利用一种机械完成几道工序，以减少机械间的配套环节。4.加强生产和管理，充分发挥机械联合作业的生产能力；提高机械的时间利用系数。5.合理布置工作面、改善道路条件、减少机械的转移时间。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2．正向铲开挖、胶带机运输3．斗轮式挖掘机开挖，胶带机运输，转自卸汽车上坝4．采砂船开挖，有轨机车运输，转胶带机（或自卸汽车）上坝第四节坝面作业在坝基清理和基础处理等作业完成之后，就可以全面开展坝面作业。1.坝面作业的施工程序：铺土、平土、洒水、压实、质检等工序。坝面作业工作面狭窄，工种多，工序多，机械设备多，施工时必须妥善的安排施工组织规划。坝面作业是保证坝体施工质量的关键，各道工序应把好质量关。2.坝面作业的施工特点：工作面狭窄，工种多，工序多，机械设备多，故常用流水作业组织坝面的施工，避免因施工干扰、窝工而延误进度，影响工程质量，造成浪费。流水作业：在土石坝（或其它工程）施工中，为避免窝工、延误进度，提高工程质量而采取的一种各专业队按照工序依次进入各工作阶段连续施工的一种施工组织方式。坝面流水作业保证了施工过程中，人，地、机具三不闲。从而避免了施工干扰。有利于坝面作业，多、快、好、省安全的进行。3.坝面施工各工序的施工要求铺土：a.沿坝轴线方向进行，厚度要均匀。b.在进入防渗体填筑时，宜采用进占法倒退铺土，使汽车始终在松土上进行，防止超压，剪力破坏。c.防止反滤料和防渗土料混淆，影响质量。平土：①务使平土厚度均匀，保证压实质量。②对心墙或斜墙坝，坝面应向上游倾斜1～2％的坡度，对均质坝，应使中部凸起向两侧倾斜同样的坡度。洒水：①应做到“少，勤，均”，不应起伏凸凹不平，防止雨水淤积。②对石渣及砂料充分加水，保证压实效果。对非粘性土料，加水主要在坝面上进行。压实：严格按照碾压试验确定的含水量，铺土厚度，压实机械重量，压实遍数进行。对汽车上坝或光面压实机械压实的土层，应刨毛处理，以利层间结合。①压实机械：a）粘性土料：粘结力是主要的。压实机械一般采用羊角碾。b）非粘性土：内摩擦力是主要的。压实机械一般采用震动碾。②压实标准：一般粘性土为干容重γd，非粘性土为土料的相对密度D来控制。其控制标准随建筑物等级不同而异。③压实方法：国内一般采用进退错距法。它操作简便，碾压、铺土和质检等工序协调，便于分段流水作业，压实质量容易保证。质检：1.料场的质量检查：土质情况，土块大小，含水量，杂质含量是否符合上坝要求。2.坝面的质量检查：在土料填筑过程中，铺土厚度，填土块度，含水量大小，压实后的干容重，进行检查。第四节土石坝的冬雨季施工1．土石坝的雨季施工主要指粘性土料的施工，它使施工的有效工作日大量减少，造成施工强度不均衡。增加施工过程中拦洪度汛的紧张程度。2.土石坝的冬季施工土料冻结，在北方尤其严重。中心环节时土料的防冻，可采取三方面的措施。即防冻，保温，加热。