湖北水利水电职业技术学院 教 师 授 课 教 案 课程名称：水利水电工程施工技术 200 年至200 年第 学期第 26 次课 授课班级： 03级水工 编制日期： 年 月 日 课题（章节）： 第八章 土石建筑物施工  8.4 土石坝施工  传授主要知识点：  料场规划、 土料的开挖与运输、 清基与坝基处理、 坝体填筑与压实、  土方工程冬雨季施工、坝基施工质量控制  传授主要技能点：  了解土石坝施工、土石料场的规划。掌握碾压式土石坝坝面作业、施工质量控制及检查  教学步骤安排： 1、复习上节课内容  2、讲述土石坝施工工艺  3、小结本次课内容    授课方式： 1、课堂讲授  2、多媒体演示   3、介绍典型的施工实例  教学手段：  板书、多媒体、相关施工图片  作业布置情况：  利用课后习题进行练习，巩固知识，补充习题。    课后分析与小结：           第四节 土石坝施工 按施工方法的不同，土石坝分为填筑碾压、水力冲填、水中倒土和定向爆破等类型。目前仍以填筑碾压式为最多。 碾压式土石坝施工，包括准备作业(如平整场地，修筑道路，架设水、电线路，修建临时用房，清基、排水等)；基本作业(如土石料开挖、装运、铺卸、压实等)以及为基本作业提供保证条件的辅助作业(如清除料场的覆盖层、清除杂物、坝面排水、刨毛及加水等)和保证建筑物安全运行而进行的附加作业(如修整坝坡、铺砌块石、种植草皮等)。 由于土石坝施工一般不允许坝顶过水，在河道截流后，必须保证在一个枯水期内将大坝修筑到拦洪高程以上。因此，除了应合理确定导流方案以外，还需周密研究料场的规划使用，采取有效的施工组织措施，确保上坝强度，使大坝在一个枯水期内达到拦洪高程。 一、料场规划 土石坝用料量很大，在坝型选择阶段应对土石料场全面调查，在施工前还应结合施工组织设计，对料场作进一步勘探、规划和选择。料场的规划包括空间、时间和质量等方面的全面规划。 空间规划，是指对料场的空间位置、高程进行恰当选择，合理布置。土石料场应尽可能靠近大坝，并有利于重车下坡。坝的上下游、左右岸最好都有料场，以利于各个方向同时向大坝供料，保证坝体均衡上升。用料时，原则上低料低用、高料高用，以减少垂直运输。 时间规划，是指料场的选择要考虑施工强度、季节和坝前水位的变化。在用料规划上力求做到近料和上游易淹的料场先用，远料和下游不易淹的料场后用；含水量高的料场旱季用，含水量低的料场雨季用。上坝强度高时充分利用运距近、开采条件好的料场，上坝强度低时用运距远的料场，以平衡运输任务。在料场使用计划中，还应保留一部分近料场供合拢段填筑和拦洪度汛施工高峰时使用。 料场质与量的规划，是指对料场的质量和储料量进行合理规划。在选择规划和使用料场时，应对料场的地质成因、产状、埋深、储量以及各种物理力学性能指标进行全面勘探试验。 料场规划时还应考虑主要料场和备用料场。主要料场，是指质量好、储量大、运距近的料场，且可常年开采；备用料场，是指在淹没范围以外，当主要料场被淹没或因库水位抬高而导致土料过湿或其他原因不能使用时，在备用料场取料，保证坝体填筑的正常进行。应考虑到开采自然方与上坝压实方的差异，杂物和不合格土料的剔除，开挖、运输、填筑、削坡、施工道路和废料占地不能开采以及其他可能产生的损耗。 此外，为了降低工程成本，提高经济效益，料场规划时应充分考虑利用永久水工建筑物和临时建筑物的开挖料作为大坝填筑用料。如建筑物的基础开挖时间与上坝填筑时间不相吻合时，则应考虑安排必要的堆料场地储备开挖料。 二、土料的开挖与运输 1．挖运配套方案 常用土石料挖运配套方案有以下几种： (1)人工开挖，手推胶轮车和架子车运输。一般手推车载重量100~200kg，架子车载重量300~500kg，运距不宜大于1km，坡度不宜大于2%。如坡度较陡可采用拉坡机或转皮带机运输。拉坡机拉车上坡坡度不宜陡于1：3~1：5，爬高不宜大于30m。 (2)挖掘机挖装，自卸汽车、拖拉机运输。适宜运距2~5km，双线路宽5~5.5m，转弯半径不宜小于50m，坡度不宜大于10%。 　　挖运方案选择，应根据工程量大小、上坝强度高低、运距远近和可供选择的机械型号、规格等因素，进行综合经济技术比较后确定。 2．挖运机械配套计算 (１)挖运强度的确定 　　１)上坝强度Ｑd：单位时间填筑到坝面上的土方量，按坝面压实成品方计。 　　　　Ｑd＝　(压实方，ｍ3/d)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　(9－3) 式中 V－某时段内填筑到坝面上的土方量，ｍ3； 　　　ka－坝体沉陷影响系数，取1.03~1.05； k－施工不均衡系数，取1.2~1.3； k1－坝面土料损失系数，取0.9~0.95； T－某时段内的有效施工天数，等于计算时段内的总天数减去法定节假日天数和因雨停工的天数。 2)运输强度ＱT：为满足上坝强度要求，单位时间内应运输到坝面上的土方量，按运输松方计。 ＱT＝　(松方，ｍ3／ｄ) 　　　　　　　　　　 (9-4) 其中 ｋc＝ 式中 ｋc－压实影响系数； 　 　　ｋ1-土料运输损失系数，取0.95~0.99； γd、γy－分别为坝面土料设计干密度和土料运输松散干密度。 3)开挖强度ＱC：为了满足坝面土方填筑要求的，料场土料开挖应达到的强度。 ＱC＝　　(自然方，m3/d) 　　　　　　　　　 (9-5) 其中 k′c＝ 式中 γn－料场土料自然干密度； k3－料场土料开挖损失系数，随土料性质和开挖方式而异，取0.92~0.97。 其他符号意义同前。 (2)挖运设备数量的确定 1)挖掘机需要量Nc的计算 Nc＝　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　(9-6) 式中 Nc—挖掘机需要量，台； Pc－挖掘机的生产率，m3/(d.台)。 2)与一台挖掘机配套的自卸汽车数Na的计算 合理的配套应满足：当第一辆汽车装满后离开挖掘机到再次回到挖掘地点所消耗的时间，应该等于剩下的(Na－１)辆汽车在装车地点所消耗的时间。即 　　　　　(Na－１)(t装+t位)＝(t重+t卸+t空) 则 Na＝＝　　　　　　　　　　　 　 (9-7) ＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　(9-8) ＝ 　　　　　　　　 (9-9) 式中 Na－与一台挖掘机配套的自卸汽车台数； －自卸汽车一个工作循环时间； ｔ装－装车时间； ｔ重－重车开行时间； ｔ卸－卸车时间； ｔ空－空车返回时间； ｔ位－空车就位时间； ｔ挖－挖掘机一个工作循环时间； ｋ－装车时间延误系数； ｍ－装车斗数； Ｑ－自卸汽车载重量，t； γ料－料场土料自然密度，t/m3； －挖掘机斗容量，m3； ｋH－铲斗充盈系数； ｋs－土料的可松性系数。 为了充分发挥挖掘机和自卸汽车的生产效率，合理的装车斗数m应为3~5斗。 三、清基与坝基处理 清基就是把坝基范围内的所有草皮、树木、坟墓、乱石、淤泥、有机质含量大于2%的表土、自然密度小于1.48 g/cm3的细砂和极细砂清除掉，清除深度一般为0.3~0.8m。对勘探坑，应把坑内积水与杂物全部清除，并用筑坝土料分层回填夯实。 土坝坝体与两岸岸坡的结合部位是土坝施工的薄弱环节，处理不好会引起绕坝渗流和坝体裂缝。因此，岸坡与塑性心墙、斜墙或均质土坝的结合部位均应清至不透水层。对于岩石岸坡，清理坡度不应陡于1：0.75，并应挖成坡面，不得削成台阶和反坡，也不能有突出的变坡点；在回填前应涂3~5mm厚的粘土浆，以利结合。如有局部反坡而削坡方量又较大时，可采用混凝土或砌石补坡处理。对于粘土或湿陷性黄土岸坡，清理坡度不应陡于1：1.5。岸坡与坝体的非防渗体的结合部位，清理坡度不得陡于岸坡土在饱水状态下的稳定坡度，并不得有反坡。 对于河床基础，当覆盖层较浅时，一般采用截水墙(槽)处理。截水墙(槽)施工受地下水的影响较大，因此必须注意解决不同施工深度的排水问题，特别注意防止软弱地基的边坡受地下水影响引起的塌坡。对于施工区内的裂隙水或泉眼，在回填前必须认真处理。 对于截水墙(槽)，施工前必须对其建基面进行处理，清除基面上已松动的岩块、石渣等，并用水冲洗干净。坝体土方回填工作应在地基处理和混凝土截水枪浇筑完毕并达到一定强度后进行，回填时只能用小型机具。截水墙两侧的填土，应保持均衡上升，避免因受力不均而引起截水墙断裂。只有当回填土高出截水墙顶部0.5m后，才允许用羊脚碾压实。 四、坝体填筑与压实 1．坝面作业施工组织 基坑开挖和地基处理结束后即可进行坝体填筑。坝体土方填筑的特点是：作业面狭窄、工种多、工序多、机械设备多，施工干扰大，若组织不好将导致窝工，影响工程进度和施工质量。坝面作业包括铺土、平土、洒水或晾晒(控制含水量)、压实和质量检查等。为了避免施工干扰、充分发挥各不同工序施工机械的生产效率，一般采用流水作业法组织坝面施工。 采用流水作业法组织施工时，首先应根据施工工序将坝面划分成若干区段，然后组织各工种专业施工队依次进入所划分的区段施工。于是，各专业施工队按工序依次连续在同一施工区段施工；对各专业施工队而言，则不停地轮流在各个施工区段完成本专业的施工工作。其结果是完成不同工序的施工机械均由相应的专业施工队来操作，实现了施工专业化，有利于工人操作熟练程度的提高；同时在施工过程中保证了人、机、地三不闲，避免了施工干扰，有利于坝面作业连续、均衡地进行。 由于坝面作业面积的大小随高程而变化，因此，施工技术人员应经常根据作业面积变化的情况，采取有效措施，合理地组织坝面流水作业。 2．坝面铺土压实 　　铺土宜沿坝轴线方向进行，厚度要均匀，超径土块应打碎，石块应剔除。在防渗体上用自卸汽车铺土时，宜用进占法倒退铺土，使汽车在松土上行驶，以免在压实的土层上开行而产生超压剪切破坏。在坝面上每隔40～60m应设置专用道口，以免汽车因穿越反滤层将反滤料带入防渗体内，造成土料与反滤料混淆，影响坝体质量。 按要求厚度铺土平土，是保证工程质量的关键。用自卸汽车运料上坝，由于卸料集中，应采用推土机平土。具体操作时可采用“算方上料、定点卸料、随卸随平、铺平把关、插杆检查”的措施，铺填中不应使坝面起伏不平，避免降雨积水。塑性心墙坝或斜墙坝坝面铺筑时应向上游倾斜1%~2%；均质坝应使坝面中部凸起，并分别向上下游倾斜1%~2%的坡度，以便排除降水。 塑性心墙坝或斜墙坝的施工，土料与反滤料可采用平起施工法。根据其先后顺序，又分为先土后砂法和先砂后土法。 先土后砂法是先填压三层土料再铺一层反滤料，并将反滤料与土料整平，然后对土砂边沿部分进行压实，如图9-18(a)所示。由于土料表面高于反滤料，土料的卸、散、平、压都是在无侧限的情况下进行的，很容易形成超坡。在采用羊角碾压实时，要预留30~50cm的松土边，应避免因土料伸入反滤层而加大清理工作。这种施工方法，在遇连续晴天时，土料上升较快，反滤料往往供不应求，必须注意克服。 先砂后土法是先在反滤料的控制边线内用反滤料堆筑一小堤，如图9-18(b)所示。为了便于土料收坡，保证反滤料的宽度，每填一层土料，随即用反滤料补齐土料收坡留下的三角体，并进行人工捣实，以利于土砂边线的控制。由于土料在有侧限的情况下压实，松土边很少，仅20~30cm，故采用较多。  图9-18 无论是先砂后土法还是先土后砂法，土料边沿仍有一定宽度未压实合格，所以需要每填筑三层土料后用夯实机具夯实一次土砂的结合部位，夯实时宜先夯土边一侧，合格后再夯反滤料一侧，切忌交替夯实，以免影响质量。例如某水库，铺筑粘土心墙与反滤料时采用先砂后土法施工。自卸汽车将混合料和砂子先后卸在坝面当前施工位置，人工(洒白灰线控制堆筑范围)将反滤料整理成0.5~0.6m高的小堤，然后填筑2~3层土料，使土料与反滤料齐平，再用振动碾将反滤料碾压8遍。为了解决土砂结合部位土料干密度偏小的问题，在施工中采取了以下措施：用羊角碾碾压土料时，要求拖拉机履带紧沿砂堤开行，但不允许压上砂堤；在正常情况下，靠砂带第一层土料有10~15cm宽干密度不够，第二层有10~25cm宽干密度不够，施工中要求用人工挖除这些密度不够的土料，并移砂铺填；碾压反滤料时应超过砂界至少0.5m宽，取得了较好的效果。 在塑性心墙坝施工时，应注意心墙与坝壳的均衡上升，如心墙上升太快，易干裂而影响质量；若坝壳上升太快，则会造成施工困难。塑性斜墙坝施工，应待坝壳填筑到一定高度甚至达到设计高度后，再填筑斜墙土料，尽量使坝壳沉陷在防渗体施工前发生，从而避免防渗体在施工后出现裂缝。对于已筑好的斜墙，应立即在上游面铺好保护层，以防干裂。 当粘性土含水量偏低或偏高，可进行洒水或晾晒。洒水或晾晒工作主要在料场进行。如必须在坝面洒水，为使水分能尽快分布到填筑土层中，可在铺土前洒1/3的水，其余2/3在铺好后再洒。洒水后应停歇一段时间，使水分在土层中均匀分布后再进行碾压。 土料的压实是坝面施工中最重要的工作之一，压实参数应通过现场试验确定。碾压可按进退错距法或圈转套压法进行，碾压方向必须与坝轴线平行，相邻两次碾压必须有一定的重叠宽度。对因汽车上坝或压实机具压实后的土料表层形成的光面，必须进行刨毛处理，一般要求刨毛深度为4~5cm。 五、土方工程冬雨季施工 (一)土方工程冬季施工 在寒冷地区的冬季，气温常在零度以下，由于土料冻结，给土方工程施工带来很大的困难。《水利水电施工组织设计规范（SDJ 338－89）》规定：当日平均气温低于0℃时，粘性土应按低温季节施工；当日平均气温低于－10℃时，一般不宜填筑土料，否则应进行技术经济论证。土方工程冬季施工的中心环节是防止土料的冻结。通常可以采用以下三方面的措施： 1．防冻 (1)降低土料含水量。在入冬前，采用明沟截、排地表水或降低地下水位，使砂砾料的含水量降低到最低限度；对粘性土将其含水量降低到塑限的90%以下，并在施工中不再加水。 (2)降低土料冻结温度。在填土中加入一定量的食盐，降低土料冻结温度。 (3)加大施工强度，保证填土连续作业。采用严密的施工组织，严格控制各工序的施工速度，使土料在运输和填筑过程中的热量损失最小，下层土料未冻结前被新土迅速覆盖，以利于上下层间的良好结合。发现冻土应及时清除。 2．保温 (1)覆盖隔热材料。对开挖面积不大的料场，可覆盖树枝、树叶、干草、锯末等保温材料。 (2)覆盖积雪。积雪是天然的隔热保温材料，覆盖一定厚度的积雪可以达到一定的保温效果。 (3)冰层保温。采取一定措施，在开挖土料表面形成10~15cm厚度冰层，利用冰层下的空气隔热对土料进行保温。 (4)松土保温。在寒潮到来前，对将要开采的料场表层土料翻松、击碎，并平整至5~35cm厚，利用松土内的空气隔热保温。 一般来讲，开采土料温度不低于5~10℃，压实温度不低于2℃，便能保证土料的压实效果。 3．加热 当气温低、风速过大，一般保温措施不能满足要求时，则采用加热和保温相结合的暖棚作业，在棚内用蒸汽或火炉升温。蒸汽可以用暖气管或暖气包放热。暖棚作业费用高，只有在冬季较长，工期很紧，质量要求很高，工作面狭长的情况下使用。 (二)土方工程雨季施工 在多雨的地区进行土方工程施工，特别是粘性土，常因含水量过大而影响施工质量和施工进度。因此，规范要求：土料施工尽可能安排在少雨季节，若在雨季或多雨地区施工，应选用合适的土料和施工方法，并采取可靠的防雨措施。雨季作业通常采取以下措施： (1)改进粘性土特性，使之适应雨季作业。在土料中掺入一定比例的砂砾料或岩石碎屑，滤出土料中的水分，降低土料含水量。 (2)合理安排施工，改进施工方法。对含水量高的料场，采用推土机平层松土取料，以利于降低含水量；晴天多采土，加以翻晒，堆成土堆，并将土堆表面压实抹光，以利排水，形成储备土料的临时土库，即所谓“土牛”；充分利用气象预报，晴天安排粘土施工，雨天安排非粘性土施工。 (3)增加防雨措施，保证更多有效工作日。对作业面不大的土方填筑工程，雨季施工可以采用搭建防雨棚的方法，避免雨天停工；或在雨天到来时，用帆布或塑料薄膜加以覆盖；当雨量不大，降雨历时不长，可在降雨前迅速撤离施工机械，然后用平碾或震动碾将土料表面压成光面，并使其表面向一侧倾斜，以利排水。 六、土坝施工质量控制 1．料场的质量检查和控制 对土料场应经常检查所取土料的土质情况、土块大小、含水量和杂质含量是否符合上坝要求。尤其要注意对粘性土含水量的检查和控制。若含水量偏高，一方面应加强改善料场的排水条件和采取有效防范措施，另一方面应将含水量高的土料进行翻晒，或采取轮换掌子面的办法，使土料的含水量降低到规定的范围再开挖。当土料含水量不均匀时，应考虑堆筑“土牛”，使含水量均匀后再外运。当含水量偏低时，应考虑在料场加水，以提高含水量。 对石料场要经常检查石质、风化程度、石料大小及形状等是否符合上坝要求。如发现不合格，应查明原因，并及时处理。 2．坝面的质量检查和控制 在土料填筑过程中，应对铺土厚度、填土块度、含水量、压实后的干密度等进行检查，并提出质量控制措施。对粘性土含水量可采用“手检”法，即手握土料能成团，手搓可成碎块，则含水量合格，准确检测应用含水量测定仪测定。取样所测定的干密度试验结果，其合格率应不小于90%,不合格干密度不得低于设计值的98%，且不能集中出现。粘性土和砂土的密度可用体积为500cm3的环刀测定；砾质土、砂砾料、反滤料可用灌水法或灌砂法测定。 对防渗体应选定若干固定断面取样检查，沿坝高5~10m取一次样，取代表性试样总数不应少于30个，在室内进行物理力学性能试验。对工程特征部位，如坝顶、坝基、削坡处、坝肩结合部位、与刚性建筑物连接处、各种土料的过渡地带等均应取样进行检查。 对于反滤层、过渡层、坝壳等非粘性土的填筑，除按要求取样外，主要应控制压实参数，发现问题应及时纠正。在填筑排水反滤层时，每层在25 m×25m范围内取样1~2个；对于条形反滤层，每隔50m设一取样断面，每个取样断面每层取样品不得少于4个，且应均匀分布在断面的不同部位；对于铺筑厚度、是否混有杂物、填筑质量等应进行全面检查。反滤料和过渡料的级配应在筛分现场进行控制，如不合要求，应重新筛选。 对堆石体主要应检查上坝块石的质量、风化程度、石块的重量、尺寸、形状，堆筑过程中有无离析架空现象发生。对于堆石的级配、空隙率大小，应分层分段取样，检查是否符合设计要求。所有质量检查的记录，应随时整理，分别编号存档备查。