第四章土石坝工程

1、 土石坝包括碾压式土坝、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，可分：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。以碾压式土石坝最多。碾压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：四通一平，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。一、土石坝（当地材料坝）筑坝材料及其要求一、土石坝（当地材料坝）筑坝材

2、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1.52.0倍，并要求提供备用料场。 粘性土料采用钻探或坑探取样。 砾石类土用坑探取样，布孔间距50100m。 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。 防渗料防渗料防渗性：渗透系数不大于110-5cm/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。 抗剪强度，渗流稳定性，低压缩性 坝壳料坝壳料工程实践中，堆石、砂砾石及风化料等均可作为坝壳料。堆石堆石: 按其型式可分为抛填、分层碾压、手工干

3、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、冲积的漂卵石、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。砂砾石砂砾石: 碾压砂砾石压缩性低，抗剪强度高，但易冲蚀、易管涌 。需加强渗流控制措施。风化料风化料: 属于抗压强度小于30MPa的软岩类，往往存在湿陷问题。需压实到最大密度，填筑含水量必须大于湿陷含水量。 反滤料反滤料 反滤料一般要满足坚固度要求，一般采用混凝土砂石料生产系统生产，也可由天然砂砾石经筛分生产。二、料场规划的原则二、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

4、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。空间规划空间规划，系指对料场位置、高程的恰当选择，合理布置。 1高程上有利于重车下坡，低料低用，高料高用；2易于排除地面水和地下水；3坝的上下游、左右岸最好都选有料场；4近料场不应因取料影响坝的防渗稳定和上坝运输。 时间规划时间规划，是要考虑施工强度和坝体填筑部位的变化，随季节及坝前蓄水情况的变化，料场的工作条件在变化。 1近料先用，远料后用；2上游易淹的料场先用，下游不易淹的料场后用；3含水量高的料场旱季用，含水量低的料场雨季用；4上坝强度高时用近料场，低时用较远的料场。 料场质与量的规划料场质与量的规划

5、，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。主要料场， 质好、量大、运距近，且有利于常年开采；备用料场通常在淹没区外，做主要料场之备用。 主要料场主要料场 备用料场备用料场料场体积比坝体体积大的原因料场体积比坝体体积大的原因1大坝比重比料场土料比重大；2料场中的废料要挖除；3开挖、运输、填筑、削坡的损耗；4施工道路、废料占地不能开采；5施工中如遇雨天，要将填好的土料挖除。1.5 2.0VV主0.2 0.3VV主 料尽其用，充分利用永久和临时建筑物基础开挖碴料是土石坝料场规划的又一重要

6、原则，为此应增加必要的施工技术组织措施，确保碴料的充分利用。为了紧缩坝体设计断面和充分利用碴料，采用人工筛分控制填料的级配。料场规划还应对主要料场和备用料场分别加以考虑。在规划料场时，实际可开采总量与坝体填筑量之比一般为：土料225；砂砾料152；水下砂砾料23；石料152；反滤料应根据筛后有效方量确定，一般不宜小于3。 料场选择还应与施工总体布置结合考虑，应根据运输方式、强度来研究运输线路的规划和装料面的布置。三、料场优化的基本方法三、料场优化的基本方法既有大量开挖，又有大量填筑。 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弃料处理土方工程施工前应进

7、行挖、填方的平衡计算，综合考虑土方运距最短、运程合理和各个工程项目的合理施工顺序等，做好土方平衡调配，减少重复挖运。同时，土方平衡调配应尽可能与施工总体规划相结合将余土一次性运送到指定弃土场。附：土石方量计算的基本方法附：土石方量计算的基本方法 土石方量计算的基本方法主要有平均高度法和平均断面法两种。1. 平均高度法 （1）四方棱柱体法 四方棱柱体法，是将施工区域划分为若干个边长为a的方格网，每个方格网的土方体积V等于底面积a2乘四个角点高度的平均值，即（2）三角棱柱体法。 三角棱柱体法，是将每一个方格顺地形的等高线沿对角线划分成两个三角形，然后分别计算每一个三角棱柱体的土方量。(a)全挖或全

8、填( b) 有填有挖当三角形为全挖或全填时方格类别计算图形计算公式全挖(全填)半挖半填三挖一填(三填一挖)注：表中a为方格边长，b、c为计算图形相应的两个边长； h1、h2、h3、h4分别为方格各角点的施工高度； h为各计算图形相应的挖方或填方的施工高度总和，用绝对值代入； V为挖方或填方的体积(m3)。 三个角挖(或填) 当三角形有填有挖时，则其零线将三角形分成两部分， 底面为三角形的锥体： 底面为四边形的楔体： 简化计算：HH4a22）（填（挖）填（挖）V2.平均断面法 平均断面法，可按近似公式和较精确的公式进行计算。平均断面法 （1）近似计算：（2）较精确计算： 式中 V土方体积(m3)

9、； F1,F2两端的断面面积(m2) F0L/2处的断面面积(m2)。 附：场地平整1. 场地设计标高H0的确定 场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，也是总图规划和竖向设计的依据。合理地确定场地的设计标高，对减少土方量和加速工程进度均具有重要的意义。 当场地设计标高为H0时，填挖方基本平衡，可将土方移挖作填，就地处理； 当设计标高为H1时，填方大大超过挖方，则需要从场外大量取土回填；当 设计标高为H2时，挖方大大超过填方，则需要向场外大量弃土。场地不同设计标高的比较 如场地设计标高无其他特殊要求时，则可根据填挖土方量平衡的原则加以确定，即场地内土方的绝对体积在平整前和平整后相等。其步

10、骤如下 ：因此，在确定场地设计标高时，应结合现场的具体条件反复进行技术经济比较，选择其中一个最优的方案。其原则是：（1）应满足生产工艺和运输的要求；（2）充分利用地形，分区或分台阶布置，分别确定不同的设计标高；（3）使挖填平衡，土方量最少；（4）要有一定泄水坡度(2)，使能满足排水要求；（5）要考虑最高洪水位的影响。（1）在地形图上将施工区域划分成边长为10 50m的若干个方格网。（2）确定各小方格角点的高程，其方法：可用水准仪测量；或根据地形图上相邻两等高线的高程，用插入法求得；H13251.70。场地设计标高计算图 （3）按填挖方平衡确定设计标高H0 4自然地面与设计标高平面的交线（零线）

11、 a）地形图上划分方格； b）设计标高示意图 1等高线；2自然地面；3设计标高平面； 场地设计标高计算简图 式中： H0场地设计标高的初步计算值（m）； a方格边长（m）； N方格个数； H11H22任一方格的四个角点的标高。因为场地平整前后，土方量相等从上图可知，H11系一个方格的角点标高，H12和H21均系两个方格公共角点， 它们分别在上式中要加一次、二次、 四次。因此，上式直接可改写成下列形式 (1) 土的可松性影响。 由于土具有可松性，一般填土会有多余，需相应地提高设计标高。(2) 场内挖方和填方的影响。 由于场地内大型基坑挖出的土方、修筑路堤填高的土方，以及从经济观点出发，将部分挖方

12、就近弃于场外，将部分填方就近取土于场外等，均会引起挖填土方量的变化。必要时亦需调整设计标高。 (3) 泄水坡度的影响。 当按调整后的同一设计标高H0进行场地平整时，则整个地表面均处于同一水平面；但实际上由于排水的要求，场地表面需有一定的泄水坡度。因此，还得根据场地泄水坡度的要求(单面泄水或双面泄水)，计算出场地内各方格角点实际施工所用的设计标高。2. 场地设计标高H0的调整原计划所得的场地设计标高H0仅为一理论值，实际上，还需考虑以下因素进行调整。例题例题 某建筑场地地形图和方格网(边长a=20.0 m)布置如图所示。土壤为二类土，场地地面泄水坡度 ， 。试确定场地设计标高(不考虑土的可松性影

13、响，余土加宽边坡)，计算各方格挖、填土方工程量。 解：解：(1) 计算场地设计标高 (2) 根据泄水坡度计算各方格角点的设计标高 以场地中心点(几何中心o)为 ，由式得各角点设计标高为： 其余各角点设计标高均可求出。(3) 计算各角点的施工高度 得各角点的施工高度(以“+”为填方，“-”为挖方)： 各角点施工高度。 (4) 确定“零线”，即挖、填方的分界线 确定零点的位置，将相邻边线上的零点相连，即为“零线” 。如1-5线上： ，即零点距角点1的距离为0.67m。 (5) 计算各方格土方工程量(以“+”为填方，“-”为挖方) 全填或全挖方格： (+) (+) (+) ( - ) 三填一挖或三挖

14、一填方格，由式(2.13)： (+) (-) (-) (+) (+) (-) 将计算出的各方格土方工程量按挖、填方分别相加，得场地土方工程量总计： 挖方：503.92 m3 填方：504.26 m3 挖方、填方基本平衡。 一、土石料的开采与加工一、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

15、场划分成数区，进行流水作业。2土料加工包括：调整土料含水量、掺合、超径料处理 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。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

16、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、挖运机械二、挖运机械（一） 挖掘机械 单斗式挖掘机 多斗式挖掘机 （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。（三） 运输机械 自卸汽车 带式运输机 加长臂反铲式挖土机三、土石料开挖运输方案三、土石料开挖运输方案土石料的开挖运输，是保证土石料上坝强度的重要环节。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。 坝料的开挖运输方案很多，但无论采用何种方案，都应

17、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。 三、土石料开挖运输方案三、土石料开挖运输方案 （1） 正向铲开挖，自卸汽车运输上坝（2） 正向铲开挖，带式运输机运输上坝（3） 斗轮式挖掘机开挖，带式运输机运输，转自卸汽车上坝（4） 采砂船开挖，有轨机车运输，转带式运输机（或自卸汽车）上坝满满足足高高峰峰施施工工期期上上坝坝强强度度的的挖挖掘掘机机的的数数量量应应为为：cCcPQNmax满满足足高高峰峰施施工工期期上上坝坝强强度度的的汽汽车车总总数数应应为为：PQNT maxmaxmax,TCQQ分

18、分别别为为高高峰峰施施工工期期开开挖挖及及运运输输土土料料的的最最大大小小时时强强度度（m m3 3/ /h h）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。一、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卸料、铺料、洒水、压实、质检等工作。 坝面作业，工作面狭窄，工种多，工序多，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。分段流水作业程序分段流水作业程序 （根据工序数n对坝面分段，工段数m，）1. 工段数与工序数的关系m=n，工段数与工序数相等，人、机、地不闲；mn，工段数大于工序数，人、机不

19、闲，地闲；mn，工段数小于工序数，人、机闲，地不闲，流水作业不能正常进行。 2拟定流水作业程序拟定流水作业程序 拟定工序数目n 拟定流水作业单位时间t（h）：t=T/n T一个班内有效工作时间，h/班； n工序数； 同一工段各工序循环一次所用的班数，一般11.5。 计算工作段面积=qt/hT q 坝体填筑相应高程的松土上坝m3/班 ； h 每层铺松土厚度； 计算工段数目m=S/ S坝体相应高程的填筑面积m3 卸料和铺料通常采用自卸汽车、胶带机卸料，由推土机平铺成要求的厚度。 主要有进占法，后退法，综合法。二结合部位施工 坝基结合面，与岸坡及砼，坝体纵横向接坡及接缝1坝基结合面 对于基础部位的填

20、土，一般用薄层、轻碾的方法，不允许用重型夯或重型碾。不同地基的处理：粘性土、砾质土坝基，应将其表层含水量调节至施工含水量上限范围，用于防渗土料相同的碾压参数压实，然后刨毛深35 cm，再铺土压实。非粘性土地基应先压实，再铺第一层土料，含水量为施工含水量的上限，采用轻型机械碾压，压实表面密度可略低于设计要求。岩基，应先把局部凹凸不平的岩石修整，封闭岩基表面节理、裂缝。若岩基干燥可适当洒水并使用含水量略高的土料，岩基凹陷处应用人工填土夯实。无论何种坝基，当填筑厚度达2m后才可使用重型机械。 2与岸坡及砼建筑物结合面 填土前，先将结合面的污物冲洗，清除松动岩石，在结合面上洒水湿润，边涂刷一层厚约5c

21、m的浓粘土浆或浓水泥粘土浆或水泥砂浆，边涂刷边铺土边碾压； 防渗体与岸坡结合处，宽度1.52.0m范围内或边角处不得使用羊角碾、夯板等重型机械，并保证坝体碾压搭接宽度1m以上； 混凝土齿墙或坝下埋管两侧及顶部0.5m范围内填土，必须用小型机具压实； 岸坡、混凝土与砾质土、掺合土结合处，应填12m宽塑性较高而透水性低的土料，避免直接与粗料接触。3. 坝体纵横向接坡及接缝 防渗体及均质坝的横向接坡不应陡于1:3，高差不超过15m。均质坝的纵向接缝宜采用不同高度的斜坡和平台相间形式，坡度及平台宽度根据施工，并满足稳定要求，平台高度不大于15m。 坝体接坡面可用推土机自下而上削坡，适当保留保护层。 坝

22、体施工临时设置的接缝因高差较小，时间短，没有稳定问题，通常高差不超过铺土厚12倍为宜，分缝在高程上应适当错开。三反滤层、垫层料、过渡料施工削坡法、档板法及土、砂松坡接触平起法。1先土后砂法：此法易排水；因填土料无侧限，接缝处不便压实。当反滤料上坝强度赶不上土料填筑时，可用此法。2先砂后土法：此法填土料时有反滤料作侧限，便于控制防渗土体边线，接缝处土料便于压实，宜优先用此法。 四、压实机械和压实方法不同压实机械根据产生的压实作用不同，分为碾压、夯击、震动 1. 压实机械 羊角碾；震动碾；气胎碾；夯板 2. 压实机械的选择 （1）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）满足

23、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）施工队伍现有装备和施工经验等3压实方法（图4-9）进退错距法：碾压长度一般40100m，错距容易保证，获得广泛采用。转圈套压法：要求工作面积较大适用于均质坝，生产效率高，碾压区两端容易过压，四角漏压严重。4判断压实效果质检及现场压实作业状态分析，现场压实作业状态分析： 羊足碾在碾压过程中，只要土料不发生侧移和被踢翻松，就应以较高的速度碾压，直到经几次碾压后，一般滚筒提高到离土面23cm，表明土料压实；若不出现“升起”现象，表明土料未被压实，其原因可能是接触应力过大而产生了剪力破坏或土料含水量过高。 气胎碾压时可根据轮胎的陷入程度作大体的判断，轮胎一点也没有陷入土中表示含水量过低；过分陷入表示含水量过高或碾重过大。五、土石料压实标准及质量控制五