第01章-水利工程施工土方工程

1、水利工程工种施工 -土方工程,第一节 土的分级和特性,土方工程在水利水电工程施工中应用非常广泛，几乎所有的水电工程都涉及土方工程。,一、土的工程性质 土包括土质土和岩石两大类。水电工程中沿用十六级分类法，通常把前四级叫做土质土（一般叫土），五级以上的都叫做岩石。 土的工程性质指标常用的有：密度、含水量、渗透性、可松性等。,（一）土的工程性质指标 1、密度（单位体积土壤的质量） 自然密度：土壤保持自然组织、结构和含水量的密度。 湿密度：单位体积湿土的质量。 干密度：单位体积干土的质量，是体现粘性土密实程度的指标，常用于控制压实质量，如碾压土石坝中应用广泛。,2、含水量 含水量是指土壤空隙中含水的

2、程度，常用土壤中水的质量与干土的质量的百分比表示。 含水量的大小直接影响粘性土的压实质量。,3、可松性 可松性是指自然状态下的土壤开挖后体积增大的特性。常用可松性系数表示，即 其中 V2-土经开挖后的松散体积，m3; V1-土在自然状态下的体积，m3; 可松性系数常用于计算土方量、土方挖填平衡计算和确定运输工具数量。,各种土的可松性系数见书中表1-1。 问题1: 通常情况下，壤土在（ ）情况下体积最小。 A 自然状态 B 挖松后 C 压实后,4、自然倾斜角 自然倾斜角：自然堆积土壤的表面与水平面间所形成的角度。 挖方和填方边坡的大小与土壤的自然倾斜角有关。重要的土方开挖，应通过专门的设计和计算

3、确定边坡稳定。如深基坑等。 挖深在5米以内的窄槽未加支撑时的安全边坡系数见表1-2。人工开挖时边坡宜缓，机械开挖时边坡可适当陡些。,（二）土的颗粒分类 见表1-3,（三）土的松实关系 自然方、松方、实体方三种状态 1、土的体积关系 对于可压缩性的土体而言： V实V自V松 但是，对于爆破后的块碎石，压实方体积大于自然方。 典型土体的体积变化换算系数见表1-4,2、自然方和实体方的关系 经验公式如下： V实-压实后的实体方的体积，m3; V自-自然方的体积，m3; A-综合系数； d-设计干密度，KG/m3 o-未经扰动的自然干密度，KG/m3,上述公式中的综合系数考虑了施工的各种损失。包括坝上运

4、输、雨后清理、边坡削坡等损失。综合系数A参见下表。,（二）土的工程分级 具体见书中72页，表3-1。,一、单斗挖掘机 单斗挖掘机是一种循环作业的施工机械，在土石方工程施工中最常见。按其行走机构的不同，可分为履带式和轮胎时；按其传动方式不同，分机械传动和液压传动两种；按工作装置不同分为正铲、反铲、拉铲和抓铲等(下图)。,第二节 土方开挖,1、正铲挖掘机。（视频） 如下图，正铲挖掘机由动臂、斗杆、铲斗、提升索等主要部分组成。,下图为正铲工作过程示意图。每一工作循环包括挖掘、回转、卸料、返回四个过程。,根据掌子面布置的不同，正铲挖掘机有不同的作业方式，如下图所示。,2、反向铲斗式挖掘机 （视频） 反

5、铲挖掘机为液压操作方式，适用于停机面以下土方开挖。 反铲挖掘机工作方式分为以下两种： 沟端开挖 沟侧开挖 （具体见下图）,3、索铲（拉铲）挖掘机 （视频） 利用钢索控制铲斗，适用于水下土砂及含水量大的土方开挖。,4、抓铲挖掘机（视频） 靠铲斗自由落下切入土中抓取土料，适用于挖掘窄深型基坑或沉井中的水下淤泥开挖，也可用于桥墩等柱坑开挖。,5、单斗挖掘机生产率 单斗挖掘机的实用生产率可按下式计算 P=60nqK1K2K3K4/K5 P单斗挖掘机实用生产率，m3/h; n设计每分钟循环次数； q铲斗容量，m3； K1铲斗充盈系数，正铲取1； K2卸土延误系数，卸土堆为1.0，卸车为0.9； K3时间

6、利用系数，取0.80.9； K4工作循环时间修正系数， K4=1/（0.4 +0.6 ） K5土壤可松性系数； 土壤级别修正系数，取1.0 1.2； 转角修正系数，转角90时取1.0，100 135 时取1.08 1.37,二、多斗挖掘机 多斗挖掘机是一种连续作业的挖掘机械，按构造不同，可分为链斗式和斗轮式两类。,链斗式采砂船（视频）,斗轮式挖掘机（视频）,三、铲运机械 1、推土机 推土机是一种挖运综合作业机械。是在拖拉机上装上推土铲刀而成。按推土板的操作方式不同，可分为索式和液压式两种。索式推土机的铲刀是借刀具自重切入土中，切土深度较小；液压推土机能强制切土，推土板的切土角度可以调整，切土深

7、度较大。因此，液压推土机是目前工程中常用的一种推土机。(下图)。,推土机（视频）,2、铲运机 铲运机能独立完成铲土、运土、卸土和平土作业，对行驶道路要求低，操作灵活，运转方便，生产效率高。(下图)。,铲运机（视频）,3、装载机 装载机是一种高效的挖运综合作业机械。(下图)。,装载机（视频）,四、水利开挖机械 1、水枪开挖 水枪开挖是利用水枪喷嘴喷射出的高速水流切割墙体形成泥浆，然后运送到指定地点的开挖方法。水枪可在平面上回转360，在立面上仰俯50 60 ，射程20 30m，切割分解形成泥浆后，沿输泥沟自流或由吸泥泵经管道输送至填筑地点。利用水枪开挖土料场、基坑，节约劳动力和大型机械，经济效益

8、明显。水枪开挖适于砂土、亚粘土和淤泥，可用于水力冲填筑坝。对于硬土，可先进行预松，提高水枪挖土的工效。,四、水利开挖机械 2、吸泥船开挖 利用挖泥船下的绞刀将水下土方绞成泥浆，由泥浆泵吸起经浮动输泥管运至岸上或运泥船。,吸泥船开挖视频,五、运输机械 1、无轨运输 自卸汽车运输,优点：操纵灵活、机动性大、适应各种复杂地形 缺点：运输费用高、维修要求高,拖拉机运输,履带式：牵引力大，对道路要求低，对地面压强小，但行驶速度慢，适用于运距短、道路不良、汽车运行困难的情况。 轮胎式：行驶速度快，适用于运距较大的情况。,2、有轨运输,侧卸式V型翻斗车,窄轨运输：工程施工所用的有轨运输均为窄轨铁路，轨距：1

9、000mm、762mm、610mm等。,3、带式运输机（视频）,皮带机运输,特点：连续式运输设备，生产率高，机身结构简单、轻便，造价低；可做水平运输，也可做斜坡运输，且可转任何方向；在运输中途任何地点都可卸料 适用范围：地形复杂、坡度较大、通过比较复杂的地形和跨越沟壑的情况，特别适用于运输大量粒状材料的情况。,4、索道运输,适用：在地形崎岖复杂的地区，特别是由高处向低处运送材料时，利用料斗及材料自重沿索道下滑，不需要动力，更为经济。,第3节 土方压实与季节性施工,一、土的压实理论 填筑于土坝或土堤上的土方，通过对其压实，可以达到以下目的：提高土体密度，提高土方承载能力；加大土坝或土堤坡角，减小

10、填方断面面积，减少工程量，从而减少工程投资，加快工程进度；提高土方防渗性能，提高土坝或土堤的渗透稳定性。,土体是三相体，即由固相的土粒、液相的水和气相的空气所组成。通常土粒和水是不会被压缩的，土料压实的实质是将水包裹的土粒挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的空隙率减少，密实度提高。所以，土料压实的过程实际上就是在外力作用下土料的三相重新组合的过程。,二、土料的压实方法、压实机械 （一）压实方法 土料的物理力学性能不同，压实时要克服的压实阻力也不同。粘性土的压实主要是克服土体内的凝聚力，非粘性土的压实主要是克服颗粒间的摩擦力。压实机械作用于土体上的外力有静压碾压、震动碾压和夯击

11、三种，如下图。,静压碾压：作用在土体上的外荷不随时间而变化。 夯击：作用在土体上的外力是瞬间冲击力，其大小随时间而变化。 震动碾压：作用在土体上的外力随时间作周期性的变化。 见下图,（二）压实机械 常用的压实机械有平碾、肋形碾、羊角碾、气胎碾、振动碾、蛙夯，如下图。,特点：土料层能均匀受压，压实层厚，层间结合好，压实度高，压实质量好。仅适用于黏土。,特点：增加碾重可增加与土层的接触面积，从而增大压实影响深度，提高生产率。适用于黏土、砂土、砂砾石、黏土与非黏性土的结合带的压实。与羊脚碾联合作业效果更佳。,特点：由于振动力的作用，土中的应力可提高4-5倍，压实层达1m以上，生产率高。可压实堆石体、

12、砂砾料和砾质土，也能压实黏性土。,强夯机视频,特点：夯砣重量一般为10-40t，由起重机提升10-40m高后自由下落冲击土层，影响深度达4-5m，压实效果好，生产率高，用于杂土填方软基及水下地层。,挖掘机夯板视频,特点：压实功能大，生产率高，有利于雨季、冬季施工。,碾压机械碾压实土料的方法有两种：圈转套压法和进退错距法。 如下图,（三）压实机械的选择 选择压实机械主要考虑以下原则。 (1)适应筑坝材料的特性。粘性土应优先选用气胎碾、羊脚碾；砾质土宜用气胎碾、夯板；堆石与含有特大粒径(大于500mm)的砂卵石宜用震动碾。 (2)应与土料含水量、原状土的结构状态和设计压实标准相适应。对含水量高于最

13、优含水量12%的土料，宜用气胎碾压实；当重粘土的含水量低于最优含水量，原状土天然密度高并接近设计标准，宜用重型羊脚碾、夯板；当含水量很高且要求的压实标准低时，粘性土也可选用轻型的肋型碾、平碾。 (3)应与施工强度大小、工作面宽窄和施工季节相适应。气胎碾、震动碾适用于生产强度要求高和抢时间的雨季作业；夯击机械宜用于坝体与岸坡或刚性建筑物的接触带、边角和沟槽等狭窄地带。冬季作业选择大功率、高效能的机械。 最优含水率:是指在一定功能的压实（或击实、或夯实）作用下，能使填土达到最大干密度（干容量）时相应的含水率。,三、填土压实的影响因素 压实功 土的含水量 每层铺土厚度,1.压实功的影响,图 土的密度

14、与压实功的关系示意图,2.含水量的影响 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。,各种土的最佳含水量和最大干密度,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，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1.6的规

15、定。,图 压实作用沿深度的变化,填土施工时的分层厚度及压实遍数,（一）土方冬季施工 水利水电施工组织设计规范（SDJ 33889）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： 防冻、保温、加热,二、土方的季节性施工,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

16、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。,塑限是指土由可塑状态过渡到半固体状态时的界限含水率,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1015cm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

17、土料翻松、击碎，并平整至535cm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510，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。,(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。