郭建梅
(黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院,哈爾濱150090)
土石壩包括各種碾壓式土壩、堆石壩和土石混合壩。土石壩具有就地取材,對壩基地質(zhì)條件要求不高,結(jié)構(gòu)簡單節(jié)約三材和易于施工等優(yōu)點。隨著大型高效機具的采用,壩體防滲結(jié)構(gòu)和材料的改進,施工人數(shù)的大量減少,施工工期的進一步縮短以及施工費用的顯著降低等,為土石壩廣泛應用奠定了良好基礎(chǔ),而合理控制每個施工環(huán)節(jié)尤為重要。
土石壩施工中,料場的合理規(guī)劃和使用,是土石壩施工中的關(guān)鍵技術(shù)之一,它不僅關(guān)系到壩體的施工質(zhì)量、工期和工程造價,甚至還會影響到周圍的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。
施工前,應配合施工組織設(shè)計,對各類料場作進一步的勘探和總體規(guī)劃、分期開采計劃。使各種壩料有計劃、有次序地開采出來,以滿足壩體施工的要求。
選用料場材料的物理力學性質(zhì),應滿足壩體設(shè)計施工質(zhì)量要求,勘探可供開采量應不少于設(shè)計需要量的2倍。在儲量集中主要料區(qū),布置大型開采設(shè)備,避免經(jīng)常性的轉(zhuǎn)移;保留一定的備用料場(為主要料場總儲量的20%~30%)和近料場,作為壩體合垅以及搶筑攔洪工程用。
在料場的使用時間及程序上,應考慮施工期河水位的變化及施工導流使上游水位抬高的影響。供料規(guī)劃上要近料、上游易淹料先用;遠料,下游不淹料后用。含水量高料場夏季用;含水量低料場雨季用。施工強度高時利用近料,強度低時利用遠料,平衡運輸強度,避免窩工。
土石壩施工中,從料場的開挖、運輸,到壩面的平料和壓實等各項工序,都可由互相配套的工程機械來完成,構(gòu)成“一條龍”式的施工工藝流程,即綜合機械化施工。
運距<10 km,正向鏟一般都采用立面開挖,汽車運輸?shù)缆房刹贾贸裳h(huán)路,裝料時停在挖掘機一側(cè)的同一平面上,既汽車魚貫式地裝料與行駛。這種布置形式,可避免或減少汽車的倒車時間,正向鏟采用60°~90°的轉(zhuǎn)角側(cè)向卸料,回轉(zhuǎn)角度小,生產(chǎn)率高,能充分發(fā)揮正向鏟與汽車的效率。
膠帶機的爬坡能力大,架設(shè)簡易,運輸費用較低,比自卸汽車可降低運輸費用1/3~1/2,運輸能力也較高,膠帶機合理運距<10 km,膠帶機可直接從料場運輸上壩;也可與自卸汽車配合,作長距離運輸,在壩前經(jīng)漏斗由汽車轉(zhuǎn)運上壩;與有軌機車配合,用膠帶機轉(zhuǎn)運上壩做短距離運輸。
當填筑方量大,上壩強度高的土石壩,料場儲量大而集中,可采用斗輪式挖掘機開挖,它的生產(chǎn)率高,具有連續(xù)挖掘、裝載的特點,斗輪式挖掘?qū)⒘限D(zhuǎn)入移動式膠帶機,其后接長距離的固定式膠帶機至壩面或壩面附近經(jīng)自卸汽車運至填筑面。這種布置方案,可使挖、裝、運連續(xù)進行,簡化了施工工藝,提高了機械化水平和生產(chǎn)率。
分期施工的土石壩,應根據(jù)壩體分期施工的填筑強度和開挖強度來確定相應的機械設(shè)備容量,可按下式計算:
式中:qd為壩體分期填筑強度,m/h;Vd為壩體分期填筑方量,m3;K為施工不均勻系數(shù),可取1.2~1.3;K1為考慮沉降,削坡、損失等影響系數(shù),可取1.15~1.2;T為分期時段的有效工作日數(shù),d;按分期時段的總?cè)諗?shù),扣除節(jié)假日、降雨及氣溫影響可能的停工日數(shù),即為有效工作日數(shù);N為每日的工作小時數(shù),以20 h計。
壩體分期施工的開挖強度qc計算公式為:
式中:K2為開挖及運輸中的損失系數(shù),可取1.05~1.10;rd為土料的設(shè)計干表觀密度,t/m3;rn為土料的天然干表觀密度,t/m3。
滿足上壩填筑強度要求的挖掘機數(shù)量Nc的計算公式為:
式中:Pc為一臺挖掘機的生產(chǎn)率,m3/h。
滿足上壩填筑強度要求的汽車總數(shù)量Na的計算公式為:
式中:Pa為輛汽車的生產(chǎn)率,m3/h。配合1臺挖掘機所需的汽車數(shù)量n,其總的生產(chǎn)率應略大于1臺挖掘機的生產(chǎn)率,因此應滿足nPa>Pc。
為了充分發(fā)揮自卸汽車的運輸效能,應根據(jù)挖掘機械的斗容選擇具有適當斗容量(或載重量)的汽車。挖掘機裝滿一車斗數(shù)的合理范圍應為3~5斗,通常要求裝滿一車時間不超過3.5~4 min,卸車是不超過2 min。
土石料的壓實,是土石壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵。維持土石壩自身穩(wěn)定的土料內(nèi)部主力(黏結(jié)力和摩擦力)、土料的防滲性能等,都是隨土料密實度的增加而提高。例如,干密度為1.4 t/m3的砂壤土,壓實后若提高到1.7 t/m3,其抗壓強度可提高4倍,滲透系數(shù)將降低至1/2 000。由于土料壓實結(jié)果,可使壩坡加陡,加快施工進度,降低工程投資。
土料壓實特性,與土料自身的性質(zhì),顆粒組成情況、級配特點、含水量大小以及壓實功能等有關(guān)。
一般黏性土的黏結(jié)力較大,摩擦力較小,具有較大的壓縮性,但由于它的透水性小,排水困難,壓縮過程慢,所以很難達到固結(jié)壓實。而非黏性土料則相反,它的黏結(jié)力小,摩擦力大,具有較小的壓縮性,但由于它的透水性大,排水容易,壓縮過程快,能很快達到壓實。所以黏性土的壓實干密度低于非黏性土的壓實干密度。顆粒不均勻的砂礫料,比顆粒均勻的細砂可能達到的干密度要大一些。
壓實功能大小,也影響著土料干密度的大小,擊實次數(shù)增加,干密度也隨之增大而最優(yōu)含水量則隨之減小。說明同一種土料的最優(yōu)含水量和最大干密度并不是一個恒定值,而是隨壓實功能的不同而異。一般說來,增加壓實功能可增加干密度,這種特性,對于含水量較低(小于最優(yōu)含水量)的土料比對于含水量較高(大于最優(yōu)含水量)的土料更為顯著。
3.2.1 羊腳碾
羊腳碾的羊腳插入土中,不僅使羊腳底部的土料受到壓實,而且使側(cè)向上部土料也受到擠壓,從而達到均勻的壓實效果。羊腳碾僅適用于壓實黏性土料和黏土,不適合壓非黏性土。羊腳碾的獨特優(yōu)點是能夠翻松表面土層,可省去刨毛工序,保證了上下土層的結(jié)合質(zhì)量。此外,羊腳碾還能起到混合土料的作用,可以使土料級配和含水量比較均勻。羊腳頂端接觸應力的過大或過小,都會降低碾壓效果。
3.2.2 氣胎碾
氣胎碾適用于壓實黏土料,也適合于壓實非黏性土料,如黏性土、黏土、砂質(zhì)土和沙礫料等,都可以獲得較好的壓實效果。氣胎碾的充氣輪胎,在壓實過程中具有一定的彈性,可以和壓實的土料同時發(fā)生變形,輪胎與土料的接觸應力,主要取決于輪胎的充氣壓力,與輪胎的荷載大小無關(guān)。
3.2.3 振動碾
振動碾是一種以碾重靜壓和振動力共同作用的壓實機械,較之沒有振動的壓實機械,土中應力可提高4~5倍,因而它能有效地壓實堆石體、砂礫料和礫質(zhì)土;也可用與壓實黏性土和黏土。
3.2.4 夯實機械(重錘)
夯板使用于壓實沙礫料、礫質(zhì)土和黏性土,也可用于壓實黏土。
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