水利水電工程土石方施工技術(shù)初探

余祚民

（古田縣卓洋水工混凝土模板施工有限公司 福建古田　352200）

水利水電工程土石方施工技術(shù)初探

余祚民

（古田縣卓洋水工混凝土模板施工有限公司 福建古田352200）

水利水電工程是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大基礎(chǔ)設(shè)施，土石方施工則是水利水電工程的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。本文將主要探討當(dāng)前水利水電施工工程土石方施工技術(shù)的主要類(lèi)別，分析了做好土石方施工在整個(gè)工程中的重要作用，從而為水利水電的施工提供有效的基礎(chǔ)保障。

土石方；水利水電工程；施工技術(shù)

引言

在我國(guó)的水利水電工程施工過(guò)程中，土石方施工是非常重要的施工技術(shù)，其中包含了大量的土石方開(kāi)挖以及填筑的施工項(xiàng)目，這些都是較為關(guān)鍵的核心項(xiàng)目。在近十幾年的發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)水利水電土石方工程在施工規(guī)模、機(jī)械化水平、強(qiáng)度以及爆破技術(shù)上都得到了較大進(jìn)步，同時(shí)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形情況以及高難度施工方面也取得較大突破。

1　水利水電工程中的土石方施工技術(shù)分析

1.1土石方工程施工爆破技術(shù)

炸藥和起爆器材的發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)械化水平的持續(xù)提高。手風(fēng)鉆爆破施工的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，如今已經(jīng)是潛孔鉆爆破施工時(shí)期，而且高風(fēng)壓逐漸取代低風(fēng)壓正在成為主流，這此發(fā)展同時(shí)為工程爆破技術(shù)提高速度、加大鉆孔直徑等提供了良好的技術(shù)條件。另外，從國(guó)外引進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備也為我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)，如液壓鉆機(jī)、多臂鉆機(jī)和反井鉆機(jī)等的引進(jìn)與應(yīng)用，為我國(guó)的高鉆孔效率與精度提供了參考，正帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)鉆孔爆破技術(shù)上升一個(gè)新臺(tái)階。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)、自動(dòng)化合成炸藥生產(chǎn)工藝與裝藥機(jī)械化技術(shù)，這有賴(lài)于混裝炸藥車(chē)的引進(jìn)與開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)引進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)條件的逐漸完善、產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，不斷改進(jìn)爆破效果，進(jìn)而顯著提高了我國(guó)的裝藥技術(shù)水平與爆破效果。

1.2土石方明挖技術(shù)發(fā)展分析

隨著我國(guó)爆破機(jī)械以及鑿巖機(jī)等機(jī)械的研發(fā)的進(jìn)步，這些科研成果對(duì)于我國(guó)的施工爆破技術(shù)做出了很大貢獻(xiàn)。例如我國(guó)的微差爆破技術(shù)、預(yù)裂爆破技術(shù)都發(fā)展到了成熟階段。鑿巖機(jī)具和爆破器材的研發(fā)與進(jìn)步帶動(dòng)了我國(guó)梯段爆破技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，梯段爆破布孔如圖1所示。而且當(dāng)前我國(guó)預(yù)裂爆破技術(shù)、光面爆破技術(shù)和微差爆破技術(shù)日臻完善，基本已經(jīng)處于成熟應(yīng)用階段，并且隨著工程施工機(jī)具的不斷研發(fā)，工程施工方法和工藝也在持續(xù)提升、完善。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)當(dāng)前在建或者已建大型水電站有51座，已開(kāi)發(fā)土石方總面積達(dá)4.45億m3，每年土石方開(kāi)挖量大于4400萬(wàn)m3。

1.3土石方明挖施工機(jī)械發(fā)展

圖1　梯段爆破布孔示意圖

解放初期建設(shè)的部分大型水電站，基本上都經(jīng)歷了從半機(jī)械化到機(jī)械化的土石方明挖施工技術(shù)轉(zhuǎn)變過(guò)程。我國(guó)的土石方明挖施工機(jī)械化起步較晚，60年代末期，低水平的機(jī)械化土石方開(kāi)挖施工技術(shù)才逐漸形成，這個(gè)階段自卸汽車(chē)、斗容挖掘機(jī)和手風(fēng)鉆是主要的施工設(shè)備。如果遇到大型的土石方工程，這此設(shè)備基本無(wú)法施工，只能大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備。70年代后期到80年代，是我國(guó)土石方施工機(jī)械化水平快速發(fā)展階段，主要常用的機(jī)械設(shè)備也出現(xiàn)了變化，主要有輔助機(jī)械、挖裝機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械和鉆孔機(jī)械，并且當(dāng)時(shí)已經(jīng)可以構(gòu)成配套的開(kāi)挖設(shè)備了。

1.4控制爆破技術(shù)分析

在我國(guó)基巖保護(hù)層的開(kāi)挖工程中，從之前的分層開(kāi)挖逐步向目前的水平預(yù)裂或是光面預(yù)裂爆破方式進(jìn)步，在一些工程中開(kāi)始使用更為先進(jìn)的在孔底鋪設(shè)柔性墊層爆破方式來(lái)進(jìn)行拆除。這種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用不僅可以保證質(zhì)量還可以加快施工進(jìn)度。在針對(duì)基巖層的一此特殊區(qū)域進(jìn)行爆破工作時(shí)，也可以同時(shí)對(duì)于之前的混凝上結(jié)果以及灌漿區(qū)難題等進(jìn)行解決?？刂票频幕驹頌榈饶茉?，即使介質(zhì)只產(chǎn)生一定寬度的裂縫或原地松動(dòng)破碎，而無(wú)剩余的能量造成危害。單位爆炸能A可用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Qv——單位炸藥爆熱，J/kg；。

T1——爆炸反應(yīng)終了瞬間爆炸氣體溫度；。

T2——爆炸氣體膨脹后的溫度。

如果設(shè)介質(zhì)裂紋表面能為φ則裂紋擴(kuò)展單位面積所需能量2φ，若介質(zhì)破壞后形成的裂紋表面積為F，則需的能量總和為2Fφ。

等能原理可用下式表示：

式中：Q——炮孔裝藥量，kg；

η——爆炸能量利用系數(shù)。

1.5土石方高陡邊坡開(kāi)挖技術(shù)分析

水利水電工程施工過(guò)程中通常會(huì)遇到高邊坡問(wèn)題，需要采取加固措施以防止滑動(dòng)。而土石方高邊坡加固技術(shù)的應(yīng)用，可以加固巖體，從而保證邊坡穩(wěn)定性。其具體表現(xiàn)有兩種：①預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)；②混凝土結(jié)構(gòu)抗滑技術(shù)。預(yù)應(yīng)力錨固施工技術(shù)具有高效、靈活、受力好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以保證巖體主動(dòng)受力不受破壞。預(yù)應(yīng)力錨固施工技術(shù)的施工工藝包括：打孔造束落束與錨固張拉審核加固。進(jìn)行打孔時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)實(shí)際施工要求進(jìn)行打孔、測(cè)孔、擴(kuò)孔、掃孔。若有特殊情況，應(yīng)確保直孔段固定性，并于掃孔后進(jìn)行再次擴(kuò)孔。打孔時(shí)需根據(jù)位置關(guān)系確定鋼絲間隔，避免出現(xiàn)互相交叉問(wèn)題。另外，為了保護(hù)鋼絲，應(yīng)保證鋼絞絲和錨束鋼絲之間的間隙。預(yù)應(yīng)力錨固施工過(guò)程中，還應(yīng)保證預(yù)應(yīng)力錨固施工質(zhì)量，在錨固段灌漿和封孔灌漿進(jìn)漿管之間合理布置排氣管和通道?；炷两Y(jié)構(gòu)抗滑技術(shù)通常包括混凝土擋墻技術(shù)、抗滑樁技術(shù)及框架、噴護(hù)技術(shù)?；炷翐鯄夹g(shù)通過(guò)混凝土擋墻可以局部改變滑坡體的受力平衡狀態(tài)，從而預(yù)防滑坡體變形延展；抗滑樁技術(shù)具有的經(jīng)濟(jì)性和高效性，使其在滑坡治理中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在滑動(dòng)面傾角較緩治理方面。其中，深井在滑坡工程中的應(yīng)用不僅可以充分發(fā)揮擋土墻的作用，同時(shí)還能起到一定的防滑樁作用；框架、噴護(hù)技術(shù)中的混凝土框架可以保護(hù)滑坡體的表層，全面提升坡體整體性，同時(shí)，還能有效避免風(fēng)化和地表水滲水的影響。此外，框架護(hù)坡技術(shù)還具有施工便捷、排水方便等優(yōu)點(diǎn)。

2　土石方平衡

對(duì)于較為大型的水利水電工程來(lái)說(shuō)，科學(xué)合理利用開(kāi)挖料是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于保持挖填的平衡具有良好效果。比如說(shuō)在我國(guó)多個(gè)項(xiàng)目施工過(guò)程中都曾有效使用開(kāi)挖料來(lái)對(duì)大江進(jìn)行截留以及工作面的填筑等。某工程開(kāi)挖的土石方體積達(dá)到了700萬(wàn)m3，而開(kāi)挖料的利用率達(dá)到了9成以上，做到了完美的土石方平衡與利用，這此案例都對(duì)我國(guó)土石方挖填的平衡起了很大作用。土石方平衡的計(jì)算有兩種：①方格網(wǎng)法，如圖2所示；②斷面法，如圖3所示。目前，在我國(guó)建設(shè)完畢的壩高在30m之上的多種壩型之中，其中土石類(lèi)的大壩占據(jù)了8成以上，自從20世紀(jì)90年代以來(lái)我國(guó)在建設(shè)中的高土石壩數(shù)量迅速增加，待建的工程項(xiàng)目數(shù)量則更多。在眾多工程中土石壩施工技術(shù)得到了很大進(jìn)步。在20世紀(jì)70～80年代中期我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)大型的施工機(jī)械，這對(duì)于高土石壩的發(fā)展來(lái)說(shuō)起到了很大的推進(jìn)作用。例如我國(guó)心墻土石壩以及混凝上堆石壩等因?yàn)楣こ痰某杀据^低以及施工口期較短等讓這此技術(shù)等得到了很大進(jìn)步。

圖2　網(wǎng)格法

圖3　斷面法

3　土石壩施工技術(shù)

土石壩是我國(guó)當(dāng)前水利水電工程當(dāng)中主要的壩型，在我國(guó)已經(jīng)建成的壩高30m以上的壩型中大約占80%左右，尤其是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，在待建和正建工程中土石壩壩型逐漸增多，隨著高土石壩壩型修建工程的不斷增多，土石壩工程施工技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。尤其是隨著新型和大型工程施工機(jī)械的出現(xiàn)與應(yīng)用，直接推動(dòng)了高土石壩的建設(shè)及其技術(shù)發(fā)展、此外，由于瀝青混凝上面板堆石壩、混凝上面板堆石壩和心墻土石壩工程造價(jià)比較低，而且工期相對(duì)也比較短，所以這此技術(shù)也得到了業(yè)界人士的關(guān)注與肯定。當(dāng)前，我國(guó)土石壩的施工規(guī)模、施工技術(shù)和管理水平等與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定的差距，但是隨著更多工程的實(shí)施和相關(guān)工作人員的不斷努力研發(fā)，在不久的將來(lái)我國(guó)土石壩施工技術(shù)水平必將得到快速的發(fā)展與提高。

4　地下工程建設(shè)與發(fā)展

在20世紀(jì)60年代前，我國(guó)水利水電工程中都是采用較低機(jī)械化水平的手風(fēng)鉆孔爆破技術(shù)進(jìn)行施工，整體施工水平不高，且施工進(jìn)度不高。1963年，陸渾水庫(kù)首次應(yīng)用錨桿支護(hù)施工技術(shù)，并取得較好的施工效果，隨后該技術(shù)在1985年魯布革水膽戰(zhàn)的施工中應(yīng)用，并創(chuàng)新了施工進(jìn)度記錄，此后，錨桿支護(hù)技術(shù)開(kāi)始在水利水電工程施工中逐漸得到應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)水利水電工程隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展而迅速發(fā)展，而水利水電工程的發(fā)展相應(yīng)促進(jìn)我國(guó)抽水蓄能電站施工建設(shè)的發(fā)展。如二灘水電站、小浪底水電站等施工建設(shè)中，地下工程的眾多優(yōu)勢(shì)使其整體水平位列世界領(lǐng)先水平。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)當(dāng)前已建和在建的地下廠(chǎng)房已達(dá)60座以上，例如，在龍灘水電站施工中，設(shè)置了超過(guò)100個(gè)洞室，各個(gè)洞室相互貫通，形成一個(gè)系列的洞室群。而水利水電工程建設(shè)在豐富的水力資源環(huán)境下進(jìn)行施工，可以充分利用不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)，從而保證了工程施工進(jìn)度。

5　結(jié)語(yǔ)

總而言之，土石方施工技術(shù)在水利水電工程中的逐漸應(yīng)用，并已經(jīng)成為水利水電工程中不可或缺的一部分。在水利水電工程施工過(guò)程中，應(yīng)合理應(yīng)用土石方明挖技術(shù)、爆破技術(shù)、高邊坡加固技術(shù)，同時(shí)，今后仍需繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)土石方施工技術(shù)的研究，不斷提升施工技術(shù)含量，從而提高土石方施工技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用質(zhì)量，促進(jìn)水利水電工程的良好發(fā)展。

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2015-4-28