壩基土石方開挖施工關(guān)鍵技術(shù)研究

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

壩基土石方開挖施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王二紅

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

壩基開挖作為水利工程的基礎(chǔ)部分，其施工質(zhì)量直接決定水利工程的使用壽命長短，故壩基土石方開挖施工關(guān)鍵技術(shù)的研究刻不容緩。本文從開挖特點(diǎn)及要求、工程量計(jì)算、開挖方式三個(gè)方面對(duì)壩基的土方開挖和石方開挖分別進(jìn)行闡述，系統(tǒng)介紹了兩者的施工技術(shù)體系。

水利工程；壩基開挖；施工技術(shù)

1 概 述

水利工程建設(shè)與人們的生活息息相關(guān)，其主要功能是提供生活用水和發(fā)電，在進(jìn)行水利工程建設(shè)過程中壩基土石方開挖是非常重要的一部分，直接決定水利工程能否合理、有效地應(yīng)用[1]。壩基土石方開挖通常包括左右岸壩肩、上游護(hù)坡、壩基等部位開挖，在進(jìn)行任何部位施工時(shí)一定要按照相應(yīng)的施工要求，運(yùn)用最佳的施工技術(shù)合理進(jìn)行施工，以保證壩基開挖工程高質(zhì)量完工，為建設(shè)堅(jiān)固、實(shí)用的水利工程創(chuàng)造條件。

壩基土石方開挖是水利水電工程的基礎(chǔ)性工程和重要施工內(nèi)容，現(xiàn)階段主要具有工程規(guī)模大型化、地質(zhì)條件復(fù)雜化、施工進(jìn)程高速化、施工管理科學(xué)化等特點(diǎn)。在機(jī)械設(shè)備、施工材料、施工工藝等大力發(fā)展的背景下，壩基土石方開挖技術(shù)不斷改進(jìn)與提升，日益成為水電工程建設(shè)研究的重點(diǎn)，主要包括土方開挖和石方開挖兩大方面。

2 土方開挖

土方開挖是壩基開挖的首要環(huán)節(jié)，其施工效果直接決定后續(xù)壩基開挖施工能否有效進(jìn)行[2]。土方開挖是將土進(jìn)行松動(dòng)、破碎、挖掘并運(yùn)出。為了保證土方開挖能夠順利完成，在進(jìn)行具體的土方開挖前一定要做好節(jié)流防護(hù)工作，挖掘臨時(shí)排水溝，避免施工過程中受到地表水的影響而無法正常施工。在進(jìn)行具體施工時(shí)，挖掘機(jī)需放置在最佳位置，能夠全面處理整個(gè)壩基土方。保證推土機(jī)和運(yùn)輸車輛相互配合，及時(shí)將土方運(yùn)出。在土方挖掘過程中按照由上至下的順序?qū)嵤ＷC開挖土方規(guī)范進(jìn)行。

2.1 開挖特點(diǎn)及要求

水利水電工程壩基土方開挖，一般具有以下特點(diǎn)：

a. 工作面集中、工程量大、干擾多、工期緊。

b. 各種土壤特性有一定差異，隨外部條件改變而改變。為保障施工安全，設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)土壤特性做充分勘測(cè)。

c. 因地形、地貌、水文地質(zhì)條件不同，壩基土方開挖的施工難度、工期和造價(jià)差異較大。

d. 壩基通常開挖深度較大，易形成高邊坡，施工難度大。

e. 地下水、地表水、氣候條件等對(duì)開挖影響較大，若處理不當(dāng)，易發(fā)生工程事故。

常用的壩基土方開挖技術(shù)措施包括以下幾個(gè)方面：

a. 掌握氣象、地下水、土質(zhì)分層等自然條件，據(jù)此正確制定施工措施和安全防護(hù)措施。

b. 勘測(cè)設(shè)計(jì)階段，做好測(cè)量、放線、計(jì)量等工作，開挖土方量計(jì)算值誤差不得大于5%。

c. 比較選定開挖方法，合理布置開挖工作面，確定開挖分區(qū)、分段、分層及開挖程序，充分發(fā)揮機(jī)械生產(chǎn)效率。

d. 做好汛期防洪、邊坡保護(hù)等措施，防止邊坡坍塌引發(fā)事故。

e. 開挖棄土盡量不占或少占農(nóng)田；充分利用棄土，做好挖填平衡或棄土造田工作。

2.2 工程量計(jì)算

壩基土方開挖工程量通常與工程規(guī)模、棄土運(yùn)距、施工條件等因素有關(guān)，可根據(jù)定額手冊(cè)折算成勞動(dòng)工日數(shù)。工程量的基本核定方法有平均斷面法和平均高度法兩種，而平均高度法主要用于場(chǎng)地平整土方量計(jì)算，故壩基開挖土方計(jì)算應(yīng)采用平均斷面法[3]。

平均斷面法計(jì)算土方開挖工程量時(shí)，常見的計(jì)算公式包括近似計(jì)算和精確計(jì)算兩種。

近似計(jì)算：

V=(F1+F2)L/2

(1)

精確計(jì)算：

V=(F1+4F0+F2)L/6

(2)

式中F1、F2——開挖兩端的斷面面積，m2；

F0——L/2處的斷面面積，m2；

L——開挖段的長度，m。

2.3 開挖方式

常見的壩基土方開挖方式有人工開挖、機(jī)械開挖、爆破開挖等3種。

人工開挖適宜于工程量小、開挖精度要求較高的壩基部分。開挖時(shí)，應(yīng)自中心向外分層下挖，先深后寬，邊坡處可按邊坡比挖成臺(tái)階狀，待挖至設(shè)計(jì)要求深度時(shí)，進(jìn)行削坡。開挖方式主要有一次到底法和分層下挖法兩種。其中，一次到底法適用于土質(zhì)較好，挖深較淺的壩基，開挖時(shí)應(yīng)先進(jìn)行排水，再按階梯狀逐層向下開挖；分層下挖法適用于土質(zhì)不好，挖深較大的壩基，特點(diǎn)是斷面小、土方量少、施工安全。

機(jī)械開挖常用的挖裝機(jī)械有正鏟和反鏟挖掘機(jī)、抓斗挖掘機(jī)、拉鏟挖掘機(jī)、斗輪挖掘機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)等，機(jī)械選用時(shí)應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、工期要求、地質(zhì)情況以及施工現(xiàn)場(chǎng)條件等來確定。開挖機(jī)械的選型配套及數(shù)量計(jì)算是機(jī)械開挖設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其基本原則為首先確定對(duì)施工強(qiáng)度、工程單價(jià)起決定性作用的主導(dǎo)機(jī)械，其他各種機(jī)械的類型和數(shù)量服從主導(dǎo)機(jī)械進(jìn)行對(duì)應(yīng)配置，盡量減少機(jī)械的類型、規(guī)格，以利于調(diào)度管理和維修。主導(dǎo)機(jī)械的數(shù)量按式(3)確定：

(3)

式中N——主導(dǎo)機(jī)械數(shù)量，臺(tái)；

Q——土方開挖工程量，m3；

T——施工期限內(nèi)有效施工天數(shù)，d；

η——施工不均勻系數(shù)，取1.1～1.3；

m——每日施工班數(shù)，班；

P——機(jī)械的臺(tái)班產(chǎn)量，根據(jù)定額或生產(chǎn)率計(jì)算確定，m3/臺(tái)班。

在堅(jiān)實(shí)黏性土和凍土壩基開挖中，采用爆破松土與推土機(jī)聯(lián)合開挖的方式，可顯著提高開挖效率，稱為爆破開挖。爆破開挖時(shí)，多選用洞藥壺集中放藥包，裝藥量可按式(4)計(jì)算：

Q=mqW3

(4)

式中Q——土方松動(dòng)爆破裝藥量，kg；

M——松動(dòng)爆破系數(shù)，臺(tái)階地形取0.33～0.4，平坦地形取0.4～0.5；

Q——標(biāo)準(zhǔn)爆破單位耗藥量，kg/m3，堅(jiān)實(shí)黏土取1.1～1.2kg/m3。

3 石方開挖

壩基開挖工程中石方開挖是對(duì)施工技術(shù)要求較高的一個(gè)環(huán)節(jié)，在進(jìn)行具體的石方開挖施工時(shí)一定要依據(jù)分區(qū)、自上而下的挖掘原則，規(guī)范進(jìn)行石方開挖，才能夠保證施工質(zhì)量。壩基石方開挖時(shí)需要對(duì)施工中所應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行了解和掌握，高效處理不同地質(zhì)的壩基。

對(duì)于壩肩上長滿灌木的壩基，應(yīng)當(dāng)借助自卸汽車或反鏟來施工，依據(jù)規(guī)范性文件，對(duì)壩基石方進(jìn)行處理，并將廢棄的石渣運(yùn)送到專門場(chǎng)地，必要時(shí)可以將灌木鏟除，避免影響施工。若石方開挖位置機(jī)械無法進(jìn)入，需要采用爆破方式，將堅(jiān)固石方爆破，在破碎后應(yīng)用機(jī)械將碎石運(yùn)走。壩基石方開挖主要處理堅(jiān)固性較強(qiáng)的石方，人工開挖方式不適合于石方開挖，通常需要借助機(jī)械或爆破的方式來處理，在進(jìn)行施工過程中注意施工人員的安全，盡量保證整個(gè)施工過程安全、有效、規(guī)范地完成。

3.1 開挖特點(diǎn)及要求

水利水電工程壩基石方開挖，一般具有以下特點(diǎn)：

a. 工程量大、地質(zhì)條件差、易形成高邊坡、施工難度大。

b. 通常為露天作業(yè),受氣候和水文條件影響大，工期難以保障。

c. 水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，勘測(cè)設(shè)計(jì)階段和實(shí)際開挖階段確定的地質(zhì)參數(shù)不統(tǒng)一。

d. 壩基開挖輪廓復(fù)雜，基巖開挖要求施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較高。

常用的壩基石方開挖技術(shù)措施包括以下幾個(gè)方面：

a.根據(jù)地質(zhì)、地形、樞紐布置、導(dǎo)流方式和施工條件等具體情況合理安排石方開挖施工流程。

b. 重點(diǎn)部位重點(diǎn)考慮，不良地質(zhì)地段要求開挖措施得當(dāng)，盡可能避免上下層作業(yè)及工序間干擾。

c. 盡量保證巖體完整和邊坡穩(wěn)定性，縮小輔助工程量，充分發(fā)揮施工機(jī)械的生產(chǎn)能力。

d. 對(duì)易受洪水威脅，與導(dǎo)截流有關(guān)的部位，應(yīng)優(yōu)先安排開挖；對(duì)不適宜在雨、雪天或嚴(yán)寒季節(jié)開挖的部位，應(yīng)盡量避開這種氣候條件。

3.2 工程量計(jì)算

壩基石方開挖工程量計(jì)算主要采用平均斷面法，按截取斷面形式不同可分為剖面法和等高線法兩種[4]。

剖面法是按垂直方向平行截取一組剖面，分別計(jì)算每個(gè)剖面的面積，然后求兩者的平均值，用平均面積乘以兩者的間距即為該兩剖面間開挖的石方體積。依次類推逐個(gè)推算分割出的各個(gè)相臨剖面間的石方體積，最終相加即得開挖石方工程量。剖面法計(jì)算精度取決于設(shè)定的兩剖面間的間距，間距越小，計(jì)算結(jié)果越精確。

等高線法計(jì)算原理與剖面法相似，沿等高線水平截取斷面，分別計(jì)算每個(gè)斷面的面積，然后計(jì)算相臨兩個(gè)斷面的平均面積，用平均值乘以間距即為兩斷面間開挖的石方體積，依次類推計(jì)算各個(gè)相臨剖面間的石方體積，最后求和即可。

壩基石方開挖常采用自上而下的施工工序，故采用等高線法計(jì)算石方開挖工程量更貼近工程施工實(shí)際情況。

3.3 開挖方式

壩基石方開挖施工方式的選擇與地質(zhì)條件、工程規(guī)模、機(jī)械設(shè)備、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等有關(guān)。常見的壩基石方開挖方式有機(jī)械開挖、鉆爆法開挖兩種。

壩基石方開挖采用機(jī)械開挖時(shí)，常采用重型推土機(jī)破碎巖石。機(jī)械開挖適用于施工場(chǎng)地寬闊、開挖石方量大的工程。其優(yōu)點(diǎn)是不需要風(fēng)、水、電等輔助設(shè)施，場(chǎng)地布置較為簡單，施工進(jìn)度快，生產(chǎn)能力強(qiáng)，但難以滿足堅(jiān)硬壩基巖石開挖的施工要求。

鉆爆法開挖是通過鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石的方法，通常需要綜合考慮開挖量、開挖范圍和深度、開挖施工技術(shù)和工期要求等條件，選定開挖技術(shù)參數(shù)。鉆爆法開挖關(guān)鍵技術(shù)涉及3個(gè)方面：爆破器材的性能、使用條件和檢驗(yàn)方法；爆破作用機(jī)理、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)方法；爆破對(duì)周圍環(huán)境的影響等。遇到較完整的新鮮基巖時(shí)，常采用鉆爆法開挖，施工時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生爆破裂隙。為減輕爆破振動(dòng)對(duì)基巖的破壞，應(yīng)根據(jù)具體的施工條件選用微差爆破、預(yù)裂爆破、光面爆破等方法。

4 結(jié) 語

水利工程建設(shè)在中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展中具有重要的地位，現(xiàn)階段仍存在諸多不良因素限制水利事業(yè)的發(fā)展，其中壩基土石方開挖作為工程建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)推動(dòng)水利工程建設(shè)具有重要意義。為此，壩基土石方開挖施工關(guān)鍵技術(shù)的研究刻不容緩。本文從開挖特點(diǎn)及要求、工程量計(jì)算、開挖方式三個(gè)方面對(duì)壩基的土方開挖和石方開挖分別進(jìn)行闡述，系統(tǒng)介紹了兩者的施工技術(shù)體系。其中，土方開挖工程量計(jì)算多采用平均斷面法，可依據(jù)工程要求，選用近似計(jì)算和精確計(jì)算兩種方式；可依據(jù)工程條件，選擇人工開挖、機(jī)械開挖、爆破開挖等土方開挖方式。壩基石方開挖推薦采用高線法計(jì)算開挖工程量，可選用的施工方式包括機(jī)械開挖、鉆爆法開挖兩種。

[1] 黃波. 大峽水電站壩基灌漿分析[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2000, 16(2):19-22.

[2] 崔凌芳, 趙普鴻. 水利工程建設(shè)中壩基固結(jié)灌漿施工技術(shù)[J]. 黑龍江水利科技, 2013, 41(5):95-98.

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Researchonkeytechnologyofdamfoundationearthworkexcavationconstructionkeytechnology

WANG Erhong

(ShanxiWaterConservancyConstructionEngineeringBureau,Taiyuan030006,China)

Dam foundation excavation is regarded as a basic part of the water conservancy project. Its construction quality directly decides the service life of the water conservancy project. Therefore, it is urgent to study dam foundation earthwork excavation construction key technology. In the paper, dam foundation earth excavation and stone excavation are respectively described in three aspects of excavation features and requirements, the calculation of engineering quantity and excavation method. The construction technology system thereof are introduced systematically.

water conservancy engineering; excavation of dam foundation; construction technology

10.16616 /j.cnki.11-4446 /TV. 2017.010.004

TV52

B

1005-4774(2017)010-0014-04