水利工程施工——土石坝工程(教案)

点击次数:   更新时间:2020-07-01 10:55     作者:游艇会

  第四章第四章 土石坝工程土石坝工程 教学目的和要求教学目的和要求: 本章目的主要是讲解土石坝工程施工的特点, 机械化作业的适用性。 要求学生掌握土石坝施工常用技术, 了解常用机械以及适用性; 运用、分析土石料的特性,选择施工方法和施工机械。 重点与难点:重点与难点:1.料场的规划 2.土石坝压实参数的确定和机械的选择 3.面板混凝土坝的施工工艺和方法 教具与参考:教具与参考:1.水利施工图片 2.[1]司兆乐 水利水电枢纽施工技术.北京:中国水利水电出版社,2002 [2]魏璇. 水利水电工程施工组织设计指...

  第四章第四章 土石坝工程土石坝工程 教学目的和要求教学目的和要求: 本章目的主要是讲解土石坝工程施工的特点, 机械化作业的适用性。 要求学生掌握土石坝施工常用技术, 了解常用机械以及适用性; 运用、分析土石料的特性,选择施工方法和施工机械。 重点与难点:重点与难点:1.料场的规划 2.土石坝压实参数的确定和机械的选择 3.面板混凝土坝的施工工艺和方法 教具与参考:教具与参考:1.水利施工图片 2.[1]司兆乐 水利水电枢纽施工技术.北京:中国水利水电出版社,2002 [2]魏璇. 水利水电工程施工组织设计指南.北京: 中国水利水电出版社,1999 主要教学方法主要教学方法:1.讨论法 2.讲授法 3.演示法 水利水电工程中,土方工程应用非常广泛。有些水工建筑物,如土坝、土堤、土渠等,几乎全部都是土方工程。它的基本施工过程是开挖、运输和压实。可根据实际情况采用人工、机械、爆破或水力冲填等方法施工。 准备作业包括:三通一平、临时实施的建设 基本作业包括:料场土石料开采,坝面铺平、压实、质检等 土的施工分级的方法很多,在水利工程施工中,根据施工的困难程度,将土壤分为Ⅳ级,见表 4-1。 表 4-1 土壤的工程分级表表 4-1 土壤的工程分级表 二、土壤的工程特性 二、土壤的工程特性 1、表观密度 土壤表观密度,就是单位体积土壤的重量。土壤保持其天然组织、 结构和含水量时的表观密度称为自然表观密度。单位体积湿土的重量称为湿表观密度。单位体积干土的重量称为干表观密度。它是体现粘性土密实程度的指标,常用它来控制压实的质量。 2、含水量 表示土壤空隙中含水的程度,常用土壤中水的重量与干土重量的百分比表示。含水量的大小直接影响粘性土压实质量。 3、可松性 是自然状态下的土经开挖后因变松散而使体积增大的特性,这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数表示,即: 表表 4-2 土的容重和可松性系数土的容重和可松性系数 K=V2/V1 土质级别 土壤名称 自 然 湿 容重(t/m) 外形特征 开挖方法 Ⅰ 1.沙土 2.种植土 1.65~1.75 自然状态 疏松,粘着力差或易透水,略有粘性 用锹(有时略加脚踩)开挖 Ⅱ 1.壤土 2.淤泥 3.含根种植土 1.75~1.85 开挖时能成块并易打容 重 碎 用锹并用脚踩开可松系数 挖 Ⅲ 1.粘土 2.干燥黄土 3.干淤泥 4.含砾质粘土 1.80~1.95 粘手,干硬,看不见1.60~1.65 砂砾 用镐、三齿或用锹1.10~1. 20 并用力加脚踩开挖 1.10~1. 40 Ⅳ 1.坚硬粘土 2.砾质粘土 3.含卵石粘土 1.90~2.10 土壤结构坚硬,将土1.55~1.75 1.70~1.90 分裂后成块状或含粘粒、砾1.0 石较多 用稿、三齿等工具1.10~1.35 1.15 开挖 土的类别 挖松后 容 重 可松系数 砂土 1.65~1.75 1.0 1.50~1.55 1.05~1. 15 壤土 1.75~1.85 1.0 1.65~1.70 1.05~1. 10 粘土 1.80~1.95 1.0 砂砾土 1.90~2.05 1.0 1.50~1.70 含砂砾壤土 1.85~2.00 1.0 1.70~1.8 1.05~1. 10 含砂砾粘土 1.90~2.10 1.0 卵石 1.95~2.15 式中: V2土经开挖后的松散体积,m; V1土在自然状态下的体积,m。 土的可松性系数,用于计算土方量、进行土方填挖平衡计算和确定运输工具数量。各种土的可松性系数见表 4-2。 4、自然倾斜角 指自然堆积土壤的表面与水平面间所形成的角度,称为土自然倾斜角。挖方与填方边坡的大小,与土壤的自然倾斜角有关。确定土体开挖边坡和填土边坡应慎重考虑,重要的土方开挖,应通过专门的设计和计算确定稳定边坡。一般开挖安全边坡可参考表 4-3 。 表表 4-3 挖深在 挖深在 5 米以内的窄槽未加支撑时的安全施工边坡米以内的窄槽未加支撑时的安全施工边坡 第一节 坝体材料与料场规划 第一节 坝体材料与料场规划 教学目的和要求:教学目的和要求:了解坝体材料适应性和料场规划原则,熟悉土壤的工程特性。 重点与难点重点与难点:难点在坝体材料的工程特性和料场规划。 教具与参考:教具与参考:工程料场图片,坝体材料的基本情况介绍 主要教学方法:主要教学方法:讲授法 一、土石坝筑坝材料及其要求 一、土石坝筑坝材料及其要求 土石坝最大的特点就是能就地取材,因此,土石坝又叫当地材料坝。 1、防渗料 基本要求是防渗性,渗透系数不大于 1×10-5cm/s 时一般能满足要求。同时希望又一定的抗剪强度,较好的渗流稳定性,有适应坝体变形的塑性,有良好的施工性、低压缩性,无过量的可溶盐(5%)和有机物(2%)含量等。 细粒土是我国采用最多的防渗材料。只要坝址附近有足够的数量,采用细粒土作为防渗料通常是比较好的选择。现在,随着施工技术水平的提高,采用风化料和砾质土作为防渗料得到了比较广泛的应用。 2、坝壳料 堆石、砂砾石及风化料等均可以作为坝壳料。 3、反滤料 一般满足坚固度要求,级配严格,通常采取混凝土砂石料生产系统生产,但不要去冲洗。也可以采取天然冲积层砂砾石经筛分生产。 二、料场规划的原则 二、料场规划的原则 土石坝用料量很大,料场的合理规划与使用,是土石坝施工中的关键问题之一,它不仅关系到坝体的施工质量、工期和工程投资,而且还影响工程的生态环境和国民经济其他部门。料场选择要从空间、时间、质与量等多方面进行规划。 空间规划:对料场位置、高程进行恰当选择,合理布置。上坝距离尽量短,高程上有利于载重车辆下坡;原则上高料高用,低料低用; 土的类别 人工开挖 机械开挖 备 注 砂土 1:1.00 1:0.75 1、必须做好防水措施,雨季应加支撑。 2、附近如有强烈振动,应加支撑。 轻亚粘土 1:0.67 1:0.50 亚粘土 1:0.50 1:0.33 粘土 1:0.33 1:0.25 砾石土 1:0.67 1:0.50 干黄土 1:0.25 1:0.10 时间规划:充分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,料场的工作条件也在变化。在料场规划使用中,还应保留一部分近料场供合拢段填筑和拦洪度讯高峰强度时使用。 料场质量的规划:这是料场选择的最基本要求,也是决定性因素。对料场的地质成因、产状、埋深、储量以及各种物理力学指标进行全面勘探和实验。做到料尽其用,充分利用永久和临时建筑物的开挖渣料是土石坝料场规划的重要原则。 三、料场优化的基本方法 三、料场优化的基本方法 土石坝工程,既有大量的土石方开挖,又有大量的土石方填筑。开挖可用料的充分利用,废弃料的妥善处理,补充料场的选择与开采数量的确定,备用料场的选择,以及物料的储存、调度是土石坝施工组织设计的重要内容,对保证工程质量,加快施工进度,降低工程造价等多方面起到重要意义。 1、填挖料平衡计算 根据建筑物设计填筑工程量统计各种料的填筑方案。根据建筑物设计开挖工程量、地质资料、建筑物开挖料可用不可用分选标准,并进行经济比较,确定并计算可用料和不可用料数量;根据施工进度计划和渣料存储规划,确定可用料直接上坝和需要存储的数量;根据折方系数、损耗系数,计算各建筑物开挖料的设计使用数量、舍弃数量和由料场开采的数量,进行挖、填、堆、弃综合平衡。 2、土石方调度优化 目的是找出总运输量最小的调度方案, 从而达到运输费最低, 降低工程造价。 第二节 土石方开挖 教学目的和要求:教学目的和要求:主要要求学生了解土的施工分级和工程特性,了解土石方开挖的施工机械以及适用环境。 重点与难点:重点与难点:讲解重点在于土的施工分级和工程特性。难点在于土石方开挖工程量的确定以及施工力量的配置等; 教具与参考:教具与参考:工程图片 主要教学方法:主要教学方法:讲授法 土方开挖常用的方法有人工法和机械法。一般采用机械施工。用于土方开挖的机械有单斗挖掘机、多斗挖掘机、铲运机械及水力开挖机械。 一、单斗式挖掘机 一、单斗式挖掘机 单斗挖掘机是仅有一个铲土斗的挖掘机械如图 5-1 所示。它由行走装置、动力装置和工作装置三部分组成。行走装置分为履带式、轮胎式和步行式三类。履带式是最常用的一种,它对地面的单位压力小、可在各种地面上行驶,得转移速度幔;动力装置分为电动和内燃机驱动两种,电动为常用型式,效率高,操作方便,但需要电源;工作装置由铲土斗、斗柄、推压和提升装置组成,按铲土方向和铲土原理分为正向铲、反向铲、拉铲和抓铲四种类型如图 4-1所示,用钢索或液压操纵。钢索操纵用于大中型正向铲,液压操纵用于小型正铲和反铲较多。 第二节 土石方开挖 1、正向铲挖掘机 该种挖掘机,由推压和提升完成挖掘,开挖断面是弧形,最适于挖停机面以上的土方,也能挖停机面以下的浅层土方。由于稳定性好,铲土能力大,可以挖各种土料及软岩、岩碴进行装车。它的特点是循环式开挖,由挖掘、回转、卸土、返回构成一个工作循环,生产率的大小取决于铲斗大小和循环时间长短。正铲的斗容从 5m 至几十 m,工程中常用 1-4m。基坑土方开挖常采用正面开挖,土料场及渠道 土方开挖,常用侧面开挖,还要考虑与运输工具配合问题。挖掘机工作尺寸见图 5-2,常用挖掘机性能见表 4-4。 表 4-4 正铲挖掘机工作性能 项 目 WD-50 100 200 铲斗容量(m) 0.5 动臂长度(m) 5.5 动臂倾角() 60.0 0 0 最大挖掘半径(m) 2 6 最大挖掘高度(m) 9 WD-WD-WD-300 WD-400 WD-1000 1.0 2.0 3.0 4.0 10.0 6.8 9.0 10.5 10.5 13.0 60.50.45.0 45.0 45.0 7.9.0 11.14.0 14.4 18.9 7.9.0 9.5 7.4 10.1 13.6 图 4-1 单斗挖掘机 (a)正向铲挖掘机; (b)反向铲挖掘机;(c)索铲挖掘机; (d)抓铲挖掘机 图 4-2 正向铲挖掘机工作尺寸 A停机面以下挖掘深度;R 平停机面以上最大挖掘半径; R 小停机面以上最小挖掘半径;R 大最大挖掘半径; H最大挖掘半径时的挖掘高度;R最大挖掘高度时的挖掘半径;H 大最大挖掘高度;r 大最大卸土半径;h最大卸土半径时卸土高度; 最大卸土半径(m) 6.5 8.0 10.1 12.7 12.7 16.4 最大卸土高度(m) 5.6 6.8 6.0 6.6 6.3 8.5 最大卸土半径卸土高度(m) 3.0 3.7 3.5 4.9 5.8 最大卸土高度卸土半径(m) 5.1 7.0 8.7 12.4 15.7 工作循环时间(s) 28.0 25.0 24.0 22.0 23-25 卸土回转角度() 2、反向铲挖掘机 能用来开挖停机面以下的土料,挖土时由远而近,就地卸土或装车,适用于中小型沟渠、清基、清淤等工作。由于稳定性及铲土能力均比正铲差, 只用来挖Ⅰ-Ⅱ级土, 硬土要先进行预松。 反铲的斗容有 0.5m、 1.0m、1.6m几种,目前最大斗容已超过 3m。在沟槽开挖中,在沟端站立倒退开挖,当沟槽较宽时,采用沟侧站立,侧向开挖。 3、拉铲挖掘机 拉铲式挖掘机的铲斗用钢索控制,利用臂杆回转将铲斗抛至较远距离, 回拉牵引索, 靠铲斗自重下切铲土装满铲斗, 然后回转装车或卸土。挖掘半径、 卸土半径、 卸土高度较大, 最适用于水下土砂及含水量大的土方开挖,在大型渠道、基坑及水下砂卵石开挖中应用广泛。开挖方式有沟端开挖和沟侧开挖两种, 当开挖宽度和卸土半径较小时, 用沟端开挖; 开挖宽度大, 卸土距离远,用沟侧开挖。 4、抓铲挖掘机 抓铲挖掘机靠铲斗自由下落中斗辨分开切入土中,抓取土料合辨后提升,回转卸土。适用于挖掘窄深型基坑或沉井中的水下淤泥开挖,也可用于散粒材料装卸, 在桥墩等柱坑开挖中应用较多。 5、单斗挖掘机生产率 单斗挖掘机实用生产率可按下式计算: 100 120 90 100 100 54321/60KKKKnqKP (m /h) 式中: n设计每分钟循环次数; q铲斗容量,m; 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时间利用系数,取 0.8-0.9; K4工作循环时间修正系数,K4=1/(0.4图 4-3 链斗式采砂船 1斗架提升索;2斗架;3链条和链斗;4主动链轮;5-卸料漏斗;6-回转盘; 7-主机房;8卷扬机;9吊杆;10皮带机;11泄水槽;12-平衡水箱 +0.6); K5土壤可松性系数; 挖掘机是土方机械化施工的主导机械,为提高生产率,应采取:加长斗齿,减小切土阻力;合并一个工作循环各个施工过程,小角度装车或卸土,采用大铲斗;合理布置工作面和运输道路;加强机械保养和维修,维持良好性能等措施。 二、多斗式挖掘机 二、多斗式挖掘机 多斗挖掘机是有多个铲土斗的挖掘机械,它能够连续地挖土,是一种连续工作的挖掘机械,按其工作方式不同,分为链斗式和斗轮式两种。 (1)链斗式挖掘机最常用的型式是采砂船如图 4-3所示。它是一种构造简单,生产率高,适用于规模较大的工程,可以挖河滩及水下砂砾料的多斗式挖掘机械。采砂船工作性能见表 4-5。 表 4-5 采砂船工作性能表 项 目 理论生产率(m/h) 最大挖掘深度(m) 160 120 6.5 2001507.0 400 250 12. 500 750 20.0 0 船身外廓尺寸(长×宽×高)(m) 28.05 × 8 ×2.4 1.0 31.9×8×2.3 52.2×12.4×3.5 2.0 69.9×14×5.1 3.1 吃水深度(m) (2)斗轮式挖掘机 如图 4-4 所示斗轮式挖掘机的斗轮装在斗轮臂上,在斗轮上装有 7-8 个 铲土斗,当斗轮转动时,下行至拐弯时挖土,上行运土至最高点时,土料靠自重和旋转惯性卸入受料皮带上,转送到运输工具或料堆上。其主要特点是斗轮转速较快,作业连续,斗臂倾角可以改变、并作 360回转,生产率高,开挖范围大。 三、铲运机械 三、铲运机械 铲运机械是指用一种机械同时完成开挖、运输和卸土任务,这种具有双重功能的机械,常用的有推土机、铲运机、平土机等。 1、推土机 是一种在履带式拖拉机上安装推土板等工作装置而成的一种铲运机械, 是水利水电建设中最常用、 最基本的机械, 可用来完成场地平整、 基坑、渠道开挖、推平填方、 堆积土料、回填沟槽、清理场地等作业,还可以牵引振动碾、松土器、拖车等机械作业。 它在推运作业中, 距离不能超过 60-100m, 挖深不宜大于 1.5-2.0m,1.1图 4-5 推土机构造示意图 1-推土板;2-液压油缸;3-推杆;4-引导轮;5-托架; 6-支承轮;7-铰销;8-托带轮;9-履带架;10-驱动轮 填高小于 2-3m。 推土机按安装方式分为 固定式和万能式;按操纵方式分为钢索和液压操纵,按行驶分为履带式和轮胎式。推土机的基本构造见图 4-5。 2、铲运机 是一种能连续完成铲土、运土、卸土、铺土、平土等工序的综合性土方工程机械,能开挖粘土、砂砾石等。适用于大型基坑、渠道、路基开挖,大型场地的平整、土料开采、填筑堤坝等。 铲运机按牵引方式分为自行式和拖式;按操纵方式分为钢索和液压操纵;按卸土方式分为自由卸土、强制卸土、半强制卸土。工作过程见图 4-6。固定式推土机的推土板,仅能上下升降,强 制切土能力差,但结构简单,应用广泛,而万能式不仅能升降, 还可左右、 上下调整角度, 用途多。 履带式推土机附着力大,可以在不良地面上作业;液压式推土机可以强制切土,重量轻,构造简单,操作方便。推土机推运土料采用前进推后退开行,为提高生产率,常采取下坡推土、沟槽推土、并列推土等方法。铲运机的土斗较大,但切土能力相对不足,为了提高生产率,可采取下坡取土、硬土预松、推土机助推等方法。 四、水力开挖机械 四、水力开挖机械 水力开挖主要有水枪开挖和吸泥船开挖。 1、水枪开挖 就是利用水枪喷嘴射出的高速水流切割土体形成泥浆,然后输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,射程达 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,节约劳力和大型挖运机械,经济效益图 4-4 斗轮式挖掘机(单位:mm) 1斗轮;2升降机构;3司机室;4中心料仓 5卸料皮带机 6双槽卸料斗;7动力装置 8履带;9转台;10受料皮带机;11斗轮臂 图 4-6 铲运机工作过程示意图 (a)铲土; (b)运土; (c)卸土; 1-铲斗; 2-行走装置;3-连挂装置; 4-操纵装置;5-斗门;6-斗底和斗后壁 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。 2、吸泥船开挖 它是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。 五、土石料开挖运输方案 五、土石料开挖运输方案 坝料的开挖运输,是保证上坝强度的重要环节之一。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、运输距离、施工设备等多方面因素。比较常见的开挖运输方案有以下几种: 1、正向铲开挖,自卸汽车运输上坝。 通常运距小于 10km。自卸汽车运输能力高,设备通用性强,能直接铺料,机动灵活管理方便,设备易获得,在高土石坝施工中得到了广泛的应用。在施工布置上,正向铲一般采取立面开挖,汽车运输道路可布置成循环路线。可避免或者减少汽车的倒车时间,正向铲采用600~900 的转角侧向卸料,回转角度小,生产率高,能充分发挥正向铲与汽车的效率。 2、正向铲开挖,履带式运输机运输上坝;履带式运输机爬坡能力打,架设容易,运输费用低,比自卸汽车运输费低 1/3~1/2,运输能力高。合理运距小于10km,可直接从料场上坝;也可与自卸汽车配合,做长距离运输。 3、斗轮式挖掘机开挖,履带式运输机运输,转自卸汽车上坝。对于填筑方量大、上坝强度高的土石坝,若两场储量大而集中,可采用斗轮式挖掘机开挖,其生产效率高,具有连续挖掘、装料的特点。 4、采砂船开挖,有轨机车运输,转带式运输机上坝。国内大中型水利工程建设,广泛采取采砂船开采水下砂石料,配合运输设备运输。 坝料的开挖运输方案很多,必须结合工程施工的具体条件,组织挖、装、运、卸的机械化联合作业,提高机械利用效率,减少坝料的转运次数;各种坝料铺筑方法及设备尽量一致, 减少辅助设施; 充分利用地形条件, 进行统筹规划和布置。 六、运输机械设备的生产能力以及挖运强度和机械数量的确定 六、运输机械设备的生产能力以及挖运强度和机械数量的确定 1、循环式运输机械数量 n 的确定 n(42) =)(21TTqtQT q运输工具装在的有效方量; T1为昼夜或一班的时间,min; T2为昼夜或一班内运输工具的非工作时间,min; t运输工具周转一次的循环时间。 对于工地常用汽车、拖拉机,t 值为: TQ运输强度; t=1t+3) 1t 装车时间,min; 2t+vL2×60 (4 L运输距离,km; v平均行驶速度,km/h 2t卸车时间,min; 于是,每昼夜或每班运输循环次数为: m=tTT21 生 产 能 力(44) 2、连续带式运输机。带式运输机的生产率,取决于带宽、带速及带上物料的装满程度。然而,带的装满程度与带的形状、所装物料性质和运输机布置的倾角有关。若以实方计算,带式运输机的实际小时生产率 PT 可按下式计算: PT=KB2VKBKHK(45) K带形系数 B 带宽 KB时间利用系数 KH充盈系数 KP土的松散影响系数 Kd土石粒径系数 Ka倾角影响系数 3、挖运强度的确定 土石坝施工的挖运强度取决于土石坝的上坝强度,上坝强度又取决于施工中的气象水文条件、施工导流方式、施工分期、工作面的大小、劳动力、机械设备、燃料动力供应情况等因素。在施工组织设计中,一般根据施工进度计划各个阶段要求完成的坝体方量来确定上坝和挖运强度。 合理的施工组织管理应有利于实现均衡生产,避免生产大起大落,使人力、机械设备不能充分利用。 (1)上坝强度 QD 可以按下式计算: PT为 : PT =tTTq)(21 PKdKa QD(46) /V 分期完成的坝体设计方量(以压实方量计) K坝体沉陷影响系数 K施工不均衡系数 K坝面作业土料损失系数 T施工分期时段的有效工作日数 (2)运输强度 QT 根据上坝强度 QD 确定: =KKKTVa1/ a 1 QT(47) =CDKK2Q CK压实影响系数 0y坝体设计干表观密度 T y土料运输的松散表观密度 K2运输损失系数 (3)开挖强度仍根据上坝强度确定: CK=T yy0 Qc(48) =CDKKKQ/32 (4)挖运机械数量的确定 在土石坝施工中,正向铲与自卸汽车配合是最普遍的开挖方案。 挖掘机的斗容量与自卸汽车的载重量为满足工艺要求有一个合理的匹配关系,应通过计算,复核所选定挖掘机的装车斗数 m CK/K土料开挖损失系数 压实系数 3 M= Q自卸汽车的载重量 t cy料场土的天然表观密度 K挖掘机的土斗充盈系数 KpHcKqKyQ/ (49) H 通常应使用一台挖掘机所需的汽车数 n 所对应的生产能力略大于此挖掘机的生产率,以充分发挥挖掘机的生产潜能,因此: p/土料的松散影响系数 Pan满足高峰施工期上坝强度的挖掘机的数量为: pc (410) 满足高峰施工期上坝强度的汽车总数应为: CTPcQNmax (411) aTPQNamax (412) 第三节 坝体填筑与压实 第三节 坝体填筑与压实 教学目的和要求:教学目的和要求:教学目的在于让学生了解土料压实机理,了解土料压实方法与机械,熟悉压实标准及参数确定;要求学生熟悉压实标准,知道如何确定压实参数 重点与难点:重点与难点:教学重点是土料压实方法与机械,压实标准及参数确定;教学难点是压实标准及参数确定。 教具与参考:教具与参考:工程图片参考书籍 主要教学方法:主要教学方法:实验法、讲解法 当基础开挖和基础处理完成后,即可进行坝体的铺筑、压实 一、坝面作业的施工组织规划 一、坝面作业的施工组织规划 (一)坝体填筑的施工组织 1、坝基开挖与处理 防渗体或均质坝与岸坡和河床接触部分应挖至不透水层,岩石开挖清理坡度不陡于 1:0.75,土坡不陡于 1:1.15。岸坡应削成平整的斜坡,不能有明显的变坡点,反坡部位用混凝土补成正坡。 坝壳与岸坡、地基接触部分的处理,主要是清基。就是把坝基范围内的所有草皮、树根、坟墓、乱石以及各种建筑物等全部清除,并认真做好水井、泉眼、地道、洞穴等处理。对地表和岸坡的粉土、细砂、淤泥、腐殖土等按设计要求清除。清除深度一般为 0.3~0.8m。对勘探用的试坑,应把坑内积水与杂物全部清除,并用筑坝土料回填夯实。 2、坝面填筑施工程序及特点 坝面作业包括铺土、平土、洒水或晾晒(控制含水量) 、土料压实、修整边坡、修筑反滤层、排水体及护坡、质量检查等工序。坝面作业由于工作面狭窄、工种多、工序多、机具多、如施工组织不当,将产生干扰,造成窝工,延误施工进度。所以一般多采用流水作业法组织坝面施工。 3、坝面流水作业的实施 流水作业法施工,是根据施工工序数目将坝面划分成几个施工段,然后组织各工种的专业队依次进入所划分的施工段同时施工。对同一施工段而言,各专业队按工序依次连续进行施工;对各专业队,则不停的轮流在各个施工段完成本专业的施工工作。施工队作业专业化,有利于工人技术熟练和提高;在施工过程中保持了人、地、机具等施工资源充分利用,避免了施工干扰和窝工。各施工段面积的大小取决于各施工期土料上坝强度。对于某高程的坝面,流水施工段数可按下式计算: m=坝/日 (4-11) 式中 坝某施工时段坝面工作面积,可按设计图纸由施工高程确定,㎡; 日每个流水班次的铺土面积,㎡;日=Q运/h; h铺土厚度,m。 如以 m表示流水工序数目, 当 m=m时, 表示流水施工段数等于流水工序数,说明流水作业中,人、地、机具等充分发挥作用;当 m>m时,表示流水施工段数大于流水工序数, 说明流水作业中, 人、 机具充分发挥作用, 但有闲余工作面;当 m<m时,表示流水施工段数小于流水工序数,说明流水作业不能正常进行,出现第三种情况是由于坝体升高,工作面减小,所划分的流水工序过多所致。解决的方法:①增大 m 值,可采取缩小流水单位时间;合并一些工序,以减小 m值。使 m=m。三个工作面的流水作业如图 4-7 所示。 4、坝面填筑施工要求 坝壳及防渗体铺料宜沿坝轴线方向进行,铺料应及时,严格控制铺土厚度,图 4 7 坝面流水作业示意 误差应小于层厚的 10%。防渗体土料应采用进占法卸料,汽车在铺筑的松土上行驶,汽车穿越的防渗体路口段,经常变换,每隔 40-60m 宜设专用道口,以免汽车因穿越反滤层时将反滤料带入防渗体内,造成土料反滤料边线混淆,影响坝体质量。 防渗体分段碾压时相邻两段交接带应搭接碾压,垂直于碾压方向搭接宽度不小于 0.3-0.5m,顺碾压方向的搭接宽度为 1-1.5m。平土要求厚度均匀,以保证压实质量,对于自卸汽车或皮带机上坝,由于卸料集中,多采用推 土机或平土机平土。斜墙坝铺筑时应向上游倾斜 1%-2%的坡度,对均质坝、心墙坝应使坝面 中部凸起,向上下游倾斜 1%-2%的坡度,以便排除雨水,铺填时土料要平整,以免雨后积水,影响施工。 二、结合部位的施工 二、结合部位的施工 土石坝的防渗体要与地基、岸坡及周围其它建筑物的边界相接;由于施工导流、施工分期、分段分层填筑等要求,还必须设置纵向横向的接坡、接缝。这些结合部位是施工中的薄弱环节,质量控制应采取如下措施: 。 (1) 、土料与坝基结合面处理:一般用薄层、轻碾的方法施工,不充许用重碾或重型夯,以免破坏基础、造成渗漏。粘性土地基:将表层土含水量调至施工含水量上限范围,用与防渗体土料相同的碾压参数压实,然后创毛 3-5cm,再铺土压实;非粘性土地基:先洒水压实地基,再铺第一层土料,含水量为施工含水量的上限,采用轻型机械压实;岩石地基:先把 局部不平的岩石修理平整、清洗干净,封闭岩基表面节理、裂隙。若岩石面干燥可适当洒水,边涂刷浓泥浆、边铺土、边夯实。填土含水率大于最优含水率1%-3%,用轻型碾压实。填筑 2m 以后,方可用重型碾压机械。 (2)土料与岸坡及混凝土建筑物结合面处理:填土前,先将结合面的污物冲洗干净, 清除松动岩石, 在结合面上洒水湿润, 涂刷一层浓粘土浆 (厚约 5mm) ,以提高结固强度,防止产生渗透,搭接处采用粘土,小型机具压实。防渗体与岸坡结合带碾压,搭接宽度不小于 1m。搭接范围内或边角处,不得使用羊脚碾等重型机械。 (3)、坝身纵横接缝处理:土石坝施工中,坝体接坡具有高差较大,停歇时间长,要求坡身稳定的特点。一般情况下,土料填筑力争平起施工,斜墙、心墙不充许设纵向接缝。 防渗体及均质坝的横向接坡不应陡于 1: 3, 高差不超过 15m。均质坝接坡宜采用斜坡和平台相间的型式,坡度和平台宽度应满足稳定要求,平台高差不大于 15m。接坡面可采用推土机自上而下削坡。坝体分层施工临时设置的接缝,通常控制在铺土厚度的 1-2 倍以内。接缝在不同的高程要错缝。 三、反滤料、垫层料、过渡料的施工 三、反滤料、垫层料、过渡料的施工 反滤料、垫层料、过渡料的用量不大,但是要求高,铺料不能分离,一般与防渗体和一定宽度的大体积坝壳石料平起上升,压实标准高,分区线的误差有一定的控制范围。 填筑的方法有削坡法、挡板法及土、砂松坡接触法三类。 土、砂松坡接触法能适应机械化施工,填筑强度高,可以做到防渗体、反滤层与坝壳料平起填筑,均衡施工。根据防渗体土料和反滤层填筑的次序、搭接形式的不同,又可以分为先砂后土法、先土后砂法、土砂平起法等几种。 先土后砂法是先填压三层土料再铺一层反滤料与土料齐平,然后对反滤料的土砂边沿部分进行压实,如图 4-7(a)所示。由于土料压实时,表面高于反滤料,土料的卸、铺、平、压都是在无侧限的条件下进行的,很容易形成超坡。在采用 羊脚碾压实时,要预留 30-50 ㎝松土边,避免土料被羊脚碾插入反滤层内。当连续晴天时,土料上升较快,应注意防止土体干裂。 先砂后土法(见图 4-8b)是先在反滤料的控制边线内,用反滤料堆筑一小堤,为了便于土料收坡,保证反滤料的宽度,每填一层土料,随即用反滤料补齐土料,收坡留下的三角区,进行人工捣实。这样对控制土砂边线有利。由于土料在有侧限下压实,松土边很少,故采用较多。 但无论先砂后土法或先土后砂法,土料边沿仍有一定宽度未压实合格,所以需要每填三层土料用夯实机具夯实一次土砂结合部,先夯土料一侧,等合格后在夯反滤料,切忌交替夯实,影响质量。 防渗体的铺筑作业应是连续进行的,如因故停工,表面必须洒水湿润,控制含水量。 斜墙宜与下游反滤料及部分坝壳平起填筑,也可滞后于坝壳填筑,待坝壳修筑到一定高程或达到设计高程,削坡后经验收合格方可填筑斜墙。避免防渗体因坝体沉陷而裂缝。已筑好的斜墙应立即在上游铺好保护层,防止干裂,保护层距铺填面小于 2m。 心墙施工中,应注意使心墙与砂壳平衡上升。因心墙上升快,易干裂影响质量;砂壳上升太快,则会造成施工困难。因此要求心墙填筑中应保持同上下游反滤料及部分坝壳平起,骑缝碾压。为保证土料与反滤料层次分明,采用土砂平起法施工。根据土料与反滤料填筑先后顺序的不同,又分为先土后砂法和先砂后土法。 反滤料的压实,包括接触带土料和反滤料的压实。当防渗体土料用气胎碾碾压时,反滤料铺土厚度可与粘土铺土厚度相同,并同时用气胎碾碾压,这是施工中压实接触带最好的方法。 四、压实机械及压实方法 四、压实机械及压实方法 压实方法按其作用原理分为碾压、夯击和震动三类。 碾压的作用力是静压力,其大小不随作用时间变化; 夯击的作用力是瞬时动力,有瞬时脉冲作用,其大小随时间和落高而变化; 震动的作用力为周期性的重复动力,其大小随时间呈周期性变化,震动周期长短,随震动频率的大小而变化。 碾压和夯击用于各类土,振动法仅适用于砂性土。根据压实原理,制成各种机械。常用的机械有羊脚碾、气胎碾、振动碾、夯实机械。 (一)压实机械及压实方法 1、羊脚碾 它是碾的滚筒表面设有交错排列的柱体,形若羊脚。碾压时,羊脚插入土料内部, 使羊脚底部土料受到正压力, 羊脚四周侧面土料受到挤压力,(a) (b) 图 4-8 土砂平起法施工示意图(单位:cm) (a)土后砂法;(b)先砂后土法 1心墙设计线已压实层;3待压层;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ填料次序 碾筒转动时土料受到羊脚的揉搓力,从而使土料层均匀受压,压实层厚,层间结合好,压实度高,压实质量好,但仅适于粘土。非粘性土压实中,由于土颗粒产生竖向及侧向移动,效果不好。压实原理见图 4-9。 羊脚碾压实中,一种是逐圈压实,即先沿填土一侧开始,逐圈错距以螺旋形开行逐渐移动进行压实,机械始终前进开行,生产率高,适用宽阔的工作面,并可多台羊脚碾同时工作。但拐弯处及错距交叉处产生重压和漏压。另一种方式为进退错距压实, 即沿直线前进后退压实, 返复行驶, 达到要求后错距, 重复进行。压实质量好,遍数好控制,但后退操作不便。 此法用于狭窄工作面。压实遍数,由经验可按土层表面被羊脚普遍压过一遍就能满足要求估算。压实遍数可按 4-12 计算: N=K(4-12) 式中:S碾筒表面面积,cm; F羊脚的端面积,cm; M羊脚的数量; K碾压时羊脚在土料表面分布不均匀修正系数,一般取 1.3。 2、震动碾 是一种具有静压和振动双重功能的复合型压实机械。常见的类型是振动平碾,也有振动变形(表面设凸块、肋形、羊脚等)碾。它是由起振柴油机带动碾滚内的偏心轴旋转,通过连接碾面的隔板,将振动力传至碾滚表面,然后以压力波的形式传到土体内部。非粘性土的颗粒比较粗,在这种小振幅、高频率的振动力的作用下,摩擦力大大降低,由于颗粒不均匀,惯性力大小不同而产生相对位移,细粒滑入粗粒孔隙而使空隙体积减小,从而使土料达到密实。振动碾的构造见图 4-11。 S/ (MF) 图 4-9 羊脚碾压实原理 图 4-10 气胎碾压实原理 图 4-11 振动碾构造示意图 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,有的高达 2m,生产率很高。可以有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土,也能压实粘性土,是土坝砂壳、堆石坝碾压必不可少的工具,应用非常广泛。 3、气胎碾 利用充气轮胎作为碾子,由拖拉机牵引的一种碾压机械。这种碾子是一种柔性碾,碾压时碾和土料共同变形,其原理见图 4-10。胎面与土层表面的接触压力与碾重关系不大,增加碾重(可达几十吨至上百吨) ,可以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。它即适用于粘性土的压实,也可以压实砂土、砂砾石、粘土与非粘性土的结合带等。与羊脚碾联合作业效果更佳,如气胎碾压实,用羊脚碾收面,有利于上下层结合;羊脚碾碾压,气胎碾收面,有利于防雨。 夯实机械 是一种利用冲击能来击实土料的一种机械,有强夯机、挖掘机夯板等,用于夯实砂砾料,也可以用于夯实粘性土。适于在碾压机械难于施工的部位压实土料。 (1)强夯机 是一种发展很快的强力夯实械机。它是由高架起重机和铸铁块或钢筋混凝土块做成的夯砣组成。夯砣的重量一般为 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。 (2)挖掘机夯板 是一种用起重机械或正铲挖掘机改装而成的夯实机械。其结构见图 4-12。夯板一般做成圆型或方型,面积约1m,重量为 1-2t,提升高度为 3-4m。主要优点是压实功能大,生产率高,有利于雨季、冬季施工。当石块直径大于 50cm 时,工效大大降低,压实粘土料时,表层容易发生剪力破坏,目前看有逐渐被振动碾取代之势。 图 4-12 挖掘机夯板示意图1夯板;2控制方向杆;3支杆4 起重索;5定位杆。 五、土石料的压实标准及压实参数的选择 五、土石料的压实标准及压实参数的选择 (一)压实标准 毫无疑问,土料压实越好,物理力学性能越高,坝体质量越有保证。但对土料过分压实,不仅提高了费用,还会造成剪力破坏。因此,应确定合理的压实标准。 1、粘性土料 其压实标准,主要以压实干表观密度和施工含水量这两个指标来控制。 (1)压实干表观密度 用击实试验来确定。我国采用南实仪 25 击[89.75(t.m)/m]作为标准压实功能,得出一般不少于 25-30 组最大干表观密度的平均值dmax(t/m)作为依据,从而确定设计干表观密度d(t/m): (4-13) 式中:m施工条件系数,一般Ⅰ、Ⅱ级坝及高坝,采用 0.97-0.99,中低坝采用 0.95-0.97。 此法对大多数粘土料是合理的、适用的。但是,土料的塑限含水量、粘粒含量不同, 对压实度都有影响, 应进行以下修正: 其一: 以塑限含水量为最优水量,由试验从压实功能与最大干密度与最优含水量曲线上初步确定压实功能; 当天然含水量与塑限含水量接近且易于施工时, 以天然含水量做最优含水量确定压实功能;其二:考虑沉降控制的要求,通过控制压缩系=0.0098-0.0196cm/kg,确定干表观密度。 (2)施工含水量 是由标准击实条件时的最大干表观密度确定的,而最大干表观密度对应的最优含水量是一个点值, 而实际的天然含水量总是在某一个范d=mdmax 围变动。为适应 施工的要求,必须围绕最优含量规定一个范围,即含水量的上下限。即在击实曲线上以设计干表观密度值作水平线与曲线相交的两点就是施工含水量的控制范围。如图 4-13 所示。 (3)砂土及砂砾石 砂土及砂砾石的压实程度,与颗粒级配及压实功能关系密切,一般用相对密度 Dr 表示。 图 4-13 设计干表观密度与施工含水量范围 Dr=(emax-e)/(emax-emin) (4-13) 式中: emax砂石料的最大孔隙比; emin砂石料的最小孔隙比; e 设计孔隙比。 在施工现场,当使用相对密度不方便时,可换算成相应的干表观密度Р(t/m): Р=maxmin/[max-Dr(max-min)] (4-14) 式中: max砂石料最大干表观密;(t/m); min砂石料最小干表观密;(t/m)。 3、石渣及堆石体 石渣及堆石体作为坝壳填筑料,压实指标一般用空隙率表示。根据国内外的经验,碾压式堆石坝坝体压实后空隙率应小于 30%,为了防止过大的沉陷,一般规定为 22%-28%。上游主堆石区标准为 21%-25%。 (二)压实参数确定 根据土料的性质、颗粒大小及组成、压实标准等条件初步确定压实机械的类型后,还应进一步确定压实参数,使之达到经济合理。最好的方法是进行现场碾压试验,确定施工控制含水量、铺土厚度、压实遍数。 压实试验前,先通过理论计算并参考已建类似工程的经验,初选几种碾压机械和拟定几组碾压参数,采用逐步收敛法进行试验。最后将最优参数进行一次复核试验。 若试验结果满足设计、 施工要求, 便可以作为现场使用的施工碾压参数。 (三)压实试验 现场压实试验是土石坝施工中的一项技术措施。通过压试验核实坝料设计填筑指标的合理性,作为选择压实机械类型、施工参数的依据。 土料的碾压试验,是根据已选定的压实机械,来确定铺土厚度、压实遍数及相应的含水量。应选择有代表性的土料,各料场如有差异,应分别试验。 试验组合方法一般采用淘汰法,也叫逐步收敛法。此法每次变动一种参数,固定其它参数,通过试验求出该参数的适宜值,依此类推。待各项参数选定后,用选定参数进行复核试验。这种方法的优点是,效果相同时而试验总数较少。 4-14 粘性土碾压场地布置 试验场地应平坦、坚实,靠近水源,地形开阔,有水电附属设施。用试验土料先 在地基上铺筑一层,压实到设计标准,将这一层作为基层,然后在上面进行碾压试验。 试验区的面积: 每个试验组合面积为: 粘土不小于 5m×2m(长×宽); 砾石土、风化砾石土、砂及砂砾 不小于 4m×8m;卵漂石、堆石料不小于 6m×10m。由于碾压时产生侧向挤压,因此,试验区的两侧应各留出一个碾宽,试验区的两端各留出 4m-5m(粘土)或 8m-10m(堆石料)作非试区,以满足停车和错车的要求。 一般试验可完成十几或几十个组合试验。淘汰法,每场只变动一种参数,一般一场试验布置 4 个组合试验,粘性土及堆石料一场试验布置如图 4-14、4-15所示。 按不同压实遍数(n)、不同铺土厚度(h)和不同含水量(W)进行压实,取样。每一个组合取样数量为:粘土、砂砾石 10-15 个;砂及砂砾 6-8 个;堆石料不少于 3 个。分别测定干表观密度、含水率、颗粒级配。可作出不同铺土厚度时压实遍数与干表观密度、含水量曲线 所示。根据上述关系曲线,再作 h、n、max、W0P 关系曲线 曲线上,根据设计干表观密度d,分别查取不同铺土厚度所需的碾压遍数 a、b、c 及相应的最优含水量 d、e、f。然后计算压实遍数与铺土厚度图 4-15堆石料压实场地布图 4-16 铺土厚度、 压实遍数与干密度、含水量关系曲线 铺土厚度、压实遍数与 最大干密度、最优含水量关系曲线,取最小者。因为单位铺土厚度的压实遍数最少,需要压实功能最少,最经济合理。确定了合理的压实参数后,将选定的含水量控制范围与天然含水量比较,看是否便于施工控制。否则适当改变含水量或其它参数再进行试验。 第四节 面板堆石坝施工 第四节 面板堆石坝施工 教学目的和要求:教学目的和要求:目的在于介绍堆石材料的质量要求和坝体材料分区,堆石坝填筑工艺,压实参数和质量控制,钢筋混凝土面板的分块和浇筑,沥青混凝土面板施工;并要求学生掌握必要的施工工艺。 重点与难点:重点与难点:本节教学重点是堆石坝填筑工艺,压实参数和质量控制,钢筋混凝土面板的分块和浇筑;教学难点钢筋混凝土面板的分块和浇筑。 教具与参考:教具与参考:工程图片 工程施工过程演绎 主要教学方法:主要教学方法:示例法 讲授法 演示法 混凝土面板坝的防渗系统由基础防渗工程、趾板、面板组成。特点是:堆石坝坝体能直接挡水或过水,简化了施工导流与度汛,枢纽布置紧凑,充分利用当地材料。 面板坝可以分期施工, 便于机械化施工, 施工受气候条件的影响比较小。 一、堆石材料的质量要求和坝体材料分区 一、堆石材料的质量要求和坝体材料分区 (一)堆石材料的质量要求 根据施工组织设计, 查明各料场的储量和质量, 如果利用施工中挖方石料时,要按料场要求增做试验。1、2 级高坝坝料室内试验项目应包括坝料的颗粒级配、相对密度、抗剪强度和压缩模量,垫层料、砂砾料、软岩料的渗透和渗透变形试验。100m 以上的坝,应测定坝料的应力应变参数。 垫层料 要求有良好的级配, 最大粒径为 80mm-100mm, 小于 5mm 的颗粒含量为 30%-50%,小于 0.075mm 的颗粒含量不宜超过 8%,中低坝可适当降低要求。用天然砂砾料 作垫层料时,要求级配连续、内部结构稳定、压实后渗透系数为1/1000~1/10000cm/s。寒冷地区,垫层的颗粒级配要满足排水性要求。 过渡料要求级配连续、最大粒径不宜超过 300mm。可用人工细石料、经筛分加工的天然砂砾料等,压实后的过渡料要压缩性小、抗剪强度高、排水性好。 主堆石料可用坝基开挖料或料场开采石料,要求级配良好,最大粒径不应超过压实层厚度,小于 5mm 的含量不宜超过 20%,小于 0.75mm 的颗粒含量不宜超图 4 18岩基上硬岩堆石坝体分区示意 过 5%。在开采前应作专门的爆破试验。 (二)面板堆石坝的坝体分区 堆石坝坝体应根据石料来源及对坝料的强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理性等要求进行分区。在岩基上用硬岩堆石料填筑的坝体可按图 4-18分区,从上游向下游依次分为垫层区、过渡区、主堆石区、及下游堆石区。周边缝下部应设特殊垫层区。100m 以上的坝,其面板下部设铺盖区及压重区。坝体上游部分的堆石体要求:压缩性要低,防止沉陷危及防渗面板;防渗性高,防止渗流过大。各区坝料的透水性应按水力过渡要求,从上游向下游逐渐增加。下游堆石区在下游水位以上的坝料不受此限制。 垫层区的水平宽度应由坝高、地形、施工工艺和经济性比较确定。当用汽车直接卸料,推土机推平方法施工时,垫层区不宜小于 3m,有专门的铺料设备时,垫层区宽度可减少,并相应...


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