土石壩施工工藝控制要點(diǎn)

郭建梅

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)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(duì)壩基地質(zhì)條件要求不高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單節(jié)約三材和易于施工等優(yōu)點(diǎn)。隨著大型高效機(jī)具的采用，壩體防滲結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)，施工人數(shù)的大量減少，施工工期的進(jìn)一步縮短以及施工費(fèi)用的顯著降低等，為土石壩廣泛應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)，而合理控制每個(gè)施工環(huán)節(jié)尤為重要。

1 料場(chǎng)規(guī)劃

土石壩施工中，料場(chǎng)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(jià)，甚至還會(huì)影響到周圍的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。

施工前，應(yīng)配合施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)各類料場(chǎng)作進(jìn)一步的勘探和總體規(guī)劃、分期開采計(jì)劃。使各種壩料有計(jì)劃、有次序地開采出來，以滿足壩體施工的要求。

選用料場(chǎng)材料的物理力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)滿足壩體設(shè)計(jì)施工質(zhì)量要求，勘探可供開采量應(yīng)不少于設(shè)計(jì)需要量的2倍。在儲(chǔ)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(chǎng)(為主要料場(chǎng)總儲(chǔ)量的20%～30%)和近料場(chǎng)，作為壩體合垅以及搶筑攔洪工程用。

在料場(chǎng)的使用時(shí)間及程序上，應(yīng)考慮施工期河水位的變化及施工導(dǎo)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(yuǎn)料，下游不淹料后用。含水量高料場(chǎng)夏季用;含水量低料場(chǎng)雨季用。施工強(qiáng)度高時(shí)利用近料，強(qiáng)度低時(shí)利用遠(yuǎn)料，平衡運(yùn)輸強(qiáng)度，避免窩工。

2 土石料開挖運(yùn)輸

土石壩施工中，從料場(chǎng)的開挖、運(yùn)輸，到壩面的平料和壓實(shí)等各項(xiàng)工序，都可由互相配套的工程機(jī)械來完成，構(gòu)成“一條龍”式的施工工藝流程，即綜合機(jī)械化施工。

2.1 正向鏟開挖，自卸汽車運(yùn)輸上壩

運(yùn)距<10 km，正向鏟一般都采用立面開挖，汽車運(yùn)輸?shù)缆房刹贾贸裳h(huán)路，裝料時(shí)停在挖掘機(jī)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(shí)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。

2.2 正向鏟開挖、膠帶機(jī)運(yùn)輸

膠帶機(jī)的爬坡能力大，架設(shè)簡(jiǎn)易，運(yùn)輸費(fèi)用較低，比自卸汽車可降低運(yùn)輸費(fèi)用1/3～1/2，運(yùn)輸能力也較高，膠帶機(jī)合理運(yùn)距<10 km，膠帶機(jī)可直接從料場(chǎng)運(yùn)輸上壩;也可與自卸汽車配合，作長(zhǎng)距離運(yùn)輸，在壩前經(jīng)漏斗由汽車轉(zhuǎn)運(yùn)上壩;與有軌機(jī)車配合，用膠帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)上壩做短距離運(yùn)輸。

2.3 斗輪式挖掘機(jī)開挖，膠帶機(jī)運(yùn)輸，轉(zhuǎn)自卸汽車上壩

當(dāng)填筑方量大，上壩強(qiáng)度高的土石壩，料場(chǎng)儲(chǔ)量大而集中，可采用斗輪式挖掘機(jī)開挖，它的生產(chǎn)率高，具有連續(xù)挖掘、裝載的特點(diǎn)，斗輪式挖掘?qū)⒘限D(zhuǎn)入移動(dòng)式膠帶機(jī)，其后接長(zhǎng)距離的固定式膠帶機(jī)至壩面或壩面附近經(jīng)自卸汽車運(yùn)至填筑面。這種布置方案，可使挖、裝、運(yùn)連續(xù)進(jìn)行，簡(jiǎn)化了施工工藝，提高了機(jī)械化水平和生產(chǎn)率。

2.4 開挖運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備容量確定

分期施工的土石壩，應(yīng)根據(jù)壩體分期施工的填筑強(qiáng)度和開挖強(qiáng)度來確定相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備容量，可按下式計(jì)算:

式中:qd為壩體分期填筑強(qiáng)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(shí)段的有效工作日數(shù)，d;按分期時(shí)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(shí)數(shù)，以20 h計(jì)。

壩體分期施工的開挖強(qiáng)度qc計(jì)算公式為:

式中:K2為開挖及運(yùn)輸中的損失系數(shù)，可取1.05～1.10;rd為土料的設(shè)計(jì)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(qiáng)度要求的挖掘機(jī)數(shù)量Nc的計(jì)算公式為:

式中:Pc為一臺(tái)挖掘機(jī)的生產(chǎn)率，m3/h。

滿足上壩填筑強(qiáng)度要求的汽車總數(shù)量Na的計(jì)算公式為:

式中:Pa為輛汽車的生產(chǎn)率，m3/h。配合1臺(tái)挖掘機(jī)所需的汽車數(shù)量n，其總的生產(chǎn)率應(yīng)略大于1臺(tái)挖掘機(jī)的生產(chǎn)率，因此應(yīng)滿足nPa>Pc。

為了充分發(fā)揮自卸汽車的運(yùn)輸效能，應(yīng)根據(jù)挖掘機(jī)械的斗容選擇具有適當(dāng)斗容量(或載重量)的汽車。挖掘機(jī)裝滿一車斗數(shù)的合理范圍應(yīng)為3～5斗，通常要求裝滿一車時(shí)間不超過3.5～4 min，卸車是不超過2 min。

3 土料壓實(shí)

土石料的壓實(shí)，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(shí)度的增加而提高。例如，干密度為1.4 t/m3的砂壤土，壓實(shí)后若提高到1.7 t/m3，其抗壓強(qiáng)度可提高4倍，滲透系數(shù)將降低至1/2 000。由于土料壓實(shí)結(jié)果，可使壩坡加陡，加快施工進(jìn)度，降低工程投資。

3.1 土料壓實(shí)特性

土料壓實(shí)特性，與土料自身的性質(zhì)，顆粒組成情況、級(jí)配特點(diǎn)、含水量大小以及壓實(shí)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(dá)到固結(jié)壓實(shí)。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(dá)到壓實(shí)。所以黏性土的壓實(shí)干密度低于非黏性土的壓實(shí)干密度。顆粒不均勻的砂礫料，比顆粒均勻的細(xì)砂可能達(dá)到的干密度要大一些。

壓實(shí)功能大小，也影響著土料干密度的大小，擊實(shí)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(gè)恒定值，而是隨壓實(shí)功能的不同而異。一般說來，增加壓實(shí)功能可增加干密度，這種特性，對(duì)于含水量較低(小于最優(yōu)含水量)的土料比對(duì)于含水量較高(大于最優(yōu)含水量)的土料更為顯著。

3.2 壓實(shí)機(jī)械

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(shí)，而且使側(cè)向上部土料也受到擠壓，從而達(dá)到均勻的壓實(shí)效果。羊腳碾僅適用于壓實(shí)黏性土料和黏土，不適合壓非黏性土。羊腳碾的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)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(jí)配和含水量比較均勻。羊腳頂端接觸應(yīng)力的過大或過小，都會(huì)降低碾壓效果。

3.2.2 氣胎碾

氣胎碾適用于壓實(shí)黏土料，也適合于壓實(shí)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(shí)效果。氣胎碾的充氣輪胎，在壓實(shí)過程中具有一定的彈性，可以和壓實(shí)的土料同時(shí)發(fā)生變形，輪胎與土料的接觸應(yīng)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(dòng)碾

振動(dòng)碾是一種以碾重靜壓和振動(dòng)力共同作用的壓實(shí)機(jī)械，較之沒有振動(dòng)的壓實(shí)機(jī)械，土中應(yīng)力可提高4～5倍，因而它能有效地壓實(shí)堆石體、砂礫料和礫質(zhì)土;也可用與壓實(shí)黏性土和黏土。

3.2.4 夯實(shí)機(jī)械(重錘)

夯板使用于壓實(shí)沙礫料、礫質(zhì)土和黏性土，也可用于壓實(shí)黏土。

[1]馬立俊，王寶民.堆石壩質(zhì)量控制點(diǎn)剖析[J].黑龍江水利科技，2005，33(5):36.

[2]魏金有，潘持俊，蔡?hào)|.芻議土石方填筑工程施工[J].黑龍江水利科技，2008，36(4):69.