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水利水电工程建筑

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发表时间:2006-01-18 00:02  来源:网易  作者:zonbyi  浏览量:

前言

  人类社会发展到今天,资源变得如此的稀缺性。从发现资源到开发资源到资源的枯竭。我们不得不反思“为什么是这样子?”,答案很明确资源是有限的,而人类的需求是无限的。我们要寻找循环的、清洁的、环保的资源是社会发展的永恒的指南针。

   水,作为万物之源是如此的珍贵。从原始社会到现代社会,事实证明,人类的力量是弱小的,但人类的智慧是强大的。中国作为一个古老而文明的国家,从古到今在水利水电世界上都作出了突出的贡献。例如:京杭大运河、都江堰水利工程、引滦入津及正在建设的南水北调等;水电有葛洲坝、刘家峡、小浪底、二滩、三峡等。

   中国,作为一个地形地质复杂(几乎包括世界所有种类的地形地质)。同样中国也是一个灾难重重的国度——自然灾害频频发生,如旱、涝、泥石流、地震等。人类发展的历史也是人类改造自然的历史。

   实现资源的最优配置是我们共同的愿望。此时同时,神州大地将崛起体现人类意志的标志性上午建筑。随着人类对资源的无限需求,作为属水电工程建设的每一个人都是一种挑战(自然、地形、地质、气候更加的复杂,交通不便,将付出更大的代价)。然而,我们有信心有进步才有发展,有发展才可以让我们腾飞在蔚蓝色的天空之上。

   作为普通人接触的水电工程是看得见摸的着的东西,实际上它是表面的、肤浅的。而本质的灵魂的东西才是它本身最伟大的世界。

萌芽篇

   我是一点,小小的一点。何为“海”,海纳百川,分开则为水与每。也就是我要每天与水接触;“长”则表示为时间的概念。我出生于一个交通不发达,电力紧张的地方。人们对水的需求变得怨天尤人。大自然是无情的是随机的不会依照人类的意志来执行每一次命令。

   我只相信一点,聚点成线,聚线成面,聚面成体。

理论篇

   我是于2000年进入四川电力学院的,当时我的选择是水工。从小我对水利水电方面就产生很大的兴趣,我有时感觉我应该属于这个世界的一样。我愿用一生来在这个世界行走→飞翔。

   在这里,我真正的寻找到了自己的天堂,这里条件很好。有很多实验室,里面有许多的仪器、模型,了解到水工历史的具体体验。

   那时,老师给了我很多关心和机会,我非常的感谢我的父亲及所有关心我的人,他们在我最需要的时候帮了我,给我勇气面对任何困难,并战胜它。

   本人以施工放来对水电工程的一点理解。

第一章 土石坝施工

   土石坝包括各种碾压式土坝、堆石坝和土石混合坝。土石坝具有就地取材,对坝基地质条件要求不高,结构简单节约三材和易于施工等优点。随着大型高效机具的采用,坝体防渗结构和材料的改进,施工人数的大量减少,施工工期的进一步缩短以及施工费用的显著降低等,为土石坝的发展开辟了广阔前景。当今国内外不仅中低坝广泛采用土石坝,而且兴建的高土石坝也也来也多。砼面板堆石坝的经济性和快速施工,已成为坝工建设中具有很强竞争力的一种新坝性,更是使土石坝“锦上添花”。

第一节 料场规划

  土石坝施工中,料场的合理规划和使用,是土石坝施工中的关键技术之一,它不仅关系到坝体的施工质量、工期和工程造价,甚至还会影响到周围的农林业生产。

  施工前,应配合施工组织设计,对各类料场作进一步的勘探和总体规划、分期开采计划。使各种坝料有计划、有次序地开采出来,以满足坝体施工的要求。

  选用料场材料的物理力学性质,应满足坝体设计施工质量要求,勘探中的可供开采量不少于设计需要量的2倍。在储量集中繁荣主要料区,布置大型开采设备,避免经常性的转移;保留一定的备用料场(为主要料场总储量的20%~30%)和近料场,作为坝体合龙以及抢筑拦洪高程用。

  在料场的使用时间及程序上,应考虑施工期河水位的变化及施工导流使上游水位抬高的影响。供料规划上要近料、上游易淹料先用;远料,下游不淹料后用。含水量高料场夏季用;含水量低料场雨季用。施工强度高时利用近料,强度低时利用远料,平衡运输强度,避免窝工。对料场高程与相应的填筑部位,应选择恰当,布置合理,有利于重车下坡。作到就近取料,低料低用,高料高用;避免上下游料过坝的交叉运输,减少干扰。

  充分合理地利用开挖弃渣料,对降低工程造价和保证施工质量具有重要的意义。作到弃渣无隐患,不影响环保。在料场规划中应考虑到挖、填各种坝料的综合平衡,作好土石方的调度规划,合理用料。料场的覆盖剥离层薄,有效料层厚,便于开采,获得率高。减少料物堆存、倒运,作好料场的防洪、排水、防止料物污染和分离。不占或少占农业耕地,作到占地还地、占田还田。

  总之,在;料场的规划和开采,考虑的因素很多而且又很灵活。对拟定的规划、供料方案,在施工中不合适的即使进行调整,以取得最佳的技术经济效果。

第二节 土石料开挖运输

  土石坝施工中,从料场的开挖、运输,到坝面的平料和压实等各项工序,都可由互相配套的工程机械来完成,构成“一条龙”式的施工工艺流程,即综合机械化施工。在大中型土石坝,尤其在高土石坝中,实现综合机械化施工,对提高施工技术水平,加快土石坝工程建设速度,既有十分重要的意义。

  一、开挖运输方案

  坝料的开挖与运输,是保证上坝强度的重要环节之一。开挖运输方案,主要具坝体结构布置特点、坝料性质、填筑强度、料场特性、运距远近、可供选择的机械型号等多种因素,综合分析比较确定。土石坝施工中开挖运输方案主要有以下几种。

  1.正向铲开挖,自卸汽车运输上坝

  正向铲开挖、装载,自卸汽车运输直接上坝,通常运距小于10km。自卸汽车可运各种坝料,运输能力高,设备通用,能直接铺料,机动灵活,转弯半径小,爬坡能力较强,管理方便,设备易于获得,在国内外的高土石坝施工中,获得了广泛的应用,且挖运机械朝着大斗容量、大吨位方向发展。在施工布置上,正向铲一般都采用立面开挖,汽车运输道路可布置成循环路,装料时停在挖掘机一侧的同一平面上,既汽车鱼贯式地装料与行驶。这种布置形式,可避免或减少汽车的倒车时间,正向铲采用60°~90°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、胶带机运输

  国内外很多水利水电工程施工中,广泛采用了胶带机运输土、砂石料。国内的大伙房、岳城、石头河等土石坝施工,胶带机成为主要的运输工具。胶带机的爬坡能力大,架设简易,运输费用较低,比自卸汽车可降低运输费用1 /3~1/2,运输能力也较高,胶带机合理运距小于10km,胶带机可直接从料场运输上坝;也可与自卸汽车配合,作长距离运输,在坝前经漏斗由汽车转运上坝;与有轨机车配合,用胶带机转运上坝做短距离运输。目前,国外已发展到可用胶带机运输块径为400~500mm的石料,甚至向运输块径达700~1000mm的更大堆石料发展。

  3.斗轮式挖掘机开挖,胶带机运输,转自卸汽车上坝

  当填筑方量大,上坝强度高的土石坝,料场储量大而集中,可采用斗轮式挖掘机开挖,它的生产率高,具有连续挖掘、装载的特点,斗轮式挖掘将料转入移动式胶带机,其后接长距离的固定式胶带机至坝面或坝面附近经自卸汽车运至填筑面。这种布置方案,可使挖、装、运连续进行,简化了施工工艺,提高了机械化水平和生产率。石头河土石坝采用DW-200型斗轮式挖掘机开采土料,用宽1000mm、长1200余m、带速150m/min胶带上坝,经双翼卸料机于坝面用12t自卸汽车转运卸料,日强度平均达4000~5000m︿3,最高达10000m︿3(压实方)。美国圣路易土石坝施工中,采用特大型斗轮式挖掘机,开采的土料经两个卸料口轮流直接装入100t的底卸汽车运输,21个工作小时装车1000车,取土高度12m,前沿开挖宽度18.3m。

  4.采砂船开挖,有轨机车运输,转胶带机(或自卸汽车)上坝

  国内一些大中型水电工程施工中,广泛采用采砂船开采水下的砂砾料,配合有轨机车运输。在我国大型载重汽车尚不能充分满足需要的情况下,有轨机车仍是一种效率较高的运输工具,它具有机械结构简单修配容易的优点。当料场集中,运输量大,运距较远(大于10km),可用有轨机车进行水平运输。有轨机车运输的临建工程量大,设备投资较高,对线路坡度和转弯半径的要求也较高。有轨机车不能直接上坝,在坝脚经卸料装置至胶带机或自卸汽车转运上坝。

  坝料的开挖运输方案很多,但无论采用何种方案,都应结合工程施工的具体条件。组织好挖、装、运、卸的机械化联合作业,提高机械利用率;减少坝料的转运次数;各种坝料铺填方法及设备应尽量一致,减少辅助设施;充分利用地形条件,统筹规划和布置;运输道路的质量标准,对提高工效,降低车辆设备损耗,具有重要作用。

  二.开挖运输机械设备容量确定

  分期施工的土石坝,应根据坝体分期施工的填筑强度和开挖强度来确定相应的机械设备容量,可按qd=K*K1*Vd/T*N

  式中qd——坝体分期填筑强度,m^3/h;Vd——坝体分期填筑方量,m^3;K——施工不均匀系数,可取1.2~1.3;K1——考虑沉降,削坡、损失等影响系数,可取1.15~1.2;T——分期时段的有效工作日数,d;按分期时段的总日数,扣除节假日、降雨及气温影响可能的停工日数,即为有效工作日数;N——每日的工作小时数,以20h计。坝体分期施工的开挖强度qc(m^3/h)为 qc=K2*qd*rd/rn 式中 K2——开挖及运输中的损失系数,可取1.05~1.10;rd——土料的设计干表观密度,t/m^3;rn——土料的天然干表观密度,t/m^3。

  满足上坝填筑强度要求的挖掘机数量Nc为 Nc=qc/Pc 式中 Pc——一台挖掘机的生产率,m^3/h。

  满足上坝填筑强度要求的汽车总数量Na为 Na=qc/Pa 式中 Pa——一辆汽车的生产率,m^3/h 。配合一台挖掘机所需的汽车数量n,其总的生产率应略大于一台挖掘机的生产率,因此应满足nPa>Pc。

  为了充分发挥自卸汽车的运输效能,应根据挖掘机械的斗容选择具有适当斗容量(或载重量)的汽车。挖掘机装满一车斗数的合理范围应为3~5斗,通常要求装满一车时间不超过3.5~4min,卸车是不超过2min。

第三节 土料压实

  土石料的压实,是土石坝施工质量的关键。维持土石坝自身稳定的土料内部主力(粘结力和摩擦力)、土料的防渗性能等,都是随土料密实度的增加而提高。例如,干表观密度为1.4t/m^3的砂壤土,压实后若提高到1.7t/m^3,其抗压强度可提高4倍,渗透系数将降低至1/2000。由于土料压实结果,可使坝坡加陡,加快施工进度,降低工程投资。

  一.土料压实特性

  土料压实特性,与土料自身的性质,颗粒组成情况、级配特点、含水量大小以及压实功能等有关。

  对于粘性土和非粘性土的压实有显著的差别。一般粘性土的粘结力较大,摩擦力较小,具有较大的压缩性,但由于它的透水性小,排水困难,压缩过程慢,所以很难达到固结压实。而非粘性土料则相反,它的粘结力小,摩擦力大,具有较小的压缩性,但由于它的透水性大,排水容易,压缩过程快,能很快达到压实。

  土料颗粒粗细作成也影响压实效果。颗粒愈细,空隙比就愈大,所以含矿物分散度愈大,就愈不容易压实。所以粘性土的压实干表观密度低于非粘性土的压实干表观密度。颗粒不均匀的砂砾料,比颗粒均匀的细砂可能达到的干表观密度要大一些。土料的含水量是影响压实效果的重要因素之一。用原南京水利实验处击实仪(南实仪)对粘性土的击实试验,得到一组击实次数、干表观密度与含水量的关系曲线。

  非粘性土料的透水性大,排水容易,压实过程快,能够很快达到压实,不存在最优含水量,含水量不做专门控制。这是非粘性土料与粘性土料压实特性的根本区别。压实功能大小,也影响着土料干表观密度的大小,击实次数增加,干表观密度也随之增大而最优含水量则随之减小。说明同一种土料的最优含水量和最大干表观密度并不是一个恒定值,而是随压实功能的不同而异。

  一般说来,增加压实功能可增加干表观密度,这种特性,对于含水量较低(小于最优含水量)的土料比对于含水量较高(大于最优含水量)的土料更为显著。

  二.土石料的压实标准

  土料压实得越好,物理力学性能指标就越高,坝体填筑质量就越有保证。但土料的过分压实,不仅提高了压实费用,而且会产生剪力破坏,反而达不到应有的技术经济效果。可见对坝料的压实应有一定的标准,由于坝料性质不同,因而压实的标准也各异。

  (一)粘性土料(防渗体)

  粘性土的压实标准,主要以压实干表观密度和施工含水量这两指标来控制。1.用击实试验来确定压实标准;2.用最优饱和度于塑限的关系;计算最大干表观密度;3.施工含水量确定。

  (二)砂土及砂砾石

  砂土及砂砾石是填筑坝体或坝壳的主要材料之一,对其填筑密度也应有严格要求。它的压实程度与粒径级配和压实功能有密切的关系,一般用相对密度Dr来表示:Dr=(emax-e)/(emax-emin) 式中emax——砂石料的最大空隙比;emin——砂石料的最小空隙比;e——设计空隙比。

  在施工现场,对相对密度进行控制仍不方便,通常将相对密度换算成相应的干表观密度rp(t/m^3),作为控制的依据.rp=rmax*rmin/[rmax-Dr(rmax-rmin)] 式中rmax——砂石料最大干表观密度, t/m^3; rmin——砂石料最小干表观密度, t/m^3,设计的相对密度,于地震等级、坝高等有关。一般土石坝,或地震烈度在5读以下的地区, Dr不宜低于0.67;对高坝,或地震烈度为8~9度时, Dr应不小于0.75。对砂性土,还要求颗粒不能大小和过于均匀,级配要适当,并有较高的密实度,防止产生液化。

  (三)石渣及堆石体(坝壳料)

  石渣或堆石体作为坝壳材料,可用空隙率作为压实指标。根据国内外的工程实践经验,碾压式堆石体空隙率应小于30%,控制空隙率在适当范围内,有利于防止过大的沉陷和湿陷裂缝。一般规定其压实空隙率为22%~28%左右(压实平均干表观密度为2.04~2.24t/m^3)以及相应的碾压参数。

  三.压实机械及压实参变数

  压实机械对工程进度,工程质量和造价有很大的影响。压实机械的选择原则:应根据筑坝材料的性质、原状土的结构状态、填筑方法、施工强度及作业面积的大小等,选择性能能达到设计施工质量标准的碾压设备类型。如按不同材料分别配置不同的压实机械,就会出现机械闲置的情况。所以确定机械种类和台数时,还应从填筑整体出发,考虑互相配合使用的可能。

  1.羊脚碾

  羊脚碾的羊脚插入土中,不仅使羊脚底部的土料受到压实,而且使侧向上午土料也受到挤压,从而达到均匀的压实效果。羊脚碾仅适用于压实粘性土料和粘土,不适合压非粘性土。土料压实层在一定深度的范围内,可以获得较高的压实干表观密度,但土体的干表观密度沿深度方向的分布不均匀。羊脚碾的独特优点是能够翻松表面土层,可省去刨毛工序,保证了上下土层的结合质量。此外,羊脚碾还能起到混合土料的作用,可以使土料级配和含水量比较均匀。羊脚顶端接触应力的过大或过小,都会降低碾压效果。

  2.气胎碾

  气胎碾适用于压实粘土料,也适合于压实非粘性土料,如粘性土、粘土、砂质土和沙砾料等,都可以获得较好的压实效果。气胎碾的充气轮胎,在压实过程中具有一定的弹性,可以和压实的土料同时发生变形,轮胎与土料的接触应力,主要取决于轮胎的充气压力,与轮胎的荷载大小无关。

  3.振动碾

  振动碾是一种以碾重静压和振动力共同作用的压实机械,较之没有振动的压实机械,土中应力可提高4~5倍,因而它能有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土;也可用与压实粘性土和粘土。

  4.夯实机械(重锤)

  夯板使用于压实沙砾料、砾质土和粘性土,也可用于压实粘土。

  第四节 坝体填筑

  土石坝的坝基开挖、基础处理及隐蔽工程等验收合格后,就可以全面展开坝体填筑。坝体填筑包括基本作业(卸料、平料、压实及质检)和辅助作业(洒水、刨毛]清理坝面和接触缝处理)。

  一.坝面流水作业

  土石坝填筑必须严密组织,保证各工序的衔接,通常采用分段流水作业。分段流水作业,是根据施工工序数目,将坝面分段,组织各工种的专业队伍,依次进入各工段施工。对同一工段来讲,各专业队按工序依次连续施工;对各专业队来讲,依次连续地在各工段完成固定的专业工作。进行流水作业,有利于施工队伍技术水平的提高,保证施工过程中人、地和机具的充分利用,避免施工干扰,有利于坝面连续有序的施工。

  1.组织流水作业原则

  1)流水作业方向和工作段大小的划分,要与相应高程的坝面面积相适应,并满足施工机械正常作业要求。宽度应大于碾压机械能错车与压实的最小宽度,或卸料汽车最小转弯半径的2倍,一般为10~20m;长度主要考虑碾压机械的作业要求,一般为40~100m。其布置形式(A.垂直坝轴线流水;B.平行坝轴线流水;C.交叉流水)。

  2)坝体填筑工序,按基本作业内容进行划分(辅助作业可穿插进行,不过多占用基本作业时间),其数目与填筑面积大小,铺料方式、施工强度和季节等有关。一般多划分为铺料和压实2个工序;也有划分为铺料、压实、质检3个工序或铺料、平料、压实、质检4个工序。为保证个工序能同时施工,坝面划分的工作段数目至少应等于相应的工序数目;在坝面较大或强度较低的情况下,工作段数可大于工序数。

  3)完成填筑土料的作业时间,应控制在一个班以内,最多不超过一个半班,冬夏季施工为防止热量和水分散失,应尽量缩短作业循环时间。

  4)应将反滤料和防渗料的施工紧密配合,统一安排。

  2.拟定流水作业程序

  1)拟定工序数目n.

  2)拟定流水作业单位时间t(h):t=a*T/n式中T--一个班内有效工作时间,h/班;n--工序数目;a-- 同一段各工序循环一次所用的班数,一般取1~1.5.

  3)计算工作段面积w(m^2):w=q/h*t/T式中q-- 坝体填筑相应高程的松土上坝强度,m^3/班;h-- 每层铺松土厚度,m;T--一个班内有效时间,h/班;t-- 单位时间(h).

  4)计算工作段数目m,即:m=S/w 式中S--坝体相应高程的填筑面积,m^2;w--工作段面积,m^2。

  若m<n时,流水作业不能正常进行,需要进行适当调整,使两者相等。调整途径为合并某些工序以减少n;缩短流水单位时间t以增加m。

  二.卸料及平料

  通常采用自卸汽车、胶带机直接进入坝面卸料,由推土机平铺成要求的厚度。自卸汽车倒土的间距应使后面的平料工作减少,而且便于铺成要求的厚度。在坝面各料区的边界处,铺料会有出入,通常规定其它材料不准进入防渗区边界线的内侧,边界外侧铺土距边界线的距离不能超过5cm。

  为配合碾压施工,防渗体土料铺筑应平行于坝轴线方向进行。

  1.自卸汽车卸料

  自卸汽车可分为后卸、底卸和侧卸三种。底卸式汽车可边行驶边卸料,但不能运输大粒径的块石或漂石;侧卸式汽车适用运输反滤料及有固定卸料点的运输。自卸汽车上坝的运输线路布置,取决于坝址两岸地形条件,枢纽布置,坝的高低,上坝强度等因素。主要有两种布置方式:一种为汽车自两岸(或一岸)岸坡上坝公路上坝,因此采用由两岸向中央(或一岸想另一岸)进占方式;另一种为汽车沿坝坡“之”字形公路上坝。

  (1)土料 当用自卸汽车防渗土料时,为了避免重型汽车多次反复在已压实的填筑土层上行驶,会使土层产生弹簧土、光面与剪力破坏,严重影响结合层的质量,应采取进占法卸料与平料。即汽车卸料方向向前进展,一边卸料,推土机也随即平料,交替作业,汽车在刚平好的松土上行驶,重车行驶坝面路线应尽量不重复。

  (2)砂砾料,一般粒径较小,推土机很容易在料堆上平土,因此,可采用常规的后退法卸料,即汽车卸料方向后退扩展。

  (3)堆石料 堆石料往往含大量的大块径石料,不仅影响推土机、汽车在卸料上行驶,还容易损坏推土机履带和汽车的轮胎;而且也难以将堆石料散开。可采用进占法卸料,推土机随即平料,这样大粒径块石易推至铺料前沿的下部,细部粒料填入堆石体上部的空隙,使表面平整,便于车辆通行。

  2.胶带机上坝布置及卸料

  (1)上坝布置 上坝胶带机应根据地形、坝长、施工场地具体条件、运输强度以及施工分期等因素进行布置。布置方式主要有:①岸坡式布置;②坝坡式布置。

  (2)胶带机坝面卸料 与铺土厚度或压实工具有关,可适用于粘性土、砂砾料、砂质土。其优点是可利用坝坡直接上坝,不需专门道路,但要配合专门机械或人工散料,随着坝体升高,将经常移动胶带机,一般有以下几种卸、散料方式:①摇臂胶带机卸料、推土机散料;②摇臂胶带机卸料,人工——手推车散料。

  三.碾压方法

  坝面的填筑压实,应按一定的次序进行,避免发生漏压与超压。防渗体土料的碾压方向,应平行坝轴线方向进行,不得垂直于坝轴线方向碾压,避免局部漏压形成横穿坝体的集中渗流带。碾压机械行驶的行与行之间必须重叠20~30cm左右,以免产生漏压。此外,坝料分区之间的边界也容易成为漏压的薄弱带,必须特别注意要互相重叠碾压。

  根据工程实践经验,碾压机械行驶速度大小,对坝料(如粘性土)压实效果有一定的影响,各种碾压机械的行驶速度,一般应通过试验确定。自行式碾压机械的行驶速度以1~2档为宜。羊脚碾、气胎碾可采用进退错距法或转圈套压法两种。

  四.结合部位施工

  土石坝施工中,坝体的防渗土料不可避免地与地基、岸坡、周围其他建筑的边界相结合;由于施工导流、施工方法、分期分段分层填筑等的要求,还必须设置纵横向的接坡、接缝。所以这些结合部位,都是影响坝体整体性和质量的关键部位,也是施工中的薄弱环节,处理工序复杂,施工技术要求高,且多系手工操作,质量不易控制。接坡、接缝过多,还会影响到坝体填筑速度,特别是影响机械化施工。对结合部位的施工,必须采取可靠的技术措施,加强质量控制和管理,确保坝体的填筑质量满足设计要求。1.坝基结合面;2.与岸坡及砼建筑物结合;3.坝体纵横向接坡及接缝。

  五.反滤层施工

  反滤层的填筑方法,大体可分为削坡体、档板法及土、砂松坡接触平起法三类。土、砂松坡接触平起法能适应机械化施工,填筑强度高,可做到防渗体、反滤料与坝壳料平起填筑,均衡施工,被广泛采用。根据防渗体土料和反滤层填筑的次序,搭接形式的不同,可分为先土后砂法和先砂后土法。

  无论是先砂后土法或先土后砂法,土砂之间必然出现犬牙交错的现象。反滤料的设计厚度,不应将犬牙厚度计算在内,不允许过多削弱防渗体的有效断面,反滤料一般不应伸入心墙内,犬牙大小由各种材料的休止角所决定,且犬牙交错带不得大于其每层铺土厚度的1.5~2倍。

第五节 砼面板堆石坝垫层与面板的施工

  一.垫层施工

  垫层为堆石体坡面上最上游部分,可用人工碎料或级配良好的砂砾料填筑。垫层须与其他堆石体平起施工,要求垫层坡面必须平整密实,坡面偏离设计坡面线最大不应超过3~5cm,以避免面板厚薄不均,有利于面板应力分布。施工程序:①先沿坡面上下无振碾压数遍,随即将突出及凹陷处加以平整;②然后用振动碾沿坡面自下而上用振动碾压数遍,再次对凹突处进行平整;③在坡面上涂抹三次阳离子沥青乳胶,每涂抹一次用手或机械喷撒一些粒径小于3mm的砂子,并再在坡面上自下向上用振动碾碾压。涂抹沥青乳胶的目的是:用以粘结垫层坡面的松散材料不被振动滚落,可防止雨水对垫层坡面的冲刷,提高垫层的阻水性和使面板易于沿垫层坡面滑移,避免开裂。

  二.砼面板的分缝止水及施工

  砼防渗面板包括主面板及砼底座。面板砼应满足设计和施工强度、抗渗、抗侵蚀、抗冻及温度控制的要求。1.面板的分缝止水;2.砼面板施工,底座的基坑开挖、处理、锚筋及灌浆等项目,应按设计及有关规范要求进行,并在坝体填筑前施工。砼面板,是面板堆石坝挡水防渗的主要部位,同时也是影响进度与工程造价的关键。在确保质量的前提下,还必须进一步研究快速经济的施工技术,如施工机具的研制、砼输送和浇筑方案的选择、施工工艺及技术措施等方面的问题。

第六节 质量检查控制及事故处理

  土石坝施工的整个过程中,加强施工质量的检查与控制,是保证施工质量的重要措施;同时,对施工中出现的质量事故,必须及时地认真处理,确保坝体的安全运用。

  一.质量检查控制

  施工质量是直接影响坝体土料物理力学性质,从而影响到大坝安全的重要因素。我国在已查明滑坡原因的107座土坝中,因施工质量差而滑坡溃坝的有73座,占68%。土石坝施工中,质量检查控制的项目较多,从坝基的开挖及处理、直到坝体的填筑,都应按国家和部颁发的有关标准、工程的设计和施工图、技术要求以及工地制定的施工规定进行。

  二.事故处理

  最常见的事故是土石坝的防渗土体发生裂缝、滑坡、坝体及坝基漏水等。

  1.干缩、冻融裂缝

  干缩裂缝多发生在施工期上下游坝坡或坝顶的填筑面上,其特征是规律性差,呈龟裂状。如不及时处理,将加速水力劈裂或不均匀沉陷裂缝的产生和发展,造成严重的危害。其防止方法是及时做好护坡和保护层。对已出现的裂缝,可视深浅的不同,采用开挖回填或将裂缝全部铲除重新回填处理。

  2.沉陷裂缝

  由于岸坡过陡或坡率变差大,地基不均匀沉降,黄土湿陷变形,坝体施工期填筑高度过大及坝体压实不够等原因而产生沉陷裂缝。这种裂缝有横向和纵向两种,而以横向裂缝危害更大。对横向裂缝,不论其大小,都应进行严格的处理,防止贯穿坝体漏水失事。如裂缝深度在1.5m以内,可沿缝开挖成梯形断面,应挖至裂缝尖灭后再加深0.2~0.5m。以防止遗漏“多”字形成或“纺锤形”裂缝的存在;在裂缝水平方向的开挖宽度,应延伸裂缝尖灭后再加长1~2m。裂缝开挖后应避免日晒雨淋,防止雨水渗入缝内,回填时要注意新老土料的结合。

  3.滑坡裂缝

  土坝的滑坡多出现在均质土坝的施工期或初期运行中,据裂缝的不同特点,可分成滑弧形式和塑流滑动两大类。

第七节 雨季和冬季施工

  受外界气象环境的影响,尤其是对防渗土料影响更大。雨季会给土料增大含水量;而冬季土料又会冻结成块,都会影响压实效果和施工质量。此外,为了保证坝体的施工速度,降低工程造价,也需要解决好雨季和冬季中的施工措施问题。

  一.雨季施工

  土石坝防渗体土料,在雨季施工总的原则是“避开、适应和保护”。一般情况下应尽量避免在雨季进行土料施工;选择对含水量不敏感的非粘性土料适应雨季施工,争取小雨日施工,以增加施工天数;在雨日不太多,降低强度大,花费不大的情况下,采取一般性的防护措施也常能奏效。

  运输道路也是雨季施工的关键之一。一般的泥结碎石路面,当遇雨水侵泡时,路面容易破坏,即使天晴坝面可复工,但因道路影响了运输而不能即时复工,不少工程有过此教训。所以应加强雨季路面维护和排水措施,在多雨地区的主要运输道路,可考虑采用砼路面。

  二.冬季施工

  寒冷地区,当日平均气温低于0°C时,粘性土料按低温季节施工。日平均气温低于-10°C时,一般不宜填筑土料,否则应进行技术论证。冬季施工的主要问题在于;土的冻结使土体强度增高,不易压实;而冻土的融化却使土体的强度和土坡的强度和土坡的稳定性降低;处理不好,将使土体产生渗漏或塑流滑动。外界气温降低时,土料中水份开始结冰的温度低于0°C,即所谓过冷现象。1.负温下的土料填筑;2.负温下的沙砾料填筑;3.架设暖棚。

第二章 水工隧洞施工

  水工隧洞施工的主要内容是开挖、出渣、衬砌或支护、灌浆工作等。常用的开挖掘进方法为钻孔爆破法,也有采用掘进机直接开挖的。衬砌和支护的型式,常用现浇钢筋砼以及喷锚支护。隧洞灌浆的目的是为了加固围岩或充填衬砌与围岩之间的空隙。

  钻爆法开挖掘进的施工过程为测量放线、钻孔、装药、爆破、通风散烟、安全检查与处理、装渣运输、洞室临时支护、洞室衬砌或支护、灌浆及质量检查等。同时还需要进行排水、照明、通风、供水、动力供电等辅助作业,以保证隧洞施工的顺利进行。

  上述各项工作,绝大部分是在地面以下,施工场地狭窄的情况下进行的,施工干扰大,劳动条件差,施工组织复杂,安全问题突出。如果遇到不良的地质和水文地质情况,如大的断层和破碎带、大的溶洞和地下暗河、高压含水层等,将严重影响施工进度和安全。正确处理安全、质量、进度和经济的关系,采用有效的机械设备与新的施工技术,加强安全措施,严密组织施工。

第一节 隧洞开挖

  一.开挖方式

  隧洞开挖方式有全断面开挖法和导洞开挖法两种。开挖方式的选择主要取决于隧洞围岩的类别、断面尺寸、施工机械化程度和施工水平、合理选择开挖方式对于加快施工进度,节约投资,保证施工安全和施工质量均有重要的意义。

  (一)全断面开挖法

  是在整个断面上一次钻爆开挖成型。在隧洞断面不大,围岩稳定性好,不需要临时支护或局部支护,又有完善的机械设备时,可采用这种开挖方式。全断面开挖上午净空面积大,个工序相互干扰小,有利于机械化作业,施工组织较简单、掘进速度快。但这种方式受到机械设备、地质条件和断面尺寸的限制。全断面开挖又分为垂直掌子面掘进和台阶掌子面掘进两种。

  (二)导洞开挖法

  导洞开挖法就是先开挖断面的一部分,称为导洞,然后开挖至整个设计断面。这种开挖方式,可利用导洞进一步了解和掌握地质情况,并在扩大开挖时增大爆破临空面,提高爆破效果。根据导洞与扩大部分的开挖次序,有导洞专进法和并进法两种。

  根据导洞在横断面位置的不同有下导洞、上导洞、中导洞、双导洞等;1.下导洞开挖法,导洞布置在断面的下部,又称漏斗棚架法;2.上导洞开挖法,对称顶拱掘进法,常用的“上导洞边挖边衬,先拱后墙衬砌法”。

  二.导洞的形状和尺寸

  导洞一般采用上窄下宽的梯形断面,这样的断面受力条件较好,也便于利用断面底角,布置风、水、电等管线。

  三.炮孔布置和装药量计算

  (一)炮孔布置 布置在开挖面上的炮孔,按其作用不同为掏槽孔、崩落孔和周边孔等三种。

  1.掏槽孔 布置在开挖面中心部位,首先炮出一个小的槽穴,其作用是增加爆破临空面,提高周围炮孔的爆破效果。

  2.崩落孔 均匀布置在掏槽孔与周边孔之间,爆破顺序次于掏槽孔,其作用是爆落岩体。崩落孔通常与开挖面垂直,要求孔底落在同一平面上,以保证掘进后的开挖面平整。

  3.周边孔 布置在开挖面的四周,一般最后起爆(采用预裂爆破例外),其作用是控制开挖轮廓线。

  (二)炮孔数目和深度 隧洞开挖断面上的炮孔总数N,常用下面经验公式估算,即N=k1*(f*S)^1/2式中k1--系数,一个临空面用2.0;f--岩石的坚固系数;S--开挖断面面积,m^2.

  (三)装药量 隧洞爆破中,炸药用量多少直接影响开挖断面的轮廓、掘进速度、围岩稳定和爆破安全。此外,爆落石块的大小还影响装渣运输。由于岩性质和岩层的构造差别甚大,断面大小、爆落块度及炸药性质也不完全相同,因此装药辆必须经过现场试验确定。开工前,可按下式估算 Q=K*S*L 式中Q--一次掘进中的炸药用量,kg;K--单位炸药消耗量,kg/m^3;S--开挖断面面积;L--崩落孔炮孔深度,m。

  四.钻孔作业

  钻孔作用在掘进循环时间中占有很大的比重。钻孔的机具有风钻和钻孔台车。

  五.装渣运输作业

  隧洞装渣和出渣是一项很繁重的工作,约占循环时间的50~60%,也是影响掘进速度的关键。包括装渣和运输两项工作。

  六.隧洞临时支护

  隧洞在开挖过程中,稳定性差的围岩容易发生坍塌和个别石块跌落,为了确保施工安全,必须对开挖出来的空间进行有效的支护。只有在围岩稳定的情况下,才可以不加临时支护。(分喷锚支护和构架支撑)

  七.隧洞开挖的辅助作业

  隧洞开挖的辅助作业有通风、防尘、防有害气体、供水、排水、供电、照明等。很明显,这些辅助工作是改善洞内劳动条件和工程顺利进行的必要保证。

  八.隧洞开挖循环作业

  指在一定时间内,使开挖面掘进一定的深度(即循环进尺)所完成的各项工作。

第二节 隧洞衬砌与灌浆

  在现浇砼或钢筋砼衬砌、砼预制块或拱石衬砌、喷锚支护等。

  一.隧洞衬砌

  现浇衬砌的施工程序与一般水工基本相同,也需要分缝(段)、分块、立模、扎筋、砼运输入仓、振捣密实。

  二.隧洞灌浆

  隧洞灌浆有回填灌浆和固结灌浆两种。

第三节 隧洞喷锚支护

  是采用喷射砼、钢筋锚杆、钢筋网对洞室围岩进行单独或联合支护的统称。

  钢筋砂浆锚杆,可在钻孔内先注入砂浆后插入锚杆,或先插锚杆后注入砂浆,待砂浆凝结硬化后即形成钢筋砂浆锚杆。

  喷射砼水泥用量较大,而且又掺有速凝剂,所以凝结硬化快,必须加强养护。一般在喷射砼后1~2小时即开始洒水养护,洒水次数一保持砼有足够的湿润状态为宜,养护时间不小于7~14天。

实践篇

  云鹏电站引水隧洞开挖及支护。

  云鹏电站引水隧洞岩性为长石石英砂岩与灰质粉砂质泥岩互层,进口段岩体完整性较差~很差,其余较好。在地下水位以下,统筹安排化整为零,以新奥法为依据,喷锚支护按期完成任务。

  就云鹏电站引水隧洞最乐观的安排是采用隧洞掘进机。其原因为:①在条件适合情况下,掘进速度快,本电站引水隧洞沿线地表自然坡度30~40°,有零星基岩出露,大部分坡表被第四系覆盖,厚度约5m,被5#冲沟口切割,但深度不大,除进、出口段外,隧洞埋深多在15~45m间。

  引水隧洞沿线穿过三叠系上统鸟格组上段T3地层,岩性为长石石英砂岩与灰质粉砂质泥岩互层,薄~中厚层状结构岩层产状N60°~70°W,SW∠70~80°,以弱、微风化岩石为主。沿线穿过1条Ⅱ级结构面(F13),3条Ⅲ级结构面(F14、F15、F16),此外层间挤压面较为发育。

  隧洞进水口段,地形相对较为平缓,表面坡积层2~4m,全风化底界埋深34.24m,强风化底界埋深60.4m,弱风化底界埋深80.14m,全、强风化层较厚。进水口最大开挖深度约40m,基础地基为强风化岩体,该地段岩层陡倾角向坡外,且强风化岩体结构面松弛,节理连通性好,抗剪强度较底,洞脸边坡稳定条件差,需加强支护处理,除引水隧洞进、出口段岩体完整性较差~很差,其余洞段岩体完整性一般较好。所有洞段均在地下水位以下。

  采用掘进机开挖隧洞的速度可比钻爆法快50%以上。

  ②开挖洞壁光滑,糙率低,其曼宁糙率系数约在0.0154~0.016之间,更相当于钻爆法不加衬砌洞室糙率系数的一半左右。因此水头损失也比钻爆法所需断面的70%左右。

  ③减少支护及衬砌工程量。洞型多为光滑圆形,有利于围岩稳定,对围岩的破坏远小于钻爆法。

  ④掘进机采用电力驱动,无爆破后的烟尘废气,而且多数可用电瓶车牵引出渣,无内燃机废气。一般单头掘进可达10~12km,节省施工支洞及进路,缩短了工期。

  ⑤对围岩及地面建筑物施工影响较小,不产生爆破需动,对多洞近距离开挖有利。本电站三条隧洞间距仅11m左右。

  此起彼伏,尽管掘进机是代表最先进的生产力,但对于现实社会及特殊地区、经济将出现如下缺点:①设备比较复杂,价格较贵,安装费时,对于洞长较短时,采用掘进机并不经济。当洞径为3~4m时,使用掘进机的洞长不宜短于2~3km;洞径若为4~7m,则不宜短于4~5km。而本电站最长引水随洞为272.332m,开挖洞径6~7m;②采用掘进机要求较大的曲率半径,因为整套掘进机机身长度较大,一般达16~20m,加之机后联接的辅助设备限制了转弯半径不能小于150~450m;③采用掘进机施工,洞径变化不能太大,掘进机直径目前可由1.2m到12m,对于一定的掘进机设备,其洞径变化不能大于+-10%;④岩石条件合适时才能发挥掘进机的效能。实践证明,坚硬多节理的岩体对掘进机工作不利,速度减慢,刀具磨损严重。在这方面,本工程满足要求;⑤运输及维修工作较复杂,其设备大、长、重,对运输及维修有特殊要求;⑥初期设备投资大,国外开挖洞径为2.4m隧洞,掘进机施工费用为钻爆法的88%,但设备费为钻爆法的3~4倍左右。

  据本工程地形、交通不能满足要求。因此,本工程放弃了掘进机,而采用钻爆法。

第一章 钻爆开挖

  通过钻孔、装药、引爆炸药而破碎岩土介质的地下隧洞的开挖方法,称钻爆法。

  地下隧洞钻爆开挖施工前一般须作好以下工作:1.详细了解、分析地质情况,作出洞线方向岩体质量评价及等级划分,掌握洞线方向岩体结构产状,如断层节理、破碎带等地质缺陷的性质;2.据凿岩机械、爆破器材性能条件选择开挖方法;3.开挖断面上(工程界称掌子面)的钻孔布置,包括孔数、深度、方位,不同类型钻孔参数的设计;4.装药量、装药结构的设计。

  本电站引水隧洞分上平段、下平段、中间斜井段,其钻爆开挖方法亦有不同。

  一.平洞段开挖

  其开挖方法的选定,主要是依据地质条件,断面大小,施工机械的作业高度和范围。据本工程实际情况采用全断面开挖法,就是在整个设计断面上一次钻爆实现一个进尺的开挖方法。特点是施工净空大,可布置大型高效施工机械,便于机械化施工,施工组织比较简单。对于一个进尺深度的岩体爆破而言,炸药用量多于分部开挖的用量,因此爆破震动的相对也较大,但完成一个进尺深度的开挖需要多次钻爆,对围岩的扰动次数增多。

  全断面开挖之后,如支护不及时,则围岩变位往往较大,因此对中软质且裂隙发育的岩体的围岩稳定不利;若能采取科学合理的技术措施,严格遵循开挖与支护协调进行,在中软质岩体中进行较大断面的全断面开挖,也是可行的。

  全断面开挖对洞轴线方向岩体性状的预见性较差,这就要求事先做好地质勘测工作。

  二.斜井开挖

  斜井的开挖一般分为两类:正挖法(即自上而下开挖法)和反挖法(即自下而上开挖法)

第二章 支护

  我们进行开挖破坏了岩体,使围岩的应力集中。唯一的办法用更强的强度、稳定性、刚度的材料去抗消这种应力,使它达到新的平衡。

  事实证明,除了围岩的表层支护,还需要深入岩体(内部)如:锚杆、灌浆等。

  隧洞在开挖过程中,稳定性较差的围岩容易发生坍塌和个别石块跌落,为了确保施工安全,必须对开挖出来的空间进行有效的临时支护。只有在围岩稳定的情况下,才可以不加临时支护。

  临时支护可分为喷锚支护和构架支撑两类。出特殊情况外,应优先选用喷锚支护。本工程用的是钢支撑,钢支撑适用于破碎而不稳定的岩层,它能承受很大的山岩压力、耐久性好、所占空间小。钢支撑可以多次,也可以留住永久性衬砌中不再撤除。(本工程采用后者)

第三章 总结

  物质世界是灵活多变的东西,隧洞的开挖与支护同样如此。不断的探索和寻找新的、安全、经济、快捷的施工方案是我们共同的希望。

立志篇

  昨天,我也许在理论世界取得了一点薄绩,但从今天开始一切从零开始。时间在前进,思维方式也应该前进。我们每个人就是一个局域网,我们共同的目标是Internet。

  忘记昨天,把握今天,开创未来。努力实现理论逻辑向实践逻辑过渡,不断的提升自己的经验值。

  成功是我唯一追求的目标,在没有成功之前我决不退缩。尽管前面有许多黑色,但我相信黎明就在前面。

  欲于意志作为指南针,以务实的铁器时代为信念,明天一定是黎明(意志——生命的永恒动力)。

  (四川电力职业技术学院建筑环保工程系 水工001班)

   ( 中国水利水电第五工程局 六分局 云鹏施工局 )

参考资料

  1.武汉水利电力大学 杨康宁主编.水利水电工程施工技术第二版.北京:中国水利水电出版社,1997.6

  2.成都水力发电学校 廖德全主编.水利工程施工第三版.北京:中国水利水电出版社,1996.5

  3.天津大学 祁庆和主编.水工建筑物第三版.北京:中国水利水电出版社,1997.5

  4.徐招才 刘申合边编.水电站第一版.北京:中国水利水电出版社,1994.10