土石坝施工的基本知识

2020/2/2第四章土石坝的施工本章重点：土石坝施工的挖运机械及施工方案本章难点：土料压实的机理――最优含水量增加内容：面板材料坝的施工结合讲课安排2～3次录象教学2020/2/2§4－1土石坝施工概述一、土石坝的施工特点1、土石坝建设方兴未艾的原因①地质条件好的坝址已开发殆尽，余下的只好建土石坝②土石坝设计和施工技术进步很快特别是结合面板技术③省工省料，施工简单（无模板、无温控）④机械化施工，工期短⑤有环境保护方面的优势2020/2/22、从施工的角度来看土石坝的优点（与砼坝相比）①要求的地质条件不高：能筑土石坝的地方多，且地基处理省时省力省钱②充分利用当地材料：既省材料，又省运费，还可以解决部分弃料的堆放问题③工期短：既有利于群众性施工，又容易采用机械化作业，速度快81年统计资料：（大型坝）日本美国苏联中国土石坝2～3年3～4年5年4～6年砼坝3～5年4～6年5～8年6～10年2020/2/2④安全从设计上来看，土石坝高且大：苏联罗贡坝（土石坝）Hmax＝325M瑞士大狄克桑斯重力坝Hmax＝285M我国小浪底土石坝Bmax＝840M我国锦屏电站土石坝Hmax＝300M从环境上来看，土石坝基本上不破坏生态。3、从施工的角度来看土石坝的缺点（与砼坝相比）①防渗问题②过水问题2020/2/2二、土石坝的施工方法1、水中填土法：常用于修筑土石围堰2、水力冲填法3、定向爆破法4、干填辗压法：施工内容和施工程序如下：①准备工作：A――地基和岸坡的处理主要清理：杂草杂树及乱石干容重小于1.48的表层土含有机物大于1%的表土含可溶盐大于2%的表土细沙及粉沙等易液化的土2020/2/2B――四通建设及临时设施②基本作业：A――土石料的开采B――土石料的挖运C――土石料的铺、卸D――土石料的平散与压实③辅助作业：A――料场的清理：（先规划、选择）B――土质检查C――地下水位控制：主要是降低D――压实过程中的刨毛、加水或翻晒等④附加作业：A――坝坡修整铺砌护面石块或草皮等2020/2/2三、面板坝的施工要点P117－123材料另附§4－2土石料场的规划坝型及坝址选择阶段：全面调查土石料的种类、数量、位置等施工组织设计阶段：具体勘测、规划2020/2/2一、空间规划1、高程适当：高料高用，低料低用2、四周都有料场：近料先用，远料后用3、取土不影响坝的防渗稳定4、施工干扰小，坝体上升均匀5、少占用农田，少破坏植被二、时间规划施工强度随季节和填筑部位变化而变化1．易淹的料场先用：上游料先用，下游料后用2．上坝强度低时用远料（如雨季），反之用近料3．含水量高的旱季用，含水量小的雨季用4．储备料场关键时刻用：如龙口合拢、拦洪渡汛等2020/2/2三、质量与数量的规划1、料尽其用原则：土石方平衡、充分利用碴料2、坝体不同部位对土料的种类要求不同：ω%值、с值、φ值、γd值、料的成份、料的级配d等。均质坝、斜心墙坝、心墙坝、……3、质量与数量的规划要同时进行4、控制料的质量，缩小坝体断面尺寸提问：什么是土方石平衡？2020/2/25、主料场与备用料场：主料场――土质好，储量大，开采集中，距离近，可常年开采V主＝（150～200）%V设，考虑：勘测不准确损耗土料、废弃土料备用料场――主料场无法使用时用，一般在淹没区以外V备＝（150～200）%V主四、料场管理1、料场清理：剥弃表层腐植土，清除覆盖层2020/2/22、料场排水：地表水与地下水排水沟、截水沟、集水井，人工降低地下水位3、场内布置：土料开采――避免施工干扰石料开采――爆破布置§4－3土石料的压实一、土料压实的标准1、粘性土的压实标准填筑的土方要求有较高的稳定性和抗渗性根据莫尔――库仑破坏理论有：τf=C+бtgφ2020/2/2显然：γd↑——C、φ↑——稳定性抗渗性↑——工程量↓举例：当达到同样抗滑与抗渗稳定时若γd=1.3，则n≥3若γd＝1.7，则n＝1n＝3时，断面面积A＝1320㎡n＝1时，断面面积A＝520㎡并且γd↑——K↑——沉降↓一般地，γd＝1.4～1.7γd为粘性土的压实指标――干容重或干密度：设计上与土质本身有关、施工上与施工因素有关插入图片2020/2/2设计时：γd＝mγdmax设计干容重γd＝[ωOP－2%～ωOP＋3%]含水量控制范围式中：m――施工条件系数0.95～0.97～0.99γdmax――击实试验的平均最大干容重施工时：γd要求的合格率为：Ⅰ、Ⅱ级心墙坝――90%Ⅲ、Ⅳ级心墙坝或Ⅰ、Ⅱ级均质坝80～90%2、非粘性土的压实标准压实标准由相对密度D来衡量D与γd的换算关系式为：P113式4－172020/2/2压实控制可以把D换算成γd进行，也可以直接用D来确定控制标准：无地震情况：D大于0.65有地震情况：D大于------6度→0.657度→0.708度→0.759度→0.8～0.853、石碴及堆石的压实标准土石坝以石碴及堆石为坝壳材料时用孔隙率作为压实标准①一般地e30%防止过大沉陷及湿陷裂缝②当石碴料中细粒含量为10～25%时e25%2020/2/2③当石碴料中细粒含量为5～10%时e28%④当石碴料中细粒含量为0～5%时e30%二、土料的压实机理1．水膜理论（本章难点）→固相――土粒子，不可压缩，可重新排列，与土质有关土→气相――可压缩，可排出，与土的颗粒级配有关→液相――水→自由水（非粘性水），可以排出→束缚水（粘性水），难以排出。束缚水为包裹在土粒子表面的弹性水膜，具有物理化学电分子力作用。弹性水膜具有粘滞性、抗剪性、弹性极限2020/2/2太厚：物理化学电分子力等于0（粘结力与磨擦力小），但外力可能作用于自由水上，产生滑跑现象（橡皮土）；太薄：物理化学电分子力大且趋于极限（抗剪力大），无法压实；理论最优含水量：物理化学电分子力趋于0，水膜厚但无自由水。2．普氏击实标准试验P115图4－17（板书此图）n＝25、50、100、150n一定时，ω%太大或太小→γd都不大ω%最优时→γd最大2020/2/2举例：设计γd＝1.55时n=150都满足要求n=100w%必须控制在△w%范围内。施工最优含水量――击实功能n一定时经济，合理）γd达到设计要求则ω%必须控制在一定的范围（不是一个定点值）。插入图片2020/2/2三、现场压实试验P114～1151、粘性土W1=WP—4%W2=WP—2%W3==WPW4=WP+2%当铺土厚度为h1时求出各小块的γd并绘制成图4－21再分别绘出h2、h3时的图将上述图中的结论绘入图4－22中图中h3h2h1对应于设计的γd值可求得n＝a、b、c及对应的ω%值，并对h1／a、h2／b、h3／cn1n2n3n4n1n2n3n4n1n2n3n4n1n2n3n4插入图片2020/2/2进行比较，取其最大值――为最经济合理的单位压实遍数的压实厚度。（试验目的）上述试验中，h和n的取值应根据经验确定，且它们与压实机械的功能有关，具体可参考P114表4－5由此可见：γd＝ƒ(n，ω%，h，机械种类……)4、非粘性土及石料非粘性土的压实试验因与含水量无关，所以只作出n－D－h关系曲线，再确定……最佳值。石料的压实试验（从略）四、压实机械2020/2/21、羊脚辗P109图4－10正压力＋挤压力＋揉压力适用于粘性土羊足接触应力：A—单位是面积，n—插入足数，n1+n2—插入排两边排数――太大，深层受挤压，反而翻松了，而且阻力增大――太小，插不到足够深度，效果不好最佳应力7～60㎏／（土质不同而不同）2、气胎辗P111图4－14，4－15气胎本身具有一定的柔性和弹性，它与土体的接触面积随土料的压实而变小。气胎也可以通过本身的充气调整来适应不同的土料。)](21[)(21maxnnnAQ掘重2020/2/2气胎辗压力分布均匀，大颗粒土不会破碎。气胎辗适用于砂土、砂砾、碎石，也适用于粘性土，但设计γd较大时不易达到要求。3、振动辗P110图4－13平辗、羊脚辗、气胎辗均可改装成振动辗（震动辗）震动辗特别适用于非粘性土。震动辗：震动与辗压同时进行，减少了土粒子之间的摩擦作用，所以其影响深度大于一般辗的1～3倍，h可达到1M以上。4、夯实机械P111～112图4－16夯实机械适用于土层厚度较大或边、角、局部不易辗压的地方。2020/2/2夯击力要尽可能大，但不能超过极限值。使用夯实机械不经济。人工夯实、半机械化夯实（从略）5、压实机械的选择P112～113大中型土石坝可同时使用几种机械联合作业。选择压实机械主要考虑的因素有：（表4－3）①土料性质②设计要求③土料含水量④施工强度⑤现场工作面情况：工作面大小、季节等2020/2/2⑥现有机械及习惯使用机械情况6、压实机械生产率的计算P112①辗压机械（式4－15）②夯击机械（式4－16）五、压实方法1、进退错距法P110图4－122、圈转套压法BKnhCBVPBKnhCBP2)(602020/2/2§4－4土石料的挖和运一、挖运机械和挖运方案P991、单斗式挖掘机正向铲：P100图4－1改装机械：反向铲、索铲、抓铲P100图4－2循环作业正向铲配自卸汽车的优点：使用灵活、管理方便、易满足最大施工强度适用范围大2020/2/22、多斗式挖掘机①链斗式采砂船（多用于水下）：配皮带运输机②斗轮式挖掘机（多用于陆上）：配皮带运输机优点：挖运强度高，管理方便，施工干扰小缺点：安装费用高，不灵活，易因故障产生停工适用：运距不长，料场集中的情况插入图片2020/2/23、推土机以拖拉机为母体，加上带有切土刀片的推进器P101图4－短距离平土，应用广泛4、铲运机铲运自成一体P102图4－5、4－6适用于运输距离短、P小、ω%小、路平的情况5、运输机械①循环式：自卸汽车有轨机车――适用于运量大、运距长、料场集中的情况缺点：不灵活，装拆不方便，敷设成本高2020/2/2②连续式：固定式皮带运输机P102图4－6移动式皮带运输机――正在被广泛使用6、挖运方案的选择影响挖运方案选择的因素：①运输距离②料场性质包括土质、含水量等③工地布置情况④管理状况⑤工程量的大小⑥施工强度要求…………多种机械配合使用是最佳方案2020/2/2二、综合机械化施工的基本原则1、充分发挥主要机械的作用尽量做到人停机不停举例：大成公司台车无备用2、机械选择必须配套举例：正向铲配自卸汽车，斗容量成倍数关系3、机械的规格及型号尽可能一致便于管理、维修等4、备用机械数量要合理主要机械要不要备用？――心理保险？次要机械要保证主要机械的运转并有富余2020/2/2三、机械设备容量的计算P103～1071、某阶段（分期）强度计算①上坝强度（填筑强度）：P105式4－6k—施工不均系数k1—损失系数Vd—分期填筑方案T—有郊时间②运输强度：P105式4－7Kc=质实影响系数Ki=运输损失系数TVkkqaa1icdTKKqq2020/2/2③开挖强度：P105式4－8K3—开控损失系数2、挖掘机械的生产率P103式4－13、运输机械的生产率①循环式运输机械数量：P104式4－4332KqKKKqqTedemTTqqTTqTqn)(21CBpnKKKqnKP602020/2/2②连续式运输机械生产率：P104式4－54、挖与运斗数的计算（正向铲配自卸汽车）P106式4－9P106式4－11P106式4－12qdPHBKKKKVKkBP2pHkKqKrQmcccpqNaTapqN2020/2/2§4－5坝面作业一、坝面作业的工作内容卸土→→铺土平土（控制h）→→翻晒、洒水（控制含水量）→→压实（决定干容重）→→质检、刨毛→→卸土→→作业方式一般采用流水作业P125式4－2（对流水作业作必要介绍）刨毛是为了使上下结合面更自然压实的方法有进退错距法和圈转套压法2020/2/2二、接头与接缝的处理1、施工接缝――横向接缝：结合坡不陡于1：3，高差小于1M，必要时加结合槽――纵向接缝――流水分段缝（不留）――心墙自然缝2、与岸坡的接头缝3、反滤料的填筑施工先砂后土先土后砂有关内容查参考