(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鍵技術研究

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鍵技術的研究刻不容緩。本文從開挖特點及要求、工程量計算、開挖方式三個方面對壩基的土方開挖和石方開挖分別進行闡述，系統(tǒng)介紹了兩者的施工技術體系。

水利工程；壩基開挖；施工技術

1 概 述

水利工程建設與人們的生活息息相關，其主要功能是提供生活用水和發(fā)電，在進行水利工程建設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、有效地應用[1]。壩基土石方開挖通常包括左右岸壩肩、上游護坡、壩基等部位開挖，在進行任何部位施工時一定要按照相應的施工要求，運用最佳的施工技術合理進行施工，以保證壩基開挖工程高質(zhì)量完工，為建設堅固、實用的水利工程創(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)條件復雜化、施工進程高速化、施工管理科學化等特點。在機械設備、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不斷改進與提升，日益成為水電工程建設研究的重點，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行[2]。土方開挖是將土進行松動、破碎、挖掘并運出。為了保證土方開挖能夠順利完成，在進行具體的土方開挖前一定要做好節(jié)流防護工作，挖掘臨時排水溝，避免施工過程中受到地表水的影響而無法正常施工。在進行具體施工時，挖掘機需放置在最佳位置，能夠全面處理整個壩基土方。保證推土機和運輸車輛相互配合，及時將土方運出。在土方挖掘過程中按照由上至下的順序?qū)嵤?，保證開挖土方規(guī)范進行。

2.1 開挖特點及要求

水利水電工程壩基土方開挖，一般具有以下特點：

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，設計前應對土壤特性做充分勘測。

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、氣候條件等對開挖影響較大，若處理不當，易發(fā)生工程事故。

常用的壩基土方開挖技術措施包括以下幾個方面：

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措施。

b. 勘測設計階段，做好測量、放線、計量等工作，開挖土方量計算值誤差不得大于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)揮機械生產(chǎn)效率。

d. 做好汛期防洪、邊坡保護等措施，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 工程量計算

壩基土方開挖工程量通常與工程規(guī)模、棄土運距、施工條件等因素有關，可根據(jù)定額手冊折算成勞動工日數(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地平整土方量計算，故壩基開挖土方計算應采用平均斷面法[3]。

平均斷面法計算土方開挖工程量時，常見的計算公式包括近似計算和精確計算兩種。

近似計算：

V=(F1+F2)L/2

(1)

精確計算：

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，應自中心向外分層下挖，先深后寬，邊坡處可按邊坡比挖成臺階狀，待挖至設計要求深度時，進行削坡。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，開挖時應先進行排水，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，特點是斷面小、土方量少、施工安全。

機械開挖常用的挖裝機械有正鏟和反鏟挖掘機、抓斗挖掘機、拉鏟挖掘機、斗輪挖掘機、鏟運機等，機械選用時應根據(jù)工程規(guī)模、工期要求、地質(zhì)情況以及施工現(xiàn)場條件等來確定。開挖機械的選型配套及數(shù)量計算是機械開挖設計的重點，其基本原則為首先確定對施工強度、工程單價起決定性作用的主導機械，其他各種機械的類型和數(shù)量服從主導機械進行對應配置，盡量減少機械的類型、規(guī)格，以利于調(diào)度管理和維修。主導機械的數(shù)量按式(3)確定：

(3)

式中N——主導機械數(shù)量，臺；

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——機械的臺班產(chǎn)量，根據(jù)定額或生產(chǎn)率計算確定，m3/臺班。

在堅實黏性土和凍土壩基開挖中，采用爆破松土與推土機聯(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，多選用洞藥壺集中放藥包，裝藥量可按式(4)計算：

Q=mqW3

(4)

式中Q——土方松動爆破裝藥量，kg；

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

Q——標準爆破單位耗藥量，kg/m3，堅實黏土取1.1～1.2kg/m3。

3 石方開挖

壩基開挖工程中石方開挖是對施工技術要求較高的一個環(huán)節(jié)，在進行具體的石方開挖施工時一定要依據(jù)分區(qū)、自上而下的挖掘原則，規(guī)范進行石方開挖，才能夠保證施工質(zhì)量。壩基石方開挖時需要對施工中所應用的技術進行了解和掌握，高效處理不同地質(zhì)的壩基。

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

3.1 開挖特點及要求

水利水電工程壩基石方開挖，一般具有以下特點：

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)條件復雜多變，勘測設計階段和實際開挖階段確定的地質(zhì)參數(shù)不統(tǒng)一。

d. 壩基開挖輪廓復雜，基巖開挖要求施工技術標準較高。

常用的壩基石方開挖技術措施包括以下幾個方面：

a.根據(jù)地質(zhì)、地形、樞紐布置、導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. 重點部位重點考慮，不良地質(zhì)地段要求開挖措施得當，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)揮施工機械的生產(chǎn)能力。

d. 對易受洪水威脅，與導截流有關的部位，應優(yōu)先安排開挖；對不適宜在雨、雪天或嚴寒季節(jié)開挖的部位，應盡量避開這種氣候條件。

3.2 工程量計算

壩基石方開挖工程量計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，分別計算每個剖面的面積，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。依次類推逐個推算分割出的各個相臨剖面間的石方體積，最終相加即得開挖石方工程量。剖面法計算精度取決于設定的兩剖面間的間距，間距越小，計算結(jié)果越精確。

等高線法計算原理與剖面法相似，沿等高線水平截取斷面，分別計算每個斷面的面積，然后計算相臨兩個斷面的平均面積，用平均值乘以間距即為兩斷面間開挖的石方體積，依次類推計算各個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，故采用等高線法計算石方開挖工程量更貼近工程施工實際情況。

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、機械設備、經(jīng)濟指標等有關。常見的壩基石方開挖方式有機械開挖、鉆爆法開挖兩種。

壩基石方開挖采用機械開挖時，常采用重型推土機破碎巖石。機械開挖適用于施工場地寬闊、開挖石方量大的工程。其優(yōu)點是不需要風、水、電等輔助設施，場地布置較為簡單，施工進度快，生產(chǎn)能力強，但難以滿足堅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、開挖施工技術和工期要求等條件，選定開挖技術參數(shù)。鉆爆法開挖關鍵技術涉及3個方面：爆破器材的性能、使用條件和檢驗方法；爆破作用機理、爆破參數(shù)設計方法；爆破對周圍環(huán)境的影響等。遇到較完整的新鮮基巖時，常采用鉆爆法開挖，施工時應避免產(chǎn)生爆破裂隙。為減輕爆破振動對基巖的破壞，應根據(jù)具體的施工條件選用微差爆破、預裂爆破、光面爆破等方法。

4 結(jié) 語

水利工程建設在中國經(jīng)濟社會的發(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的基礎環(huán)節(jié)，對推動水利工程建設具有重要意義。為此，壩基土石方開挖施工關鍵技術的研究刻不容緩。本文從開挖特點及要求、工程量計算、開挖方式三個方面對壩基的土方開挖和石方開挖分別進行闡述，系統(tǒng)介紹了兩者的施工技術體系。其中，土方開挖工程量計算多采用平均斷面法，可依據(jù)工程要求，選用近似計算和精確計算兩種方式；可依據(jù)工程條件，選擇人工開挖、機械開挖、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算開挖工程量，可選用的施工方式包括機械開挖、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. 水利工程建設中壩基固結(jié)灌漿施工技術[J]. 黑龍江水利科技, 2013, 41(5):95-98.

[3] 敖細平, 張華. 灘坑水電站壩基淤泥質(zhì)深覆蓋層開挖施工技術[J]. 科協(xié)論壇, 2010(8):36-37.

[4] 張汝舫. 壩基開挖及處理施工中的一些經(jīng)驗和體會[J]. 水力發(fā)電, 1955(7):20-25.

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