第四章土石坝工程教学目的和要求：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：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：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：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：式中：Ｖ２——土经开挖后的松散体积，m³；Ｖ１——土在自然状态下的体积，m³。

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4-3 挖深在5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：难点在坝体材料的工程特性和料场规划。

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：讲授法一、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；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：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：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：工程图片主要教学方法：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。

1、正向铲挖掘机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1-4m³。

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-50WD-100WD-200WD-300WD-400WD-1000铲斗容量（m³）0.51.02.03.04.010.0动臂长度（m）5.56.89.010.510.513.0动臂倾角（º）60.060.50.45.45.45.0最大挖掘半径（m）7.29.011.614.14.418.9最大挖掘高度（m）7.99.09.57.410.113.6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；最大卸土半径（m ） 6.58.0 10.112.712.7 16.4 最大卸土高度（m ） 5.66.8 6.0 6.6 6.3 8.5 最大卸土半径卸土高度（m ） 3.03.7 3.54.95.8 最大卸土高度卸土半径（m ） 5.17.0 8.7 12.4 15.7 工作循环时间（s ） 28.025.24.022.0 23-25 卸土回转角度（°）100120901001002、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 ³、1.0m ³、1.6m ³几种，目前最大斗容已超过3m ³。

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：54321/60K K K K nqK P •••= (m ³/h)式中: n ——设计每分钟循环次数；q ——铲斗容量，m ³；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；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K4——工作循环时间修正系数，K4＝１/(0.4α+0.6β)；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。

（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。