水利水电工程土石方施工技术的发展探讨

2018-01-26杨桂兰甘肃省临夏州水务水电局甘肃临夏731100

中国建材科技 2018年2期

杨桂兰（甘肃省临夏州水务水电局，甘肃临夏 731100）

1 水利水电工程中常见的土石方施工技术

1.1 爆破技术

土石方施工是水利水电工程的重要组成部分，具体包括基坑开挖、场地平整、基坑回填等，存在着面广、量大、劳动繁重的缺点，尤其是石方施工，基岩太硬，施工更为困难。为提高施工效率，多会引进一些手段，爆破无疑是运用较多的一种施工技术。爆破需用到炸药和起爆器，最初的爆破很简单，但影响范围、爆炸威力不好控制，随着这方面技术水平的提升，以及各类新材料的不断涌现，爆破技术也得以升级。比如，之前常使用手风钻，现在已基本被潜孔钻代替，潜孔钻是爆破之前在岩石上钻的设备，主要组成部件为钻杆、球齿钻头、冲击器、电动机、减速器等，使得爆破速度及精准度更高。各地土石方施工面临的问题不同，以至于新设备、新工艺相继出现，如反井钻机、多臂钻机、混装炸药车等，使得装药水平和爆破能力都有明显提升[1]。比如国内的三峡工程，其永久船闸本来位于左岸山体内，采用新型爆破技术，将对岩体的影响偏差控制在最小范围内，使得两侧山体不至于因为爆破而挤压坍塌，进而才能进行锚固。随着大坝主体建设完成，开始拆除围堰，同样采取的是爆破拆除[2]。

1.2 明挖技术

水利水电工程对地基土质要求较高，常会遇到软土地基，其承载力较差，需经过防渗加固处理，才能开展后续工作。在此类软土地下工程中，明挖技术有着广泛应用，即先把地面挖开，在露天环境下进行施工作业，结束后再予以回填。该技术历史悠久，工艺较为成熟，实际施工时相对较为简单，速度快，经济成本并非很高，但施工过程中会产生大量的噪声和震动，还会影响周围交通。

明挖技术可分为无支护放坡开挖和基坑支护开挖两大类，前者适用于场地规模较大的工程，比如在旷野作业，虽然不用设置支护结构，但开挖总量非常之大。而在城市或者场地并非很大的项目中，多采取基坑支护开挖法，对基坑侧壁进行支护加固处理，一方面是防止土体变形，另一方面也是考虑周遭建筑物的安全，在此类工程中，支护结构极其关键。以围护结构加支撑法为例，现代水利水电工程的功能增多，往往基坑深度较大，所采用围护结构的悬臂很长，为保证施工安全，常会在悬臂范围内架设水平支撑，使得围护结构更稳定，防止外侧土方挤压。此外还有放坡明挖法、悬臂支护明挖法等，适用范围各有不同，无论是哪一种，都要提前对现场地质条件、工程要求、交通状况、环境影响等因素进行综合考虑[3]。

1.3 地下施工

水利水电工程利国利民，随着技术工艺的不断改进，以及各种新要求的提出，其功能越来越多，如用于发电、泄洪、航运、灌溉、水产养殖等。当然，同时对质量也要求更为严格，以至于在工程规模扩大的同时，地下工程随之增多。三峡大坝是跨世纪的伟大工程，其枢纽建筑物主要包括大坝、水电站、通航建筑物三部分，水电站设有左右两组厂房，共安装26台水轮发电机组，右岸就留有用于后期扩机的地下厂房位置。

水利项目的地下工程由来已久，上世纪60年代就已出现，不过当时受技术、设备条件限制，整体机械化水平较低，手风钻爆破是主要的地下工程开挖方法，其效果可想而知，不仅施工效率低，而且质量、精准度无保证。锚杆支护技术的应用和发展，使得地下施工的安全性有所增强，之后相关技术不断更新，地下洞室建设在技术上更有保障，开始朝着全断面方向深入发展，机械化水平不断提升。例如，我国贵州、四川等西南地区地质地貌较为特殊，溶洞较多，雨量非常充沛，水资源极为丰富，在长期实践摸索中，地下洞室施工技术得以改善。

1.4 土石坝施工

大坝大致可分为拱坝、重力坝、支墩坝、土石坝四种类型，其中土石坝数量所占比重非常大，是一种历史悠久的坝型。所谓土石坝，是指利用当地的土料、石料进行抛填碾压等方式，最终堆起来的挡水坝，如小浪底大坝，是我国最为著名的土石坝。土坝是指土和砂砾为主要材料，石坝是石渣、卵石等为主要材料，但更多情况下是土料和石料比例相当，所以又叫土石混合坝[4]。

按照高度不同，土石坝可分为高、中、低等级别，低于30m为低坝，30—100m为中坝，大于100m为高坝。土石坝有很多优点，比如就地取材较为方便，可以节约钢材、木材等原材料，还能减少运输成本。结构简单，施工难度小，建成后还可扩建。土石结构的适应变性能力强，对地基没有太高要求。但也有缺点，不能像混凝土坝那般导流溢流，施工时受天气影响较大，建成后需经常维护，运行管理费用较高。机械设备在施工时对场地的平整度要求很高，如果地面不够平整，很可能会影响施工质量，当前的平衡技术开始融入到坝体建设中，使其更具合理性。

2 实际案例分析

某水利水电工程项目为一小型水库，主要用来为周围乡镇提供灌溉和生活用水，总库容6.25×107m3，坝顶高程72m，最高坝68m，大坝为土石坝，总长450m，顶部宽12m。以其中A段为例，石方开挖量50万m3，占总挖方量的84.75%，如何安全快速地开挖是必须先解决的问题。由于开挖量较大，工期较紧，不适宜人工开挖，结合以往经验，采用石方爆破技术。

2.1 准备阶段

按照国家相关规定，爆破施工需提前申请，获得民用爆破物使用许可证，并经当地公安机关批准，才允许在指定的公司购买爆破用品。爆破物由公安部门负责运输，送到当地的乡派出所，由其负责管理和使用事宜。技术人员到现场实地勘察，了解地质情况，与之前得到的勘察报告对比，确定没有太大误差。爆破现场安排专业技术人员1名，安全员2名，爆破工人数名，并配备有相应的施工设施。做好技术交接工作，确保施工队伍清楚每一个细节，正式爆破前还需对现场进行处理，把杂质、植被等都予以清理。

2.2 施工阶段

依据施工方案，合理布置炮孔。本工程采取梯段台阶爆破法，为方便钻孔装药，取得较好的爆破效果，尽可能地利用或创造临空面，形成阶梯。布孔时需注意，尽可能令炮孔和岩石层面正交，切勿穿过与地面贯穿的裂缝，否则极易造成漏气。具体方法为浅孔爆破钻爆法，科学开挖保护层，在底部设置合理的柔性垫层，尽量一次钻爆到位。开挖过程中，边坡的稳定性很重要，为防止爆破威力太大，影响到边坡的变形，爆破时选择使用中小炮。对于风化严重的部分，更要注意精准度，故采用小型排炮进行微差爆破。

涉及到的一些参数必须合理设计，比如布孔，炮眼的深度和间距就很关键，深度自然要根据岩石的坚硬程度而决定，按照行业内的计算公式，炮眼深度＝爆破岩石的厚度×岩石系数。使用排炮时，同一排的炮之间的间距与岩石的类别、节理发育程度等因素有关，间距＝最下抵抗线×系数。再有就是装的药量，按照炮孔深度的1/2来装，如果只是为了松动效果，只装1/3即可[5]。

浅孔爆破法适用于钻孔深度不超过4m的情况，选择冲击钻进行钻孔，把握好力度和速度，钻孔角度保持垂直，不得发生过太大偏斜。采用连续装药的结构形式，以及毫秒差电雷管起爆的方式。再有就是保护层，其质量关系到基建面的质量，该工程在保护层预留1m的岩体，底部设0.3m柔性垫层。

2.3 注意事项

爆破时需加强安全注意，采取一些带有防范性的应急措施。安排专业人员成立指挥小组，包括技术员、安全员等，明确划分各自职责。严格控制爆破所产生的威力，及其波及范围，如果周围有建筑物，或者埋设地下管线，需做好保护工作。为避免伤及无辜，施工现场尤其是爆破区，必须设立警告标志，并安排工人负责提醒。强化安全意识，内部应成立安全领导小组，组长由工程项目经理担任，并建立健全安全保证制度和监督检查体系。在风雨雾霾天气，尽量不要爆破，以免引发安全事故。现场环境较为潮湿，为避免炸药、雷管等，必须采取防水措施，或者使用抗水炸药。技术人员和施工人员都要戴好安全帽，穿工作服，如果是高边坡开挖，应当实时检查，一旦发现有松动等现象，立即予以制止。如果遇到瞎炮情况，可在0.5m范围内再打一个炮眼。

3 土石方技术的发展趋势及施工质量控制

3.1 未来发展方向

为适应新形式新环境，土石方技术还有很多地方需要进步，比如开挖技术的创新，及时掌握施工现场的地形地貌和交通运输等信息，制定出较为全面的方案，完善排水系统，确保排水通畅。材料、设备也应随之创新，传统的水利水电工程使用膨胀锚栓更多，但如今出现了化学锚栓，其优势更多。土壤加固是一种有效的形式，经过相关物质的化学反应，最终形成高强度、高稳定的胶凝物。