华北水利水电大学施工组织课程设计.docx
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华北水利水电大学施工组织课程设计
水利工程施工组织设计课程设计
土石坝施工组织设计
华北水利水电学院
二零一一年十二月十七日
目录
第一章基本资料3
第二章施工组织设计7
第一节施工导流7
第二节施工进度计划9
第三节坝体填筑强度11
第四节开挖运输方案14
第五节机械配套计算16
参考资料20
第一章基本资料
1．工程概况西安市黑河引水工程金盆水利枢纽位于西安市周至县黔江河干流峪口以上1.5km处，东
距西安市约86km北距周至县城约14km枢纽是一项以向西安市供水为主、兼顾灌溉、结合发电、防洪等综合利用的大型水利工程。
水库总库容为2亿m,有效库容亿m。
工程建成后每年可向城市供水亿m,提供农业灌溉用水亿m，灌溉农田37万亩。
电站装机容量20MWV多年平均发电量7308万kW・h。
枢纽属U等大
（2）型工程，由粘土心墙砂砾石坝、左岸泄洪洞、右岸溢洪洞及引水洞、坝后电站等建筑物组成。
大坝为1级建筑物。
枢纽设计洪水标准为500年一遇,相应洪峰流量为5100m3/s,校核洪水标准为5000年一遇,相应洪峰流量7400m3/s,保坝洪水为10000年一遇，相应洪峰流量为8000riVs。
枢纽区地震基本烈度为7度，大坝设计地震烈度为8度。
2．坝体设计
1）大坝坝顶及坝坡设计
大坝坝顶高程600m顶宽11m坝顶长440m设计坝基最低开挖高程466n,设计最大坝高134m实际开挖高程472.5m,最大坝高127.5m。
坝顶上游侧设置1.2m高的混凝土防浪墙，墙顶高程601.2m，防浪墙底部深入心墙。
大坝上游坝坡坡比为1:
高程在565m及515m各设一戗台，宽度分别为3m和5m，下游坝坡坡比为1：
，高程在570m540m和510m各设一戗台，宽度依次分别为2m3m3m。
在下游坝坡设置贴坡式上坝道路，道路宽12m贴坡比为1：
。
上游高水围堰和下游低水围堰采用与坝体结合方式布置。
高水围堰堰顶高程527m上
游坡比为1：
，高程在517m处，设15m宽的马道，下游坡比为1：
2。
下游围堰兼作坝体排水棱体，堰顶高程493.5m,外坡比为1:
，内坡比为1:
。
坝壳采用下游河床砂卵石填筑，排水棱体采用堆石填筑。
大坝横剖面见图2。
2）心墙设计
心墙顶高程598n，顶宽7m河床段心墙坡比为1:
，考虑到由于岸坡对心墙沉降的约束，在纵向心墙也会出现拱效应现象，给抗渗带来不利影响，为了提高岸坡段心墙的抗渗能力，将两岸坡段坡比由1：
变为1：
。
为提高心墙在两岸坡适应变形的能力，在心墙底部铺设厚2m左右的高塑性土，采用粘
粒含量较高的土填筑，填筑干密度为1.66g/cm3，填筑含水量为%23%
3）反滤层设计
从坝料的级配过渡及变形模量过渡考虑，在心墙上下游均设置两道反滤层，第一层为粒径小于5mm的砂反滤层，第二层为粒径小于80mm的混合砂砾料反滤层。
下游的砂反滤层水平宽度为2m,混合料反滤层水平宽度为3m上游的砂反滤层水平面宽度为1m混合料反滤层水平宽度为2m。
4）大坝填筑方量
大坝总填筑方量为万m,其中心墙土料158万m，反滤料29万m，坝壳砂卵石料万
3
m。
3．坝址地形地质情况
坝址位于金盆古河道出口至蔺家湾S形河道腰部，距峪口约1.5km。
坝址地形为不对称的V形谷。
右岸山体高程约823m边坡为30°〜500。
左岸是现代河谷与古河道间长约800m正常水位处宽度为270m的单薄山梁，河道一侧山坡坡度在520左右。
坝址区内出露的基岩为前震旦系宽平群大镇沟组变质岩。
岩性主要为云母石英片岩、绿泥石片岩、钙质石英岩以及后期沿断层入侵的石英岩脉、云煌斑岩脉、斜长斑岩脉。
在地形较平缓的山坡、河谷阶地广泛分布着第四系松散堆积物，岩性主要为碎块石、碎石质壤土、砂卵石等。
坝址位于西骆峪〜田峪背斜的南翼，岩层走向近东西向，倾向上游。
由于主要受南北向压应力作用，东西向的构造断层裂隙发育。
在坝址区的断层构造有80多条，主要为层间挤
压的逆断层。
坝址区以近南北向的裂隙构造发育。
河床部位岩体全〜强风化带较薄，一般厚5m左右。
两岸全〜强风化带较厚，一般厚5〜20m
4•气候特征：
1）气温，多年实测资料分析，见表1,年平均气温9.6C。
表1
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均
2）降水，多年实测资料分析见表2
5.料场分布
1）心墙土料场。
在各设计阶段，对心墙土料的勘探试验进行了大量的工作，先后完成了金盆、武家庄、永泉、毛家湾、田家沟等料场的勘探工作，根据勘探试验成果选定了金盆、武家庄、永泉三个料场，对选定的三个料场在初查的基础上又进一步做了详查。
金盆料场位于黑河左岸上金盆古河道内，属水库淹没区，武家庄料场位于金盆东北边缘的山坡上，永泉料场位于金盆西北周城公路之西的山坡上。
三个料场土料普遍存在的问题是天然含水量偏高，土料均需要翻晒后方可上坝。
表2
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年（天数）
月
5mm以下
15
17
12
14
7
6
平
5〜10mm
0
0
0
0
1
3
4
2
0
0
10〜15mm
0
0
0
0
0
2
1
0
0
均
15〜20mm
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
天
20〜30mm
0
0
0
0
0
0
0
0
0
数
30mm以上
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
初设阶段在考虑土料的物理力学指标，特别是土料的击实性能及天然含水量、储量等因素后，本着尽量少占用耕地、减少征地、增加库容的原则，确定心墙填筑以金盆料场为主料场，武家庄料场作为辅助料场，永泉料场为备用料场。
施工单位于截流前进行了金盆料场土料现场碾压试验。
在试验中发现翻晒时，土料结块难以粉碎，土块外干内湿，在碾压后的土层中，发现夹有碎土块，土层在碾压过程中发生剪切破坏。
经研究，决定将金盆料场转为备用料场，加紧对武家庄、永泉料场的复查和碾压试验工作，同时尽快寻找新的土料场。
在综合考虑了土料性质、储量、运距、天然含水量等因素后，选择养麦窝、猴子头、上黄池、钟楼山、武家庄料场I区、U区土料及金盆料场含砾土作为心墙土料，所选用的料场土料从颗分看，绝大部分为粉质粘土，少部分为重粉质壤土。
上述料场存在的问题为天然含水量偏高需翻晒，储量均较小，场地面积小，土料翻晒强度低。
2）土料的压实设计标准
表3土料最大干密度和最优含水量
土料
干法制样
湿法制样
pmax（g/cm）
3op（%）
pma（g/cm）
3op（%）
狮子头
养麦窝
武U
上黄池
钟楼山
土料现场碾压试验采用英格索兰自行式凸块振动碾和气胎碾进行，四个料场的试验结果
见表4。
表4土料现场碾压试验成果
土料名称
压实干密度
（g/cm）
含水量
（%
铺土厚度
（cm）
碾压方式及遍数
备注
狮子头
21〜22
凸块8遍，气胎4遍
养麦窝
25〜27
凸块8遍，气胎4遍
武U
25〜30
凸块8遍
12遍后，局部剪切破坏
上黄池
23〜25
凸块8遍
8遍后，个别地方剪切破坏
考虑到黑河大坝的坝高和重要性，以及土料压实性能的不均匀性和碾压机具压实功能较大，土料的设计干密度为1.68g/cm3，同时，规定土料的压实系数不小于，这样可以避免压实性能好的土料得不到充分压实。
坝壳砂卵石料采用黑河大桥下游〜6km范围内的河床砂卵石。
根据SDJ18-84《碾压式土
石坝设计规范》及SDJ10-78《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定，砂卵石水上部分的填筑相对密度为，水下部分的填筑相对密度为。
在考虑了料场砂卵石料含砾量的分布范围后，确定砂卵石的设计干密度为2.33g/cm3，Dr=，干密度为2.24g/cm3，Dr=。
、、项目料场、
含水量
自然土干容重（t/m3）
松土折自然土系数
设计干容重丫d
（t/m3）
粘性土
16%
砂砾料
5%
砂砾料
5%
反滤料
5%
6•开竣工要求：
1998年10月开工，2001年12月竣工。
说明：
在本次设计中要考虑准备工作、基础开挖与处理，考虑导流时段对坝体上升的要求（即拦洪渡汛、施工进度计划安排）。
要求同学们编制施工进度计划及总布置。
7.水文资料
可采用的水文资料如下：
G=,Cs=3;Xp50=3557.69m3/s，冷。
。
=4096.65m3/s,Xp2oo=4628.O3
33
m/s,Xp20=2846.66m/s。
第二章施工组织设计
第一节施工导流
一、初拟导流方案
选择导流方案时考虑的主要因素：
水文条件、地形条件、地质及水文地质条件、水工建筑
物的形式及施工期间河流的综合利用、施工进度、施工方法及施工场地布置等。
本次设计根据已有的枢纽布置图，分析其地形、地质及水工建筑物布置，考虑到左岸有泄洪洞，右岸有引水洞，初拟采用全断面围堰隧洞导流方案。
二、导流隧洞设计
1、确定初期导流设计标准
由基本资料知该枢纽U等大
（2）型工程，围堰高程在15~50m之间，可确定导流建筑物为4级建筑物，查导流建筑物洪水标准，可知该土石围堰导流标准重现期为10~20年，本次设
计采用20年一遇，由基本资料知导流流量为Q=2846.66rr/s。
2、导流隧洞半径的确定
由大坝标准断面图可知上游围堰挡水位高程为517m下游围堰高程为493.5m，由围堰为
4级建筑物，查表2-1可知围堰安全超高为0.5m。
（m
hd—下游水位高程（m
hn-波浪爬咼，本次设计不考虑
安全超高，0.5m
由（2-1）式可得hd=Hd-hn-S=493m全段围堰隧洞导流，泄流量按有压流考虑，按（2-2）式计算，
Q=^3.；、2gH
式中Q=t流流量
△H上下游水位差，△H=hn—hd
卩-淹没系数，~本次设计取
①一导流隧洞断面面积，m
Q2846.662
由（2-2）可得3===187.4m
V2gH（29.8124
隧洞断面型式取决于地质条件，隧洞工作状况及施工条件，常用的有圆形、马蹄形、方圆
：
4J41874
形，本次设计采用圆形断面，则有3=——=J=15.45m
V\3.14
3.导流隧洞长度的确定
导流隧洞的布置，取决于地形、地质枢纽布置以及水流条件等因素，应布置在地质条件良好的山体中，洞轴线宜按直线布置，如有转弯时，转弯半径不小于5倍洞径或洞宽，转角
不宜大于60°，弯道首尾应设直线段，长度不应小于3~5倍的洞径或洞宽，进出口引渠轴线与河流主流方向夹角宜小于30°，隧洞进出口位置应保证水力学条件良好，力求水流顺畅，出口水流应与下游河道平顺衔接，与土石坝下游坝脚及其建筑物保持足够距离，防止冲刷，距离围堰应大于50m
本次设计隧洞在挡水时为导流隧洞，当坝体开始挡水时为泄洪隧洞，作为泄洪隧洞时采用龙抬头形式进水口，转弯半径取=X=121m转角取55°，进出口引渠轴线与河流主流方向夹角取35°，隧洞由进口直线段，转弯段，出口直线段三部分组成，各部分长度如下：
进口直线段L仁X55=390.5m
圆弧段L2=^nX12仁58.05m
360
出口直线段L3=X55=390.5m
则隧洞总长L=L1+L2+L3斗+=839.05m
隧洞开挖断面面积为187.4m2，查《水利水电工程施工组织设计指南》可知水平隧洞掘进面砼衬砌进度为50~100m3月，本次设计采用四个断面掘进，取每个工作面的掘进速度为80吊/月，则隧洞开挖所需的天数为T=」二83905二个月。
考虑到隧洞衬砌完，砼需要28
480320
天得养护，所以最终确定隧洞断面过水需4个月以后才可以。
第二节施工进度计划
本工程从1998年10月开工，到2001年12月结束，总工期38个月。
大中型水利水电工程建设，施工组织设计规范规定划分四个阶段，包括工程筹备期，工程准备期，主题工程施工期和工程完建期，但并非所有工程的四个阶段均能截然分开，某些工程的相邻两个阶段工作也可以交错进行。
工程施工总工期为工程准备期，主体工程施工期及工程完建期三者之和，工程筹建期不计入总工期。
结合所给资料，初步拟定进度计划，1998年10月一1999年3月为施工准备期，包括进坝公路的修筑，掘进设备的运输，临时设施的建造等；1998年11月份正式进行导流隧洞的
开挖，导流隧洞开挖的出渣作为部分围堰填筑的材料，这样可以减少从料场运输石料作为浇筑围堰所需要的材料，减少了围堰材料的运输强度，隧洞开挖由计算知需个月，隧洞养护与隧洞开挖同时进行，但养护时间要比隧洞开挖延长至少28天，初拟为4个月隧洞养护结
束，此时泄水从导流隧洞下泄，围堰工程结束之后，开始进行基坑排水，基础处理，帷幕灌浆，主题工程施工等各项任务，其具体时间安排见附图1
—、围堰工程
围堰是导流工程中的临时挡水建筑物，用来维护基坑，保证水工建筑物能在干地施工，在导流任务完成后，该围堰将作为坝体的一部分，不需要拆除，而下游围堰将作为坝体棱体排水的棱体处理。
本次设计采用不过水土石围堰，它能充分利用当地材料或废弃的土石方，构造简单，施工方便，可在覆盖层的河床上修建，采用砼防渗墙，高喷墙，自凝灰浆墙或帷幕灌浆来解决基础和堰身的防渗问题，计划安排4个半月。
基坑排水
在截流戗堤合龙闭气以后，就要排除基坑的积水和渗水，以利开展基坑施工工作，一般包括基坑开挖前的初期排水和基坑开挖及建筑物施工过程中的经常性排水，本设计计划安排3个月，至V1999年7月底结束。
三、基础处理
水工建筑物的基础有两类：
岩基和软基，其中软基包括土基和砂砾石地基，由于受地质构造变化及水文地质的影响，天然地基往往存在不同形式与程度的缺陷，需要经过人工处理才能作为土石坝的可靠地基。
四、主体工程施工
本设计中，土石坝分为三期进行施工，即主题工程I、主题工程U、主题工程川（见附表1）
主体工程I自1999年7月份开始施工，至2000年6月份结束，施工期为一年，此时围堰已建成挡水，导流隧洞泄水，在第一个汛期来临时围堰挡水，围堰已满足要求，即水位上升不超过围堰高程，洪水重现期为20~50年，经计算满足要求，即主体工程施工I至高程527。
主体工程U自2000年7月份开始施工，此时水位超过了围堰高程，坝体的临时断面开始挡水，拦洪库容选择~亿m，根据库容1亿m3确定重现期为100~50年，取50年重现期，依据已知资料，Qp50=3557.69m/s。
表2-2坝体施工期临时度汛
坝型
拦洪库容
>
V
土石坝
洪水重现期
砼坝
>100
100~50
50~20
>50
50~20
20~10
2
由（2-2）式得△H=^^=2彳557.?
9=37.5m
2g0.7187.429.81
重现期为50年时，上游水位高程为：
493+=530.5m
当拦洪库容为亿m时的拦洪高程为：
X5201.00.226
=可得：
X=554m
598.045202.00.226
则坝前水位高程V拦洪高程554m即洪水来临时上游洪水总量小于拦洪库容，故满足要求。
主体工程川施工期为2001年7、8月份两个月，当坝体施工进行第川期时，有效库容达到亿m以上，此时坝体进行挡水，坝体填筑上升速度大于水位上升高度，满足要求。
本次设计中，为了减少川期的施工强度，使坝体均衡上升，满足坝体强度填筑的要求，此时要增大U期的填筑量，将U期施工到高程为590m处。
第三节坝体填筑强度
坝体施工强度由多方因素确定，如机械配套设备的生产能力、道路铺设的好坏、雨季、温度、节假日的影响等。
一、施工天数的确定
1、依据
（1）坝区各种气温天数统计表：
见资料表1
（2）坝区各种天气统计表：
见资料表2
（3）法定节假日，其中包括元旦一天，五一、十一、春节各三天。
（4）各种因雨、气温停工标准：
见《水利水电工程施工组织规范》（SL303-2004）
（5）其他有关资料
2、施工天数分析计算
月有效施工天数=日历天数-因雨雪气温不能施工的天数-法定节假日
有效施工天数统计表2-3所示：
表2-3
项目7份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
合计
土料翻晒
25
22
25
21
12
9
8
5
10
17
27
25
206
粘土料填筑
25
22
25
21
8
3
8
16
27
25
197
反滤料填筑
30
25
31
30
28
29
27
27
26
27
30
31
341
石料填筑
30
25
31
30
28
30
30
31
29
28
30
31
353
填筑强度计算
1、施工强度计算
施工强度的计算是进行施工进度控制和施工机械设备数量、型号选择的重要基础，计算
结果列表如下（见表2-4）
表2-4
项AJ坝料
反滤料
心墙粘土料
坝壳砂卵石料
总填筑量
上游围堰
下游围堰
主体工程I期
主体工程U期
主体工程川期
2、挖运强度的确定
土石坝施工的挖运强度取决于土石坝的上坝强度，上坝强度又取决于施工中的水文条件，施工导流方式、施工分期、工作面的大小、劳动力机械设备、燃料动力供应情况等因素。
对于大中型工程，平均日上坝强度通常为1~3万m。
高的达到io万m左右，在施工组织设计中，一般依据施工进度计划各个阶段要求完成的坝体方量来确定上坝强度和挖运强度，合理的施工组织管理应有利于实现均衡生产，避免生产大起大落，使人力、机械设备不能充分利用，造成不必要的浪费。
（1）土坝强度Qb（nVd）
m，见表2-4
式中v分期完成的坝体设计方量
Ka坝体沉陷影响系数，可取~，本设计取
K施工不均衡系数，~，取
K1为坝面作业土料损失系数，~，取
T施工分期时段的有效工作天数，见表2-3
（2）运输强度QT（m/d）
qtRkc
K2
式中KC压实影响系数，KC一，为坝体设计干表观密度；T为土料运输的松动表观密度
T
（见基本资料表5）
K2运输损失系数，~，取
（3）开挖强度Qc（nVd）
Qc=-^^Kc1KC
K2K3
式中Kc1压实系数，为坝体设计干表观密度与料场土料天然表观密度c的比值（见基本资
料表5）
&—土料开挖损失系数，随土料特性和开挖方式而异，一般为~，取。
由（2-3）、（2-4）、（2-5）计算上坝强度，运输强度，开挖强度结果见表2-5。
表2-5
施工期
高程
坝体填筑工程量
有效天数
上坝强度Q
运输强度Q
开挖强度Q
I
527
反滤料
341
心墙十料
197
坝壳砂卵石
353
合计
n
590
反滤料
341
心墙十料
197
坝壳砂卵石
353
合计
出
600
反滤料
54
心墙十料
坝壳砂卵石
61
1362.00
合计
大中型工程上坝强度通常为1-3万m/d，本次设计最大强度为万m/d，符合要求。
第四节开挖运输方案
坝料的开挖与运输是保证上坝强度的重要环节之一。
开挖运输方案主要根据坝体结构布置特点。
坝料性质、填筑强度、料场特征、运距远、近、可供选择的机械设备型号等多种因素、综合分析比较确定。
一、常用的开挖运输方案
（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，运输能力大的设备通用，能直接铺料，机动灵活，转弯半径小，爬坡能力强，管理方便，得到了广泛的应用。
（2）正向铲开挖，带式运输机运输上坝，国内外水利水电工程施工中广泛采用了胶带机运输土、砂石料，爬坡能力强，架设容易，运输费用较低，比自卸汽车可降低运费1/3~1/2。
合理运距小于10km可直接从料场运输上坝。
（3）斗轮式挖掘机开挖，带式运输机运输，转自卸汽车上坝，对于填筑量大于上坝强度的土石坝。
若料场存储量大而集中，可采用此方法。
其生产率高，具有连续挖掘装料的特点。
（4）开砂船开挖，有轨机车运输，转带式运输机上坝，国内一些大中型水利水电工程中，
广泛采用砂船开采水下的砂石料，配合有轨车运输，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iokm时，可采用有轨机车运
输。
土方施工机械的选择
1.常用土方施工机械的适用性质可供选择的型号规格，见表2-6
表2-6
机械名称
适用范围
可供选择的型号及规格
开挖机械
正向铲
用于挖土、砂砾料、石渣并装车
333
W0o（1m）、W0o（2m）、W40o（4m）
索式挖土机
用于开挖水下料砂砾
装载机
开挖松散土料、砂、砾、石渣等，并装车
斗容
斗容3m
轮斗式装载机
开挖土料、砂砾料等并装车
WUD400/700
3
P理=400/700m/h
链斗式采砂船
开挖水下砂砾料
o
斗容150LP理=120m/h
斗容400LP理=250m5/h
推土机
用于料场集料，坝面平土
移山-80T2-120
运输机械
自卸汽车
牌号载重量
容积
黄河QD357t
3
交通SH36115t6m
小松HD18018t
3
佩尔利尼T3020tm
皮带机
用于转运、运输土料、砂砾料
压实机械
羊角碾
压实黏土
重加重
气胎碾
压实砂黏土、壤土、砂砾等
YZP14自重
振动碾
压实砂性土、砂砾、石渣等
YT3-50重15t加重50t
钻孔机械
风动钻机
手持气锤钻，钻孔直径
34~43mm钻进深度4m,重量23kg
01~30手持风钻
钻车
导轨式钻车，装有YG40凿
岩机钻孔直径40~80mm
CGJ15-
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