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水利工程施工

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水利工程施工,按照設計提出的工程結構、數量、質量、進度及造價等要求修建 水利工程 的工作。包括施工準備、施工技術與施工管理等內容。隨著科學技術的發展,水利工程施工已成為一門獨立的學科。

1 水利工程施工 -水利工程施工

 

2 水利工程施工 -正文

  按照設計提出的工程結構、數量、質量、進度及造價等要求修建水利工程的工作。包括施工準備、施工技術與施工管理等內容。隨著科學技術的發展,水利工程施工已成為一門獨立的學科。
  施工特點  水利工程施工與一般土木工程如道路、鐵路、橋樑和房屋建築等的施工有許多相同之處。例如:主要施工對象多為土方、石方、混凝土、金屬結構和機電設備安裝等項目;某些施工方法相同;某些施工機械可以通用;某些施工的組織管理工作也可互為借鑒。但是,水利工程的施工也有其獨自的特點:①水利工程承擔擋水、蓄水和泄水的任務,因而對水工建築物的穩定、承壓、防滲、抗沖、耐磨、抗凍、抗裂等性能都有特殊要求,需按照水利工程的技術規範,採取專門的施工方法和措施,確保工程質量。②水利工程對地基的要求比較嚴格,工程又常處於地質條件比較複雜的地區和部位,地基處理不好就會留下隱患,事後難以補救,需要採取專門的地基處理措施。③水利工程多在河道、湖泊、沿海及其他水域施工,需根據水流的自然條件及工程建設的要求進行施工導流、截流及水下作業。④水利工程要充分利用枯水期施工,有很強的季節性和必要的施工強度,有的工程因受氣候影響還需採取溫度控制措施,以確保工程質量。水利工程施工,與社會和自然環境關係密切,因而實施工程的影響也較大,須要把握時機,合理安排計劃,精心組織施工,及時解決施工中的防洪、渡汛等問題,以策安全。
  施工技術  水利工程施工有著悠久的歷史。中國遠在公元前256~前251年修建的都江堰,不僅體現了規劃設計方面的成就,在施工技術方面也有許多創造,如離堆的開鑿、魚嘴及飛沙堰的竹籠卵石砌護以及榪槎圍堰的應用等。其中有的施工方法如卵石砌護沿用至今。又如黃河大堤、 錢塘江海塘、 靈渠及京杭運河等工程都顯示出古代水利工程施工技術的成就。特別在河工方面,中國有幾千年防禦與治理洪水的歷史,在處理險工和堵口截流等施工技術方面積累了豐富的經驗。
  隨著現代科學技術的發展,新型建築材料和大型專用施工機械的不斷出現與日益改進,水利工程已逐步由傳統的人力施工轉向機械化施工。工業發達國家於20世紀30年代,中國於50年代以來,在水利工程施工技術中逐步顯示出這種變化。
  施工導流與截流技術  在寬河床上建壩,多採用分期導流;在狹谷河床建壩,多採用一次圍堰斷流,並以隧洞導流或明渠導流。中國龔咀水電站採用明渠導流,避免大量洞挖,減少施工難度,從開工起僅用10個月就挖完明渠,進行截流,明渠實際最大過流量達5680m3/s,平均年漂木量達100萬m3
  施工導流的圍堰形式中,用得最普遍的是土石圍堰。此外,還有混凝土圍堰、過水土石圍堰等。中國黃河青銅峽工程採用傳統的草土圍堰,經受了4200m3/s的洪水考驗。
  河道截流方法有平堵、立堵及平立堵。平堵有用船舶、浮橋、纜機施工等方式;立堵有單戧、雙戧或多戧等形式;平立堵有先立堵后棧橋平堵的方式。所用材料除土石外,多用混凝土多面體、異形體及混凝土構架等。蘇聯斯大林格勒(現名伏爾加格勒)水電站截流流量為4700m3/s;托克托古爾水電站截流最大落差7.13m,龍口最大單寬流量為33m3/(m·s)。巴西伊泰普水電站截流流量達8000m3/s。中國黃河三門峽水利樞紐單戧立堵截流流量為2030m3/s,流速6.6m/s,落差4.37m;長江葛洲壩水利樞紐雙戧立堵截流最大流量4800m3/s,最大落差3.23m。
  地基處理技術  常用的處理方法是把覆蓋層及風化破碎的岩石挖掉,這是比較徹底而能保證工程質量的措施。但如覆蓋層較深或風化層較厚時,完全挖掉有困難或不經濟,且影響造價、工期,這就需要採取其他的技術措施。如:①灌漿,包括用以防滲的帷幕灌漿,加固岩石的固結灌漿,防止接觸沖刷的接觸灌漿以及填補岩基與混凝土之間空隙的回填灌漿等。大壩岩基的防滲處理多用水泥帷幕灌漿;砂礫石地基有用水泥或水泥粘土帷幕灌漿的;對於某些用水泥灌漿不能解決問題的可用化學灌漿處理。②採用混凝土防滲牆,可有效地截斷地下滲流。施工工藝基本程序是:用衝擊鑽鑽孔成槽孔形式,泥漿固壁,在泥漿中澆築混凝土並將各槽孔連接成牆。造孔技術已由衝擊鑽發展到無鑽桿反循環鑽機、液壓導板抓鬥、迴轉衝擊鑽機、多輪鑽機等,適用於各類地層。採用高速錘式製漿機,可連續製漿,工效高,體積小。牆體材料採用在水泥中摻粉煤灰或粘土,也可採用自凝灰漿等。③軟弱地基加固,如換土或採用砂墊層、樁基礎、沙井、沉井、沉箱、爆炸壓密、錨噴、預應力錨固等措施。常用的振沖樁是用振沖器振動和射水透孔,分層填入砂、礫石或碎石等材料並振壓后成為加固的樁體,施工簡便,造價較低。
  由於地基處理技術的不斷提高及建築物基礎設計的日益完善,在許多地質條件較差的地基上也能修建高壩。例如中國烏江渡水電站的拱形重力壩,壩高165m,建在石灰岩地區,溶洞分佈深、規模大,溶蝕裂隙發育。該工程採用水泥灌漿帷幕,總面積18.7萬m3,灌漿壓力60kg/cm2,帷幕平均單位吸水率小於0.001L/(min·m·m)滿足了設計要求,這項岩溶處理獲得成功。又如埃及阿斯旺高壩壩高111m,覆蓋層最大深度225m,採用水泥粘土灌漿帷幕,最大灌漿壓力60kg/cm2

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  土石壩施工技術  利用土、砂、石等當地材料填築堤壩,有著悠久的歷史,施工經驗也相當豐富。土石壩的施工方法很多,應用最早,採用最廣泛的是分層壓實法(見圖),以後又相繼應用水力沖填法築壩、振動碾壓法築壩以及定向爆破築壩等。由於岩土力學理論的發展和新技術、新設備的採用,土石壩的施工技術不斷提高。主要表現在:①施工機械化程度日益提高,許多工程從料場開採、運輸、上壩到鋪散、壓實的全過程實現了機械化聯合作業,上壩強度高,用人少,工期短,填築質量可以保證;②築壩材料使用範圍擴大,重型壓實機具的採用使劣質當地材料得到合理利用;③充分利用溢洪道、水工隧洞等開挖出來的土石料築壩,盡量做到挖填平衡,降低造價;④高土石壩的比重逐步上升。20世紀70年代,在新建的高度超過100m的高壩當中,土石壩佔65%。世界上已建成的最高土石壩為蘇聯的羅貢壩。該壩壩高335m,壩體方量7550萬m3。修建比較快的為美國奧羅維爾斜心牆土石壩,壩高235m,壩體方量5960萬m3,施工人數500人,工期4年(1963~1967),日上壩6.1~7.6萬m3,最高年上壩1728萬m3
  中國土石壩的發展不均衡。在已建的水庫中,土石壩居大多數,但截至1982年壩高超過100m的19座高壩中,土石壩僅有5座。由於施工機械不配套,用人較多,工期較長,加上其他因素,造價較高。中國的最大體積土壩為岳城水庫土壩,壩體方量2600萬m3;最高的土石壩為台灣的曾文壩,壩高133m;填築較快是密雲水庫粘土斜牆土壩,壩高66.4m,主副壩壩體方量2012萬m3,兩年建成(1958~1960),最高月上壩235.5萬m3,最高日上壩11.8萬m3。60年代南水水電站採用定向爆破法施工修建粘土斜牆堆石壩,壩高81.3m。80年代關門山水庫和西北口水庫採用混凝土面板堆石壩,壩高分別為58.5m和95m(見彩圖)。混凝土面板堆石壩是具有競爭力的壩型。

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  中國水利資源大部分集中在西部,大多處於交通不便,地質條件複雜的地區,開發水電的自然條件和施工條件越來越差。土石壩較易適應複雜的地質條件,能就地取材,節約水泥,且減少場外運輸,降低工程造價。需要解決的技術問題是:①深覆蓋層的處理;②施工導流及渡汛措施;③大流量、高流速的泄洪設施;④在缺乏粘土或多雨地區,採用混凝土面板或瀝青混凝土等防滲措施。
  混凝土壩施工技術  20世紀初開始用混凝土修建重力壩。到30年代美國修建胡佛壩時發展起來的混凝土壩施工方法,為各國廣泛採用,並經逐步改進,形成一套常規的施工方法。其主要內容是:①採用柱狀澆築法;②採用低熱水泥、 降低水泥用量、 預冷骨料、加冰拌和、通水冷卻、對混凝土表面進行保護等一系列混凝土溫度控制措施;③根據壩體各部位工作和受力特點,採用不同標號的混凝土;④混凝土分層澆築的施工縫需鑿毛沖洗處理,並鋪設一層水泥砂漿或細骨料混凝土;縱縫和橫縫設鍵槽,待壩體溫度降到穩定溫度後進行接縫灌漿;⑤採用四級配或三級配骨料拌制混凝土,用平倉機平倉和強力振搗器或振搗器組振搗;⑥發展鋼懸臂模板和預製混凝土模板,70年代初又發展自升式模板。常規的施工方法由於受到分縫分塊、溫度控制措施和接縫灌漿等影響,在施工進度和工程造價方面難以有突破性的進展。雖然有的工程混凝土年澆築強度達到200~300萬m3的較高水平,但平均每月壩體升高速度一般僅4~5m,少數超過6m。60~70年代,各國陸續對常規方法進行了一些改進,如:取消縱縫、通倉澆築、取消接縫灌漿、嚴格溫控措施、採用薄層澆築以及採用高速纜機等高效大型施工機械設備等。例如:1973年建成的美國德沃夏克壩,壩高219m,採用通倉澆築,自升模板,高速纜機等措施,在56個月內澆築混凝土512萬m3,月最大澆築強度18.4萬m3,年最大澆築強度221萬m3,施工人數1200人,大壩月平均上升4m。1983年第一台70萬kW水輪發電機組開始運行的巴西伊泰普水電站,壩高180m,月最大澆築強度34.8萬m3,年最大澆築強度303萬m3,大壩月平均上升5.1~6.6m。60年代以來,拱壩增多。70年代後期,碾壓混凝土築壩技術興起,即用分層壓實的施工方法修築混凝土壩。1980年日本建成壩高90m的島地川壩,壩體方量31.7萬m3;1982年美國建成壩高49m的威洛克里克壩,壩體方量30.7萬m3
  中國絕大部分混凝土壩的施工方法基本上沿襲30年代的柱狀澆築法,只是在部分工藝上有所進展,如:①在混凝土內摻粉煤灰和外加劑以降低水泥用量,減少水化熱;②使用組合鋼模板,減少木材用量和減少模板安裝工時;③人工生產砂石骨料,優化混凝土級配;④引進和研製混凝土施工專用設備(混凝土拌和樓、混凝土泵車、平倉振搗機等)。在中國混凝土壩施工中,投產較快的是新安江水電站,壩高105m,壩體方量175m3,從開工到第一台機組發電僅用3年時間(1957~1960);澆築強度最大的是葛洲壩水利樞紐,年最大澆築強度203萬m3,最高月澆26萬m3。1986年在福建修建的坑口壩,是中國第一座全碾壓式混凝土壩,壩高56.8m。此後,對一些水利水電工程的全壩或部分壩段以及圍堰採用了碾壓混凝土的施工方法。
  施工管理  施工管理是在水利工程施工中對各項工序進行組織、檢查、協調與控制的工作。其目的是以最少的人力、物力和資金,按照設計要求,確保工程質量和安全,使工程如期或提前竣工投入生產,發揮效益。施工管理的內容主要包括:①計劃管理,這是管理工作的核心;根據施工組織設計,按施工階段編製施工進度計劃和作業計劃,通過施工調度,開展工作,以保證任務如期完成。②技術管理,其中心內容是通過技術革新,改進施工方法和施工工藝,促進勞動生產率的提高,並為保證質量和安全制定相應的技術規程。③物資設備管理,指按質、 按量、 按施工進度供應所需的物資和機械設備,並改進物資設備的運輸、保管和使用,以節約資金。④勞動工資管理,指合理安排人員編製、勞動組織、職工培訓、 勞動保護、 工資獎勵等工作。⑤工程定額管理,即對人力物力的消耗進行控制。它是計劃管理的基礎,通過計時觀測和調查研究,掌握現行定額執行情況,並為制定新定額提供原始資料,不斷提高定額水平。⑥財務管理,包括成本核算,減少建設費用,合理使用資金,從經濟上控制施工全過程,保證施工任務的完成。
  水利工程施工管理貫穿於施工準備、主體工程施工及工程完建投入生產等各個階段。70年代末期,中國在水利工程施工中開始推行全面質量管理。80年代初期,在大中型水利工程中開始推行投資包干制和招標承包制。
  展望  第二次世界大戰以來,水利工程不斷發展,工程規模越來越大,加以一些條件優越的地點已經開發,將來許多高壩大庫只能修建在人煙稀少的高山峽谷地區,面臨地質條件複雜和交通不便等情況。由此帶來一系列施工技術問題需要解決。如複雜地基處理、抗高速水流沖刷磨蝕、高壩快速施工、大跨度地下工程和長隧洞的快速掘進等。為了保證工程的施工質量,縮短建設周期,降低工程造價,水利工程施工技術的發展趨勢是:①採用大容量、高效率並且配套的施工機械;②廣泛採用新技術(如液壓、電子、激光、聲波等技術)、新材料(如高分子合成材料)和新工藝(如振動碾壓、高壓噴射、錨噴支護、快速掘進等),並不斷發展;③運用系統工程的理論和電子計算機技術,進行水利工程施工的科學組織與管理。

 

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