第7讲：土石方开挖与填筑

同学们好，第7讲讲土石方开挖与填筑，这是水利水电工程施工技术的基础内容，对应大纲编号SL0201和SL0202。历年案例分值大约在12到18分，出题方向集中在土石分级、爆破参数选择、预裂爆破与光面爆破的区别、碾压试验内容、质量控制方法等方面，特别是爆破安全控制和雨季冬季施工这些实操性很强的内容，案例题出得非常多。本讲大家要重点掌握六个方面：土石分级标准、明挖和洞挖方法、爆破技术要点、土石方平衡计算、填筑碾压试验与质量控制、以及特殊季节施工措施。好，下面进入正题。

第一块：土石分级与开挖方法

先说第一块，土石分级与开挖方法。

土石分级是开挖施工的基础，不同的土石类别对应不同的开挖方法和机具选择。水利水电工程中将土石分为I~XVI类，其中： - I~IV类为土：从I类（松软土、种植土）到IV类（坚硬黏土、砂砾石），开挖难度逐级增大。 - V~XVI类为岩石：从V类（软岩，如页岩、泥岩）到XVI类（极坚硬岩，如花岗岩、石英岩），岩石越硬爆破难度越大。

各类土石对应的开挖方法： - I~III类土：可以用推土机、铲运机直接开挖。 - IV类土和V~VII类软岩：需要松土器松动后用挖掘机开挖，或用浅孔爆破。 - VIII类以上的中硬岩和坚硬岩：必须采用爆破方法开挖。

明挖方法： 明挖是指在地表以上进行的开挖作业，是水利工程中最常见的开挖方式。

• 分层开挖：从上向下逐层开挖，每层高度一般3~5m。这是最基本、最安全的开挖方式，适用于大多数明挖工程。
• 梯段开挖：在岩石边坡开挖中常用，形成台阶状（梯段），每一级台阶高度8~15m，台阶宽度根据边坡稳定需要确定，一般不小于2m。梯段开挖有利于边坡稳定和安全。
• 注意事项：明挖必须从上向下分层进行，严禁从底部掏挖（"掏根"），否则会造成上部岩土体突然坍塌，非常危险。

洞挖方法： 洞挖是指在地下进行的开挖作业，如隧洞、地下厂房等。

• 全断面开挖：一次开挖整个断面，适用于围岩条件较好（II~III类围岩）、断面较小的隧洞。
• 台阶法（导洞法）：先开挖导洞（上半断面或小导洞），再扩大开挖到设计断面。适用于围岩条件较差（IV~V类围岩）的情况。
• 注意事项：洞挖施工中，围岩的稳定是关键。必须做好临时支护（锚杆、喷射混凝土、钢拱架等），遵循"短进尺、弱爆破、强支护、勤量测"的原则。

考试常见题型：土石分级是选择题常考点，给你一种岩石让你判断类别。开挖方法的适用条件也是常见题型。

第二块：爆破技术要点

爆破分类，按炮孔深度和直径分为：

（1）浅孔爆破。 - 孔径：小于50mm（一般38~42mm）。 - 孔深：小于5m（一般1.5~5m）。 - 适用场景：小规模石方开挖、边坡修整、保护层开挖、大块石二次爆破。 - 特点：规模小、灵活，但效率低、单位耗药量大。

（2）深孔爆破。 - 孔径：大于75mm（一般90~200mm，常用的有100mm、115mm、150mm等）。 - 孔深：大于5m（一般8~20m，甚至更深）。 - 适用场景：大规模石方开挖、料场开采。 - 特点：效率高、单位耗药量小，是大规模石方开挖的主要方法。

关键爆破参数： - 孔径（d）：决定了装药量和爆破效果。 - 孔深（L）：浅孔<5m，深孔>5m。 - 孔距（a）：相邻两个炮孔之间的距离。深孔爆破孔距一般为孔径的25~40倍。 - 排距（b）：相邻两排炮孔之间的距离。排距一般为孔距的0.7~0.9倍。 - 装药量（Q）：根据岩石类别、孔距、排距、孔深等计算确定。单孔装药量Q = q × a × b × L（q为单位耗药量，kg/m³）。 - 堵塞长度：炮孔装药后，孔口必须用堵塞材料（黏土、砂等）堵塞。堵塞长度一般为孔径的20~30倍，深孔不小于3m。

预裂爆破与光面爆破： 这两种是控制爆破技术，用于保护边坡和建基面，是案例题的必考内容。

（1）预裂爆破。 - 在主体爆破之前，沿设计开挖轮廓线先爆破形成一条预裂缝。 - 预裂缝的作用是隔断主体爆破的应力波传播，保护保留岩体不被破坏。 - 施工顺序：先爆预裂孔→再爆主体爆破孔。 - 适用场景：高边坡开挖、重要建基面保护。

（2）光面爆破。 - 主体爆破完成后，最后起爆轮廓线上的光爆孔。 - 光爆孔间距较小（一般为孔径的10~20倍），装药量较小（不耦合装药），形成光滑的开挖面。 - 施工顺序：先爆主体爆破孔→最后爆光爆孔。 - 适用场景：隧洞开挖、边坡开挖。

两者的核心区别：预裂爆破是先爆轮廓线，光面爆破是后爆轮廓线。目的相同，都是保护保留岩体，但施工顺序不同。

保护层开挖： 在坝基等重要建基面以上，需要预留一定厚度的保护层，用浅孔爆破或人工开挖，避免深孔爆破对建基面的破坏。保护层厚度一般为1.5~3.0m。

考试常见题型：浅孔爆破和深孔爆破的参数区别是经典选择题。预裂爆破和光面爆破的施工顺序区别是案例题的高频考点。

第三块：土石方平衡与填筑碾压试验

第三块，讲土石方平衡计算和填筑碾压试验。

土石方平衡： 水利水电工程中，土石方平衡是一个非常重要的课题。基本原则是"挖填平衡"，即将开挖的土石料尽量用于填筑，减少外运和借土。

土石方平衡计算需要考虑以下因素： - 天然方与压实方的换算：土石料在天然状态下是天然方（松散方），碾压后是压实方。天然方和压实方之间需要乘以一个换算系数（一般大于1，即天然方大于压实方）。 - 开挖料的利用率：不是所有开挖料都能用于填筑，要根据土料的质量进行判定。比如I类土一般不适合做坝壳料，风化岩石不适合做防渗体。 - 运距优化：在多个开挖区和填筑区之间，要通过优化调配方案使总运输费用最小。

填筑施工——碾压试验： 碾压试验是确定填筑施工参数的关键环节，在正式填筑之前必须进行。碾压试验的目的是确定以下四个关键参数：

（1）铺土厚度。 通过碾压试验确定最优的松铺厚度（一般25~35cm），使碾压后的压实度满足设计要求。

（2）碾压遍数。 通过碾压试验确定达到设计压实度所需的最少碾压遍数（一般6~8遍）。碾压试验时，分别碾压不同遍数后检测干密度，找到满足设计要求的最少遍数。

（3）含水率控制范围。 通过碾压试验确定最优含水率及允许偏差范围。一般控制在最优含水率的±2%范围内。

（4）碾压机具选择。 根据土料性质和填筑要求选择合适的碾压机具： - 黏性土：羊脚碾（凸块碾） - 砂性土、砂砾石：振动平碾 - 堆石料：重型振动碾（吨位≥18t）

碾压试验的方法： 在填筑区选择一块试验场地（一般不小于10m×10m），按不同的铺土厚度、碾压遍数、含水率分组试验，每组试验后检测干密度和压实度，通过对比分析确定最优施工参数组合。

考试常见题型：碾压试验的四个目的是案例题常考点。另外，给你填筑检测结果让你判断是否合格也是常见题型。

第四块：质量控制与特殊季节施工

第四块，讲质量控制和雨季冬季施工措施。

质量控制： 填筑质量的核心控制指标是干密度和压实度。

• 干密度检测方法：
• 环刀法：适用于黏性土，将标准体积的环刀压入土中，称量土的质量，计算湿密度，再根据含水率换算干密度。
• 灌砂法：适用于砂性土、砂砾石等粗粒土。在检测点挖一个标准体积的试坑，用标准砂填充试坑，根据标准砂的用量计算试坑体积，再结合土的质量计算干密度。
• 核子密度仪法：快速无损检测，适用于施工现场快速普查。

• 检测频率：每填筑一层，按一定面积布设检测点。一般每100~200m²至少检测1个点。

• 合格标准：检测点的干密度不低于设计值，且不合格点的偏差值不超过设计干密度的0.05g/cm³，不合格点不得集中。

• 压实度标准（再次强调）：
• 均质坝≥0.96
• 心墙坝防渗体≥0.98
• 坝壳≥0.95

雨季施工： 水利水电工程多在山区，雨季施工不可避免。关键措施： - 排水措施：填筑面要设置2%~3%的排水横坡，及时排除积水。在填筑区周围设置截水沟和排水沟，防止外来水流入填筑区。 - 含水率控制：雨后土料含水率往往偏高，应翻晒降低含水率后再填筑。含水率超过最优含水率+2%的土料不得使用。 - 防雨覆盖：对已摊铺未碾压的土料，应用防雨布覆盖，防止雨水浸入。 - 层间处理：雨后复工前，要对填筑面进行复查和处理，确认表面无积水、无弹簧土后方可继续填筑。

冬季施工： - 防冻措施：当气温低于0°C时，土料可能冻结。填筑前要将土料中的冻块清除或破碎。 - 填筑层厚减小：冬季施工每层铺土厚度应比正常减少20%~25%。 - 碾压遍数增加：由于低温条件下土料含水率变化大，碾压遍数应适当增加。 - 快挖快填：冬季施工要做到"快挖、快运、快铺、快压"，减少土料暴露在低温环境中的时间。 - 保温措施：填筑完成后应对表面进行保温覆盖（草袋、土工布等），防止冻害。 - 温度限制：当日平均气温连续5天低于5°C时，即进入冬季施工期，需要采取特殊措施。

考试常见题型：干密度检测方法（环刀法vs灌砂法的适用条件）是选择题常考点。雨季施工的含水率控制和排水措施是案例题常考点。

案例实战

某水利枢纽工程需要进行大规模土石方开挖和坝体填筑。施工单位编制了施工组织设计，施工过程中发生以下事件：

事件一： 石方开挖采用深孔爆破，孔径115mm，孔深12m。为加快施工进度，施工单位增大了单孔装药量。爆破后发现建基面岩体破碎严重，超挖量达到1.5m，且飞石距离超过安全警戒范围。经检查，爆破区域距离设计建基面仅预留了1.0m的保护层。

事件二： 坝体填筑前，施工单位进行了碾压试验。试验确定了松铺厚度30cm、碾压遍数6遍、碾压机具为羊脚碾。填筑施工时，施工单位发现土料天然含水率为18%，最优含水率为15%。施工员认为含水率偏差不大，直接进行了摊铺碾压。碾压完成后检测干密度，发现部分测点压实度仅为0.93，未达到设计要求。

事件三： 填筑施工进入雨季后，连续降雨3天。雨后施工单位立即组织复工，在填筑面有少量积水的情况下直接摊铺新料，并用大型振动碾碾压。检测发现结合面处出现了"弹簧土"现象。

问题1： 指出事件一中施工做法的不妥之处，并说明理由。

标准答案： 事件一存在以下不妥之处： （1）建基面保护层厚度不足。保护层厚度应不小于1.5m（一般1.5~3.0m），事件中仅预留1.0m，不足以保护建基面岩体免受深孔爆破的破坏。 （2）装药量过大。深孔爆破装药量必须经过严格计算确定，增大装药量会导致超挖、岩体破碎严重、飞石距离增大等安全和质量问题。 （3）保护层开挖方法不当。保护层部分应采用浅孔爆破或人工开挖，不应使用深孔爆破。

问题2： 分析事件二中压实度不达标的原因，并说明正确的含水率控制措施。

标准答案： 原因：土料天然含水率18%，最优含水率15%，偏差为+3%，超出了最优含水率±2%的控制范围（即13%~17%）。含水率偏高导致碾压时土料出现"弹簧"现象，无法有效压实，干密度达不到设计要求。

正确措施：应先将土料翻晒降低含水率至13%~17%范围内（即最优含水率15%的±2%），然后再进行摊铺碾压。碾压完成后重新检测干密度。

问题3： 指出事件三中施工做法的不妥之处，并说明正确的雨季施工措施。

标准答案： 事件三存在以下不妥之处： （1）雨后复工前未进行填筑面处理。雨后应对填筑面进行复查，清除积水、晾晒表面，确认无弹簧土后方可继续填筑。事件中有少量积水就直接摊铺新料是错误的。 （2）含水率未进行控制。连续降雨后土料含水率很可能已超过最优含水率+2%，应检测含水率，不合格的土料不得使用。 （3）出现弹簧土说明含水率严重超标或下卧层未处理好。正确的做法是：清除弹簧土，重新处理结合面，控制含水率后再填筑碾压。

总结串联

同学们，这一讲我们系统讲了土石方开挖与填筑的四大核心内容：

第一，土石分级与开挖方法——I~IV类土、V~XVI类岩石，明挖从上向下分层、洞挖看围岩选方法。基础概念选择题常考。

第二，爆破技术——浅孔（<50mm、<5m）和深孔（>75mm、>5m）的区别，预裂爆破先爆轮廓线、光面爆破后爆轮廓线，保护层1.5~3m。这些是高频考点，数字必须记准。

第三，土石方平衡与碾压试验——挖填平衡、天然方与压实方换算。碾压试验四要素：铺土厚度、碾压遍数、含水率范围、碾压机具。

第四，质量控制与特殊季节施工——环刀法（黏性土）、灌砂法（砂粒土），压实度三个标准（0.98/0.96/0.95）。雨季排水控水、冬季减厚增遍。

下期预告

水利实务案例20讲第7讲就讲到这里。下一讲讲第8讲——施工导流与围堰，这是水利水电工程施工组织设计的核心内容，几乎每年案例题都会涉及。导流方式的选择、围堰堰顶高程的计算、截流方法、基坑排水、度汛措施，这些知识点既是重点又是难点。大家课后把本讲的爆破参数和碾压试验内容再巩固一遍，下一讲见！祝同学们学习顺利！