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第3章 土石方与土石坝工程
3.1 土石方工程
3.2 土石坝施工技术
3.3 混凝土面板堆石坝施工技术
3.1 土石方工程
3.1.1 土石方工程施工的土石分级
3.1.2 土方开挖技术
3.1.3 石方开挖技术
3.1.4 锚固技术
3.1.5 地下工程施工
3.1.1 土石方工程施工的土石分级
水利水电工程施工中常用的土石分级，依开挖方法、开挖难易、坚固系数等，共划分为16级，其中土分4级（20
单选），岩石分12级。
1.土的分级
土的等
土的名称 自然湿重度（kN/m³） 外观及其组成特性 开挖工具
级
疏松、黏着力差或易进水，
I 砂土、种植土 16.5～17.5 用锹或略加脚踩开挖
略有黏性
Ⅱ 壤土、淤泥、含根种植土 17.5～18.5 开挖时能成块，并易打碎 用锹需用脚踩开挖
黏土、干燥黄土、干淤泥、 用镐、三齿耙开挖或用锹
Ⅲ 18.0～19.5 粘手，看不见砂粒，或干硬
含少量砾石的黏土 需用力加脚踩开挖
坚硬黏土、砾质黏土、含卵 结构坚硬，分裂后成块状，
IV 19.0～21.0 用镐、三齿耙等开挖
石黏土 或含黏粒、砾石较多2.岩石的分级
岩石级别 极限抗压强度R（MPa） 坚固系数f
V 20以下 1.5～2.0
Ⅵ～ⅩⅣ 20～40（以20为级差） 2.0～4.0（以2为级差）
ⅩⅤ 200～250 20～25
ⅩⅥ 250以上 25以上
3.洞室开挖的围岩分类
地下洞室的围岩可以岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状（24案例）等五项因素之
和的总评分为基本依据，以围岩强度应力比为参考依据，进行工程地质分类，见表3.1-3。（22案例、24案例）
围岩 围岩 围岩强度
围岩稳定性 支护类型
类别 总评分T 应力比S
稳定。围岩可长期稳定，一般无不稳
Ⅰ T＞85 ＞4 不支护
定块体
基本稳定。围岩整体稳定，不会产生 不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土。大
Ⅱ 85≥T＞65 ＞4
塑性变形，局部可能产生掉块 跨度时，喷混凝土、系统锚杆加钢筋网
稳定性差。围岩强度不足，局部会产
生塑性变形， 喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。跨度为
Ⅲ 65≥T＞45 ＞2
不支护可能产生塌方或变形破坏。完 20～25m时，浇筑混凝土衬砌
整的较软岩，可能暂时稳定不稳定。围岩自稳时间很短，规模较 喷混凝土、系统锚杆加钢筋网或加钢构
Ⅳ 45≥T＞25 ＞2
大的各种变形和破坏都可能发生 架
极不稳定。围岩不能自稳，变形破坏 管棚、喷混凝土、系统描杆、钢构架，
Ⅴ T≤25 —
严重 必要时进行二次支护
3.1.2 土方开挖技术
1.机械开挖
正铲：开挖停机面以上或停机面以下不深的土方，不能用于水下开挖
反铲：开挖停机面以下的土方
循环单斗式
索铲（拉铲）：开挖停机面以下的土料，也可水下掏掘土石料。不适用于爆破块石开
挖掘机 挖
抓铲：灵活性较差，工效不高，不能挖掘坚硬土。开挖直井或沉井土方
连续多斗式 链斗式、斗轮式
装载机 生产率较高，购置费用低
推土机 运距60m为宜。采用推土刀两侧加挡板、沟槽法推土、并列推土等措施提高生产率1.适用于挖深和填高均不大，开挖Ⅰ～Ⅱ级土，运距不远（600～1500m）的情况；
铲运机
2.不适用于砂砾石、风化岩石、爆破块石的开挖2.闸坝基础人工开挖
闸坝基础开挖中，应特别注意做好排水工作。在安排施工程序时，应先挖出排水沟，然后再分层下挖。临近设计
高程时，应留出0.2～0.3m的保护层暂不开挖（20案例），待上部结构施工时，再予以挖除。
3.1.3 石方开挖技术
1.开挖方法
孔径＜75mm、深度＜5m；
浅孔爆破 优点：能均匀破碎介质，设备、操作简单，可适应各种地形条件；
缺点：钻孔工作量大，生产率较低
钻孔爆破
孔径＞75mm，深度＞5m，是大型基坑开挖和大型采石场开采的主要方法
深孔爆破 优点：钻孔工作量小，单位耗药量低，劳动生产率高；
缺点：设备复杂，设备费高
洞室爆破（大爆破） 一次爆破方量大，爆破效率高；分为松动爆破、抛掷爆破、定向爆破
预裂炮孔在主爆区爆破之前先行爆破，防止或减弱爆破震动向开挖轮廓以外
预裂爆破
岩体的传播。
控制爆破
光面爆破 光面炮孔在主爆区爆破之后爆破，获得一个平整的开挖壁面。
2.基础开挖
1）基础保护层厚度
由于爆破不可避免地对保留岩体产生损伤，形成爆破损伤影响区，故在建基面（与水工建筑物直接相连的基岩面）
以上应留有一定厚度的基础保护层。
表3.1-5 基础保护层厚度
岩体特性 完整和坚硬的岩体 较完整、较破碎和较坚硬的岩体 破碎和较软的岩体
H/D 25 30 40
注：H为基础保护层厚度，D为台阶爆破孔底部的装药直径。
2保护层分层爆破开挖分层 爆破孔孔底距水平建基面的距离 药卷直径 爆破方法
第一层 不应小于1.5m 小于40mm 浅孔台阶爆破法
①完整（较）、坚硬（较）较破碎的岩体，不宜小于0.5m
第二层 不应大于32mm 单孔起爆方法
②破碎（极）、软岩（较、极），不宜小于0.7m
①爆破孔不应穿过水平建基面
第三层 不应大于32mm 单孔起爆方法
②不应穿入距0.2m的范围内，剩余0.2m应进行撬挖
4.爆破有害效应控制
（1）工程爆破安全距离是由爆破振动和飞石控制。
（2）飞石安全距离
爆破方法 最小安全允许距离（m）
浅孔爆破法破大块 300
浅孔台阶爆破 200（复杂地质条件下或未形成台阶工作面时不小于300）
深孔台阶爆破 按设计，但不小于200
洞（硐）室爆破 按设计，但不小于300
（3）爆破有害效应的控制
合理选择爆破参数、装药量和装药结构；
在爆源上控制 采用深孔微差爆破；
合理布置最小抵抗线方向
采用预裂爆破；
在传播途径上控制 开挖减振槽；
对临空面进行覆盖；设立防波屏
在保护对象上防护 防震沟、防护屏以及表面覆盖
在管理措施上控制 对作业人员进行安全教育和培训，严格执行有关规章制度和作业规程3.1.4 锚固技术
3.地下洞室的锚固
1）锚杆支护
根据围岩变形和破坏的特性，从发挥锚杆不同作用的角度考虑，锚杆在洞室的布置有局部（随机）锚杆和系统锚
杆。（20多选）
目前在工程中采用的锚杆形式很多，按作用原理来划分，主要有全长粘结性锚杆、端头锚固形锚杆、摩擦型锚杆、
预应力锚杆和自钻式注浆锚杆。（23案例）
3.1.5 地下工程施工
1.规模分类
1）按照倾角划分
类型 倾角
平洞 ≤6°
斜井 缓斜井 ＞6°，≤48°（23案例）斜井 ＞48°，＜75°
竖井 ≥75°
2）按断面规模大小
规模分类 洞室断面积A（㎡） 跨度B（m）
特小断面 ≤10 ≤3
小断面 10＜A≤25 3＜B≤5（23案例）
中断面 25＜A≤100 5＜B≤10
大断面 100＜A≤225 10＜B≤15
特大断面 ＞225 ＞15
地下建筑物开挖不宜欠挖，平均径向超挖值，平洞应不大于20cm，缓斜井、斜井和竖井应不大于25cm。
3.平洞开挖
下列情况可采用预先贯通导洞法施工：
（1）地质条件复杂，需进一步查清；
（2）为解决排水或降低地下水位；
（3）改善通风和优化交通。
开挖循环进尺应根据围岩情况、断面大小和支护能力、监测结果等条件进行控制，在IV类围岩中一般控制在2m以
内（23案例），在V类围岩中一般控制在1m以内。
5.掘进机开挖
地下工程施工，符合下列情况时，可研究选用掘进机施工的合理性：
（1）圆形断面，洞径3～12m，洞线比较顺直，洞长超过5km，开挖施工支洞及竖井困难或不经济。
（2）围岩类别为嘥～嘨类，岩体构造均匀，物理力学指标适中，岩溶不发育，断层破碎带较少，围岩变形小。
（3）岩石单轴抗压强度在30～200MPa。
（4）地下涌水量较小。3.2 土石坝施工技术
3.2.1 土石坝施工机械的配置
3.2.2 土石坝填筑的施工碾压试验
3.2.3 土石坝填筑的施工方法
3.2.4 土石坝的施工质量控制
3.2.2 土石坝填筑的施工碾压试验
1.压实机械
羊脚碾、气胎碾（21单选）
静压碾压
作用力是静压力，大小不随时间变化
夯板、强夯机
夯击
作用力为瞬时动力，大小随时间和落高而变化
振动碾压 作用力为周期性的重复动力，大小随时间呈周期性变化2.土料填筑标准（22案例、23案例、24案例）
（1）黏性土：压实度和最优含水率
①1级、2级坝和高坝的压实度应为98%～100%（设计地震烈度为8度、9度的地区取大值）；
②3级中低坝及3级以下的中坝压实度应为96%～98%
（2）非黏性土：相对密度。砂砾石不应低于0.75，砂不应低于0.7，，反滤料宜为0.7。
补充理解：
（1）干密度ρd=湿密度ρww÷（1+含水率 ）。
（2）压实度=（现场干密度/最大干密度）×100%。
3.压实参数的确定
碾压机具的重量、含水量、碾压遍数及铺土厚度；对于振动碾还应包括振动频率及行走速
压实参数
率黏性土：铺土厚度、压实遍数、最优含水量、干密度
碾压关系曲线参数
非黏性土：铺土厚度、压实遍数、干密度ρ
d
补充理解：土由可塑状态转为半固体状态时的界限含水量为塑性下限，称为塑限。
（3）以单位压实遍数的压实厚度最大者为最经济合理。
3.2.3 土石坝填筑的施工方法
1.土石坝施工作业划分
作业名
内容 目的
称
准备作 “四通一平”（通车、通水、通电、通信、平整场地）、修建生产/生
创造主体工程开始施工条件
业 活/办公用房、排水清基
基本作
料场土石料开采，挖、装、运 坝体填筑相关
业辅助作 清除施工场地及料场的覆盖，从上坝土料中剔除超径石块、杂物，坝
创造良好工作条件
业 面排水、层间刨毛和加水等
附加作 保证坝体长期安全运行的防
坝坡修整，铺砌护面块石及铺植草皮
业 护及修整工作
坝面作
卸料、铺料、整平、洒水、压实、质量检验
业
2.坝料开采
1）土料开采
开采方式 立面开采 平面开采
料场条件 土层较厚，料层分布不均 地形平坦，适应薄层开挖
含水率 损失小 损失大，适用于有降低含水率要求的土料
冬期施工 土温散失小 土温易散失，不宜在负温下施工
雨期施工 不利因素影响小 不利因素影响大
适用机械 正铲、反铲、装载机 推土机、铲运机或推土机配合装载机
3.坝面作业的基本要求
根据施工方法、施工条件及土石料性质的不同，坝面作业施工程序包括卸料、铺料、整平、洒水、压实、质量检
验等工序。
1.卸料方法：
（1）进占法：减轻推土机的摊平工作量，加快堆石填筑速度；料物稍有分离，轮胎磨损较严重；
卸料
（2）后退法：减轻轮胎磨损、料物分离小；推土机摊平工作量大，影响施工进度；
（3）混合法：压实层厚度大时采用；先用后退法卸料呈分散堆状，再用进占法卸料铺平1.平行坝轴线进行；
2.铺土厚度要匀，超径不合格的料块应打碎，杂物应剔除；3.防渗体内铺料，宜用进占法倒退铺土；
铺料
4.汽车穿越反滤层进入防渗体，容易将反滤料带入防渗体内，造成防渗土料与反滤料混杂，影响坝体质
量
整平 按设计厚度铺料整平是保证压实质量的关键
1.黏性土料主要应在料场加水，若需在坝面加水，应力求“少、勤、匀”；
洒水 2.非黏性土料加水工作主要在坝面进行；
3.石渣料和砂砾料压实前应充分加水，确保压实质量1.进退错距法：错距宽度b=碾滚净宽B/设计碾压遍数n
操作简便，碾压、铺土和质检等工序协调，便于分段流水作业，压实质量容易保证；
压实
2.圈转套压法：适合于多碾滚组合碾压
优点是生产效率较高，缺点是易超压、产生剪力破坏（转弯半径小）、易漏压
刨毛 汽车上坝或光面压实机具压实的土层，应刨毛处理，以利于层间结合。通常刨毛深度为3～5cm
4.结合部位施工
结合部位 处理要求
层与层之间分段接头错开一定距离
分段接头 分段条带平行坝轴线布置分段间
接坡坡比一般缓于1：3
结合部位 处理要求土砂结合部 土砂平起土砂结合部用气胎碾（或夯实机具）压实先夯土边一侧，再夯反滤料。不得交替夯实
结合部位 处理要求
坝身与混凝土结构 冲洗结合面污物→洒水湿润→刷浆（5mm、浓黏性浆、水泥黏性浆、水泥砂浆）→填土（对
物的连接部位 称均衡）→压实（对称均衡、0.5m范围内小型机械夯或人工夯实）
结合部位 处理要求
基础部位的填土，薄层、轻碾、2m以上才可以使用重型压实机械
黏性土、砾质土坝基：含水量调节至上限→压实→刨毛→坝体填筑压实
坝基结合面
非黏性土地基：压实→铺第一层土料→含水量调节至上限→压实
岩基：整平，封闭节理、裂隙
3.2.4 土石坝的施工质量控制
1.料场的质量检查和控制
（1）检查内容：土质情况、土块大小、杂质含量、含水量。（2）含水量检查办法：乬手检乭、含水量测定仪；
（3）含水量检查结果处理
①偏高：改善料场的排水条件，采取防雨措施；翻晒；轮换掌子面；机械烘干法烘干；
②偏低：黏性土料在料场加水（分块灌水、轮换取土或采用喷灌机喷洒），非黏性土料在坝面喷洒加水；
③不均匀：堆筑乬土牛乭（大土堆）。
2.坝面的质量检查和控制
检查项目 检查内容 检查方式
含水量 含水量测定仪
黏性土 黏性土：200～500cm³的环刀
（铺土厚度、土块大小、含水量、干密度）（ 24案例） 砂：500cm³的环刀
干密度
砾质土、砂砾料、反滤料：灌水法、灌砂法
堆石、架空：灌水法
检查项目 检查内容 检查方式排水反滤层：每层在25m×25m的面积内取
样1～2个
反滤层检查
反滤层、过渡层、坝壳
（厚度、是否有杂物、填
（控制压实参数） 条形反滤层：每隔50m设一取样断面，每个
料质量、颗粒级配）
取样断面每层取样不得少于4个
上坝石料
（质量、风化程度、石块的重量、尺寸、 级配、孔隙率大小 分层埋设沉降管，定期观测
形状、堆筑过程有无离析架空现象发生）
3.3 混凝土面板堆石坝施工技术
3.3.1 面板堆石坝结构布置
3.3.2 坝体填筑施工
3.3.3 面板及趾板施工
3.3.1 面板堆石坝结构布置
1.堆石材料的质量要求
（1）主要部位石料的抗压强度不应低于78MPa，当石料的抗压强度只有49～59MPa时，只能布置在坝体的次要部
位。
（2）石料硬度不应低于莫氏硬度表中的第三级，其韧性不应低于2kg·m/cm۶。
（3）石料的天然重度不应低于22kN/m۶，石料的重度越大，堆石体的稳定性越好。
（4）石料应具有抗风化能力，其软化系数水上不低于0.8，水下不低于0.85。
（5）堆石体碾压后应有较大的密实度和内摩擦角，且具有一定渗透能力。
2.堆石坝坝体分区（22年单选）
1A—上游铺盖区；
1B-压重区；2—垫层区；3A—过渡区；3B—主堆石区；3C—下游堆石区；4—主堆石区和下游堆石区的可变界限；5—下游护坡；6—混凝土面板
分区 作用
垫层区 为面板提供平整、密实的基础，传递水压力，辅助渗流控制
过渡区 保护垫层区在高水头作用下不产生破坏
主堆石区 承受水荷载的主要支撑体
下游堆石区 保护主堆石体及下游边坡的稳定
3.3.2 坝体填筑施工
1.填筑工艺（24案例）
（1）垫层料的摊铺多用后退法。
（2）坝体堆石料碾压应采用振动平碾，其工作质量不小于10t。高坝宜采用重型振动碾，振动碾行进速度宜小于
3km/h。碾压应采用错距法，按坝料分区、分段进行，各碾压段之间的搭接不应小于1.0m。
（3）压实过程中，有时表层块石有失稳现象。为改善垫层料碾压质量，采用斜坡碾压与砂浆固坡相结合的施工
方法。
2.堆石坝的压实参数和施工质量控制
压实参数 碾重、行车速率、铺料厚度、加水量、碾压遍数
1.控制碾压参数（为主）和干密度（孔隙率）等参数；
2.坝料压实检查项目：
（1）垫层料、过渡料：干密度、颗粒级配；
（2）砂砾料：干密度、颗粒级配、相对密度；
坝料压实质量控制 （3）堆石料：干密度、颗粒级配、孔隙率
3.检查方法
（1）压实干密度检测方法，宜采用挖坑灌水（砂）法。垫层料也可用核子密度仪法；
（2）试坑直径：垫层料不小于最大料径的4倍，过渡料3～4倍，堆石料2～3倍；
（3）试坑深度为碾压层厚3.3.3 面板及趾板施工
1.钢筋混凝土面板的施工（23案例）
面板分块→垂直缝砂浆条铺设（一般宽50cm乯仺铺设止水→架立侧模仺架立钢筋→混凝土浇筑（滑模浇筑）仺养
护乮憪戃曐壏丆喷悈曐幖丆连续养护，直到蓄水为止，或至少90d）。
3.接缝止水施工
（1）铜止水带的连接宜采用对缝焊接或搭接焊接，焊缝处的抗拉强度不应小于母材抗拉强度的70%。
（2）对缝焊接应用单面双道焊缝；搭接焊接宜双面焊接，搭接长度应大于20mm。铜止水带宜用黄铜焊条焊接。
（3）抽样应用煤油等做渗透检验。
