水利水电工程施工组织与施工方案确定

项目三　施工方案的确定

一、土石方明挖施工方案：

1.施工程序：

土石方明挖施工过程比较单一，即开挖、装车、运输。对于大范围的开挖（如坝基开挖）应首先根据施工特性和施工要求安排施工区（段），然后安排各区（段）的开挖施工顺序，施工顺序的安排可以按以下原则进行。

（1）工种多需要较长施工时间的区（段）应尽早施工；工种少，施工简单，又不影响整个工程或某部分完工日期的区（段）可滞后施工。

（2）工种不多但对整个工程或部位起控作用的区（段），或施工时将给主要区（段）带来干扰，甚至损害，这样的区（段）应先期施工，如峡谷地区大坝的岸坡开挖。

（3）本身不是主要区（段），但它先施工可给整个工程或主要区（段）创造便利条件，或具有明显经济效益的区（段），也应尽早施工或一部分尽早施工。

（4）对其他部分或区（段）无大的影响，又不控制工期的区（段），应作为调节施工强度的区（段），安排于两个高峰之间的低强度时期施工。

（5）各区（段）的施工程序应与整个施工要求一致，与施工导流及施工总进度符合。

2.开挖施工方法

（1）应考虑的几个因素

在确定施工方法和选定施工机械时，必须依据施工条件、施工要求和经济效果，进行综合考虑，具体考虑以下主要因素。

①土质情况。依据土质坚硬和地下含水情况，选择施工开挖方法和机械。

②施工地区的地势地形情况和气候条件，距重要建筑物或居民区的远近。以此确定开挖的过程是否需要支护或防护。

③工程情况。工程规模大小，工程数量，施工强度，工作场面大小，施工期长短等。

④道路交通条件。修建道路的难易程度，运输距离远近。

⑤工程质量要求。有些部位的开挖质量要求严格，如电站坝基等基础开挖，填筑应严格控制质量，对一般场地平整的挖填有时无质量要求，这对采用方法的技术要求至关重要。

⑥机械设备。根据确定的施工方法和工程规模大小，施工强度的高低，选用相关的机械（即不同规格类型的钻孔机械、挖装机械等），同时应兼顾机械的供应或取得的难易程度，以及机械的可靠程度。

⑦经济指标。当几个方案或施工方法均能满足施工要求时，一般应以完成工程施工所需费用低者为最好。有时，为了争取提前发电，经过经济比较后，也可选用工期短，费用较高的施工方案。

（2）不同部位开挖方法的特点

施工对象的不同，施工的要求不同，其施工方法的特点就不同。

①建筑物基地开挖。如坝闸、电站放水塔等基础开挖的共同特点是：要符合建筑物要求的形态，对开挖边界线外保留的岩体不允许破坏其天然结构。对于土基开挖，一般多采用机械直接开挖的方法进行；对于石方开挖，主要是钻爆开挖方法，在施工组织设计中应进行钻爆设计（可参考施工技术内容）。河床开挖的特点是地形较平坦，施工较方便，施工时间短，强度较大；岸坡开挖，特别是山区、高坝的岸坡，其开挖高度大，施工条件差，技术复杂，故一般多在施工的前期开挖。

②河床开挖。对于土方开挖可在基坑抽水之后，根据土壤性质采用不同的挖掘机械进行。对于岩石开挖，可采用预裂爆破控制壁面，设保护层或无保护层的一次爆破开挖方法。

③岸坡开挖。可采用分层开挖或深孔开挖或辐射开挖等三类不同的方法。技术的难易不同，适用的条件和获得的效果均有差异，可参考有关施工技术内容。出渣方式，有道路出渣法、竖井出渣法，由下而上分层开挖法。

④高边坡开挖。应按照相应的原则进行，为了保持高边坡稳定，应采用微爆破技术，严格控制最大单段药量。

⑤渠道开挖。依据土壤性质，渠道断面大小可采用各种方法，一般岩石渠道用钻孔松动爆破，松动后再用挖掘机、装载机或反铲挖取渣装车运走，边坡可采用预裂爆破控制。

二、地下工程开挖

地下工程一般系指在岩土地下修建建筑物，地下工程开挖施工，受到工程地质、水文地质、水工结构特征和施工条件的制约。开挖方法应根据不同地质条件，有钻孔爆破法和机械开挖法、盾构法等。

地下工程开挖施工方案的选择主要体现在施工方法和机械的选择方面。

1.钻爆法开挖

采用钻爆法开挖的一般施工顺序为放线、钻孔、清孔装药联线，起爆、排烟、危石清理，支护等工序，但在特殊的不良地质地段，可采取超前支护，灌浆加固，反拱支撑法，地下水堵排法等非常规的工序过程。

（1）对于平洞开挖有全断面开挖、台阶法开挖、导洞法开挖，所以对于大断面隧洞还涉及断面的分区以及各区开挖的顺序问题，这在方案选择中都是要明确的。

（2）对于竖井及斜井开挖。无论哪种类型的竖井（有门井、高压管道井、通风井，井水口竖井及施工竖井），其方法按开挖顺序有自上而下开挖，全断面开挖，自下而上开挖，对大中断面竖井开挖，可针对不同坡度采取自上而下或自下而上的分段钻孔爆破法，采用斗车箕斗出渣或导井留渣从底部出渣。

（3）对于地下厂房开挖，由于地下厂房的构成复杂，有主厂房引水洞、高压管道、尾水洞、副厂房、主变室出线电缆洞、调压室、交通洞、通风洞等洞群组成。洞群相互平行交叉，施工技术复杂，开挖、支护、衬砌、安装平行交叉作业。因此在考虑施工方法时要统筹兼顾，根据围岩稳定状况，交通运输方式及支护方式等条件综合分析确定。厂房开挖的方法主要反映在各厂房断面各部位的顺序方面。一般情况下，先开挖和衬砌顶拱，即顶拱支撑法，但当地质条件较差的区段，可采用核心支撑法，先开挖两侧，浇砼边墙，然后开挖衬砌顶拱，再挖除厂房中间岩体，而中间岩体多采用深孔梯段爆破，台阶开挖顶拱部分采用分部开挖，其方法有三种：①先开挖中部，然后两侧分部开挖，一般在顶拱开挖完毕，再进行砼衬砌。②先开挖两侧，然后扩挖中部，可分部进行砼衬砌，先衬砌两侧，后衬砌中间拱部。③肋拱法。

（4）关于开挖中的机械：机械选用是编制开挖施工方案的主要内容之一，涉及钻孔、出渣、运输、装渣、通风等机械，最主要的还是钻孔机械的选用。近20年来，钻孔机械发展迅速，特别是液压凿岩台车，已得到普及。我国除小型隧洞仍采用手风钻钻孔开挖外，大中型隧洞一般主要已采用液压凿岩台车钻孔，凿岩台车有不同的型号（有两臂钻、四臂钻），可用于不同断面大小的隧洞开挖。

【示例3－1】隔河岩导流隧洞进水渐变段开挖断面尺寸为22 m×21 m，穿过地层为上峰尖组灰岩、白云岩及泥灰岩互层，抗压强度30～60 Mpa，其中薄层互状泥灰岩性状较差，软弱易风化。根据理论分析，如果采用全跨度一次开挖，顶拱围岩松动范围大于7.0 m，支护难度大且不经济。经研究确定采用先开挖中槽，浇筑钢筋混凝土中墩。然后在中墩的支撑保护下，逐步进行两侧拱顶扩挖、顶拱混凝土衬砌、边下部扩挖、边墙“马口”开挖和衬砌、底板混凝土衬砌。施工程序如图3－4所示。

图3－4　隔河岩导流隧洞进水口施工程序图

图3－5　隔河岩导流隧洞页岩段施工程序图

出口段开挖断面尺寸17 m×19.5 m，地层为石牌页岩，其中风化岩层抗压强度小于5 Mpa，新鲜岩层抗压强度为5～20 Mpa，开挖分三层施工，高度均为6.5 m。顶部施工先开挖导洞，导洞断面尺寸新鲜页岩段为4 m×6 m，风化页岩段为3 m×2 m。导洞临时支护采用锚、喷和钢支撑。然后扩挖，并紧跟钢支撑和钢筋混凝土衬砌。中、下部采用先开挖中槽，留两侧岩体支撑钢筋混凝土拱，然后用“马口”法施工。即先间隔开挖槽口，利用相邻岩体支撑顶部混凝土拱，然后浇筑槽口的钢筋混凝土边墙，利用相邻的已浇边墙或未开挖岩体，支撑顶拱，再开挖槽口并浇筑钢筋混凝土边墙，直至全部完成。施工程序如图3－5所示。

【示例3－2】小浪底电站导流隧洞为圆形断面，衬砌后内径为14.5 m，穿过地层为砂岩、泥岩，砂岩为主，节理裂隙发育。分两层开挖，顶部又分三部开挖，先开挖中部宽8.0 m，然后两侧扩挖，均紧跟锚、喷支护。在顶中部开挖穿过大断层破碎带时，洞顶发生较大规模塌方，为此，采用先从地表钻孔用砂浆回填塌方，然后从两侧开挖导洞，最后开挖中部的方法处理。导洞和中部开挖均采用密集超前锚杆、钢支撑和强锚喷支护措施支撑围岩和松散塌方体。

2.其他方法

除钻爆法以外，还有针对软土层或流沙地带采取的盾构方法，还有适应各类围岩的掘进机开挖。

三、碾压式土石坝施工方案选择

填筑坝体的施工过程包括运输、卸料、铺料、压实、检查等工序。对不同部位又分为沙砾料填筑、防渗体填筑、过渡反滤体垫层、护坡等施工过程。其方案选择就是针对各个施工过程所采取的方法的选择，另外方案还应包括在坝面上这些作业过程的组织形式，区段的划分及各作业过程在各区段上的施工顺序，在纵向断面上分块及各分块的填筑在时间上的顺序安排（如图3－6），进行机械设备的选择。

（1）大体积沙砾料施工方法包括卸料和铺料的方法，填料加水方法，坝体压实的参数选择和压实机械的运行方式，坝体分块填筑，纵横缝处理及岸坡结合部位的压实处理。

（2）防渗心墙与沙砾料的施工过程和填筑方法，因填筑料的不同是有一定差异的，在方案选择中应予注意。

（3）坝体分期分块填筑方案应与导流、拦洪、度汛设计相结合（见图3－6），在总组织设计中已作讨论。在单位工程施工组织设计中，重点应放在施工过程的划分和施工方法的选择以及组织方式上。

图3－6　天生桥一级水电站坝体填筑分期示意图（单位：m）

（4）土石坝施工机械设备选择应使所选机械的技术性能适应工作的要求，施工对象的性质和施工场地的特征，能充分发挥机械效率，保证施工质量。所选施工机械应技术先进，生产效率高，操作灵活，机动性高，安全可靠，结构简单，易于检修保养，类型比较单一，通用性好，工艺流程中各工序所用机械应配套，设备购置费和运行费用较低，经济效果好。

土石坝施工中土料开挖、运输、填筑过程中常用的机械设备有正铲、反铲、装载机、拉铲、采砂船、推土机、铲运机、自卸车、带式运输机、拖式及自行式振动碾、平地机、小型振动碾、激光导向反铲摊铺机设备，具体各类机械的性能及选择在施工技术中有详细讨论。

【示例3－3】黑河挡水坝心墙填筑施工组织设计中施工方案选择

（1）施工方法：心墙土料和反滤过渡带及临近心墙区一定宽度范围的坝壳卵石料平起同步填筑，不同料的接触带用震动平碾交错骑缝碾压，心墙土料的过渡带砂体采用先砂后土法施工。

心墙土料和反滤过渡带及上游临近坝壳砂卵石料平起同步填筑，一个填筑循环步骤为：

①测量放样出心墙边线及相关坝料填筑界限。

②铺填厚度相当于两层松土层的反滤砂及混合过渡料（混合过渡料也可在铺土时铺填），其宽度应符合要求。

③铺土前的准备应包括修筑卸土进料路口，铺土区内废土清理，土石交界边缘区的整理清扫，铺土区混凝土板面刷泥浆（厚3～5 mm配合比，土∶水＝1∶2.5），填土面洒水及刨毛（先洒水后刨毛）。

④进占法铺土平土（按填筑作业指导书要求操作，实际工程中制定的《技术指导书》）。

⑤土料碾压（按填筑作业指导书操作）。

⑥质检（采用核子密度仪现场测定密度，及时对不合格部位进行补压或局部处理），整理反滤砂（包括校线，局部清理“象牙土”，填补砂和整理边界）。

⑦重复第③、④、⑤、⑥条的做法进行第二、三层土料填压。

⑧反滤过渡带碾压按作业指导书操作，土砂交界区骑缝碾压。

⑨按第②条的做法铺填反滤料及两侧坝壳处砂卵石料（砂卵石料亦可在后边铺土时铺填）。

瑏瑠重复第③、④、⑤、⑥各条做法两遍，使土料填压厚度达到坝壳一次的填压厚度，紧接着按第⑧条做法碾压反滤带，并按坝壳料作业指导书的要求，碾压心墙上下游近区同步平起铺填的坝壳砂卵石料。

（2）机械选择（按作业队配置）(www.xing528.com)

①土料制备及运输作业队配置机械有320 HP推土机2台；1.0 m₃反铲一台；6 m₃、3 m₃装载机各一台；20 t自卸汽车12辆。

②心墙土料填压作业队的配置机械有：220 HP推土机两台，140 HP推土机一台；1.5 m₃反铲一台；180 HP平机地一台；17.5 t凸块振动碾两台；25～35 t拖式气胎碾两台；3 m₃装载机一台；5 t自卸汽车一台；3 kW蛙式打夯机30台。

③反滤料及心墙近区坝壳铺填作业队配置机械（略）。

（3）填筑作业区划分：土料心墙，反滤料及临近坝壳砂、卵石料填压，应一并考虑分区，如图3－7。

图3－7　心墙大面积填筑作业区划分及道路示意图

（4）坝面作业组织方式：土料心墙作业，组织成流水作业方式，上下游坝壳料与心墙平行作业。

四、混凝土面板坝施工方案选择

对于面板坝，就结构自身有三个典型的分区，即土料铺盖区、半透水料垫层区、主堆石区。面板坝施工程序为：岸坡坝基开挖清理，趾板基础开挖，趾坡混凝土浇筑。截流后河床坝基开挖，趾坡开挖和趾板浇筑，基础灌浆，分期分块填筑主堆石料，垫层须与部分主堆石平起上升，填至分期高度时用滑模浇筑面板，并同时填筑下期坝体，再浇筑面板直至坝顶。

由于各区的填筑要求不同，这样就形成区间填筑的施工过程。

垫层料的填筑包括修整、压实及防护处理。其中压实不但存在水平压实而且还须进行斜面压实。

趾板的施工程序为：

①清理工作面，测量放线。

②锚杆施工。

③立模，安装止水。

④架设钢筋预埋件。

⑤冲洗仓面，开仓检查。

⑥浇筑混凝土，养护。趾板浇筑方法有滑动模板，或常规模板。

面板混凝土浇筑施工包括模板安装，混凝土输送，钢筋制作及安装，金属止水片成型安装等过程。

面板浇筑方法多采用滑模（分有轨滑模，无轨滑模）。起始板（起浮不规则的底部）可采用常规模板。

机械设备配置，在坝体水平面上的作业机械与一般碾压式土石坝类似；斜坡面压实采用小型振动碾和牵引卷扬机或夯板；混凝土浇筑重点为斜面混凝土入仓输送机械和设备，可以用溜槽。

五、基础处理施工方案选择

基础处理的工程措施较多，如开挖回填、灌浆，防渗墙、桩基，预应力锚固等不同的工程措施。不同的工程措施，其施工过程不同，施工采取的方法和机械设备不同。

灌浆施工过程包括：定线、钻孔、清孔、压水试验、灌浆、封孔等。施工方案选择时首先从总体进行区域（或段）的划分，并确定施灌的顺序。

灌浆施工方法根据不同的类型的灌浆有所不同，固结灌浆分有压重和无压重两种，帷幕灌一般采取孔内分段进行，按孔段的施灌顺序有自上而下、自下而上、综合法和小口径孔口封闭的高压灌浆方法。

灌浆机械应根据灌浆要求确定。可参考有关施工要求。

六、混凝土施工方案的选择

混凝土工程设施类型很多，如混凝土挡水坝，各种形式的放水塔、水闸、隧洞衬砌，水电站混凝土结构等。这些建筑物的结构及构造形式不同，但无论何种类型的混凝土构筑物，其施工方案均包含混凝土筑块的划分及浇筑顺序安排，混凝土的浇筑捣养护方案、机械选型方案、混凝土拌和运输方式、模板工程及构件运输方案，接缝灌浆方案等内容。

在选择方案时应综合考虑如下因素：

（1）水工建筑物的结构及规模，工程量与浇筑部位的分布情况，施工分缝特点。

（2）按总进度拟定的各施工阶段的控制性浇筑进度及强度要求。

（3）施工现场的地形、地质和水文特点，导流方式及分期。

（4）混凝土搅拌楼的布置和生产能力。

（5）混凝土运输设备的形式、性能和生产能力。

（6）模板、钢筋、构件的运输、安装方案。

（7）施工队伍的技术水平，熟练程度和设备状况。

从混凝土运输浇筑角度看，建筑物的高度、体积（工程量）、场面大小和环境状况是决定混凝土施工方案的重要因素。对于高度大（50 m以上）、工程规模大，垂直运输占主要地位，常以缆机（用中高坝中）、塔机为主要方案，而以履带式起重机及其他较小型机械设备为辅助措施，对于高度小（50 m以下），如低坝、水闸、护坦、厂房等可用门机、塔机和履带式起重机等作为主要方案，一般不设栈桥（针对坝体）。

整体施工过程的安排，一般按分缝分块单元划分，也可以按单元内的工序过程划分（即准备、铺料、平仓、振捣、养护）。每种类型的构筑物，各自都有不同的分缝分块要求和形式，如图3－8所示常见的几个建筑物的分缝分块方式。

分缝分块形式不同，施工过程及顺序的安排就有所不同，总体上施工程序应按划分的施工过程遵循由下向上，由低至高，先主体后围护，先结构后装饰的原则。

图3－8　混凝土分块示意图　a.隧洞衬砌分块 b.放水塔混凝土分层分块图

浇筑机械的布置方式与机械的选择配备有密切关系，也属于方案内容。

对于缆机根据控制的范围大小和强度有平移式，辐射式、平移与辐射混合布置。平移式缆机可同塔机错开布置或高低平台错开布置。

对于门塔机有坝外、坝内栈桥和蹲块三种布置形式。

对于其他浇筑机械，如汽车吊、胶带机、履带机、混凝土泵机比较灵活，就胶带机的选择，根据控制的仓位大小可设为固定式或移动式，履带式多在高度不大的水闸，消能工程及坝体基础部位使用。

对于水电站厂房，就整体分为下部结构（包括尾水管、锥管、蜗壳、大的孔洞结构和大体积钢筋混凝土结构）及上部结构（由钢筋混凝土板、柱、梁组成）。在安排施工方案时应结合闸坝工程方案及布置统一考虑。门式和塔式起重机通常都布置在厂房上下游，沿厂房轴线方向移动，一般不设栈桥，后期视需要将门机移到尾水平台或厂坝之间。履带起重机可作为辅助机械，浇筑厂房下部及电站进水渠、尾水渠等板状结构物，对于起重机浇筑不到的部位也可采用胶带机械或混凝土泵进行施工。

对于大体积混凝土一般有温控要求，在拟订施工方案时，应明确分缝分块浇筑方法，按照分缝分块的具体方式、大小和厚度要求对全部浇筑体进行横断面与纵向的分区分块划分，并排列它们的浇筑顺序，在浇筑过程中及浇筑之后，有温控措施要求的，必然会增加施工环节，如浇筑后采用人工冷却或自然冷却都会存在冷却时间过程，所以在拟订方案时也应注意。对于混凝土浇筑中发生时间消耗的温控过程均应在方案中予以考虑。

对于结构较为复杂的厂房混凝土，在拟定方案时，其施工程序一般按基础填塘、弯管段和扩散段、底板、尾水弯管段、尾水扩散段、蜗壳侧墙、厂房上下游墙、厂房屋顶、二期混凝土、机组安装、厂房装修等几个施工区（块）和部分进行。这里应说明的问题是土建与安装是作为两种类型的工程对待，单位工程施工组织设计是分别编制的，但在编制时应互相照应，互相协调。

七、施工方案比较

每一施工过程可以采用不同的施工方法和施工机械来完成，确定施工方案时，应当根据现有的或可能获得的机械的实际情况，首先拟定几个技术上可能的方案，然后从技术和经济方面进行互相比较，从中选出最合理的方案，使技术上的可行性同经济上的合理性统一起来。各类型单位工程施工方案的比较项目和内容有所不同，但总体上应注意进行以下几项比较。

1.施工工期比较

施工工期按下式计算

式中　Q——工程量

　　　V——单位时间内计划完成的工程量

2.降低成本率

降低成本指标可以综合反映采用不同施工方案时的经济效果，一般采用降低成本率_γc。

式中　c₀——合同价

　　　c——所采用施工方案的计划成本。

3.劳动消耗量

劳动消耗量可以反映施工机械化程度与劳动生产率水平。劳动消耗量N包括主要工种用工（n₁），辅助工作用工（n₂）以及准备工作用工（n₃），即

劳动消耗量的单位为工日，有时也可用单位产品劳动消耗量（工日/m₃，工日/t）来计算。

4.投资效益

选择的施工方案如需增加新的投资，则应考虑增加的投资额，并进行投资效益比较（如相对投资回收期，年度费用投资额收益率）。