一、土方工程施工
在水利工程建筑中，土方工程施工应用非常广泛。有些水工建筑物，如土坝、土堤、土渠等，几乎全部是土方工程。我国80%的大型水库是土石坝，小型水库95%以上是土石坝。土方工程的基本施工过程是开挖、运输和填筑，根据实际情况采用人工、机械、爆破或水力冲填等方法施工。
（一）土的工程分级
从广义的角度而言，土包括土质土和岩石两大类。由于开挖的难易程度不同，水利水电工程中沿用十六级分类法，通常把Ⅰ～Ⅳ级叫土，Ⅴ级以上的叫岩石。同一级土中各类土壤的特征有着很大的差异。例如坚硬黏土和含砾石黏土，前者含黏粒量（粒径＜0.005mm）在50%左右，而后者含砾石量在50%左右。它们虽都属Ⅳ级土，但颗粒组成不同，开挖方法有不尽相同。
实际工程中，对土壤的特性及外界条件应在分级的基础上，进行分析认真确定土的级别，土的级别不同，其开挖难度也不同，考虑的开挖方法和机械业不同，见表8-1。
表8-1 一般工程土壤分级表
（二）土方开挖方式
1.人工及半机械化开挖
这种方法一般是用来开挖土方、全风化岩石或靠近建基面的开挖。开挖强度低，用工量大，但是开挖质量有保证。
2.机械开挖
土方多采用机械开挖，用于土方开挖的机械有单斗挖掘机、多斗挖掘机、铲运机械等，用于场地开阔、方量大的土方及软弱岩石开挖，施工强度高、进度快、生产能力高。
3.水力开挖
利用高压水将土冲走。这种方法需要施工现场有充足水源且地形比较有利，所以用水量大、环保要求高。
（三）土方开挖机械
1.单斗挖掘机
单斗挖掘机是一种循环作业的施工机械，在土石方工程施工中最常见。单斗式挖掘机由工作装置、行驶装置和动力装置组成。按其行走机构的不同，可分为履带式和轮胎式；按其传动方式不同，可分机械传动和液压传动两种；按工作装置不同，可分为正向铲、反向铲、拉铲和抓铲等（图8-13）。
（1）正向铲挖掘机。正向铲挖掘机由推压和提升完成挖掘，开挖断面是弧形，特点是装车轻便、灵活、回转速度快、位移方便，适应能力强。最适于挖停机面以上的土方，开挖高度超过挖土机挖掘高度时，可采取分层开挖，装车外运（图8-14）。
由于稳定性好，铲土力大，可以挖各种土料及软岩、岩渣。它的特点是循环式开挖，由挖掘、回转、卸土、返回构成一个工作循环，生产率大小取决于铲斗大小和循环时间长短。正铲的斗容从5m3至几十立方米。
（2）反向铲挖掘机。反向铲挖掘机用来开挖停机面以下的土方，其最大挖土深度和经济合理深度随机型而定。反铲的斗容有0.5m3、1.0m3、1.6m3几种，目前最大斗容已超过3m3。
由于反铲挖掘机挖土时后退向下，强制切土，故其稳定性和挖掘力比正铲挖掘机差，只用来挖Ⅰ、Ⅱ级土，硬土要先进行预松；适用于小型基坑、基槽和管沟开挖，边坡开挖及坡面修整，部分水下开挖。
图8-13 单斗挖掘机
（a）机械式；（b）液压式
（1）正向铲；（2）反向；（3）拉铲；（4）抓铲
图8-14 正向铲挖掘机的作业方式
（a）正向挖土，后方卸土；（b）正向挖土，侧向卸土；（c）侧向挖土，侧向卸土
（3）拉铲挖掘机。拉铲挖掘机适宜于开挖停机以下的土石料，可用于挖掘Ⅰ～Ⅲ类土，最适用于水下土砂及含水量大的土方开挖，在大型渠道、基坑及水下砂卵石开挖中应用广泛（图8-15）。
开挖方式有沟端开挖和沟侧开挖两种，前者适用于开挖宽度和卸土半径较小的情况，后者用于开挖宽度大、卸土距离远时。
（4）抓铲挖掘机。抓铲挖掘机（图8-16）适用于开挖土质比较松软、施工面狭窄而深的基坑，深槽以及河床清淤等工程，最适宜于水下挖土，或用于装卸碎石、矿渣等松散材料，抓铲能在回转半径范围内开挖基坑中任何位置的土方。
图8-15 履带式拉铲挖土机
图8-16 履带式抓铲挖掘机
2.多斗式挖掘机
多斗式挖掘机是一种连续作业式挖掘机械，按构造不同，可分为链斗式和斗轮式两类（图8-17、图8-19）。链斗式是由传动机械带固定在传动链条上的土斗进行挖掘的，多用于挖掘河滩及水下砂砾料；斗轮式以固定在转动轮上的土斗进行挖掘的，多用于挖掘陆地上土料。
3.铲运机械
图8-17 链斗式采砂船示意图(https://www.daowen.com)
1—斗架升索；2—斗架；3—链斗；4—主动链轮；5—卸料漏斗；6—回轮盘：7—主机房；8—卷扬机；9—吊杆；10—皮带机；11—泄水槽；12—平衡水箱
图8-18 斗轮式挖掘机构造图（单位：mm）
1—斗轮；2—升降机构；3—操作室；4—中心料斗；5—送料皮带机；6—双槽卸料斗；7—动力系统；8—履带；9—转台；10—受料皮带机；11—斗轮臂
（1）装载机。装载机（图8-19）是一种挖运连续作业高效率的综合作业机械设备。主要用于铲取松散物并进行装、运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度的铲掘作业，并能用于清理。刮平场地、牵引作业。如更换工作装置，还可完成推土、挖土、起重（抓举）及卸载棒状物料等工作。
装载机按行走装置可分为轮胎式和履带式两种。轮胎式装载机（图8-20）与地面接触压力低、生产效率高、适应性强，因此被广泛使用；缺点是在潮湿的地面上作业时，易打滑，且轮胎价格昂贵、易磨损，适用于松散土、轻质土、基坑清淤以及无地下水影响的河渠开挖，也可用于较松软土体的表层剥离、地面平整、场地清理等工作，其运距不超过150m为宜。
图8-19 装载机
图8-20 CAT9920轮式装载机
（2）铲运机。铲运机（图8-21）是一种典型的铲土运输机械，铲斗能从地面薄层取土，并将土斗装满；铲斗装有车轮，便于将土运到较远处卸料；能在行驶中将土从斗中卸出，并铺成所需要的厚度，铲运机能独立完成铲土、运土、卸土和平土作业，对行驶道路要求低，操作灵活，运转方便，生产效率高。
图8-21 CLz自行式铲运机（单位：mm）
（3）推土机。推土机是以履带式拖拉机为原动机械，另加装有切土片的推土器而形成的一种铲土机械，既可薄层切土又能短距离推土，如图8-22所示。推土机主要用于平整场地、开挖宽浅渠道等，还可用于推平其他机械卸置的土堆，拖拉其他无动力的机械，推土机适用于推Ⅰ～Ⅲ类土，其距离宜在100m以内，运距30～50m时生产效率较高，挖深不宜大于1.5～2.0m。
图8-22 T180推土机（单位：mm）
（四）土料压实方法
土料不同，物理力学性质不同，在压实过程中要求作用的外力也不同，黏性土料凝聚力大，对含水量大小反应比较敏感，要求压实作用的外力能克服凝聚力，非黏性土凝聚力小，但内摩擦力相应较大，要求压实作用能克服颗粒间的内摩擦力。不同的压实机械设备产生的压实作用外力不同，大体可分为静压碾压、夯击和震动碾压等基本类型（图8-23）。
图8-23 土料压实作用外力示意图
（a）静压碾压；（b）夯击；（c）震动碾压
（五）压实机械
常用的压实机械如图8-24所示，碾压机具主要是靠沿土面滚动时碾滚本身重量，在短时间内对土体产生静荷重作用，使土粒互相移动而达到密实。
图8-24 土方压实机械（单位：mm）
（a）平碾；（b）肋碾；（c）羊脚碾；（d）气胎碾；（e）振动碾；（f）蛙夯
1—碾滚；2—机架；3—羊脚；4—充气轮胎；5—压重箱；6—主动轮；7—传动皮带；8—偏心块；9—夯头；10—扶手；11—电缆；12—电动机
1.平碾
平碾又称光面碾或光碾压路机，平碾的构造如图8-24（a）所示。一般平碾的重量（包括填料重）为5～12t，沿滚筒宽度的单宽压力为200～500N/cm，铺土厚度一般不超过20～25cm。平碾构造简单，易于制造，但平碾碾压质量差，效率低，较少采用。
2.肋碾
肋碾的构造如图8-24（b）所示，一般采用钢筋混凝土预制，肋碾单位面积的压力较平碾大，压实效果比平碾好，可减少土层的光面现象，用于黏性土的碾压。
3.羊脚碾
碾压滚筒表面设有交错排列的羊脚，羊脚底面积小，对土壤的单位压力大，羊脚碾的构造如图8-24（c）所示。羊脚碾适用于压实黏性土，对于非黏性土，由于插入土体中的羊脚使无黏性颗粒产生向上和侧向移动，会降低压实效果，所以不适用于压实非黏性土。
4.气胎碾
气胎碾是一种拖式碾压机械，分单轴和双轴两种，图8-24（d）所示是单轴气胎碾。单轴气胎碾的主要构造是由装载荷载的金属车厢和装载轴上的4～6个充气轮胎组成。碾压时在金属车厢内加载，将气胎充气至设计压力值。
5.振动碾
振动碾是一种振动和碾压相结合的压实机械，如图8-24（e）所示。它是由柴油机带动与机身相连的附有偏心块的轴旋转，致使碾滚产生高频振动。非黏性土料在振动作用下，土料间的内摩擦力迅速降低，细颗粒填入粗颗粒间的空隙，使土体密实。而对于黏性土，由于土粒比较均匀，在振动作用下，压实效果不如非黏性土。
6.蛙夯
蛙夯是由电动机带动偏心块旋转，在离心力的作用下使夯头上下跳动而夯击土层，如图8-24（f）所示。它既可用来压实黏性土，也可用来压实非黏性土。一般用于施工场地狭窄、碾压机械难以施工的部位。