水利工程施工中土石方工程的优化设计与施工方法

引言

水利工程，如大坝、堤防、渠道、水闸等，往往涉及大规模的地形改造，土石方工程是其核心组成部分，工程量巨大，施工条件复杂多变。土石方工程的质量不仅影响主体结构的安全稳定，还直接决定着整个水利工程的工期、投资效益以及对周边环境的影响。然而，传统的水利工程土石方设计与施工往往存在一些问题，如设计阶段对土石方平衡考虑不足导致大量弃方或外购土料，增加成本；施工方法单一，未能充分利用现代技术提高效率；对边坡稳定性、环境影响等关注不够周全等。因此，对水利工程施工中的土石方工程进行优化设计与施工方法的革新，具有重要的现实意义和学术价值。

、 水利工程土石方工程的特点与挑战

水利工程土石方工程以其工程量大、分布广泛的特点，贯穿于大坝、渠道、堤防等关键环节，涉及基础开挖、坝体填筑及衬砌等作业，作业面常呈分散状态。其地质条件复杂，常遭遇强风化层、软弱夹层及断层破碎带等不良地质状况，显著增加了开挖难度与边坡稳定风险。施工环境往往恶劣，多位于河流湖泊附近，易受洪水、降雨等自然因素影响，施工窗口期受限，且可能涉及复杂的水下作业。此外，土石方填筑的密实度、均匀性及开挖边坡的稳定性，均对工程主体结构安全构成直接影响，因此质量要求极高。这些固有特点交织形成了严峻挑战：成本控制难度大增，大量土石方外运或外购土料极易推高预算；复杂的地质与气候条件易导致工期延误，形成巨大压力；大规模开挖引发滑坡坍塌，高填方体若压实不足则可能产生不均匀沉降甚至失稳，安全风险居高不下。

二、 土石方工程的优化设计

（一）精准计算与土石方平衡优化

土石方工程的优化设计始于精准的数据基础。利用 GNSS、无人机航测、三维激光扫描等现代高精度测绘技术，获取原始地形与设计模型数据，确保开挖与填筑方量计算的准确性，为后续优化奠定坚实基础。核心在于制定科学合理的土石方平衡策略。通过专业软件进行详细调配规划，最大限度利用开挖弃料作为填筑材料，减少弃方量与外购土料成本。需细致区分土、石、砂砾等不同料性，并将其匹配至适用部位。优化调配方案，明确挖方区、填方区及运输路线，力求运距最短、成本最低。同时，针对无法利用的弃方，提前规划弃渣场，并考虑其后期复垦或综合利用价值。施工过程中，根据实际揭露的地质情况和测量数据，动态调整土石方平衡方案，避免因设计偏差导致后期大量调整带来的成本与工期增加。

（二）边坡稳定性分析与支护设计优化

边坡稳定性是土石方工程安全的关键。优化设计需以精细化地质勘察为前提，查明边坡岩土体结构、性质、风化程度及地下水状况，为稳定性分析提供可靠依据。采用极限平衡法、有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）等先进数值模拟手段，结合必要的现场试验，深入分析不同工况（如施工期、运营期）下开挖与填筑边坡的稳定性，准确预测潜在失稳风险。

（三）开挖填筑方案与环境协调设计优化

开挖与填筑方案的具体设计需结合工程实际，分区、分层进行精细化规划。根据工程部位、地质条件、施工机械性能，合理划分作业区域与分层厚度，例如坝基开挖需确保基岩面平整无松动，填筑则需严格控制层厚、含水量等参数以保证质量。同时，严格进行填筑料源选择与质量控制，确保物理力学指标满足设计要求，并优化料场规划，减少开采对环境的影响。设计方案必须与施工组织设计紧密结合，考虑施工顺序、机械配置、道路布置等，确保方案的可实施性。此外，环境协调设计贯穿始终，需在初步设计阶段就融入水土保持理念，规划开挖边坡防护、截排水系统、弃渣场防护与复垦、植被

恢复等措施，最大限度减少水土流失。

三、 土石方工程的先进施工方法

（一）精密测量与高效机械化作业

先进的土石方施工首先依赖于精密的测量和信息化手段。通过 RTK、无人机等实时动态监测，结合 BIM 与 GIS 技术，实现了施工过程的精准可视化管理，确保开挖填筑精度，并优化土方调配。在此基础上，高效机械化作业是核心。根据土石方特性和工程需求，科学配置挖掘、装载、运输、压实等设备，优化施工流程，减少机械闲置，形成高效流水线。大型、节能机械的应用显著提升了作业效率，为大规模土石方施工提供了有力保障。

（二）爆破与填筑技术的精细化应用

对于涉及硬岩开挖或边坡形成的工程，爆破技术的精细化应用至关重要。采用预裂、光面及控制爆破技术，能精确控制爆破效果，形成稳定边坡，最大限度减少对周边环境和结构的影响。同时，填筑压实环节同样追求精细化。严格控制填筑料的含水量至最佳状态，严格执行分层铺料和压实标准，利用快速检测手段确保压实质量，是保证填筑体强度和稳定性的关键。新材料与新工艺的探索也为提升填筑质量提供了更多可能。

（三）环境保护与水土保持措施落实

现代土石方施工将环境保护置于重要位置。在施工过程中，严格落实洒水降尘、设置排水沉砂设施、控制运输遗撒等措施，减少对周边环境的不利影响。边坡开挖后及时跟进防护措施，如挂网喷浆、植草等，有效防止水土流失。弃渣场的规范管理，包括合理堆放、整形防护及后期复垦，也是减少工程长期环境影响的关键环节。这些措施共同构成了土石方工程绿色施工的重要组成部分。

四、 结论与展望

水利工程施工中的土石方工程，其优化设计与施工方法的创新是提升整个工程效益和安全性的关键环节。优化设计应贯穿于项目前期、设计和施工全过程，重点在于实现土石方平衡、保障边坡稳定、选择合理的开挖与填筑方案，并充分考虑环境因素。先进的施工方法则依赖于精密测量、高效机械化、精细化爆破技术、严格的填筑压实控制以及有效的环境保护措施。将优化设计与先进施工方法紧密结合，辅以信息化管理手段，能够显著提高土石方工程的效率、降低成本、确保质量与安全、减少环境影响。

未来，随着大数据、人工智能、物联网等技术的发展，水利工程土石方工程将朝着更加智能化、精细化、绿色化的方向发展。例如，利用大数据分析优化土石方调配方案，利用 AI 预测边坡失稳风险，利用物联网技术实时监控施工机械状态和施工环境参数等。持续深入地研究土石方工程的优化设计与施工方法，对于推动水利工程建设的可持续发展具有重要意义。

参考文献

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作者简介：吴苗（1983-），男，湖北京山人，本科，助理工程师，研究方向：水利水电工程