1 综述

1.1 土石方工程发展与展望

土石方工程是水利水电工程的基础性工程和重要施工内容，大型水利水电枢纽工程往往伴随着大型的土石方工程。土石方开挖与填筑，不仅是水利水电工程施工的先行施工工序和关键施工过程，也是以土、石等当地材料填筑的临时或主体建筑物（施工场地、建筑物基础、道路路基、土石围堰、土石坝、渠堤等）的主要组成部分或主要施工作业程序。

土石方工程是伴随着工程材料、施工工具、施工机械、施工方法和工程理论的技术进步逐步发展的。

土石方工程的发展基本上与工业革命的发展同步，可划分为第一次工业革命以前的早期发展阶段、第一次工业革命至第二次工业革命期间的近代发展阶段及第三次工业革命以后的现代发展阶段等。

1.1.1 发展阶段

1.1.1.1 早期发展

18世纪60年代以前属于土石方工程的早期发展阶段。

人类从最初以木、石、骨制简陋工具进行掘土为穴、构木为巢的原始土木活动，以及进行简单的栽桩架屋、移木搭桥、平土治水等早期的土木工程活动,多为因地制宜、就地取材，所用材料为天然或手工制备，施工工具简陋，施工方法简单。

伴随青铜器和铁器的出现，产生了简单的施工机械。铁制工具及简单施工机械的普遍使用与施工方法的改进，大大提高了土石方工程的施工效率。这一期间我国经历了夏、商、周向春秋、战国时代的转变，出现了鲧禹父子、李冰父子等治水事迹，也产生了很多著名的水利工程，如芍陂、邗沟、鸿沟、引漳溉邺、都江堰、郑国渠、黄河堤防等。秦统一全国后，我国进入封建社会，也相继修筑了许多大型水利工程，如灵渠、坎儿井、六门堰、海塘、它山堰、京杭大运河、元大都水利工程等，所有这些工程都堪称中华民族的骄傲。

同一时期，世界其他地区也出现了大量的土石方工程。建于公元前3200多年位于现约旦王国杰瓦地区的小土坝群，是已知的最古老土石坝；大约4000年前，古埃及、印度、秘鲁等地即有修建土石坝的记载，有记录的还有古巴比伦王国的阿基拉大坝、幼发拉底河上的运河汗谟拉比渠、古代也门的马里卜水坝、尼罗河流域的异教徒坝、马拉水库、苏丹大蓄水池，以及罗马帝国时期欧洲建设的一系列城市供水系统和引水渠道，如意大利的阿庇乌水渠及奥古斯塔水渠、法国的嘉德水道、沟通莱茵河和多瑙河的运河“卡罗莱纳大水沟”等。

1.1.1.2 近代发展

18世纪60年代至20世纪40年代属于土石方工程的近代发展阶段。

伴随着人类认识自然、改造自然的实践，火药的发明，被不断完美地应用于土石方工程。火药传入欧洲被用于采矿，随继工业炸药问世，凿岩爆破代替人工挖掘，爆破技术成为土石方工程技术发展的重要里程碑。18世纪60年代的第一次工业革命促进了机械设备的发展，19世纪70年代的第二次工业革命促进了电力的广泛应用，两次工业革命为土石方工程的快速发展奠定了良好的基础。炸药和机械的广泛使用，以及岩土理论、爆破理论、管理科学的出现，使得工程规模和施工效率大为提高，土石方工程进入近代发展阶段。

这一时期，1836年美国开始了以兴建通航工程为主的田纳西河流域综合开发工程；1878年法国建成世界第一座水电站，1879年瑞士建成世界上第一座抽水蓄能电站——勒顿抽水蓄能电站；20世纪初美国相继建设威尔逊大坝、胡佛大坝、沙斯塔大坝等，苏联也相继建成莫斯科-伏尔加河运河、雷宾斯克水利枢纽和第聂伯河水电站等工程。

工程实践经验的积累促进了理论的发展。1773年法国人库仑提出沙土抗剪强度公式和挡土墙土压力滑楔理论；随后法国人达西得出水在岩土孔隙中线性渗透定律；英国人朗肯提出土压力的极限平衡理论；1925年美国人太沙基《土力学》出版，紧接着海姆提出岩石应力的静水压力理论，随即地压理论和松散介质理论也被提出，奠定了岩土力学的理论基础。1871年，苏联鲍列斯柯夫提出了鲍氏公式Q=k(n)W3，爆破进入半经验半理论的探索阶段。1911年，泰勒通过实证式管理试验，提出了科学管理理论；同期吉尔布雷斯夫妇通过影片分析法，提出动作的经济原则，并制订了生产程序图和流程图；1917年，劳伦斯·甘特发明甘特图即生产计划进度图，人类进入科学管理时代。土力学、岩石力学、爆破设计理论和生产计划管理等科学方法的发展，使土石方工程从技艺走向科学。

1.1.1.3 现代发展

20世纪40年代至今属于土石方工程的现代发展阶段。

进入20世纪中叶，电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域的重大突破，标志着第三次工业革命的来临，开创了以数字化制造及新型材料应用为代表的崭新时代。现代科学技术突飞猛进，高速公路、高速铁路、港口码头、航空机场、矿山开采、市政地铁、房屋建筑及水利水电等工程建设，使得土石方工程进入高速、高效和科学的现代发展新阶段。

（1）土石方工程世界范围的现代发展。第二次工业革命结束后，社会生产力出现了新的飞跃。由于应用了反射拉伸波理论，采用了毫秒雷管、铵油炸药，以及控制爆破和非电起爆方法等，使爆破技术取得了显著的进步。

20世纪50年代，全回转式液压挖掘机问世，随后全液压反铲挖掘机、轮式液压挖掘机、装载机、自行式振动压路机等相继推出；20世纪50年代后，由于使用了潜孔钻机、牙轮钻机、自行凿岩台车等新型设备，采掘设备实现大型化，运输、提升设备实现自动化。

电子计算机技术用于规划设计、科学计算和生产管理，开始用系统科学研究土石方工程问题。土力学、岩石力学、地质学、爆破理论进一步发展和完善，土石方工程施工开始利用现代试验设备、测试技术和电子计算机技术，预测和解算某些实际工程问题。

这一时期，世界土石方工程成效卓著。1951年美国建成高168m的大古力水电站混凝土大坝，扩建后装机总容量达649.4万kW，水电站初期工程开挖土石方1730万m3，扩建挖除原坝体混凝土23657m3，开挖土石方1759万m3；1971年埃及建成高111m的阿斯旺水坝，黏土心墙堆石坝堆石体4430万m3；1980年苏联在塔吉克斯坦共和国境内建成努列克水利枢纽，大坝为300m高土石坝，土石方填筑量5600万m3；1991年巴西与巴拉圭共建的伊泰普水电站，总装机容量1400万kW，主坝为高196m的混凝土重力坝，石方开挖3300万m3。

（2）中国土石方工程新发展。面对世界土石方工程突飞猛进的发展，我国经历了新中国成立初期的国民经济恢复和规模空前的经济建设时期，水利水电工程建设也迈入了较快的发展阶段，期间“蓄泄兼筹治淮安邦”的治淮工程、载誉世界第八奇迹的 “人工天河”安阳红旗渠、当时的亚洲第一大土坝岳城水库的建成，以及新安江水电站、三门峡水电站、龙羊峡水电站、刘家峡水电站、碧口水电站、龚嘴水电站、铜街子水电站相继建成，开创了我国水利水电建设“人定胜天”的大兵团作战时代。改革开放后中国致力于现代化建设，西部大开发战略更使得水电建设发展加快，葛洲坝水利枢纽工程、二滩水电站、万家寨水利枢纽工程相继建成；小浪底水利枢纽工程、三峡水利枢纽工程、南水北调工程以及小湾、龙滩、紫坪铺、瀑布沟、水布垭、拉西瓦、向家坝、溪洛渡、白鹤滩、糯扎渡、长河坝、两河口、双江口等水电站相继开工建设或投产，见证了伴随着水利水电发展的景气周期，我国土石方工程开始的现代化的发展进程。小浪底水利枢纽工程，总装机容量180万kW，壤土心墙堆石坝，最大坝高154m，土石方填筑量5184万m3；世界最大水电站三峡水利枢纽，总装机容量1820万kW，土石方工程量1.34亿m3；水布垭水电站，装机容量184万kW，堆石面板坝，最大坝高233m，土石方填筑量1526万m3，长河坝水电站砾石土心墙堆石坝，最大坝高240m，土石方填筑量3400万m3。截至目前，我国已建成各类水库大坝9.8万座，其中坝高30m及以上大坝6539座，坝高60m及以上大坝896 座，坝高100m及以上大坝216座，坝高200m及以上16座。一大批世界性水利水电工程的建成，以及目前大批300m级高坝的建设，标志着我国在水电建设的若干重大关键技术领域取得了突破性进展，土石方工程发展进入辉煌的发展时期。

1.1.2 未来展望

随着水利水电工程建设日益发展，世界上一些大型工程的土石方工程已达到数千万立方米工程量，有的甚至上亿立方米，如中国三峡水利枢纽工程（土石方工程量1.34亿m3）、葛洲坝水利枢纽（土石方工程量1.08亿m3）；南水北调仅东、中两条调水线路的土石方工程量即达16.7亿m3；巴基斯坦塔贝拉土石坝填筑量达1.2亿m3。随着水利水电工程的持续开发,土石方工程及土石方施工技术具有广阔的发展前景。

1.1.2.1 水利水电土石方工程发展趋势

水利水电工程建设的不断发展带动了土石方工程的快速进步，未来的土石方工程将呈现出以下的发展趋势。

（1）工程规模大型化。土石方工程为了适应不同地区、不同目的的水利水电工程开发项目，尤其是水利水电项目逐步走入河流上游深山峡谷地区，有的工程规模极为宏大，多座土石坝坝高达300m级；大型水利水电工程的土石方开挖都在百万立方米以上，有的土石坝填筑方量达数千万立方米。

（2）工程地质复杂化。我国水资源的时空分布特征使得西南地区水资源及水电资源蕴藏丰富，水电开发热点及南水北调西线工程都处于国家西南地区，而西南地区位于亚欧板块和印度洋板块交界地带及地中海—喜马拉雅山地震断裂带处，地质构造复杂，地壳运动活跃，断层活动强烈，地震频发。多数水电工程地处高海拔、高寒、低氧、低湿、蒸发量大的地区，坡陡谷深，卸荷体、滑坡体、泥石流、高地应力、深覆盖层等地质问题，都对水利水电土石方工程提出了严峻挑战。

（3）工程施工高速化。施工机械设备的大型化、多功能化，人员队伍的专业化以及施工技术、管理理论及管理经验的丰富，使得施工生产效率大幅度提高，施工进度加快，施工工期缩短。

（4）工程建设绿色化。在西南地区及西藏地区进行大规模土石方工程建设，其工程安全、脆弱的生态平衡以及施工期的生态环境保护、民族文化保护、耕地及林地保护、土石方平衡、弃渣防护、节能减排、安全生产、文明施工、绿色施工，都需要进行理念更新和行为改变。

（5）工程管理科学化，水资源的科学利用。工程项目为了满足专门和多样的功能需要，将在发电、防洪、供水、养殖、旅游及生态保护等方面进行进一步协调。土石方工程施工将更多地需要与各种现代科学技术、管理技术、信息技术相互渗透、融合。

1.1.2.2 规划中的大型土石方工程

目前，处于规划中的大型水利水电工程有刚果民主共和国大英加水电站（装机4400万kW）、塔吉克斯坦罗贡土石坝（坝高335m）、我国雅鲁藏布江大峡谷水电站（装机5000万kW）、金沙江其宗水电站大坝（坝高358m）、金沙江日冕水电站大坝（坝高346m），以及南水北调西线工程等。我国规划中部分当地材料坝的坝高及其土石方填筑量见表1-1。

1.1.2.3 土石方工程施工技术的发展趋势

伴随着土石方工程规模大型化、地质复杂化、施工高速化、建设绿色化等的发展，其施工技术的发展有以下趋势。

（1）材料优质高能。随着材料科学的发展，土石方工程所涉及的钻具钻头、爆破器材、运输油料、支护材料等性能高、质量优的新材料得以推广。高强度的合金应用于钻杆、钻头，使得凿岩机钻孔的直径、速度都大大提升；岩石炸药、新型水胶炸药、抗水炸药、毫秒雷管、数字雷管、静态破碎剂得到进一步应用，大型爆破作业已向现场混装炸药方式转变，不仅使安全得到保证，而且使大孔径、宽间距、耦合装药变为可能，大大提高了爆破效能；高品质燃油、润滑油、燃油添加剂的应用，以及耐磨轮胎的使用，使得挖装、运输、填筑的效率更加提高；支护喷射混凝土新材料（如自进式锚杆、预应力锚索、纳米级超细水泥、钢纤维、聚乙烯微纤维等）的使用，进一步保证了工程的施工安全。

（2）设备性能多样。土石方工程的规模化使得施工机械化水平日益朝着大型、高效方向发展，其主要特点：①发展大容量、大功率、高效率的土石方施工机械；②大型专用机械及一机多用的小型多功能机械同步发展；③各工序所采用的机械成龙配套，容量、效率互相配合；④广泛采用电子技术和液压技术，应用新材料；⑤广泛应用自动控制技术，实现作业自动化、智能化；⑥注重施工机械的维修和保养。

（3）施工过程精细。大规模土石方工程广泛采用钻孔定位技术、微差挤压爆破技术、预裂爆破技术、光面爆破技术、爆刻技术、智能爆破技术、峒室爆破技术、定向爆破技术等，解决了大量的土石方工程施工技术难题。基于全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感技术RS等多种高技术支持的计算机网络信息系统已应用于施工现场管理的数字大坝系统中，基于车辆识别系统、激光引导技术、全球卫星定位系统引导及控制的智能施工机械技术，包括摊铺层厚控制以及振动设备碾压轨迹、碾压遍数、行走速度、激振力状态监控系统已大量应用到土石坝填筑施工中。

（4）理论分析多维仿真。现代信息技术使得计算力学、结构动力学、动态规划法、网络理论、滤波理论、BIM技术、随机过程论等新理论及试验方法，随着计算机普及而应用到土石方工程领域。荷载不再是静止的和确定性的，而将作为随时间变化的随机过程来处理。静态、确定、线性、单个的分析，逐步被动态、随机、非线性、系统与空间分析所代替。电子计算机使多维度的分析成为可能，从材料特性、结构分析、结构抗力计算到极限状态理论，在土石方工程领域得到充分发展，计算机不仅用以辅助设计，更作为优化手段；不但运用于结构分析，而且扩展到建筑、规划领域。

（5）施工绿色环保。现代土石方工程与环境关系更加密切，与环境的协调问题更为突出。现代生产排放的大量废水、废气、废渣和噪声，污染着环境。水利水电工程建设需要占用耕地和进行移民，大坝建设需要截断河流影响洄游鱼类，水库使得水流流速降低、河流输沙能力变弱、水体自净能力变差等，都会对局部自然环境产生影响。如何与自然“天人合一、和谐共处”，保持自然界生态平衡的理念，已逐步成为土石方界的普遍认知。