水利工程土石方平衡分析及棄渣量計(jì)算

石 峰 潘存德 韓守都

(1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院 2新疆水利水電設(shè)計(jì)研究院)

水利樞紐工程布置相對(duì)集中，開挖料依據(jù)其巖性、開挖條件和建筑物各填筑部位對(duì)填筑料的要求，將開挖料分為可用料和棄渣兩部分。如何有效利用可用料，并對(duì)棄渣進(jìn)行有序堆放和治理，基礎(chǔ)工作之一就是土石方平衡。土石方平衡需要對(duì)其質(zhì)量、數(shù)量、時(shí)間及空間四個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃［1］，當(dāng)四個(gè)條件完全滿足時(shí)，就不存在棄渣和借方問題。但在實(shí)際施工中，這種最優(yōu)狀態(tài)往往難以達(dá)到［2］，必須結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行分析，盡可能多地利用開挖料，減少棄渣，降低造價(jià)。本文以某水利工程為例，研究制定切實(shí)可行的土石方平衡規(guī)劃，計(jì)算分年度的利用量和棄渣量，為料渣場(chǎng)規(guī)劃和水土保持提供依據(jù)。

1 工程概況

某水利工程位于天山北坡中低山區(qū)，樞紐主要建筑物有黏土心墻壩、溢洪道、泄洪洞和放水洞等。黏土心墻壩最大壩高92 m，上游圍堰與壩體結(jié)合，成為壩體的一部分;泄洪兼導(dǎo)流洞和放水洞均布置于右岸，進(jìn)出口聯(lián)合布置;溢洪道布置在右岸，緊靠右壩肩。工程施工期3.5 a。主體工程土石方挖填工程量見表1。

表1 土石方工程量表 單位:104 m3

2 填筑料質(zhì)量要求與可利用開挖料數(shù)量分析

本工程土石方開挖總量為247.59萬m3，土石方填筑量為435.74萬m3。開挖料能否滿足填筑料的質(zhì)量要求，需要根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 填筑料質(zhì)量要求

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖1)，壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為壩殼砂礫料區(qū)、過渡料區(qū)、反濾料區(qū)、黏土區(qū)、反濾料區(qū)、過渡料區(qū)、壩殼砂礫料區(qū)及排水料區(qū)。由于過渡料、反濾料、排水料和黏土料的質(zhì)量要求高，一般不利用開挖料，開挖料主要用于壩殼砂礫料的填筑。壩殼砂礫料是壩體的主要支撐結(jié)構(gòu)，要求砂礫料級(jí)配連續(xù)，5 mm顆粒至相當(dāng)3/4填筑厚度時(shí)應(yīng)在20% －80%范圍內(nèi)，緊密密度＞2 g/cm3，內(nèi)摩擦角 ＞30°，含泥量 ＜8%，碾壓后滲透系數(shù) ＞1 ×10－3cm/s［3］。

泄洪隧洞和溢洪道也需要一部分填筑料，主要用于建筑物周邊回填和退水渠堤填筑。建筑物周邊回填料可以利用石渣料，渠堤砂礫料要求耐風(fēng)化、水穩(wěn)性好、含泥量宜小于5%［4］。

2.2 可利用開挖料數(shù)量分析

2.2.1 大壩可利用開挖料數(shù)量分析

大壩土石方開挖量較大，其地質(zhì)條件為:①左壩肩基巖巖性為下石炭統(tǒng)齊爾古斯套群(C1Qr)的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度5－8 m，弱風(fēng)化層厚度為30 m左右。②河床覆蓋層為第四系沖積砂卵礫石層，厚度20－23 m，粒徑40－80 mm占21%－22%，5－40 mm的占34% －35%，＜5 mm的占27% －32%，天然密度 2.23 －2.26 g/cm3，干密度2.18 －2.21 g/cm3，摩擦角 φ=35°－37°，砂卵礫石層滲透系數(shù) K=2.66 －3.24 ×10－2cm/s;在 3.5 －7.7 m 左右夾厚 2 －3 m 厚粉土質(zhì)砂(SM)，0.1 －0.075 mm 的顆粒含量3.0% －20.0%，＜0.075 mm的顆粒含量40% －50%，＜0.005 mm的顆粒含量8.5% －10%，礫石含量約10%，級(jí)配不均勻。覆蓋層下伏基巖為凝灰?guī)r和泥質(zhì)凝灰?guī)r，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚為5－12 m。③右岸發(fā)育Ⅰ－Ⅲ級(jí)階地，自然邊坡坡度30°－40°，表層為風(fēng)積黃土、洪積粉土、碎石土，下部為沖積砂卵礫石，坡腳處堆積碎石土，厚3－5 m左右，基巖巖性為下石炭統(tǒng)齊爾古斯套群的巨厚層狀凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)泥巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度5－8 m，弱風(fēng)化層厚為30 m左右。

圖1 壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

大壩土石方開挖設(shè)計(jì):大壩河床部位開挖至粉細(xì)砂層底部;左岸上、下游壩殼部位清除表層的松散體，右岸上、下游壩殼部位清除表層風(fēng)積黃土、洪積粉土、碎石土等。心墻部位清除覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層。根據(jù)地質(zhì)條件，河床部位的土方開挖料(粉土質(zhì)砂層除外)可以滿足壩殼料填筑要求，根據(jù)河床寬度及開挖料范圍、深度等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，大壩土方開挖料可利用量約為40萬m3(自然方)。

2.2.2 泄洪隧洞和溢洪道可利用開挖料數(shù)量分析

泄洪隧洞和溢洪道均布置在右岸，土石方開挖主要集中在隧洞進(jìn)出口引渠段與溢洪道泄槽段等部位。

泄洪隧洞和溢洪道進(jìn)口段位于Ⅲ級(jí)階地，地表有少量風(fēng)積、坡積碎石土，厚13 m左右，基巖為下石炭統(tǒng)齊爾古斯套群的凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖，巨厚層狀，碎裂結(jié)構(gòu)。泄洪隧洞洞身段通過基巖為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖。泄洪隧洞出口段和溢洪道泄槽段通過右岸Ⅲ級(jí)階地，地表堆積第四系坡積、風(fēng)積黃土層，含碎石，覆蓋層厚18m左右，基巖為凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖，巨厚層狀，碎裂結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀305－310°SW∠40°。

泄洪隧洞和溢洪道土方開挖料主要成分為風(fēng)積、坡積碎石土，不能用于大壩填筑，只能用于建筑物周邊回填和平整場(chǎng)地。

3 挖填料施工時(shí)間與空間條件

3.1 挖填料施工時(shí)間分析

根據(jù)工程施工工期安排，大壩土石方開挖時(shí)間與泄洪隧洞退水渠堤填筑及建筑物周圍回填時(shí)間重合，可以直接利用大壩河灘開挖料，利用量為3.51萬m3(壓實(shí)方);大壩河灘開挖料也可直接用于填筑壩體上游圍堰部位，直接利用量為6.83萬m3;溢洪道擋墻外側(cè)回填石渣時(shí)間相對(duì)偏晚，沒有同期施工的石方開挖料，只能利用棄渣場(chǎng)的石渣料。分析時(shí)間因素，本工程直接利用料總量為10.34萬m3。根據(jù)開挖料質(zhì)量和數(shù)量分析結(jié)果，大壩土方開挖料可利用量約為40萬m3(自然方)，除直接利用量外，尚有約30萬m3需要布置利用料堆放場(chǎng)以備二次利用。

3.2 挖填料施工部位空間關(guān)系分析

本工程樞紐建筑物布置緊湊，左右岸均布置有施工道路到達(dá)各施工部位，運(yùn)距小于1.5 km。利用料堆放場(chǎng)、棄渣場(chǎng)位于樞紐區(qū)2.5 km范圍內(nèi)，交通方便。砂礫石開采料場(chǎng)距樞紐區(qū)平均運(yùn)距約4.0 km，大于開挖利用料的運(yùn)輸距離。因此，從建筑物挖填施工的空間關(guān)系分析，利用開挖料是經(jīng)濟(jì)的，可以有效減少天然料場(chǎng)的開采量和運(yùn)輸距離，減少棄渣量。

4 土石方平衡規(guī)劃

土石方平衡規(guī)劃的原則為:①盡量提高開挖料利用率，減少棄渣占地;②在開挖過程中，加強(qiáng)可利用料和棄渣料層界面處的開挖控制，清除不可用料，保證可用開挖料的質(zhì)量;③土石方開挖料均優(yōu)先考慮就近利用，直接利用;④利用料堆放場(chǎng)的設(shè)置應(yīng)少占耕地，進(jìn)料和出料方便，運(yùn)距近，施工干擾小。

在分析挖填料質(zhì)量、數(shù)量、時(shí)間、空間四因素的基礎(chǔ)上，對(duì)本工程進(jìn)行土石方平衡規(guī)劃(土石方松實(shí)折算系數(shù)見表2)。

本工程土方統(tǒng)指第四系沖積砂卵礫石、風(fēng)積黃土、洪積粉土及碎石土等，選取折方系數(shù)為:自然方:松方∶填筑方 =1∶1.18∶0.92;石方統(tǒng)指強(qiáng)、弱風(fēng)化層的凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)泥巖，選取折方系數(shù)為:自然方∶松方∶填筑方 =1∶1.50∶1.28。利用料運(yùn)輸損耗系數(shù)約為0.05。主體工程土石方平衡規(guī)劃成果見表3。

表2 土石方松實(shí)折算系數(shù)表［1，5，6］

表3 土石方挖填平衡表 單位:104 m3

5 開挖料的分年度利用量和棄渣量

土石方挖填施工工期計(jì)劃和土石方平衡分析:施工期第一年為泄洪隧洞開挖年，基本沒有直接利用料;第二年大壩直接利用開挖料3.81萬m3，堆存?zhèn)溆昧?9萬m3(月均9.5萬m3);第三年直接利用開挖料6.83萬 m3，堆存?zhèn)溆昧?.92萬 m3(月均4.46萬m3);第四年無挖填利用。依據(jù)棄渣料數(shù)量計(jì)算公式，得出施工期分年棄渣量(松方)見表4。

表4 施工期分年棄渣量表 單位:104 m3

6 結(jié)語

施工期第一年和第二年春夏兩個(gè)時(shí)間段是工程棄渣的高峰期，也是水土流失防治的重點(diǎn)時(shí)期。棄渣場(chǎng)的水土流失防治往往是整個(gè)工程環(huán)境治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。計(jì)算逐年棄渣量，對(duì)于棄渣場(chǎng)的使用、規(guī)劃、監(jiān)測(cè)、治理意義重大。為減少棄渣料，應(yīng)爭(zhēng)取做到:①施工期間，工程區(qū)的施工道路、場(chǎng)地平整、截流堤填筑等臨時(shí)項(xiàng)目盡量利用棄渣料;②結(jié)合工程區(qū)附近洼地整治、土地改造、路橋建設(shè)等項(xiàng)目，協(xié)調(diào)利用棄渣料;③采取自下而上的堆存方式，經(jīng)運(yùn)輸機(jī)械的反復(fù)碾壓，提高棄渣料的密實(shí)度，以利于渣場(chǎng)穩(wěn)定和減少占地。

分析挖填料的質(zhì)量、數(shù)量、時(shí)間及空間條件，從而可制定出切實(shí)可行的土石方平衡規(guī)劃。計(jì)算分年度土石方利用量和棄渣量，不僅有利于開展料渣場(chǎng)規(guī)劃和水土保持，也為工程施工控制和管理提供了依據(jù)。

設(shè)計(jì)時(shí)的土石方平衡規(guī)劃是靜態(tài)的，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種條件的變化，土方平衡也要實(shí)行動(dòng)態(tài)控制和管理。只有加強(qiáng)控制和管理，才能取得預(yù)期的效果［7］。

［1］水利水電工程施工手冊(cè)(第二卷，土石方工程)［S］.北京:中國電力出版社，2002:408，137 －138.

［2］陳昌軍，林洪.公路建設(shè)項(xiàng)目水保方案編制中土石方平衡方法的探討［J］.水土保持科技情報(bào)，2004(6):9－10.

［3］水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程［S］.北京:中華人民共和國水利部，2005.

［4］堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:國家技術(shù)監(jiān)督局、中華人民共和國建設(shè)部.

［5］水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)(第一卷，施工規(guī)劃)［S］.北京:中國水利水電出版社，1996:242－244.

［6］劉瓊芳.天生橋一級(jí)水電站土石方平衡規(guī)劃與實(shí)施［J］.云南水力發(fā)電，2001，17(2):101 －104.

［7］李繼東.南水北調(diào)中線工程京石段渠道土石方平衡規(guī)劃［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2006(增刊):44－45.