水電工程建設施工中棄料的利用和處理

熊國兵，楊勝強

(貴州省銅仁地區水利電力勘測設計院，貴州銅仁554300)

0 引言

興修水利，興建電站，是人類認識自然、改造自然、利用自然的一大創舉，水及水能的利用為人類的進步，社會的發展，創造了前提條件。我國是世界上擁有水力資源較豐富、水能蓄存量較高的國家之一，而水力資源又是一種無污染的環保資源，深受人類的青睞，然而在開發這些資源的過程中將產生大量的棄料，而如何利用和處理好這些棄料，將是工程設計和施工人員研究的重要課題，也是人類關注的重要問題，已引起了相關部門的高度重視，并在相關的規程規范中以條文的形式作出規定，如在中華人民共和國電力行業標準《水工建筑物地下開挖工程施工技術規范》(DL/T5099－1999)中8.1.2從環保角度及棄渣對河道的影響角度規定:石渣的堆放和利用，應綜合考慮。同時規定棄渣場的布置應符合下列要求:①場地容量足夠，施工中不宜變動。除經過論證合理時，應避免二次倒渣;②符合環保要求，不占可少占農田，有條件時應結合造地;③不得占用其它工程場地，不得影響附近各種設施的安全;④不得侵占主河道，抬高尾水位和惡化流水條件;若利用溪溝棄渣，應有攔渣、泄洪措施;⑤棄渣場必須保持自身穩定，必要時需分層碾壓。棄渣完成后，應及時進行修整，并修筑永久排水設施和其它防護性工程，保證地表徑流不會沖蝕棄渣表面或危及棄渣的穩定性;⑥利用的石渣，按設計要求分別堆放等等。但僅有這些條款是不夠的，要做好這項工作，還需要付出一定的代價才能實現，如，對棄渣的利用和堆放都要通過充分調查、分析及其技術論證和經濟可行性論證，方能作出對水電建設工程中棄料的處理措施，隨后將從棄料的來源危害、處理和利用的角度，去認識棄料處理應用的重要性。

1 棄料的來源及危害

1.1 棄料的來源

人類的任何建設施工都會產生棄料，水利水電建設工程的建設施工也不例外，而且是一種產生棄料最多的行業之一，而這些棄料又往往堆放在一些足以破壞生態環境極其危險的地方，容易污染環境給人類帶來災害。且這些棄料的來源又是多方面的，有原地的，也有外來的，品種繁多，但大致可分為以下3種來源。

1)水利水電工程的建筑物必須擬建在穩定和可靠的地基及基礎之上，而這些地基基礎又是由地殼上各種不同時期的地質體構成的，且這些地質體(巖體)除本身(巖石)的組成成分和結構不同而產生的各向異性外，還受各個時期的不同方向和不同大小的地質營力的作用，如地球內力作用所產生的各種應力不平衡作用所形成的各種斷裂構造，以及大自然的日曬雨淋，水流、風、生物及大氣中各種侵蝕性氣體等的外力破壞的作用，所形成的地質體(巖體)的不連續性，不均質性與各向異性，從而決定了巖體的結構特征——天然地質體(巖體)。而這些天然的地質體的表層(全體)往往不能承受上部建筑物荷載的作用，造成地質體破壞而失穩，嚴重威脅建筑物的安全，同時危及人類的生命和財產安全。因此，水工建筑物是否安全，直接取決于下部地基及基礎的承載能力——地質體的物理力學指標的要求。而不能滿足承載能力的地基則要求尋找一層滿足建筑物設計要求的層位，就必須進行基礎開挖或特殊的基礎處理，常規則是采用開挖來實現的。主因開挖來得直接并經濟而可行，那么開挖則就產生棄料，如:大壩基礎、廠房基礎、壓力管道基礎，輸水系統的基礎，泄水系統的基礎、船閘等樞紐系統基礎的開挖均產生大量的棄料，這是最主要的棄料來源。

2)在眾多的水利水電建筑物中其主體靠建筑材料來建造，而這些建筑材料大部分來源于天然建筑材料，天然建材既經濟又實惠，是人類常用的建筑材料，但這些天然建材不是100%的可用率，在開采過程中往往有許多不能用的廢材則是又一棄料來源，如表層耕植土和不成形的復雜混合料等。

3)任何建筑物僅靠天然建材是不行的，還要靠一些摻合劑和添加劑來將天然建材粘結起來才能形成完整的建筑物，而在這些摻合劑和添加劑中，那些過期而硬結的，較粗顆粒而不能利用的廢料，則又是一種棄料來源，如硬結的水泥，過期失效的各種摻合劑和添加劑等。

1.2 棄料的危害

在上述3種來源中的眾多棄料如堆放和處置不當將會造成各種危害。

1)水利水電建設施工中基礎開挖出來的棄料，往往堆放在擬建基礎即基坑的周圍，由于堆放不合理:①因自身松散產生不穩定效應——導致失穩，形成崩塌或滑坡，小則造成已開挖的基礎被淹蓋，造成經濟損失，大則造成人身傷亡;②因棄料的堆放，破壞了原堆放地的應力平衡條件，導致堆放地大規模的崩塌和滑坡，無論給施工還是給人類的生存環境都會帶來嚴重的災害。

2)在暫時穩定的棄料堆放地帶，如不經過認真處理，由于長期的地質作用(棄料的風化等)和天然潤滑劑水的作用，將失穩形成大規模的崩塌和滑坡現象，是一種嚴重的災害隱患。

3)在那些棄料中，或多或少地存在著一些有毒成分的物質(如硫、鉛、汞、砷等)，若不進行特殊處理，造成土質和水源污染，將危及人和動物的生長和生命安全，或許存在著許多侵蝕性物質成分揮發，將給各種建筑物(鋼結構體和混凝土)造成極大危害。

4)建材場地區因開挖后的棄料處理不當，除產生上述3種危害外，還將造成嚴重的水土流失，形成石漠化或沙漠化，將縮小人類生存的有效空間，致使生態平衡將嚴重失調，而威脅人類的生存。

5)棄料的產生，失穩的出現，加上流水的作用，大量的棄料隨流水運動形成泥石流，在大江小河的不同地段沉積下來，導致河道淤積、堵塞，使河床底抬高，過水斷面不足，形成水患，從而毀壞良田、村莊和城鎮，減少下游的已有水利工程的有效庫容，重則由于泥砂壓力的作用，致使建筑物失穩，造成塘堤失事事件，對下游人類的生存及財產造成嚴重威脅，這是最為嚴重的危害。

總之，棄料的危害是嚴重的，無時不在，無處不有，這樣的實例較多，必須引起高度重視，并用科學的技術措施處理好棄料。

2 棄料的利用和處理

2.1 棄料的利用

水利水電建設工程施工中的棄料，不一定全都是廢料，在棄料中選取一些有用材料，經過各種實驗和優化建筑物的設計，通過某些處理，將有用的棄料篩選出來加以利用變成有用的材料，變廢為寶，從而減少廢棄料對環境造成的壓力和人類的威脅。例如實例中的石阡山坪水庫等工程。另外采用其他設計方案，如面板壩設計方案，砌石碾壓壩設計，定向爆破堆石壩設計，經過一定的灌漿和其它措施的處理，同樣達到棄料應用的效果。

2.2 棄料的處理

水利水電建設工程施工開挖的棄料中的無用部分即棄料，將按有關規程和規范，選取合理的場所進行堆放，如采用碾壓和周邊襯砌以及在地形較好的溝谷內砌筑攔碴壩等，總之應按規范進行，同時對有毒成分的廢料應作特殊的處理，特別對要求回收處理或封閉處理的應嚴格加強管理，同時對已處理的廢棄料場地，要加強監測，一旦發現有不利的現象，應及時報有關部門，并研究相應的對策，對其進行合理的處理，以確保場地的穩定和安全。

3 工程實例

3.1 石阡山坪水利工程

石阡山坪水利灌溉工程，位于石阡縣的山坪村，是集水利灌溉和發電的綜合性工程，工程設計壩高69.5 m，庫容1040萬m3，設計灌溉面積933.33 hm2，發電機組3×500 kW，也是我院設計的高壩之一。大壩樞紐地處深切河谷區，壩區巖層為寒武系平井組(∈2P)薄～中厚層白云巖和白云質灰巖，由于長期的構造作用，加之自身的隱節理發育，巖體特別破碎，完整性差，經前期的勘探孔和后期的固結灌漿孔揭露的資料，以及基礎開挖過程中的實際情況表明，風化比較嚴重，一般為8～12 m，最深達16 m，壩高約69.5 m的高壩荷載以及庫區的水頭荷載作用，對地基基礎的要求則相當高，即要求將基礎選在中～新鮮基巖部位。那么，厚達8～16 m厚的強～中風化的破碎巖體將被開挖，產生棄料達2 000m3，由于此處地形狹窄，無法選取合理的位置堆放棄料，后經勘測設計部門有關技術員的取樣分析研究，會同上級主管部門和施工部門共同完成對開挖棄料應用成果的研究，將棄料中成分較為優質的白云砂，經過一定的處理，制成預制水泥磚，通過有關部門的檢測，其物理力學參數指標，符合相關應用建材標準，并將棄料的40%應用于大壩的砌體，經多年的運行，性能穩定，僅此一項就為該工程減少了一大筆投資，同時減輕了因堆放場地困難的壓力，也大大減輕了棄料對下游產生的危害。

3.2 思南河東烏江大道工程

思南河東烏江大道工程位于思南縣城河東，是我院設計的烏江上的重要城鎮的重點工程之一。該工程是集防洪堤和城鎮建設為一體的工程之一，整體工程座落在志留系砂頁巖和泥巖之上，由于碎屑巖類的抗風化力低的弱點，加上城鎮建設大道要求的需要，在開挖過程中將產生大量的開挖棄料，且這里的建材缺乏，經勘測設計部門到處考察和大量的基礎資料分析，決定采用加筋擋墻的形式，并利用棄料作為基礎的回填材料，這樣，既解決了棄料堆放問題，又解決因資金不足影響的建材缺乏的問題。設計部門建議在施工過程中作了大量的實驗和分析工作，選取最優的施工工藝的配合使用加以改進和完善設計意圖，此項工程現已完成并投入使用，效果良好，僅僅這一項又節約了不少投資。

3.3 天生橋二級電站工程

天生橋二級電站大壩是一座結構上擋水面為防滲面板，后為穩定需要的棄料和其它風化料堆積體，經過設計部門的精心設計，施工部門的精心施工、監理、質檢及監測部門共同努力，又一新的成果誕生了。

還有面板壩堆石壩、堆石碾壓壩的應用，軟基的處理，為工程棄料的應用樹立了光輝的典范，都為減少棄料，特別是廢料，減輕因棄料產生而形成的不利的環境因素和隱患提供了應用環境。

4 結論

隨著科學技術的高度發展，人類對環境意識的加強以及對生存空間自然化的渴望，已有越來越多的部門和專家關注工程棄料的應用和處理的深入研究，一方面是對今后工程棄料的應用研究，另一方面特別應注意以前因科學技術的局限性而造成的棄料場的穩定分析和監測以及應用的研究，我們深信，廢料影響環境的時代已經過去，棄料應用和不產生或少產生工程棄料的時代已來臨，讓更多的人關注工程棄料的應用，為我們生存的環境更加美好而努力。

［1］ 中華人民共和國電力行業標準.DL/T 5099－1999水工建筑物地下開挖工程施工技術規范［S］.北京:中國電力出版社，1999.

［2］ 中華人民共和國國家標準.GB 50433－2008開發建設項目水土保持技術規范［S］.北京:中國水力水電出版社，2008.