淺述抽水蓄能電站土石方平衡設計及過程調配管理

溫家華，潘福營

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100161；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100761）

0 引言

土石方平衡設計是水電工程施工組織設計中的一項工作，其主要目的是實現盡量利用開挖土石方，減少總挖填工程量，正確處理開挖、利用、暫時堆存、廢料處理之間的關系；按照環保要求，選擇堆料、棄料場地；合理調配，減少運輸工作量[1][2]。做好土石方平衡設計，對于減少工程量、降低工程投資意義重大。

抽水蓄能電站作為一種特殊的水電站，由于需設置兩個水庫、多采用地下廠房布置型式、壩型選擇多為當地材料壩等特點，其土石方平衡設計相較于常規水電工程又有不同。

目前，在抽水蓄能電站建設過程中，建設各方對土石方平衡均較為重視。然而由于各種原因，在實際工程建設過程中，土石方平衡不合理或過程管理不到位而導致的料源不足、開挖料浪費、渣場二次搬遷等問題卻時有發生。

因此，本文擬從土石方平衡的設計、動態管理、各方職責等出發，對常見問題及可能存在的原因進行分析，并提出解決措施和控制要點。

1 土石方平衡設計的一般思路

土石方平衡是一項綜合性設計，須由各專業密切配合和綜合比較才能選定最佳總平衡設計方案[1]。設計時應貫徹“料盡其用、時間匹配、容量適度”的總體原則，一般按以下思路開展：

（1）初定設計方案及施工方案。

（2）梳理初選設計方案下土石方填筑工程量與混凝土骨料需求量，包括各種類別填筑料物的規格、品質要求和需求量，混凝土工程量和各種規格混凝土骨料的需要量。

（3）梳理各建筑物分部位、分巖性的開挖工程量，結合各建筑物開挖部位的地質條件、開挖方法和進度安排，對各建筑物開挖料質量及數量進行可利用分析，提出各建筑物開挖料的可利用量。

（4）分析主要土石方填筑工程分區分高程料物品種、質量、數量、施工時段和強度等，分析混凝土骨料品種、數量、混凝土施工時段及強度。

（5）進行土石方平衡規劃（開挖料利用方案，開挖量、流向、利用量、棄用量、中轉安排，料場、存渣場、棄渣場布置）等。

（6）根據土石方平衡結果對設計方案和施工方案進行修正。

（7）提出各建筑物開挖料利用及土石方平衡匯總表。

2 土石方平衡計算常見問題及原因分析

2.1 土石方平衡設計出現的常見問題

（1）料源平衡時序沖突問題。如某抽水蓄能電站土石方平衡設計時，上水庫面板堆石壩填筑時間為2015年5月～2017年10月，其填筑料來源為上水庫進出水口。而根據工程進度安排，上水庫進出水口開挖時段為2015年8月～2017年5月，即上水庫面板堆石壩填筑時所需填筑料還沒有開始開挖。

（2）開挖料利用系數取值問題。如某抽水蓄能電站招標設計階段土石方平衡設計時，其上下庫連接道路石方開挖料利用系數選用0.8，引水上斜井石方洞挖利用系數選用0.96，下斜井石方洞挖料利用系數選用0.8，并據此計算開挖料中的可利用料量。根據設計人員反饋，該利用系數主要由地質專業人員根據地勘資料得出。

然而在實際施工過程中，上下庫連接道路開挖由于地形陡峭、線性條帶狀施工場地等特點，開挖料難以有效收集；引水系統的上下斜井由于計劃采用反井鉆機開挖（施工組織設計主要施工方法中描述），反井鉆機反拉提升范圍內（1.4～2m，該電站反井鉆實際反提孔徑2.4m）的圍巖不能得到利用，上述系數選用時僅考慮地質因素未能考慮實際施工因素顯然存在問題。

（3）后期棄渣轉運問題。如某抽水蓄能電站土石方平衡設計時，擬在下水庫攔河壩壩后設置1號棄渣場，在下水庫庫尾、業主營地上游設置2號棄渣場，其中由于下水庫壩后1號棄渣場受大壩填筑進度安排形成較晚，故通風兼安全洞、進廠交通洞、下水庫進出水口、臨時營地場地平整等部位的棄渣部分（約50萬松方）先行堆存在2號棄渣場。

由于2號棄渣場位于業主營地上游，為避免生產運行期2號棄渣場對業主營地帶來不良影響，2號渣場棄渣施工后期全部倒運至附近渣場，其中35萬m3倒運至2km之外的1號渣場，116.22萬m3倒運至3km之外位于上下庫連接道路之間的3號渣場。

鑒于渣場二次倒運成本較高，且對于臨時渣場的環境破壞嚴重。后續經各方研究，考慮到該電站現有交通條件較為便利，下水庫大壩具備在籌建期開工條件，即1號棄渣場具備提前啟用條件，因此最終取消了2號渣場，將工程早期棄渣堆存至1號渣場，后期直接堆存至3號渣場。

（4）料場的無用料、實際開挖料較原界定量超出過大。如某電站Ⅱ石料場設計開挖有用料利用總量為144.48萬m3，無用料總量為86.31萬m3，然而在實際開挖過程中，經過參建各方成立的有用料現場鑒定小組核定，無用料實際開挖總量131萬m3，超出原界定量45.2萬m3，最終額外增加投資近1000萬元。

除此之外，如果招標設計階段土石方平衡設計不合理，還將可能導致“在棄掉大量有用料的同時，另開辟料場或者從外部買料”“原界定可用料實際不可用，料源不足重新找料”等問題。

2.2 原因分析

導致上述各類問題出現的原因很多，常見的有：

（1）計算中的細節問題。如利用系數、換算系數取值的問題，挖填時段的沖突問題等。

（2）基礎資料的偏差問題。如陡峭地形條件下，利用較大比例尺的測繪圖進行工程量計算，即便測繪比例尺在規范允許范圍內仍有可能會面臨較大偏差。目前抽水蓄能電站主要采用水電工程的規程規范，如水庫岸坡詳勘可采用1∶5000～1∶1000的比例尺，其中1∶5000對于大中型常規水電而言還可以，但對于較小工程范圍的抽水蓄能電站而言則準確度就遠遠不夠，地形越陡峭偏差可能越大。與此同時，地形越陡峭進行高精度測繪的難度和代價也更大。另外，如對料場的地勘深度不足，也可能導致土石方平衡設計偏差。

（3）專業間的銜接問題。目前在各水電設計院，土石方平衡一般由施工專業設計人員負責，其他專業人員（地質、水工）只負責提交相關專業資料，專業之間的銜接聯動雖然有，但對于需要各專業密切配合和綜合比較才能真正完成的土石方平衡計算而言仍有不足，有待進一步加強。

（4）實際施工進度與設計進度不一致問題。實際施工過程中由于各種原因，實際的施工進度與原設計的進度可能不一致也是導致上述各項問題出現的一個原因。

3 土石方平衡調配的動態管理

作為基于某一具體的設計方案和進度計劃安排進行的設計，土石方平衡計算成果是一個時點的方案而不是一貫到底的方案。隨著工程建設的不斷進行，開挖揭露的地質情況、設計方案、實際進度相較于初始方案往往會發生變化。這種情況下，盲目地按招標設計階段土石方平衡計算成果進行調配反而會給工程建設帶來很多問題。

目前，關于土石方平衡調配動態管理的常見問題主要有：

（1）缺少對土石方平衡落實情況的監管。如施工方未執行土石方平衡方案，將作為填筑料的開挖料選擇就近的棄渣場隨意堆存，未運至中轉料場進行保護等，與此同時監理方未能做好監督管理。

（2）當開挖揭露的地質資料、施工進度計劃等邊界條件變化后，未能及時地進行土石方平衡復核。

上述問題究其本質就在于對于土石方平衡調配管理認知不夠，參建各方不能正確對待自身在調配管理中的職責。

一般而言，作為項目的投資方，建設單位往往對土石方平衡都較為關注，但由于涉及單位眾多，如果不能認清參建各方職責，調動各方積極性則難以有所建樹。除建設單位外，抽水蓄能電站大多由設計單位、監理單位和施工承包商共同建設，各個單位在土石方平衡過程管理環節中的職責各有不同。

設計單位作為土石方平衡方案的設計者，對于整個方案最為清晰，在過程管理中主要發揮的是督促和提醒作用，需要對過程中的變化做出預警并及時進行復核、提出應對措施。

施工單位作為土石方平衡方案的執行方，其主要職責是嚴格按照土石方平衡方案及監理要求實施，對于實施過程中發生的變化，應及時向監理單位報告。

監理單位作為工程現場的直接管理者，是整個土石方平衡方案實施情況的現場監管者和變化發生后的協調中樞，擔負著對施工單位具體執行情況進行監督管理，以及對過程中的變化及時協調處理的職責。

在實際工程中，只有各參建單位各盡其責，才能有效避免上述土石方平衡過程管各項問題的發生。

4 土石方平衡調配管理建議

作為施工組織設計中的一項重要工作，土石方平衡計算在抽水蓄能電站建設過程各設計階段均需開展，只是設計深度要求各有不同。招標設計是施工招標前的最后一個設計階段，其基本任務是為施工招標文件的編制提供依據，滿足工程建設項目招標采購和工程實施與管理的需要。在招標設計階段對土石方平衡設計進行強化審查，是一個較為理想的切入點。如國網新源公司要求各個新建項目的設計單位在招標設計就土石方平衡計算編制專題報告，并組織專家審查會進行審查把關，將各項可能存在的問題消除在招標之前，從而減少建設過程中的索賠等風險。

在動態管理上，近年來的部分抽水蓄能項目大多采用以下方式：

（1）成立由監理牽頭，業主、監理、設計、施工單位技術人員和地質人員工程參加的料源管理小組，負責對開挖料進行鑒別、對有用料的運輸保存等進行檢查等。

（2）定期由監理組織各施工承包商進行實際開挖量、填筑量統計，并依據實施進展開展土石方平衡復核。如江蘇溧陽抽水蓄能電站每月要求參建各方報送已開挖量、已填筑量、剩余開挖量、剩余填筑量和其他部位需要量，每季度組織土石方平衡分析。

（3）利用數字化系統將每輛運料車裝上GPS定位，確保將全部開挖料運到指定的部位[3]。

目前，已有科研院所正在研究進行利用計算機技術建立數學模型，擬將土石方平衡調配成果以三維動畫形式進行展示，從而達到形象生動的指導施工的目的[4][5]。這為未來抽水蓄能電站土石方平衡調配動態管理提供了新的工具和方法。

5 結束語

抽水蓄能電站土石方平衡調配實施的優劣，對于減少工程量、降低工程投資意義重大。對于土石方平衡調配工作，土石方平衡計算與工程建設過程中的動態管理同樣重要。

在招標設計階段加強土石方平衡設計成果管理，可以將各項可能存在的問題消除在招標之前，從而減少建設過程中的索賠等風險。

參建各方在土石方平衡過程管理環節中的職責各有不同，只有各方各盡其責，才能有效避免土石方平衡調配過程中各項問題的發生。

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