心墻堆石壩填筑石料開采規劃與動態優化

薛 凱

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

長河壩水電站攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程1 697.00 m，最大壩高240.0 m，壩頂長502.85 m，壩頂寬16.0 m。大壩設計總填筑量約3 417萬m3，設計石料需求為：壩殼堆石料2 273.9萬m3，過渡料290.97萬m3，反濾料168.19萬m3；護坡塊石29.38萬m3，石料約占壩體填筑總量81%。長河壩水電站分別在大壩上、下游各規劃一個石料場，上游響水溝料場和下游江咀料場。

響水溝料場位于壩址區上游右岸響水溝溝口，距壩址約3.5 km。地形形態為一山包，三面臨空，分布高程1 545～1 885 m，地形坡度40°～50°。料源巖性為花崗巖，巖石弱-微風化，巖質致密堅硬，飽和濕抗壓強度94.5～120.0 MPa，軟化系數0.74～0.78，天然密度2.61～2.99 g/cm3，凍融損失率 6%～16%，主要質量技術指標滿足規范要求。料場勘探儲量2 675萬m3。

江咀料場位于壩址區下游左岸磨子溝溝口左側，距壩址約6 km。分布高程1 500～1 930 m，地形坡度一般40°～60°，少量30°～35°。料源巖性為石英閃長巖，巖質致密堅硬，巖石飽和濕抗壓強度76.4～131 MPa，軟化系數0.77～0.87，天然密度2.70～2.89 g/cm3，凍融損失率27%～43.3%，主要質量技術指標滿足規范要求。料場勘探儲量約3 337萬m3。

2 投標階段

2.1 規劃依據

(1)質量要求。滿足招標技術條款對大壩過渡料、堆石料的強度、級配等質量技術要求。

(2)封堵與蓄水要求。根據招標進度要求，2016年11月初期導流洞下閘。蓄水后上游道路中斷，上游石料場不具備再供料條件，下閘蓄水后壩體剩余填筑石料從下游石料場開采供應。

(3)跨心墻運輸要求。為保證礫石土心墻施工質量，招標技術明確不允許跨心墻運輸。當上游通向石料場交通隧道因蓄水需要開始封堵時，在采取有效防止心墻料因過度碾壓產生裂縫、彈簧土等措施并經批準后，剩余壩體上游反濾料、過渡料、堆石料、塊石料可以跨心墻運輸。

表1 投標方案石料場開采規劃

注：江咀料場有用料開采量包括向砂石系統補充供料量。

2.2 開采規劃

根據招標文件的設計規劃要求，在初期導流洞下閘前，大壩石料按上、下游分別供應。投標方案大壩填筑進度計劃中，在2016年11月初期導流洞下閘時，大壩已填筑到1 679 m高程。即，響水溝料場供應大壩上游1 679 m以下的堆石料、過渡料、護坡塊石料；大壩下游的所有堆石料、過渡料、塊石料，以及大壩上游1 679 m以上的堆石料、過渡料、塊石料均由江咀料場供應。反濾料由砂石系統生產，原料利用建筑物開挖料，不足部分從江咀料場開采供應。開采規劃見表1。

3 施工階段

3.1 規劃依據

(1)石料場復查成果。石料場的可開采量、開采范圍、施工布置等規劃應依據詳實的復查成果資料。

(2)設計工程量。施工圖階段的設計工程量是石料場開采規劃的需求量依據。

(3)大壩填筑設計指標。大壩堆石料、過渡料的孔隙率、干密度、相對密度等設計指標是計算松實系數的依據，直接影響開采量計算。

(4)大壩填筑進度計劃與施工強度。進度計劃中初期下閘時間及對應的大壩填筑形象面貌是規劃上、下游兩個石料場的開采時段及開采量的依據。根據長河壩水電站實施階段的大壩填筑進度，2016年11月初，初期導流洞下閘時大壩填筑高程由投標方案的1 679 m調整到1 645 m。

(5)交通條件。對開采條件好、運距短的石料場應力求多采，不僅有利于加快進度和提高施工強度，而且有利于降低施工費用。本工程技術要求不允許跨心墻運輸，若上、下游兩個石料場根據條件規劃不均衡開采(即上游石料場向大壩心墻下游供料或下游石料場向大壩心墻上游供料)，則具備便捷的繞壩運輸通道是關鍵。本工程布置有左岸低線過壩交通洞，經上、下游圍堰可分別通向大壩填筑面。

(6)其他石料需求量。除大壩填筑石料外，本工程還需向砂石生產系統供應239萬m3(自然方)作為生產原料。

3.2 石料需求量

石料需求包括大壩堆石料、過渡料、反濾料、塊石料以及砂石生產系統原料等。根據設計施工圖紙工程量核算石料需求量見表2，其中松實系數根據巖石天干然密度、設計壓實干密度計算。

從表2可知，需從石料場開采2 075.08萬m3(自然方)石料直接上壩用于填筑堆石、過渡層及護坡塊石；開采239萬m3(自然方)供應砂石系統作為大壩反濾料及混凝土生產原料。總共需要從石料場開采2314.08萬m3(自然方)有用石料。

3.3 料場復查

(1)響水溝料場：①復查指標。計劃開采高程1 885～1 545 m(可開采至1 530 m)；平面開采面積10 297～87 824 m2；后坡面積約82 000 m2；總儲量2 102萬m3，有用料儲量2 002萬m3，無用料儲量100萬m3。平均上壩運距6.3 km。②其他條件。響水溝料場位于長河壩庫區內的響水溝口，呈一三面臨空的山包，緊臨大渡河，周邊沒有民居區，也沒有地方交通從料場影響區通過，S211永久改線道路從料場后緣山體內通過，不受料場開采影響。溝口段作為棄渣場，主干道為隧道，料場開采對棄渣影響小。

(2)江咀料場：①復查指標。招標設計規劃的開采范圍劃分為A、B、C三個采區，A為溝內采區，B為溝口采區，C為中間采區。料場總體開采高程1 916～1 550 m；后坡面積約297 300 m2；總儲量2 299萬m3，有用料儲量1 901萬m3，無用料儲量398萬m3。平均上壩運距10.4 km。為優化開采規劃，根據現場地形條件，對A采區向溝內范圍適當擴展形成A1區，復查指標為：開采高程1 916～1 610 m；后坡面積約90 837 m2；總儲量707萬m3，有用料儲量607萬m3，無用料儲量100萬m3。 靠近A1區上游的小山脊稱為A2區，指標為：開采高程1 715～1 910 m；后坡面積約34 862 m2；總儲量194萬m3，有用料儲量184萬m3，無用料儲量10萬m3。另外，磨子溝口左側B區外緣兩面臨空的小山脊(稱為B1區)部分坡面巖石裸露，可低高程開采(1 640 m以下)，采區距砂石生產系統較近(約300 m)，方便直接向砂石系統供料，可采性相對較好，指標為：開采高程1 640～1 480 m；后坡面積約50 594 m2；總儲量344.41萬m3，有用料儲量301.68萬m3，無用料儲量42.73萬m3。②其他條件。江咀料場位于大壩下游磨子溝內，總體沿磨子溝左側坡面布置，單面臨空。料場采區對面山坡有居民住戶，采區山后是麥崩鄉，都不同程度受料場開采的爆破振動、噪聲、揚塵影響；通往麥崩鄉的地方公路順磨子溝底部通過，是料場開采的重大干擾因素。

表2 大壩填筑石料工程量明細

表3 復查成果對比分析

注：江咀指招標設計范圍；坡面系數指料場開挖形成的后坡面積與料場有用料體積之比， m2/萬m3。

(3)復查成果。響水溝與江咀兩大石料場復查成果對比分析見表3。

3.4 開采規劃

(1)規劃思路。以確保壩料質量、確保壩料供應強度為直接目的，原則上基于可靠的復查成果及綜合開采條件，優選質量好、出料快、運距短、效益好、干擾小的石料場作為主料源，綜合條件相對次之的料場作為輔助料源；突破投標階段嚴格按上、下游分開獨立供應的格局，實現一主一輔的綜合優化開采規劃。

(2)實施開采規劃。通過對響水溝、江咀石料場復查成果對比分析，響水溝料場的各項指標均明顯優于江咀料場：剝采比為江咀料場的24%；坡面系數為江咀料場的26%；平均上壩運距為江咀料場的61%。江咀料場周邊分布有居民區，爆破振動影響大，單次爆破藥量受到嚴格控制，嚴重制約開采強度，難以滿足填筑進度要求，且料場底部有鄉村公路通過，交通干擾大。因此，響水溝料場開采干擾遠小于江咀料場。在江咀料場的幾個采區中，A1區的綜合指標優于其他采區。

(3)對比分析后最終確定的石料場開采規劃為：以響水溝料場為主料場，江咀料場A1區作為輔助料場，江咀料場B1區作為應急備用采區，江咀料場其他采區不考慮開采。響水溝料場、江咀A1區、江咀B1區的有用料總量為2 910萬m3(2 002+607+301)大于需求總量2 314.08萬m3；儲量富裕系數為2 910÷2 314.08=1.26，滿足規范值1.20～1.50的要求。

(4)響水溝石料場供料部位包括：大壩上、下游堆石；上、下游過渡料；上、下游護坡塊石。江咀A1區供料范圍：初期下閘蓄水前補充供應大壩下游堆石、過渡料、塊石，初期下閘后供應大壩頂部剩余堆石、過渡料、塊石料；補充供應砂石生產系統加工原料(優先利用建筑物開挖料，不足部分由江咀A1區供應)。

(4)根據調整后大壩進度計劃，初期下閘時大壩計劃填筑到1 645 m高程，此時響水溝料場對應開采高程1 550 m，向大壩供應石料1 900萬m3。大壩剩余石料由江咀料場A1區供應，即考慮砂石系統用料，江咀A1區計劃開采有用料414萬m3，對應開采高程1 610 m。

4 石料場開采動態優化

4.1 料源交換、以空間換時間和場地

長河壩水電站左岸引水發電系統和右岸泄洪放空系統(簡稱“廠泄系統”)為地下工程，以花崗巖、石英閃長巖為主開挖料均滿足大壩填筑料要求，原規劃建筑開挖料用于砂石系統生產原料。

廠泄系統開挖工期計劃2014年6月結束，開挖工期后半段與大壩填筑期重合，填筑前地下開挖料已堆存到回采場。在廠泄系統開挖期間，混凝土施工項目較少，骨料用量小，砂石系統還未進入生產高峰期，但回采場已堆滿。大壩填筑后，調整廠泄系統開挖料直接上壩用于堆石料填筑，提高了大壩填筑強度，緩解了石料場開采與運輸壓力。2014年5月前大壩度汛高峰期，利用廠泄系統開挖料就近上壩作為補充供料，提高了實現度汛目標的保證率。

長河壩水電站工程砂石系統至江咀料場運距約2 km，調配后砂石系統就近從江咀料場取料。通過石料的時空交換后，大幅減小了原料運距和有效緩解了堆存壓力，避免原料轉運。

長河壩水電站大壩度汛填筑期(2014年5月前)實際利用建筑開挖料191萬m3(壓實方)，利用量約占度汛期填筑石料總量的18%，補充了度汛期石料填筑高峰平均強度的15%，對料場開采與運輸壓力緩解效果明顯。

4.2 料場開采動態優化

(1)工程于2016年10月下旬初期下閘蓄水，工程加快施工進度，大壩于2016年9月上旬填筑到頂，上游響水溝料場開采未受蓄水影響，持續開采到大壩填筑結束。

(2)為降低開采難度和節省工程費用，當料場開采到1 670 m高程時，對開采體型再次優化：將后坡由原設計1∶0.3調整到1∶0.5，開采到1 640 m高程時再次調整為1∶0.75；邊坡不再采取支護措施；采取掏心開挖方式。響水溝料場隨著開采高程不斷下降，巖石越趨新鮮、完整，采區內未出現軟弱夾層、透鏡體等不良地質條件。通過中上部的開采揭示判斷，影響有用料儲量的因素基本排除。為降低開采難度、節省工程費用，施工過程中結合實際情況反復核算料場剩余儲量及大壩填筑需要量，對邊坡得處理進行了調整：料場采區周圍邊沿巖石裂隙較發育，鉆孔爆破與級配控制難度相對較大，調整為掏心開挖，甩開邊沿巖體，這樣不僅避免了表面無用料開挖，也降低了開采難度。

(3)開采過程中，根據揭露出的地質情況動態調整開挖坡比及平臺高程與寬度。響水溝料場的最終開采高程為1 580 m，最終開采量為1 508萬m3(有用料1 398萬m3)；江咀料場A1區終采高程1 670 m，最終開采量562萬m3(有用料471萬m3)。大壩其余石料利用建筑開挖料。設計邊坡線與實際開采邊坡線對比見圖1。

5 動態優化效果

長河壩水電站石料場動態優化效果明顯，石料場開采總運輸量比投標方案降低約25%，料場邊坡支護面積比投標方案降低約71%。這些取決于：選擇距離近、地形好的上游料場作為主料場，充分利用建筑物開挖料，及時調整開采坡比等的動態優化。

長河壩水電站石料場在投標方案階段、實施方案階段及開采動態優化階段的數據對比見表4。

6 結 語

長河壩水電站大壩比合同工期提前近4個月填筑到頂。石料場開采規劃通過動態優化后，不僅實現了在滿足質量要求的前提下保證了大壩填筑供料強度的目標；而且進度、經濟、環境等綜合效益顯著。優化工作較成功，但還有需要進一步完善的地方，幾點體會如下：

(1)土石壩之“糧倉”的石料場，其開采規劃是大壩填筑施工取得成功的關鍵。

(2)優選石料的主料場應遵循“質量好、地形佳、出料快、運距短、干擾小”的基本原則，在保證質量的前提下，首先應考慮供料強度滿足大壩填筑進度要求。

圖1 料場終采典型剖面對比示意

料場狀態開口高程/m終采高程/m有用料/萬m3無用料/萬m3總開采/萬m3支護面積/m2剝采比坡面系數/m2·(萬m3)-1運輸量/m3·km響水溝投標方案18801650973.139.51012.6524380.040.00561305300實際完成188515801398.0110.01508.0302110.080.00288074000江咀投標方案191015901520.3325.21845.52412820.210.01695778900實際完成19101670471.091.0562.0549450.190.01229673000

(3)料場的開采規劃應結合其地質條件、開采與運輸邊界條件、設計變更等因素動態優化調整。

(4)重視“坡面系數”評判指標。剝采比側重于料場有、無用料的經濟性、可行性評價，而坡面系數則側重于邊坡因素對開采進度的影響，也可作為經濟性評價指標。如果坡面系數小，則支護量小，支護進度更容易保證，且支護費用也小，更經濟。

(5)建筑開挖料的利用可降低工程費用，有效補充高峰期供料強度。建筑開挖料的料源交換使用可充分實現以空間換時間，解決施工場地問題，高峰供應強度等系列綜合問題。

(6)料源開采規劃必須考慮規范規定的富裕系數，但可通過單獨規劃備用的料場或獨立的備用采區，這樣可有效避免普遍存在的低料無用的現象，同時也能有效降低料場因高開口而帶來的施工難度。

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