水利工程土石方平衡分析及弃渣量计算

石 峰 潘存德 韩守都

(1新疆农业大学林学与园艺学院 2新疆水利水电设计研究院)

水利枢纽工程布置相对集中，开挖料依据其岩性、开挖条件和建筑物各填筑部位对填筑料的要求，将开挖料分为可用料和弃渣两部分。如何有效利用可用料，并对弃渣进行有序堆放和治理，基础工作之一就是土石方平衡。土石方平衡需要对其质量、数量、时间及空间四个方面进行统筹规划［1］，当四个条件完全满足时，就不存在弃渣和借方问题。但在实际施工中，这种最优状态往往难以达到［2］，必须结合工程特点进行分析，尽可能多地利用开挖料，减少弃渣，降低造价。本文以某水利工程为例，研究制定切实可行的土石方平衡规划，计算分年度的利用量和弃渣量，为料渣场规划和水土保持提供依据。

1 工程概况

某水利工程位于天山北坡中低山区，枢纽主要建筑物有黏土心墙坝、溢洪道、泄洪洞和放水洞等。黏土心墙坝最大坝高92 m，上游围堰与坝体结合，成为坝体的一部分;泄洪兼导流洞和放水洞均布置于右岸，进出口联合布置;溢洪道布置在右岸，紧靠右坝肩。工程施工期3.5 a。主体工程土石方挖填工程量见表1。

表1 土石方工程量表 单位:104 m3

2 填筑料质量要求与可利用开挖料数量分析

本工程土石方开挖总量为247.59万m3，土石方填筑量为435.74万m3。开挖料能否满足填筑料的质量要求，需要根据地质勘察报告进行分析计算。

2.1 填筑料质量要求

根据坝体结构设计(见图1)，坝体填筑分区从上游至下游分为坝壳砂砾料区、过渡料区、反滤料区、黏土区、反滤料区、过渡料区、坝壳砂砾料区及排水料区。由于过渡料、反滤料、排水料和黏土料的质量要求高，一般不利用开挖料，开挖料主要用于坝壳砂砾料的填筑。坝壳砂砾料是坝体的主要支撑结构，要求砂砾料级配连续，5 mm颗粒至相当3/4填筑厚度时应在20% －80%范围内，紧密密度＞2 g/cm3，内摩擦角 ＞30°，含泥量 ＜8%，碾压后渗透系数 ＞1 ×10－3cm/s［3］。

泄洪隧洞和溢洪道也需要一部分填筑料，主要用于建筑物周边回填和退水渠堤填筑。建筑物周边回填料可以利用石渣料，渠堤砂砾料要求耐风化、水稳性好、含泥量宜小于5%［4］。

2.2 可利用开挖料数量分析

2.2.1 大坝可利用开挖料数量分析

大坝土石方开挖量较大，其地质条件为:①左坝肩基岩岩性为下石炭统齐尔古斯套群(C1Qr)的凝灰岩、凝灰质泥岩，强风化层厚度5－8 m，弱风化层厚度为30 m左右。②河床覆盖层为第四系冲积砂卵砾石层，厚度20－23 m，粒径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°，砂卵砾石层渗透系数 K=2.66 －3.24 ×10－2cm/s;在 3.5 －7.7 m 左右夹厚 2 －3 m 厚粉土质砂(SM)，0.1 －0.075 mm 的颗粒含量3.0% －20.0%，＜0.075 mm的颗粒含量40% －50%，＜0.005 mm的颗粒含量8.5% －10%，砾石含量约10%，级配不均匀。覆盖层下伏基岩为凝灰岩和泥质凝灰岩，基岩强风化层厚为5－12 m。③右岸发育Ⅰ－Ⅲ级阶地，自然边坡坡度30°－40°，表层为风积黄土、洪积粉土、碎石土，下部为冲积砂卵砾石，坡脚处堆积碎石土，厚3－5 m左右，基岩岩性为下石炭统齐尔古斯套群的巨厚层状凝灰岩和凝灰质泥岩，强风化层厚度5－8 m，弱风化层厚为30 m左右。

图1 坝体标准剖面图

大坝土石方开挖设计:大坝河床部位开挖至粉细砂层底部;左岸上、下游坝壳部位清除表层的松散体，右岸上、下游坝壳部位清除表层风积黄土、洪积粉土、碎石土等。心墙部位清除覆盖层及强风化层。根据地质条件，河床部位的土方开挖料(粉土质砂层除外)可以满足坝壳料填筑要求，根据河床宽度及开挖料范围、深度等指标进行计算，大坝土方开挖料可利用量约为40万m3(自然方)。

2.2.2 泄洪隧洞和溢洪道可利用开挖料数量分析

泄洪隧洞和溢洪道均布置在右岸，土石方开挖主要集中在隧洞进出口引渠段与溢洪道泄槽段等部位。

泄洪隧洞和溢洪道进口段位于Ⅲ级阶地，地表有少量风积、坡积碎石土，厚13 m左右，基岩为下石炭统齐尔古斯套群的凝灰岩、凝灰质泥岩，巨厚层状，碎裂结构。泄洪隧洞洞身段通过基岩为凝灰岩、凝灰质泥岩。泄洪隧洞出口段和溢洪道泄槽段通过右岸Ⅲ级阶地，地表堆积第四系坡积、风积黄土层，含碎石，覆盖层厚18m左右，基岩为凝灰岩、凝灰质泥岩，巨厚层状，碎裂结构，岩层产状305－310°SW∠40°。

泄洪隧洞和溢洪道土方开挖料主要成分为风积、坡积碎石土，不能用于大坝填筑，只能用于建筑物周边回填和平整场地。

3 挖填料施工时间与空间条件

3.1 挖填料施工时间分析

根据工程施工工期安排，大坝土石方开挖时间与泄洪隧洞退水渠堤填筑及建筑物周围回填时间重合，可以直接利用大坝河滩开挖料，利用量为3.51万m3(压实方);大坝河滩开挖料也可直接用于填筑坝体上游围堰部位，直接利用量为6.83万m3;溢洪道挡墙外侧回填石渣时间相对偏晚，没有同期施工的石方开挖料，只能利用弃渣场的石渣料。分析时间因素，本工程直接利用料总量为10.34万m3。根据开挖料质量和数量分析结果，大坝土方开挖料可利用量约为40万m3(自然方)，除直接利用量外，尚有约30万m3需要布置利用料堆放场以备二次利用。

3.2 挖填料施工部位空间关系分析

本工程枢纽建筑物布置紧凑，左右岸均布置有施工道路到达各施工部位，运距小于1.5 km。利用料堆放场、弃渣场位于枢纽区2.5 km范围内，交通方便。砂砾石开采料场距枢纽区平均运距约4.0 km，大于开挖利用料的运输距离。因此，从建筑物挖填施工的空间关系分析，利用开挖料是经济的，可以有效减少天然料场的开采量和运输距离，减少弃渣量。

4 土石方平衡规划

土石方平衡规划的原则为:①尽量提高开挖料利用率，减少弃渣占地;②在开挖过程中，加强可利用料和弃渣料层界面处的开挖控制，清除不可用料，保证可用开挖料的质量;③土石方开挖料均优先考虑就近利用，直接利用;④利用料堆放场的设置应少占耕地，进料和出料方便，运距近，施工干扰小。

在分析挖填料质量、数量、时间、空间四因素的基础上，对本工程进行土石方平衡规划(土石方松实折算系数见表2)。

本工程土方统指第四系冲积砂卵砾石、风积黄土、洪积粉土及碎石土等，选取折方系数为:自然方:松方∶填筑方 =1∶1.18∶0.92;石方统指强、弱风化层的凝灰岩和凝灰质泥岩，选取折方系数为:自然方∶松方∶填筑方 =1∶1.50∶1.28。利用料运输损耗系数约为0.05。主体工程土石方平衡规划成果见表3。

表2 土石方松实折算系数表［1，5，6］

表3 土石方挖填平衡表 单位:104 m3

5 开挖料的分年度利用量和弃渣量

土石方挖填施工工期计划和土石方平衡分析:施工期第一年为泄洪隧洞开挖年，基本没有直接利用料;第二年大坝直接利用开挖料3.81万m3，堆存备用量19万m3(月均9.5万m3);第三年直接利用开挖料6.83万 m3，堆存备用量8.92万 m3(月均4.46万m3);第四年无挖填利用。依据弃渣料数量计算公式，得出施工期分年弃渣量(松方)见表4。

表4 施工期分年弃渣量表 单位:104 m3

6 结语

施工期第一年和第二年春夏两个时间段是工程弃渣的高峰期，也是水土流失防治的重点时期。弃渣场的水土流失防治往往是整个工程环境治理的重点和难点。计算逐年弃渣量，对于弃渣场的使用、规划、监测、治理意义重大。为减少弃渣料，应争取做到:①施工期间，工程区的施工道路、场地平整、截流堤填筑等临时项目尽量利用弃渣料;②结合工程区附近洼地整治、土地改造、路桥建设等项目，协调利用弃渣料;③采取自下而上的堆存方式，经运输机械的反复碾压，提高弃渣料的密实度，以利于渣场稳定和减少占地。

分析挖填料的质量、数量、时间及空间条件，从而可制定出切实可行的土石方平衡规划。计算分年度土石方利用量和弃渣量，不仅有利于开展料渣场规划和水土保持，也为工程施工控制和管理提供了依据。

设计时的土石方平衡规划是静态的，随着社会和经济的发展，各种条件的变化，土方平衡也要实行动态控制和管理。只有加强控制和管理，才能取得预期的效果［7］。

［1］水利水电工程施工手册(第二卷，土石方工程)［S］.北京:中国电力出版社，2002:408，137 －138.

［2］陈昌军，林洪.公路建设项目水保方案编制中土石方平衡方法的探讨［J］.水土保持科技情报，2004(6):9－10.

［3］水利水电工程天然建筑材料勘察规程［S］.北京:中华人民共和国水利部，2005.

［4］堤防工程设计规范［S］.北京:国家技术监督局、中华人民共和国建设部.

［5］水利水电工程施工组织设计手册(第一卷，施工规划)［S］.北京:中国水利水电出版社，1996:242－244.

［6］刘琼芳.天生桥一级水电站土石方平衡规划与实施［J］.云南水力发电，2001，17(2):101 －104.

［7］李继东.南水北调中线工程京石段渠道土石方平衡规划［J］.水科学与工程技术，2006(增刊):44－45.