抽水蓄能电站库内开挖料“挖填平衡”初步探讨

孙世辉

（中国电力建设集团有限公司，北京市 100048）

抽水蓄能电站库内开挖料“挖填平衡”初步探讨

孙世辉

（中国电力建设集团有限公司，北京市 100048）

抽水蓄能电站库内开挖料利用与否是电站经济效益评价的一项重要指标。本文在调查多个抽水蓄能电站库内开挖料施工设计方案的基础上，对上水库库内开挖料“挖填平衡”理论进行了初步探讨，并探索提出了“挖填平衡系数”概念。针对不同开挖料与填筑料对比分析，提出9种挖填平衡类型，并制定了相应的针对性措施。以某抽水蓄能电站为例，在挖填平衡系数大于1，有用层储量为0时，建议优化设计方案。将开挖料中相对质量较好的气孔状玄武岩用于次堆石区的填筑料，同时选择库外流纹岩料场作为主堆石料场，将无用层堆砌于坝体下游作为坝后压坡体等设计措施，提高了经济效益。

挖填平衡；开挖料；抽水蓄能电站

0 引言

天然建筑材料勘察是水电水利工程前期勘测设计中非常重要的一项工作，但往往因得不到足够重视，而在施工过程中出现料源问题。早在20世纪50年代，就有专家在思考总结水电站天然建筑材料勘察中的经验教训，强调指出建筑材料产地的选择应当是由近而远[1]。还有的专家着重探讨了如何结合试验进行料源的质量评价，并研究了料源储量计算方法等[2]。近年来，国内外一些学者就天然建筑材料勘察过程中遇到的问题和新的技术方法进行了研究[3-7]。这些研究成功地为水电工程天然建筑材料勘察奠定了重要基础。

抽水蓄能电站天然建筑材料的勘察与常规水电项目勘察重点有所不同，尤其是在上水库库区内，根据水库库容的要求，库区内开挖量已经确定的前提下，应重点研究开挖料工程地质特征，分析其作为筑坝材料的可行性，从而达到挖填平衡，降低工程造价。有些工程技术人员研究了文登抽水蓄能电站全、强风化料可利用性研究及上水库库区开挖与坝体填筑方案设计[8]，有些同行[9]研究了溧阳抽水蓄能电站土石方平衡规划，还有的同行研究了沙河抽水河蓄能电站上水库库盆开挖设计[10]。

基于上述工程实践，本文对抽水蓄能电站库内开挖料“挖填平衡”概念进行了初步探讨，尝试提出“挖填平衡系数”的概念，并针对不同开挖料与填筑料对比类型，提出相应的针对性措施。

1 挖填平衡概念初步探讨

抽水蓄能电站上水库库内开挖料挖填平衡是以提高开挖料有效利用为目的，通过有针对性的工程地质勘察工作，充分研究开挖料工程地质特征基础上，结合工程布置要求，尽可能将其用于坝体填筑等工程部位，减少弃渣，以获得最佳的经济效益。挖填平衡在施工阶段为一个动态概念，根据开挖揭露情况，及时调整开挖方案，充分利用开挖料源。

挖填平衡系数是开挖料储量与填筑料需求量的比值，即为：

式中：K──挖填平衡系数；

W挖── 上水库库内开挖料储量，m3，包括有用层储量W有和无用层储量W无；

W填── 用于工程填筑料需求量，m3，包括筑坝W筑坝、修建道路W道路、建筑物W建筑等填筑量，一般指筑坝填筑量。

挖填平衡系数K>1时，表明库区开挖料储量多于填筑料需求量；挖填平衡系数K=1时，表明库区开挖料储量等于填筑料需求量；挖填平衡系数K＜1时，表明库区开挖料储量少于填筑料需求量。挖填平衡概念进一步分析见表1。

从表1可知，经济效益指标优劣主要取决于库区开挖料中有用层的储量，一般情况下，有用层储量较多时，其经济效益指标较好。目前，抽水蓄能电站上水库库内天然建筑材料质量技术指标评价主要依据《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》（DL/T 5388）执行。

下面，以某抽水蓄能电站上水库库内开挖料勘察为例，进一步阐述挖填平衡概念在工程实践中的应用。

2 某抽水蓄能电站上水库库内开挖料挖填平衡案例分析

2.1 工程概况及基本地形地质条件

某抽水蓄能电站上水库位于山体顶部玄武岩台地上，地形平缓（见图1）。上水库为库内开挖、环库筑坝形成，拟布置沥青混凝土面板堆石坝，最大坝高73m，坝体填筑需求量为408.2m3。

库区出露的基岩岩性主要为气孔状玄武岩、凝灰质角砾岩，属中新世昭乌达组。该组以基性玄武岩为主，岩石产状近于水平，厚度约435m，由西向东、由北向南厚度有逐渐变薄的趋势。每一韵律下部均为沉积岩，上部均为基性熔岩，火山岩全为溢流相。在前期勘察阶段，对库区开挖料作为筑坝料的可行性进行了研究。

2.2 原岩试验成果及质量评价

上水库库内开挖料岩性为气孔状玄武岩和凝灰质角砾岩，二者呈互层结构，对岩样进行了室内物理力学性质试验研究，试验成果统计见表2和表3。

试验结果表明，气孔状玄武岩的饱和抗压强度平均值为28.8MPa，干密度平均值为2.15g/cm3；凝灰质角砾岩的饱和抗压强度平均值为1.6MPa，干密度平均值为1.34g/cm3。依据现行的规程规范，上水库库区内岩石的饱和抗压强度和干密度均不满足坝体对堆石料的质量指标要求，即库内开挖料均不满足筑坝料质量指标要求（见表4）。

2.3 原岩可利用性分析

研究区库内开挖料储量为473.2m3，坝体填筑需求量为408.2m3。挖填平衡系数K=473.2/408.2=1.2>1，且W有=0，属挖填平衡概念中第Ⅲ种类型，即库区开挖料储量多于填筑料需求量，且开挖料中没有有用层，全部为无用层。为了提高电站经济效益，将无用层中质量相对较好的气孔状玄武岩作为次堆石区的填筑料进行了研究，按照气孔状玄武岩夹杂部分凝灰质角砾岩混合料（混合比例7∶3）采取试样，试验结果见表5和表6。

试验结果表明，在压实度0.98条件下，混合料强度指标φ为34.0°～35.3°，邓肯模型参数K为728.4～989.6，在垂直应力50～3200kPa范围内压缩模量ES为67.7～116.3MPa。在气孔状玄武岩夹杂部分凝灰质角砾岩混合料（混合比例7∶3）条件下，其试验指标基本满足次堆石区的填筑料要求。

2.4 设计优化措施

某抽水蓄能电站上水库属挖填平衡概念中第Ⅲ种类型，结合坝体结构设计要求及筑坝材料试验研究成果，拟采用库区气孔状玄武岩夹杂部分凝灰质角砾岩混合料（混合比例7∶3）作为次堆石区填筑料，同时选择库外流纹岩料场作为主堆石区料源，并采取了将无用层堆砌于坝体下游作为坝后压坡体等设计优化措施（见图2）。这些措施充分利用了工程开挖料，减少工程弃渣量，提高了电站经济效益。

3 结论与建议

（1）抽水蓄能电站库内开挖料挖填平衡是以提高开挖料有效利用为目的，通过有针对性的工程地质勘察工作，充分研究开挖料工程地质性质基础上，结合工程布置要求，尽可能将其用于坝体填筑等工程部位，减少弃渣，以获得最佳的经济效益。

（2）挖填平衡是影响抽水蓄能电站经济效益的重要因素之一，其经济性主要取决于库区开挖料中有用层的储量。将挖填平衡系数探讨划分为9种类型，依据不同类型，采取设计优化措施，提高经济效益。

（3）某蓄能电站上水库属挖填平衡概念中第Ⅲ种类型，在研究了混合料作为次堆石区填筑料的基础上，同时选择库外流纹岩料场作为主堆石料场，并采取了将无用层堆砌于坝体下游作为坝后压坡体等设计优化措施，尽可能做到挖填平衡。

（4）挖填平衡是一项系统性工程，本文以某抽水蓄能电站为例，对上水库挖填平衡从料源储量、质量及工程措施等方面进行了初步探讨，提出了挖填平衡系数概念，对上水库开挖填筑的经济性有一定参考价值。随着越来越多蓄能电站的建设，挖填平衡理念将会得到进一步的强化。

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2017-07-18

2017-08-29

孙世辉（1968─），男，高级工程师，主要研究方向：水利水电、新能源、水资源与环境工程的勘测、设计与管理。E-mail：sunsh@powerchina．cn

Preliminary Discussion on “Excavation-fills Balance” in Excavation Materials of Pumped Storage Power Station

SUN Shihui
（Power Construction Corporation of China，Beijing 100048，China）

It is an important index that whether using the excavation materials in the reservoir of the pumped storage power station to evaluate the economic benefit of the power station. Based on the summary of the construction design of the excavation materials in the reservoirs of everal pumped storage power stations， this paper systematically discusses the theory of “excavation-fills balance”in the reservoirs of the upper reservoir， and puts forward the concept of“ excavation-fills balance ”coefficient. The comparison of excavation materials and filling materials， and puts forward nine kinds of “ excavation-fills balance ” types， and formulates corresponding countermeasures. Taking a pumped storage power station as an example， when the coefficient is greater than 1 and the useful layers is 0， it is suggested to optimize the design scheme。The relatively good stomatal basalts in the excavation material are used for the filling material of the secondary rockfill zone. At the same time， the rhyolite field outside reservoir area is selected as the main rockfill zone， and the uselessness layers are piled up downstream of the dam slope and other design measures to improve the economic efficiency.

excavation-fills balance；excavation materials；pumped storage power station

TV743

A学科代码：570．35

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．023