古贤水利枢纽两种代表坝型土石方平衡比较

李子康，申明亮，臧献伟

(武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072)

土石方平衡是指土石方在开挖、填筑、转运、料场开采、余料弃渣等一系列活动中，以快速经济施工为目的所做的设计、规划工作[2]。古贤工程水工建筑物布置集中，土石方开挖、混凝土浇筑等工程量大。重力坝方案左岸岸坡最大开挖高度约202 m，共开挖石方200.44万m3，平均开挖强度为10.02万m3/月；右岸岸坡最大开挖高度约198 m，共开挖石方166.71万m3，平均开挖强度为8.34万m3/月。基坑土石方开挖覆盖层开挖42.9万m3，石方开挖771.9万m3，石方开挖平均强度为59.4万m3/月。面板堆石坝方案中大坝过渡料、主堆石料、下游护坡块石、排水料等填筑料共需1 833.51万m3(压实方)，考虑坝面作业损耗、开采及运输损耗，料场开挖石料设计需要量为2 068.62万m3(自然方)。大坝下游堆石、下游压戗、上游石渣盖重及围堰填筑等均利用工程开挖料，工程开挖料来自于左、右岸岸坡石方开挖，左、右岸坝段基坑石方开挖等，填筑所需工程开挖料总计1 531.70万m3。文中将对两种坝型方案的土石方平衡进行分析，并比较不同方案对工程进度、工程质量、工程投资、水土保持产生的影响[3]。

1 工程概况

黄河古贤水利枢纽工程位于黄河中游北干流碛口至禹门口河段，壶口瀑布上游约10.1 km处，左岸为山西省吉县，右岸为陕西省宜川县，是黄河水沙调控体系7座干流大型骨干水库之一，是黄河水沙调控体系的重要组成部分，在黄河水沙调控体系中具有承上启下的战略地位，在黄河综合治理开发中具有十分重要的作用[4]，工程开发任务以防洪减淤为主，兼顾发电、供水和灌溉等综合利用。坝址控制流域面积49万km2，多年平均(1919～1998年)天然径流量384亿m3，占全河的69%；多年平均实测输沙量9.2亿t，占全河输沙量的65%。工程主要任务是以防洪减淤为主，兼顾发电、供水和灌溉等综合利用。总库容129.42亿m3，装机容量2 100 MW，多年平均发电量54.42亿kW·h，年引水量35.28亿m3。

2 研究方法与路线

在大坝工程施工中，涉及到的施工对象众多，其往往是由多个开挖对象、多个填筑对象、多个存弃渣场、多个开采料场以及之间复杂的交通道路系统组成。准确分析场地的规划情况和料物的流程是土石方调配建模的关键，场地规划主要是指开采料场、中转料场、弃渣场与开挖、填筑过程的关系，具体如图1。

土石方调配平衡系统受场地平整规划、土石方开挖进度、填筑进度、渣场规划等多种条件制约，且各种影响因素之间存在着明显的线性关系。故在本研究中依据本工程施工特点，施工总布置以砂石料加工系统、混凝土生产系统、弃渣场的规划布置为重点，围绕坝肩、基坑开挖出渣、砂石骨料运输进行总体规划，结合施工场地条件，以弃渣最少为目标函数，以施工组织、渣场容量为约束条件，通过线性规划到两种坝型方案中整个施工期内的土石方调运方案，确定时段内的土石方流向和相应的调运量[5]，同时根据求解结果及土石方调配模型中渣场填渣特性指标进行统计分析，从而给出推荐坝型。

图1 场地规划与物料基本流向图

3 土石方平衡

3.1 开挖和填筑分析

在重力坝方案中，施工总工期为114个月，其中施工准备期28个月，主体工程工期65个月，完建期21个月。覆盖层开挖108万m3，基岩开挖1 492万m3，石方洞挖233万m3，土方围堰拆除139万m3。石渣填筑574万m3，大坝的碾压混凝土填筑1 480万m3，主体工程和临建工程的常态混凝土填筑合计393万m3。

在堆石坝方案中，总工期也为114个月，其中施工准备期为2年4个月，主体工程施工期为5年5个月，完建期为1年9个月，另有3年工程筹建期。土、砂砾石开挖300万m3，石方开挖3 804万m3，石方洞挖515万m3，坝体填筑所需砂石料总量为4 070万m3，大坝、泄洪洞、进水塔、厂房、临建等工程所需混凝土量397万m3。

3.2 场地布置

3.2.1 混凝土重力坝方案

混凝土重力坝方案中混凝土总量约1 883.22万m3，其中主体工程混凝土总量1 819.19万m3，临时工程混凝土总量64.03万m3，混凝土加工料源为西磑口料场的灰岩及白云岩。西磑口料场距离工程区直线距离60 km左右，根据料场区地形条件，适合进行施工设施布置的场地主要集中在料场上游2 km、下游1 km范围内，料场下游有两个荒坡地，距坝址分别为1.5 km和0.7 km，面积分别为14万m2和4万m2，可以用做生产生活设施。料场区总占地面积共约113.22 m2，均为施工临时占地，包括料场区、砂石料加工厂、施工生活区、道路场地等。

大量开挖料由于物料性能问题不能用于填筑，必须进行弃渣，即将开挖出来的物料运到指定的位置堆放，重力坝方案共布置4个渣场，分布于黄河左右岸，坝址上游2个渣场、下游2个渣场，用于满足工程主体及临时堆弃渣要求。1号渣场位于坝址左岸上游2 km文城河沟道内，渣场容量2 550万m3，主要堆存左岸岸坡、河床覆盖层、部分坝基、部分厂房基坑、抗剪洞、左岸灌溉洞、导流工程及部分场内施工道路开挖渣料。2号渣场位于坝址左岸上游1.2 km沟道内，渣场容量110万m3，主要堆存部分左岸岸坡、左岸坝肩灌浆洞、左岸缆机平台及部分场内施工道路开挖渣料。3号渣场位于坝址右岸下游1.1 km沟道内，渣场容量610万m3，主要堆存部分右岸岸坡、部分坝体基坑、右岸坝肩灌浆洞、右岸灌溉洞、部分厂房基坑、出线场、高压电缆洞、右岸缆机平台及部分场内施工道路开挖渣料。4号渣场位于坝址右岸下游1.8 km沟道内，渣场容量185万m3，主要堆存部分坝体基坑、下游围堰拆除、475～490 m入仓道路石渣拆除及部分场内施工道路开挖渣料。

3.2.2 混凝土面板堆石坝方案

面板堆石坝方案混凝土总量约451.97万m3，大坝填筑垫层、碎石料及总量约80.65万m3，共需制备成品砂石骨料1 467.29万t，折合537.47万m3，考虑爆破、开采运输等损耗，设计需要开采原岩量约744.93万m3。大坝填筑分为主堆石料、下游堆石料、垫层料、过渡料和上、下游铺盖填筑，总方量为3 494.90万m3。坝体自上游至下游依次分为石碴压盖区(1B)和粉土或粉细沙铺盖区(1A)，混凝土面板、垫层区(2A)和周边缝下特殊垫层区(2B)、过渡层区(3A)、上游主堆石区(3B)、下游次堆石区(3C)、下游表面堆石区保护层区(3B)和块石护坡区(3D)，以及下游压戗区(4)，见图2，填筑工程量及筑坝材料来源表1。

图2 堆石坝坝体分区图

序号项目工程量材料来源西磑口料场风口料场开挖料1特殊垫层区2.13石灰岩2垫层料(2A)67.65石灰岩3过渡料(3A)107.06长石砂4主堆石料(3B)1558.91长石砂5排水料(3B)134.86长石砂6下游堆石料(3C)1327.78开挖料(铜川组)7下游护坡(3D)32.68长石砂8下游盖重(4)130.33开挖料(铜川、二马营组)9上游盖重(1B)63.41开挖料(铜川、二马营组)10上游铺盖(1A)10.18河床粉细砂开挖料11合计3434.9969.781833.511531.7

坝址附近勘探的有风口块石料场(土、石综合料场)、文城河块石料场，以及工程开挖石料。两个石料场的长石砂岩属中硬岩和硬岩，作为块石料可以满足面板坝主堆区的设计要求。但文城河土料场距古贤坝址较远，且其间隔文成河沟，道路布置困难，故将文成河料场作为备用料场，料场、渣场布置平面图如图3。

图3 料场、渣场布置平面图

风口石料场上部为土料，下部为石料。风口石料场分为4个区，主料层原岩储量分别为667.5、1 364.6、1 212.1、1 365.0万m3，储量合计4 609.2万m3，剥离量为7 978.3万m3，总体剥采比为1.73。根据筑坝材料要求和施工进度安排，计划利用左岸进口开挖料、左岸隧洞开挖料、左岸出口开挖料及右岸溢洪道开挖料作为工程开挖料，坝址区开挖料有二马营组和铜川组两种岩层，回采上坝时优先使用铜川组开挖石料。

除了风口料场可以堆积弃渣外，根据古贤坝址地形条件和开挖工程量，工程还布置有5个渣场，1号渣场位于坝后左岸滩地，堆渣高程460～530 m，渣场容量400万m3；2号渣场位于坝前右岸滩地，堆渣高程467～490 m，渣场容量380万m3；3号渣场位于文成河沟，堆渣高程470～600 m，渣场容量3 800万m3；4号渣场位于田原河沟，堆渣高程475～600 m，渣场容量2 400万m3；5号渣场位于坝后左岸滩地，堆渣高程485～600 m，渣场容量455万m3，5个渣场容量合计7 435万m3。

3.3 土石方调配及渣场运行

3.3.1 混凝土重力坝方案

混凝土重力坝方案中右岸岸坡石方开挖料114.82万m3，直接利用26.62万m3，转存3号渣场88.20万m3，其中43.61万m3作为间接利用料备存；左岸岸坡石方开挖料303.67万m3，直接利用58.71万m3，转存1号渣场207.96万m3，转存2号渣场40万m3，其中127.13万m3作为间接利用料备存；右岸坝段基坑石方开挖料68.03万m3全部作为弃渣运至3号渣场；左岸坝段基坑石方开挖料62.69万m3全部作为弃渣运至3号渣场；河床坝段覆盖层开挖料51.01万m3全部作为弃渣运至1号渣场；河床坝段石方开挖料1 190.58万m3直接利用197.96万m3，其余废料992.62万m3堆存至1号渣场、3号渣场、4号渣场。

上游围堰石渣填筑料342.59万m3由1号渣场提供326.59万m3，3号渣场提供16万m3；上游围堰戗堤料93.53万m3由1号渣场提供；上游围堰排水棱体41.81万m3由1号渣场提供；下游围堰石渣料15.59万m3由3号渣场提供；左岸下游工厂设施场地平整料287.96万m3和场内道路填筑料143.64万m3全部由开挖料直接提供；上游围堰砂砾石料130.5万m3需从原头坡料场取料109.66万m3(自然方)，下游围堰砂砾石垫层料、下游围堰砂砾石垫层料、下窑子北沟围堰砂砾石垫层料共需从原头坡料场取料8.19万m3(自然方)。各渣场堆渣量、回采量、弃渣量见表2。

表2 渣场堆渣量、回采量、弃渣量表 万m3(松方)

3.3.2 混凝土面板堆石坝方案

主体工程石方开挖量为5 972.25万m3，土方等开挖量为374.47万m3；导流等临时工程石方开挖量为301.92万m3；风口土石料场初期土方外运量为698.25万m3；风口料场倒运量1 787.52万m3；围堰拆除量为107.67万m3，以上土石方开挖合计9 242.08万m3。经平衡计算，直接上坝利用267.27万m3、施工场地填筑直接利用280万m3、1号渣场直接填筑140.15万m3，包括回采料在内，最大堆弃渣量8 694.81万m3。

根据开挖料岩石特性、筑坝材料要求及开挖料利用原则，用于大坝等主体工程填筑的开挖石料为1 777.04万m3，其中直接上坝267.27万m3，需在渣场周转量1 509.76万m3。用于进水口、溢洪道石渣填筑及坝体粉细砂填筑共计31.76万m3。用于围堰填筑量为653.45万m3，其中2号渣场回采130.34万m3，其余523.11万m3在3号渣场周转，坝址区总弃渣6 499.84万m3。

大坝下游堆石、下游压坡、上游石渣盖重等均利用工程开挖料，总计1 777.04万m3，占可用开挖料的61%。围堰填筑、场地平整、泄水建筑物回填石渣等利用工程开挖料1 105.36万m3。工程利用开挖料总计2 882.40万m3，占开挖料的43%。各渣场堆渣量、回采量、弃渣量见表3。

表3 各渣场堆渣量、回采量、弃渣量表 万m3(松方)

4 结 语

4.1 开挖料利用

面板堆石坝的坝体全部由堆石组成，填筑程序单一、施工干扰较小、受气候影响较小；混凝土量小，骨料运输压力相对较小；土石方开挖工程量大，对筑坝堆石料要求相对较高，开利用挖料质量控制要求高，虽然部分石方可通过二次回采用于填筑次堆石区，但总弃渣量大。混凝土重力坝的土石方开挖总体工程量相对较小，弃渣量小，建筑物单一，工作面较少，便于施工管理。两种坝型土石方开挖、填筑和开挖料利用情况见表4。

表4 重力坝与面板堆石坝土石方工程量比较表 万m3

混凝土面板堆石坝方案土石方开挖量较大，除部分回采上坝外，坝址区弃渣量较大，但混凝土需求量少、混凝土骨料场弃渣量小；混凝土重力坝方案，大坝土石方开挖量较小、坝址区弃渣量较小，但混凝土需求量达1 789万m3，混凝土骨料场弃渣大；总体上，面板堆石坝方案比混凝土坝方案弃渣量多约3 898万m3。

4.2 水土保持比较

重力坝方案主要建筑物布置在河床，工程布置对两岸影响小；混凝土面板坝方案主要建筑物两岸分散布置，建筑物占地面积大、工作面多、施工道路多，其扰动地表面积、弃渣，以及新增水土保持面积等，均大于混凝土重力坝方案，因此混凝土面板堆石坝方案水土保持的投资相对较大。两方案水土保持对比见表5。

经综合比较，可以得出以下结论：

对混凝土重力坝方案：①混凝土骨料用量大，骨料需从60 km外西磑口料场人工制取，骨料运距远，对皮带机运输可靠性提出了更高要求；②土石方开挖量小、弃渣少，施工道路少；③建筑物单一，工作面较少，便于施工管理。

表5 混凝土重力坝与混凝土面板坝水土保持比较表

对混凝土面板堆石坝方案：①坝址区堆石料储量丰富，质量基本满足筑坝要求，但主堆石料场上部覆盖层较厚；②坝址石料储量丰富，基本满足修建高堆石坝的要求；③土石方开挖工程量较大，部分石方可以通过二次回采用于填筑次堆石区，总弃渣量大；④坝址附近缺乏结构混凝土骨料，对骨料远距离皮带机运输也提出了较高要求；⑤两岸分散布置的进、出水口大量开挖和弃渣，不利于工程的环保和水保。

总体上看，混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型技术上均可行，建设工期也基本相同。考虑到混凝土重力坝枢纽布置相对简单，运用管理方便以及弃渣量小对水土保持较有利的因素，故推荐混凝土重力坝型作为古贤水利枢纽工程的坝型。