山西垣曲抽水蓄能电站工程上水库挖填平衡分析研究

潘永庆，刘文斌

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

山西垣曲抽水蓄能电站位于山西省运城市垣曲县境内，电站装机容量为1 200 MW，为Ⅰ等大（1）型工程，电站由上水库挡水建筑物、输水系统、地下厂房系统、下水库挡水及泄水建筑物等组成。上水库位于东坪村所在的关家沟沟首部位，下水库位于垣曲县院后村下游约0.5 km 的清水河主河道上。上水库总库容775.00 万m3，下水库总库容1 059.00 万m3。上、下水库大坝均为1 级建筑物，最大坝高分别为111.2，81.3 m，设计洪水标准均为200 年一遇，校核洪水标准均为1 000 年一遇。该工程建成后可承担系统调峰、填谷、储能、调频、调相、紧急事故备用等任务。

2 上水库结构布置

上水库大坝位于上水库库区两条支沟交汇处。坝址区的沟谷断面形状为两岸基本对称的“V”字形，沟底高程为842.0～864.0 m，正常蓄水位的沟谷宽度为385.0～410.0 m。大坝采用沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程为969.5 m，坝顶宽10.0 m，主坝轴线长425.0 m，最大坝高为111.2 m。上游坝坡比为1∶1.75，下游坝坡比为1∶1.6。坝后设有1 号渣场，渣场顶高程为910.0 m。坝体堆石料分区从上游至下游依次为垫层区、过渡层区、上游主堆石区、下游次堆石区、干砌块石护坡。垫层区及过渡区水平宽度均为3.0 m，次堆石区底部设置4.0 m 厚排水层和1.0 m 厚过渡层。坝体下游880.0 m 高程以下设置增模区，增模区与次堆石区之间设1.0 m 厚过渡层。次堆石区上部设置5.0 m厚、下游侧设置水平宽度为5.0 m 的主堆石保护。

库区总体地势为西北高东南低，为北、西、东三面环山的库盆，水库天然封闭条件较好。上水库库盆采用沥青混凝土面板全库防渗，库顶高程为969.5 m，库底高程为932.0 m，库周面板坡比为1∶1.75，环库路轴线长度为2 148.0 m。

3 上水库大坝及库盆开挖与填筑

3.1 开挖

大坝坝基开挖安排在2024 年1 月至4 月，分岸坡和河床两部分，先挖岸坡，后挖河床，左、右岸工作面同时进行。坝基开挖均为土方明挖，开挖采用132 kW 推土机集料，3 m3挖掘机装20 t 自卸汽车运至1 号弃渣场，开挖总量为39.06 万m3。

库盆表土剥离在2024 年1 月至4 月，库盆土方、石方开挖在2024 年5 月至2026 年6 月。库盆开挖时，优先进行表土剥离，库内表土剥离总量为19.05 万m3，并运至上水库表土暂存场暂存。库盆土方明挖量为207.13 万m3，采用132 kW 推土机集料，局部机械无法施工的部位辅以人工开挖，采用3 m3挖掘机装20 t 自卸汽车运输至1 号弃渣场弃渣。石方开挖总量为388.06 万m3，采用ROC742液压履带钻机钻孔，为保证爆破石料的级配符合填筑料的要求，采用分层微差挤压爆破，石渣由132 kW 推土机配合3 m3装载机装20 t 自卸汽车直接运输，其中，弱风化及以下开挖料部分运至上水库大坝作主（次）堆石料、过渡料、排水料及干砌块石利用，其余运至弃渣场。

3.2 填筑

大坝主堆石、增模区、垫层、过渡层、排水层、干砌石护坡，库底主堆石、垫层、过渡层，以及库周开挖区垫层、回填区垫层、过渡层、主堆石等区域采用硬质岩填筑；大坝、库底及库周次堆石区采用软硬岩混合料填筑。硬质岩填筑料采用明挖硬质岩及石料场开挖石料作为料源，软硬岩混合填筑料采用明挖软硬岩混合料作为料源，混凝土骨料及垫层料毛料利用上水库区石方洞挖料及石料场明挖硬质岩作为料源。

上水库大坝及库盆填筑料约488.90万m3（自然方，下同），其中，硬质岩填筑料约289.40 万m3，软硬岩混合填筑料约198.70 万m3，砌石料约0.80 万m3。上水库区混凝土骨料及垫层料毛料需要量约53.30 万m3。

大坝主堆石料及次堆石料填筑分别安排在2024 年5 月至2026 年7 月中旬、2024 年5 月至2026年7 月，坝体填筑采用库盆石方明挖硬岩料及程家山料场石方明挖硬岩料；大坝垫层料、过渡料填筑安排在2024 年5 月至2026 年7 月，垫层料来自上水库砂石料加工系统；大坝下游干砌块石护坡安排在2024 年6 月至2026 年8 月中旬。

库底、库周主堆石料分别安排在2026 年3 月至6 月、2026 年2 月至5 月，库底、库周主堆石料填筑采用库盆石方明挖硬岩料及程家山料场石方明挖硬岩料；库底垫层料、库底过渡料、库周垫层料、库周过渡料分别安排在2026 年7 月至9 月、2026 年6 月至8 月、2026 年3 月至6 月、2026 年2 月中旬至6 月中旬，垫层料来自上水库砂石料加工系统，过渡料填筑采用库盆石方明挖硬岩料及程家山料场石方明挖硬岩料；库底、库周次堆石料分别安排在2026 年4 月至6 月、2025 年9 月至2026 年5 月，库底、库周次堆石填筑采用库盆明挖软硬岩混合料。

4 上水库土石方利用时序分析

为减少弃渣占地和弃渣场防护工程量，尽量多利用开挖料，并在进度上尽量协调开挖与填筑的时间安排，应优先使用在进度上能与填筑相匹配的可用开挖料，不能直接利用的可用开挖料可以先进行暂存，再进行回采利用[1]。

1）硬质料填筑

硬质岩填筑部位主要包括大坝主堆石区、增模区、排水层、库底主堆石、库底过渡层、库周回填区主堆石、库周回填区过渡层等。硬质岩开挖工期安排在2024 年1 月至2026 年6 月，上水库大坝主体填筑工期安排在2024 年5 月至2026 年7 月中旬，二者时间基本一致，因此，库盆、坝基等部位明挖的硬岩料可以直接上坝。经复核，硬质岩开挖小于同时段的硬质岩填筑强度，需由程家山料场明挖硬岩料补充上坝。

2）软硬岩混合料填筑

软硬岩混合料填筑部位位于大坝、库底、库周次堆石区。软硬岩混合料的开挖时间为2024 年1月至2026 年6 月，填筑工期安排在2024 年5 月至2026 年6 月，二者时间基本一致，软硬岩混合料开挖后可以直接上坝。经复核，软硬岩混合料的填筑料强度前期稍小、后期较大，与开挖强度不匹配，因此，可根据填筑强度相应地调整开挖强度及时间，开挖出的多余部分可在开挖面附近暂存，以供后期使用。

3）混凝土骨料及垫层料毛料

上水库库区石方暗挖部位及混凝土浇筑部位多，石方洞挖与混凝土浇筑时间交错在一起。经复核，前期的石方洞挖料开挖强度大于同时段的混凝土骨料及垫层料毛料加工需要量，工程施工时，应优先利用洞挖料作为混凝土骨料及垫层料的毛料进行加工，并将多余的开挖料运至暂存场暂存。后期洞挖料不足以供应上水库砂石骨料加工系统时，由程家山石料场明挖硬岩料进行补充[2]。

上水库主要项目时间安排见表1。

表1 上水库主要项目时间安排表

5 上库区料源选择及土石方平衡

5.1 上水库区开挖量及其可利用量

上水库区（不含筹建期项目）主要工程项目有上水库大坝、上水库库盆、上水库输水系统、上水库施工导流等。上水库区垫层料、混凝土骨料由上水库砂石加工系统供应，大坝、库盆填筑料由上水库工程开挖料和程家山料场开采料提供[3]。

上水库大坝及库盆土方开挖量为246.20 万m3（自然方，下同），硬质岩石方开挖量为252.20万m3，软硬岩混合料石方开挖量为135.90 万m3。石方明挖中的弱风化及微风化岩石均可利用，经计算，明挖硬岩料可利用料约为227.10 万m3。

上水库程家山料场明挖土石方量为311.70 万m3，其中，土方明挖量为28.90 万m3，石方明挖量为282.60 万m3，石方洞挖量为0.20 万m3。石方开挖中的弱风化及微风化岩石均可利用，经计算，程家山料场明挖硬岩料可利用量约为204.0 万m3（为开挖补充料）。

上水库输水系统土石方开挖量为42.20 万m3，其中，土方明挖量为5.20 万m3，石方明挖量为16.60 万m3，石方洞挖量为20.40 万m3。石方洞挖中的弱风化岩石及微风化岩石均可利用，经计算，可利用洞挖石方量共12.60 万m3。

上水库施工导流共开挖土石方量为4.30万m3，其中，土方开挖量为2.90 万m3，石方明挖量为1.30万m3，土石方开挖料均作弃渣处理。

经统计，上库区土石方开挖总量约为992.50万m3，包括土方明挖283.20 万m3、石方明挖688.70 万m3、石方洞挖20.60 万m3。明挖硬岩料可利用量约为431.10 万m3，洞挖硬岩料可利用量约为12.60 万m3。

5.2 上水库区填筑量及土石方平衡

1）上水库石方填筑料需要量为492.30万m3，其中，上水库大坝及库盆石方填筑料约为488.10万m3（硬质岩填筑料约为289.40 万m3，软硬岩混合填筑料约为198.70 万m3），上水库大坝需砌石料约为0.80 万m3，上水库过渡料及排水层填筑量料约为3.40 万m3。

上水库区明挖硬岩料可利用量约为227.10 万m3（硬质岩填筑区、软硬岩混合填筑料区、干砌石、1 号渣场基础处理的工程量分别为126.10，96.80，0.80，3.40 万m3），直接利用上水库软硬岩混合料为101.90 万m3。经平衡计算，需从石料场补充硬岩料163.30 万m3。

2）该工程上水库区混凝土骨料及垫层料毛料需要量约为53.30 万m3，上水库区石方洞挖料可利用量约为12.60 万m3，经土石方平衡计算，需由程家山料场补充硬岩料40.70 万m3。

上水库区开挖石方料共利用545.60 万m3，其中，直接利用533.00 万m3（库盆开挖硬岩料227.10万m3，程家山料场补充硬岩料204.00 万m3，软硬岩混合料101.9 万m3），暂存利用12.60 万m3。扣除上水库区开挖石方利用料，共计弃渣446.90 万m3，折合成松方为586.10 万m3。

6 结语

在抽水蓄能电站建设过程中，土石方平衡、土石方利用时序是上水库施工中的核心要素，不仅关乎到电站建设的经济效益，还紧密地联系着环境保护和可持续发展的理念。本文通过分析上水库区土石方利用时序及土石方平衡，制定开挖与填筑总量平衡、时间协调的施工计划，减少了弃渣的二次倒运，降低了工程投资，为工程实施提供了技术参考。在实际库盆开挖施工中，还应依据大坝各料区对填筑料的不同要求，进行控制爆破和挖装，减少可利用料的损失，进一步降低工程投资。