李子康，申明亮，臧獻偉

(武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072)

土石方平衡是指土石方在開挖、填筑、轉(zhuǎn)運、料場開采、余料棄渣等一系列活動中，以快速經(jīng)濟施工為目的所做的設(shè)計、規(guī)劃工作[2]。古賢工程水工建筑物布置集中，土石方開挖、混凝土澆筑等工程量大。重力壩方案左岸岸坡最大開挖高度約202 m，共開挖石方200.44萬m3，平均開挖強度為10.02萬m3/月；右岸岸坡最大開挖高度約198 m，共開挖石方166.71萬m3，平均開挖強度為8.34萬m3/月?；油潦介_挖覆蓋層開挖42.9萬m3，石方開挖771.9萬m3，石方開挖平均強度為59.4萬m3/月。面板堆石壩方案中大壩過渡料、主堆石料、下游護坡塊石、排水料等填筑料共需1 833.51萬m3(壓實方)，考慮壩面作業(yè)損耗、開采及運輸損耗，料場開挖石料設(shè)計需要量為2 068.62萬m3(自然方)。大壩下游堆石、下游壓戧、上游石渣蓋重及圍堰填筑等均利用工程開挖料，工程開挖料來自于左、右岸岸坡石方開挖，左、右岸壩段基坑石方開挖等，填筑所需工程開挖料總計1 531.70萬m3。文中將對兩種壩型方案的土石方平衡進行分析，并比較不同方案對工程進度、工程質(zhì)量、工程投資、水土保持產(chǎn)生的影響[3]。

1 工程概況

黃河古賢水利樞紐工程位于黃河中游北干流磧口至禹門口河段，壺口瀑布上游約10.1 km處，左岸為山西省吉縣，右岸為陜西省宜川縣，是黃河水沙調(diào)控體系7座干流大型骨干水庫之一，是黃河水沙調(diào)控體系的重要組成部分，在黃河水沙調(diào)控體系中具有承上啟下的戰(zhàn)略地位，在黃河綜合治理開發(fā)中具有十分重要的作用[4]，工程開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧發(fā)電、供水和灌溉等綜合利用。壩址控制流域面積49萬km2，多年平均(1919～1998年)天然徑流量384億m3，占全河的69%；多年平均實測輸沙量9.2億t，占全河輸沙量的65%。工程主要任務(wù)是以防洪減淤為主，兼顧發(fā)電、供水和灌溉等綜合利用?？値烊?29.42億m3，裝機容量2 100 MW，多年平均發(fā)電量54.42億kW·h，年引水量35.28億m3。

2 研究方法與路線

在大壩工程施工中，涉及到的施工對象眾多，其往往是由多個開挖對象、多個填筑對象、多個存棄渣場、多個開采料場以及之間復雜的交通道路系統(tǒng)組成。準確分析場地的規(guī)劃情況和料物的流程是土石方調(diào)配建模的關(guān)鍵，場地規(guī)劃主要是指開采料場、中轉(zhuǎn)料場、棄渣場與開挖、填筑過程的關(guān)系，具體如圖1。

土石方調(diào)配平衡系統(tǒng)受場地平整規(guī)劃、土石方開挖進度、填筑進度、渣場規(guī)劃等多種條件制約，且各種影響因素之間存在著明顯的線性關(guān)系。故在本研究中依據(jù)本工程施工特點，施工總布置以砂石料加工系統(tǒng)、混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、棄渣場的規(guī)劃布置為重點，圍繞壩肩、基坑開挖出渣、砂石骨料運輸進行總體規(guī)劃，結(jié)合施工場地條件，以棄渣最少為目標函數(shù)，以施工組織、渣場容量為約束條件，通過線性規(guī)劃到兩種壩型方案中整個施工期內(nèi)的土石方調(diào)運方案，確定時段內(nèi)的土石方流向和相應的調(diào)運量[5]，同時根據(jù)求解結(jié)果及土石方調(diào)配模型中渣場填渣特性指標進行統(tǒng)計分析，從而給出推薦壩型。

圖1 場地規(guī)劃與物料基本流向圖

3 土石方平衡

3.1 開挖和填筑分析

在重力壩方案中，施工總工期為114個月，其中施工準備期28個月，主體工程工期65個月，完建期21個月。覆蓋層開挖108萬m3，基巖開挖1 492萬m3，石方洞挖233萬m3，土方圍堰拆除139萬m3。石渣填筑574萬m3，大壩的碾壓混凝土填筑1 480萬m3，主體工程和臨建工程的常態(tài)混凝土填筑合計393萬m3。

在堆石壩方案中，總工期也為114個月，其中施工準備期為2年4個月，主體工程施工期為5年5個月，完建期為1年9個月，另有3年工程籌建期。土、砂礫石開挖300萬m3，石方開挖3 804萬m3，石方洞挖515萬m3，壩體填筑所需砂石料總量為4 070萬m3，大壩、泄洪洞、進水塔、廠房、臨建等工程所需混凝土量397萬m3。

3.2 場地布置

3.2.1 混凝土重力壩方案

混凝土重力壩方案中混凝土總量約1 883.22萬m3，其中主體工程混凝土總量1 819.19萬m3，臨時工程混凝土總量64.03萬m3，混凝土加工料源為西磑口料場的灰?guī)r及白云巖。西磑口料場距離工程區(qū)直線距離60 km左右，根據(jù)料場區(qū)地形條件，適合進行施工設(shè)施布置的場地主要集中在料場上游2 km、下游1 km范圍內(nèi)，料場下游有兩個荒坡地，距壩址分別為1.5 km和0.7 km，面積分別為14萬m2和4萬m2，可以用做生產(chǎn)生活設(shè)施。料場區(qū)總占地面積共約113.22 m2，均為施工臨時占地，包括料場區(qū)、砂石料加工廠、施工生活區(qū)、道路場地等。

大量開挖料由于物料性能問題不能用于填筑，必須進行棄渣，即將開挖出來的物料運到指定的位置堆放，重力壩方案共布置4個渣場，分布于黃河左右岸，壩址上游2個渣場、下游2個渣場，用于滿足工程主體及臨時堆棄渣要求。1號渣場位于壩址左岸上游2 km文城河溝道內(nèi)，渣場容量2 550萬m3，主要堆存左岸岸坡、河床覆蓋層、部分壩基、部分廠房基坑、抗剪洞、左岸灌溉洞、導流工程及部分場內(nèi)施工道路開挖渣料。2號渣場位于壩址左岸上游1.2 km溝道內(nèi)，渣場容量110萬m3，主要堆存部分左岸岸坡、左岸壩肩灌漿洞、左岸纜機平臺及部分場內(nèi)施工道路開挖渣料。3號渣場位于壩址右岸下游1.1 km溝道內(nèi)，渣場容量610萬m3，主要堆存部分右岸岸坡、部分壩體基坑、右岸壩肩灌漿洞、右岸灌溉洞、部分廠房基坑、出線場、高壓電纜洞、右岸纜機平臺及部分場內(nèi)施工道路開挖渣料。4號渣場位于壩址右岸下游1.8 km溝道內(nèi)，渣場容量185萬m3，主要堆存部分壩體基坑、下游圍堰拆除、475～490 m入倉道路石渣拆除及部分場內(nèi)施工道路開挖渣料。

3.2.2 混凝土面板堆石壩方案

面板堆石壩方案混凝土總量約451.97萬m3，大壩填筑墊層、碎石料及總量約80.65萬m3，共需制備成品砂石骨料1 467.29萬t，折合537.47萬m3，考慮爆破、開采運輸?shù)葥p耗，設(shè)計需要開采原巖量約744.93萬m3。大壩填筑分為主堆石料、下游堆石料、墊層料、過渡料和上、下游鋪蓋填筑，總方量為3 494.90萬m3。壩體自上游至下游依次分為石碴壓蓋區(qū)(1B)和粉土或粉細沙鋪蓋區(qū)(1A)，混凝土面板、墊層區(qū)(2A)和周邊縫下特殊墊層區(qū)(2B)、過渡層區(qū)(3A)、上游主堆石區(qū)(3B)、下游次堆石區(qū)(3C)、下游表面堆石區(qū)保護層區(qū)(3B)和塊石護坡區(qū)(3D)，以及下游壓戧區(qū)(4)，見圖2，填筑工程量及筑壩材料來源表1。

圖2 堆石壩壩體分區(qū)圖

序號項目工程量材料來源西磑口料場風口料場開挖料1特殊墊層區(qū)2.13石灰?guī)r2墊層料(2A)67.65石灰?guī)r3過渡料(3A)107.06長石砂4主堆石料(3B)1558.91長石砂5排水料(3B)134.86長石砂6下游堆石料(3C)1327.78開挖料(銅川組)7下游護坡(3D)32.68長石砂8下游蓋重(4)130.33開挖料(銅川、二馬營組)9上游蓋重(1B)63.41開挖料(銅川、二馬營組)10上游鋪蓋(1A)10.18河床粉細砂開挖料11合計3434.9969.781833.511531.7

壩址附近勘探的有風口塊石料場(土、石綜合料場)、文城河塊石料場，以及工程開挖石料。兩個石料場的長石砂巖屬中硬巖和硬巖，作為塊石料可以滿足面板壩主堆區(qū)的設(shè)計要求。但文城河土料場距古賢壩址較遠，且其間隔文成河溝，道路布置困難，故將文成河料場作為備用料場，料場、渣場布置平面圖如圖3。

圖3 料場、渣場布置平面圖

風口石料場上部為土料，下部為石料。風口石料場分為4個區(qū)，主料層原巖儲量分別為667.5、1 364.6、1 212.1、1 365.0萬m3，儲量合計4 609.2萬m3，剝離量為7 978.3萬m3，總體剝采比為1.73。根據(jù)筑壩材料要求和施工進度安排，計劃利用左岸進口開挖料、左岸隧洞開挖料、左岸出口開挖料及右岸溢洪道開挖料作為工程開挖料，壩址區(qū)開挖料有二馬營組和銅川組兩種巖層，回采上壩時優(yōu)先使用銅川組開挖石料。

除了風口料場可以堆積棄渣外，根據(jù)古賢壩址地形條件和開挖工程量，工程還布置有5個渣場，1號渣場位于壩后左岸灘地，堆渣高程460～530 m，渣場容量400萬m3；2號渣場位于壩前右岸灘地，堆渣高程467～490 m，渣場容量380萬m3；3號渣場位于文成河溝，堆渣高程470～600 m，渣場容量3 800萬m3；4號渣場位于田原河溝，堆渣高程475～600 m，渣場容量2 400萬m3；5號渣場位于壩后左岸灘地，堆渣高程485～600 m，渣場容量455萬m3，5個渣場容量合計7 435萬m3。

3.3 土石方調(diào)配及渣場運行

3.3.1 混凝土重力壩方案

混凝土重力壩方案中右岸岸坡石方開挖料114.82萬m3，直接利用26.62萬m3，轉(zhuǎn)存3號渣場88.20萬m3，其中43.61萬m3作為間接利用料備存；左岸岸坡石方開挖料303.67萬m3，直接利用58.71萬m3，轉(zhuǎn)存1號渣場207.96萬m3，轉(zhuǎn)存2號渣場40萬m3，其中127.13萬m3作為間接利用料備存；右岸壩段基坑石方開挖料68.03萬m3全部作為棄渣運至3號渣場；左岸壩段基坑石方開挖料62.69萬m3全部作為棄渣運至3號渣場；河床壩段覆蓋層開挖料51.01萬m3全部作為棄渣運至1號渣場；河床壩段石方開挖料1 190.58萬m3直接利用197.96萬m3，其余廢料992.62萬m3堆存至1號渣場、3號渣場、4號渣場。

上游圍堰石渣填筑料342.59萬m3由1號渣場提供326.59萬m3，3號渣場提供16萬m3；上游圍堰戧堤料93.53萬m3由1號渣場提供；上游圍堰排水棱體41.81萬m3由1號渣場提供；下游圍堰石渣料15.59萬m3由3號渣場提供；左岸下游工廠設(shè)施場地平整料287.96萬m3和場內(nèi)道路填筑料143.64萬m3全部由開挖料直接提供；上游圍堰砂礫石料130.5萬m3需從原頭坡料場取料109.66萬m3(自然方)，下游圍堰砂礫石墊層料、下游圍堰砂礫石墊層料、下窯子北溝圍堰砂礫石墊層料共需從原頭坡料場取料8.19萬m3(自然方)。各渣場堆渣量、回采量、棄渣量見表2。

表2 渣場堆渣量、回采量、棄渣量表 萬m3(松方)

3.3.2 混凝土面板堆石壩方案

主體工程石方開挖量為5 972.25萬m3，土方等開挖量為374.47萬m3；導流等臨時工程石方開挖量為301.92萬m3；風口土石料場初期土方外運量為698.25萬m3；風口料場倒運量1 787.52萬m3；圍堰拆除量為107.67萬m3，以上土石方開挖合計9 242.08萬m3。經(jīng)平衡計算，直接上壩利用267.27萬m3、施工場地填筑直接利用280萬m3、1號渣場直接填筑140.15萬m3，包括回采料在內(nèi)，最大堆棄渣量8 694.81萬m3。

根據(jù)開挖料巖石特性、筑壩材料要求及開挖料利用原則，用于大壩等主體工程填筑的開挖石料為1 777.04萬m3，其中直接上壩267.27萬m3，需在渣場周轉(zhuǎn)量1 509.76萬m3。用于進水口、溢洪道石渣填筑及壩體粉細砂填筑共計31.76萬m3。用于圍堰填筑量為653.45萬m3，其中2號渣場回采130.34萬m3，其余523.11萬m3在3號渣場周轉(zhuǎn)，壩址區(qū)總棄渣6 499.84萬m3。

大壩下游堆石、下游壓坡、上游石渣蓋重等均利用工程開挖料，總計1 777.04萬m3，占可用開挖料的61%。圍堰填筑、場地平整、泄水建筑物回填石渣等利用工程開挖料1 105.36萬m3。工程利用開挖料總計2 882.40萬m3，占開挖料的43%。各渣場堆渣量、回采量、棄渣量見表3。

表3 各渣場堆渣量、回采量、棄渣量表 萬m3(松方)

4 結(jié) 語

4.1 開挖料利用

面板堆石壩的壩體全部由堆石組成，填筑程序單一、施工干擾較小、受氣候影響較??；混凝土量小，骨料運輸壓力相對較??；土石方開挖工程量大，對筑壩堆石料要求相對較高，開利用挖料質(zhì)量控制要求高，雖然部分石方可通過二次回采用于填筑次堆石區(qū)，但總棄渣量大。混凝土重力壩的土石方開挖總體工程量相對較小，棄渣量小，建筑物單一，工作面較少，便于施工管理。兩種壩型土石方開挖、填筑和開挖料利用情況見表4。

表4 重力壩與面板堆石壩土石方工程量比較表 萬m3

混凝土面板堆石壩方案土石方開挖量較大，除部分回采上壩外，壩址區(qū)棄渣量較大，但混凝土需求量少、混凝土骨料場棄渣量??；混凝土重力壩方案，大壩土石方開挖量較小、壩址區(qū)棄渣量較小，但混凝土需求量達1 789萬m3，混凝土骨料場棄渣大；總體上，面板堆石壩方案比混凝土壩方案棄渣量多約3 898萬m3。

4.2 水土保持比較

重力壩方案主要建筑物布置在河床，工程布置對兩岸影響小；混凝土面板壩方案主要建筑物兩岸分散布置，建筑物占地面積大、工作面多、施工道路多，其擾動地表面積、棄渣，以及新增水土保持面積等，均大于混凝土重力壩方案，因此混凝土面板堆石壩方案水土保持的投資相對較大。兩方案水土保持對比見表5。

經(jīng)綜合比較，可以得出以下結(jié)論：

對混凝土重力壩方案：①混凝土骨料用量大，骨料需從60 km外西磑口料場人工制取，骨料運距遠，對皮帶機運輸可靠性提出了更高要求；②土石方開挖量小、棄渣少，施工道路少；③建筑物單一，工作面較少，便于施工管理。

表5 混凝土重力壩與混凝土面板壩水土保持比較表

對混凝土面板堆石壩方案：①壩址區(qū)堆石料儲量豐富，質(zhì)量基本滿足筑壩要求，但主堆石料場上部覆蓋層較厚；②壩址石料儲量豐富，基本滿足修建高堆石壩的要求；③土石方開挖工程量較大，部分石方可以通過二次回采用于填筑次堆石區(qū)，總棄渣量大；④壩址附近缺乏結(jié)構(gòu)混凝土骨料，對骨料遠距離皮帶機運輸也提出了較高要求；⑤兩岸分散布置的進、出水口大量開挖和棄渣，不利于工程的環(huán)保和水保。

總體上看，混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型技術(shù)上均可行，建設(shè)工期也基本相同?？紤]到混凝土重力壩樞紐布置相對簡單，運用管理方便以及棄渣量小對水土保持較有利的因素，故推薦混凝土重力壩型作為古賢水利樞紐工程的壩型。