水電工程建設(shè)施工中棄料的利用和處理

熊國兵，楊勝強(qiáng)

(貴州省銅仁地區(qū)水利電力勘測設(shè)計院，貴州銅仁554300)

0 引言

興修水利，興建電站，是人類認(rèn)識自然、改造自然、利用自然的一大創(chuàng)舉，水及水能的利用為人類的進(jìn)步，社會的發(fā)展，創(chuàng)造了前提條件。我國是世界上擁有水力資源較豐富、水能蓄存量較高的國家之一，而水力資源又是一種無污染的環(huán)保資源，深受人類的青睞，然而在開發(fā)這些資源的過程中將產(chǎn)生大量的棄料，而如何利用和處理好這些棄料，將是工程設(shè)計和施工人員研究的重要課題，也是人類關(guān)注的重要問題，已引起了相關(guān)部門的高度重視，并在相關(guān)的規(guī)程規(guī)范中以條文的形式作出規(guī)定，如在中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5099－1999)中8.1.2從環(huán)保角度及棄渣對河道的影響角度規(guī)定:石渣的堆放和利用，應(yīng)綜合考慮。同時規(guī)定棄渣場的布置應(yīng)符合下列要求:①場地容量足夠，施工中不宜變動。除經(jīng)過論證合理時，應(yīng)避免二次倒渣;②符合環(huán)保要求，不占可少占農(nóng)田，有條件時應(yīng)結(jié)合造地;③不得占用其它工程場地，不得影響附近各種設(shè)施的安全;④不得侵占主河道，抬高尾水位和惡化流水條件;若利用溪溝棄渣，應(yīng)有攔渣、泄洪措施;⑤棄渣場必須保持自身穩(wěn)定，必要時需分層碾壓。棄渣完成后，應(yīng)及時進(jìn)行修整，并修筑永久排水設(shè)施和其它防護(hù)性工程，保證地表徑流不會沖蝕棄渣表面或危及棄渣的穩(wěn)定性;⑥利用的石渣，按設(shè)計要求分別堆放等等。但僅有這些條款是不夠的，要做好這項(xiàng)工作，還需要付出一定的代價才能實(shí)現(xiàn)，如，對棄渣的利用和堆放都要通過充分調(diào)查、分析及其技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)可行性論證，方能作出對水電建設(shè)工程中棄料的處理措施，隨后將從棄料的來源危害、處理和利用的角度，去認(rèn)識棄料處理應(yīng)用的重要性。

1 棄料的來源及危害

1.1 棄料的來源

人類的任何建設(shè)施工都會產(chǎn)生棄料，水利水電建設(shè)工程的建設(shè)施工也不例外，而且是一種產(chǎn)生棄料最多的行業(yè)之一，而這些棄料又往往堆放在一些足以破壞生態(tài)環(huán)境極其危險的地方，容易污染環(huán)境給人類帶來災(zāi)害。且這些棄料的來源又是多方面的，有原地的，也有外來的，品種繁多，但大致可分為以下3種來源。

1)水利水電工程的建筑物必須擬建在穩(wěn)定和可靠的地基及基礎(chǔ)之上，而這些地基基礎(chǔ)又是由地殼上各種不同時期的地質(zhì)體構(gòu)成的，且這些地質(zhì)體(巖體)除本身(巖石)的組成成分和結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生的各向異性外，還受各個時期的不同方向和不同大小的地質(zhì)營力的作用，如地球內(nèi)力作用所產(chǎn)生的各種應(yīng)力不平衡作用所形成的各種斷裂構(gòu)造，以及大自然的日曬雨淋，水流、風(fēng)、生物及大氣中各種侵蝕性氣體等的外力破壞的作用，所形成的地質(zhì)體(巖體)的不連續(xù)性，不均質(zhì)性與各向異性，從而決定了巖體的結(jié)構(gòu)特征——天然地質(zhì)體(巖體)。而這些天然的地質(zhì)體的表層(全體)往往不能承受上部建筑物荷載的作用，造成地質(zhì)體破壞而失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅建筑物的安全，同時危及人類的生命和財產(chǎn)安全。因此，水工建筑物是否安全，直接取決于下部地基及基礎(chǔ)的承載能力——地質(zhì)體的物理力學(xué)指標(biāo)的要求。而不能滿足承載能力的地基則要求尋找一層滿足建筑物設(shè)計要求的層位，就必須進(jìn)行基礎(chǔ)開挖或特殊的基礎(chǔ)處理，常規(guī)則是采用開挖來實(shí)現(xiàn)的。主因開挖來得直接并經(jīng)濟(jì)而可行，那么開挖則就產(chǎn)生棄料，如:大壩基礎(chǔ)、廠房基礎(chǔ)、壓力管道基礎(chǔ)，輸水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，泄水系統(tǒng)的基礎(chǔ)、船閘等樞紐系統(tǒng)基礎(chǔ)的開挖均產(chǎn)生大量的棄料，這是最主要的棄料來源。

2)在眾多的水利水電建筑物中其主體靠建筑材料來建造，而這些建筑材料大部分來源于天然建筑材料，天然建材既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠，是人類常用的建筑材料，但這些天然建材不是100%的可用率，在開采過程中往往有許多不能用的廢材則是又一棄料來源，如表層耕植土和不成形的復(fù)雜混合料等。

3)任何建筑物僅靠天然建材是不行的，還要靠一些摻合劑和添加劑來將天然建材粘結(jié)起來才能形成完整的建筑物，而在這些摻合劑和添加劑中，那些過期而硬結(jié)的，較粗顆粒而不能利用的廢料，則又是一種棄料來源，如硬結(jié)的水泥，過期失效的各種摻合劑和添加劑等。

1.2 棄料的危害

在上述3種來源中的眾多棄料如堆放和處置不當(dāng)將會造成各種危害。

1)水利水電建設(shè)施工中基礎(chǔ)開挖出來的棄料，往往堆放在擬建基礎(chǔ)即基坑的周圍，由于堆放不合理:①因自身松散產(chǎn)生不穩(wěn)定效應(yīng)——導(dǎo)致失穩(wěn)，形成崩塌或滑坡，小則造成已開挖的基礎(chǔ)被淹蓋，造成經(jīng)濟(jì)損失，大則造成人身傷亡;②因棄料的堆放，破壞了原堆放地的應(yīng)力平衡條件，導(dǎo)致堆放地大規(guī)模的崩塌和滑坡，無論給施工還是給人類的生存環(huán)境都會帶來嚴(yán)重的災(zāi)害。

2)在暫時穩(wěn)定的棄料堆放地帶，如不經(jīng)過認(rèn)真處理，由于長期的地質(zhì)作用(棄料的風(fēng)化等)和天然潤滑劑水的作用，將失穩(wěn)形成大規(guī)模的崩塌和滑坡現(xiàn)象，是一種嚴(yán)重的災(zāi)害隱患。

3)在那些棄料中，或多或少地存在著一些有毒成分的物質(zhì)(如硫、鉛、汞、砷等)，若不進(jìn)行特殊處理，造成土質(zhì)和水源污染，將危及人和動物的生長和生命安全，或許存在著許多侵蝕性物質(zhì)成分揮發(fā)，將給各種建筑物(鋼結(jié)構(gòu)體和混凝土)造成極大危害。

4)建材場地區(qū)因開挖后的棄料處理不當(dāng)，除產(chǎn)生上述3種危害外，還將造成嚴(yán)重的水土流失，形成石漠化或沙漠化，將縮小人類生存的有效空間，致使生態(tài)平衡將嚴(yán)重失調(diào)，而威脅人類的生存。

5)棄料的產(chǎn)生，失穩(wěn)的出現(xiàn)，加上流水的作用，大量的棄料隨流水運(yùn)動形成泥石流，在大江小河的不同地段沉積下來，導(dǎo)致河道淤積、堵塞，使河床底抬高，過水?dāng)嗝娌蛔?，形成水患，從而毀壞良田、村莊和城鎮(zhèn)，減少下游的已有水利工程的有效庫容，重則由于泥砂壓力的作用，致使建筑物失穩(wěn)，造成塘堤失事事件，對下游人類的生存及財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，這是最為嚴(yán)重的危害。

總之，棄料的危害是嚴(yán)重的，無時不在，無處不有，這樣的實(shí)例較多，必須引起高度重視，并用科學(xué)的技術(shù)措施處理好棄料。

2 棄料的利用和處理

2.1 棄料的利用

水利水電建設(shè)工程施工中的棄料，不一定全都是廢料，在棄料中選取一些有用材料，經(jīng)過各種實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化建筑物的設(shè)計，通過某些處理，將有用的棄料篩選出來加以利用變成有用的材料，變廢為寶，從而減少廢棄料對環(huán)境造成的壓力和人類的威脅。例如實(shí)例中的石阡山坪水庫等工程。另外采用其他設(shè)計方案，如面板壩設(shè)計方案，砌石碾壓壩設(shè)計，定向爆破堆石壩設(shè)計，經(jīng)過一定的灌漿和其它措施的處理，同樣達(dá)到棄料應(yīng)用的效果。

2.2 棄料的處理

水利水電建設(shè)工程施工開挖的棄料中的無用部分即棄料，將按有關(guān)規(guī)程和規(guī)范，選取合理的場所進(jìn)行堆放，如采用碾壓和周邊襯砌以及在地形較好的溝谷內(nèi)砌筑攔碴壩等，總之應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行，同時對有毒成分的廢料應(yīng)作特殊的處理，特別對要求回收處理或封閉處理的應(yīng)嚴(yán)格加強(qiáng)管理，同時對已處理的廢棄料場地，要加強(qiáng)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)有不利的現(xiàn)象，應(yīng)及時報有關(guān)部門，并研究相應(yīng)的對策，對其進(jìn)行合理的處理，以確保場地的穩(wěn)定和安全。

3 工程實(shí)例

3.1 石阡山坪水利工程

石阡山坪水利灌溉工程，位于石阡縣的山坪村，是集水利灌溉和發(fā)電的綜合性工程，工程設(shè)計壩高69.5 m，庫容1040萬m3，設(shè)計灌溉面積933.33 hm2，發(fā)電機(jī)組3×500 kW，也是我院設(shè)計的高壩之一。大壩樞紐地處深切河谷區(qū)，壩區(qū)巖層為寒武系平井組(∈2P)薄～中厚層白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，由于長期的構(gòu)造作用，加之自身的隱節(jié)理發(fā)育，巖體特別破碎，完整性差，經(jīng)前期的勘探孔和后期的固結(jié)灌漿孔揭露的資料，以及基礎(chǔ)開挖過程中的實(shí)際情況表明，風(fēng)化比較嚴(yán)重，一般為8～12 m，最深達(dá)16 m，壩高約69.5 m的高壩荷載以及庫區(qū)的水頭荷載作用，對地基基礎(chǔ)的要求則相當(dāng)高，即要求將基礎(chǔ)選在中～新鮮基巖部位。那么，厚達(dá)8～16 m厚的強(qiáng)～中風(fēng)化的破碎巖體將被開挖，產(chǎn)生棄料達(dá)2 000m3，由于此處地形狹窄，無法選取合理的位置堆放棄料，后經(jīng)勘測設(shè)計部門有關(guān)技術(shù)員的取樣分析研究，會同上級主管部門和施工部門共同完成對開挖棄料應(yīng)用成果的研究，將棄料中成分較為優(yōu)質(zhì)的白云砂，經(jīng)過一定的處理，制成預(yù)制水泥磚，通過有關(guān)部門的檢測，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，符合相關(guān)應(yīng)用建材標(biāo)準(zhǔn)，并將棄料的40%應(yīng)用于大壩的砌體，經(jīng)多年的運(yùn)行，性能穩(wěn)定，僅此一項(xiàng)就為該工程減少了一大筆投資，同時減輕了因堆放場地困難的壓力，也大大減輕了棄料對下游產(chǎn)生的危害。

3.2 思南河?xùn)|烏江大道工程

思南河?xùn)|烏江大道工程位于思南縣城河?xùn)|，是我院設(shè)計的烏江上的重要城鎮(zhèn)的重點(diǎn)工程之一。該工程是集防洪堤和城鎮(zhèn)建設(shè)為一體的工程之一，整體工程座落在志留系砂頁巖和泥巖之上，由于碎屑巖類的抗風(fēng)化力低的弱點(diǎn)，加上城鎮(zhèn)建設(shè)大道要求的需要，在開挖過程中將產(chǎn)生大量的開挖棄料，且這里的建材缺乏，經(jīng)勘測設(shè)計部門到處考察和大量的基礎(chǔ)資料分析，決定采用加筋擋墻的形式，并利用棄料作為基礎(chǔ)的回填材料，這樣，既解決了棄料堆放問題，又解決因資金不足影響的建材缺乏的問題。設(shè)計部門建議在施工過程中作了大量的實(shí)驗(yàn)和分析工作，選取最優(yōu)的施工工藝的配合使用加以改進(jìn)和完善設(shè)計意圖，此項(xiàng)工程現(xiàn)已完成并投入使用，效果良好，僅僅這一項(xiàng)又節(jié)約了不少投資。

3.3 天生橋二級電站工程

天生橋二級電站大壩是一座結(jié)構(gòu)上擋水面為防滲面板，后為穩(wěn)定需要的棄料和其它風(fēng)化料堆積體，經(jīng)過設(shè)計部門的精心設(shè)計，施工部門的精心施工、監(jiān)理、質(zhì)檢及監(jiān)測部門共同努力，又一新的成果誕生了。

還有面板壩堆石壩、堆石碾壓壩的應(yīng)用，軟基的處理，為工程棄料的應(yīng)用樹立了光輝的典范，都為減少棄料，特別是廢料，減輕因棄料產(chǎn)生而形成的不利的環(huán)境因素和隱患提供了應(yīng)用環(huán)境。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，人類對環(huán)境意識的加強(qiáng)以及對生存空間自然化的渴望，已有越來越多的部門和專家關(guān)注工程棄料的應(yīng)用和處理的深入研究，一方面是對今后工程棄料的應(yīng)用研究，另一方面特別應(yīng)注意以前因科學(xué)技術(shù)的局限性而造成的棄料場的穩(wěn)定分析和監(jiān)測以及應(yīng)用的研究，我們深信，廢料影響環(huán)境的時代已經(jīng)過去，棄料應(yīng)用和不產(chǎn)生或少產(chǎn)生工程棄料的時代已來臨，讓更多的人關(guān)注工程棄料的應(yīng)用，為我們生存的環(huán)境更加美好而努力。

［1］ 中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL/T 5099－1999水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，1999.

［2］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB 50433－2008開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國水力水電出版社，2008.