大中型水電工程開挖渣料堆實系數(shù)研究

秦光輝，王會杰，李 翔，曹駕云，張偉鋒

(1. 中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 610072；2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，成都 610065； 3. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

目前大中型水電工程多位于深山峽谷地區(qū)，地形地質(zhì)條件差、場地匱乏、社會環(huán)境復(fù)雜、征地移民困難、環(huán)保水保要求嚴(yán)格[1]。水電工程中渣場占地面積約占全工程總占地面積的30%～40%[2]。若能對水電工程渣料開挖前的體積與堆存后的體積之比[3]，即堆實系數(shù)進(jìn)行深入研究，合理確定渣場容量，便可減少渣場占地面積，并充分利用渣頂面積布置施工設(shè)施或移民造地，優(yōu)化施工總布置。目前水電工程渣場容量計算時，由于缺少資料，一般采用《水利水電工程施工組織設(shè)計手冊》[4]或《水電建筑工程概算定額》[5]中土石方渣料松方系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值。該方法造成規(guī)劃的渣場容量偏大，常常不能把渣場填到原規(guī)劃面貌，嚴(yán)重影響渣頂?shù)睦?；同時造成渣場征地浪費(fèi)和渣場防護(hù)設(shè)施投資浪費(fèi)。

本文通過試驗、現(xiàn)場測量調(diào)查、計算分析等方法，對水電工程開挖的土、石渣、土石混合、砂礫石4種渣料的堆實系數(shù)進(jìn)行研究，即綜合考慮渣料的堆存方法、沉降等因素后的實際堆實系數(shù)，為大中型水電工程渣場規(guī)劃、施工總布置規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)，為水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范相關(guān)內(nèi)容修編提供技術(shù)支持。

1 現(xiàn)場試驗

渣料的堆實系數(shù)的影響因素很多，如渣料的巖性、顆粒大小、級配、堆存方法等。大中型水電工程渣料主要來源于壩肩及隧洞進(jìn)出口土石明挖渣料、河床基坑明挖渣料、地下洞室洞挖渣料、料場剝離渣料等，主要為石渣料、河床砂礫石料、覆蓋層土料，一般粒徑在100 cm以內(nèi)。同一開挖時段內(nèi)各種渣料在渣場內(nèi)混合堆存，渣場內(nèi)各種渣料一般分布不均勻。渣場內(nèi)堆渣一般采用自下而上堆存，5 m左右一個臺階，采用自卸汽車運(yùn)輸卸料，推土機(jī)整平的堆渣工藝。部分渣場地形陡峻，采用自上而下堆存工藝。

本試驗在堆存不同巖性的渣場內(nèi)進(jìn)行取樣，選取不同粒徑、不同土石混合比例的渣料進(jìn)行試驗。受取料方法限制，只能在渣場表層隨機(jī)選取經(jīng)簡單碾壓后的土料、石渣料、土石混合料及砂礫石料進(jìn)行試驗，并采用沉降系數(shù)對堆實系數(shù)進(jìn)行修正。

1.1 渣場現(xiàn)場試驗

1.1.1 渣場取樣

本試驗分別在兩河口水電站左下溝渣場、錦屏水電站印把子溝渣場、官地水電站2號渣場、JC水電站1號渣場等多個水電工程渣場的馬道及渣頂平臺取樣進(jìn)行試驗。試驗通過控制式樣的最大粒徑及粒徑<5 mm的質(zhì)量百分含量粗略控制級配影響。根據(jù)渣場的實際情況，土料控制最大粒徑約100 mm，石渣料控制最大粒徑150、300、800 mm，土石混合料室內(nèi)試驗控制最大粒徑約60 mm，砂礫石料控制最大粒徑約200 mm，具體試驗組數(shù)如表1所示。

表1 試驗取樣分布Tab.1 The table of sampling distribution

1.1.2 試驗方法

堆實系數(shù)K的計算公式如下：

(1)

式中：V堆實為堆實體積；V原為對于巖石類渣料為巖體體積，對于土類渣料為原土未松動時體積；ρ堆實為堆實干密度；ρ原為對于巖石類渣料為巖體干密度，對于土類渣料為原土未松動時干密度。

由于渣料粒徑較大，室內(nèi)試驗時所用樣本的級配可根據(jù)各渣料現(xiàn)場檢測試驗提供的物理性試驗成果，依據(jù)《土工試驗規(guī)程》采用等量替代法法進(jìn)行縮制。

1.2 試驗結(jié)果及分析

1.2.1 土料堆實系數(shù)

土料采取現(xiàn)場實際堆存，分別測試松鋪和過車碾壓兩種狀況下的堆實系數(shù)。松鋪土料為自卸汽車卸土鋪填后，不經(jīng)過碾壓；過車碾壓為26 t自卸汽車卸土并過車碾壓土料4～6遍，模擬渣場實際堆渣情況。

圖1為土料的堆實系數(shù)隨小于5 mm粒徑土料的百分含量(用a表示，下同)的變化關(guān)系。對于沒有碾壓的松鋪土料，堆實系數(shù)大于1.35且隨a的增大而增大；這主要是因為原土經(jīng)過自然沉降較密實，開挖堆積后未經(jīng)過碾壓，孔隙率大堆實系數(shù)較大。經(jīng)過26 t自卸車碾壓后，a<75%時，隨a的增大對實系數(shù)由1.05增大到1.14；當(dāng)a>75%時，堆實系數(shù)較穩(wěn)定，約1.15。

圖1 土料的堆實系數(shù)Fig. 1 Stockpiling coefficient of soil

1.2.2 石渣料堆實系數(shù)

在渣場內(nèi)選取巖性為砂巖、板巖、大理巖、玄武巖、花崗巖的石渣料，最大粒徑按150、300、800 mm分組，石渣料均經(jīng)自卸汽車過車碾壓。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，堆實系數(shù)只跟開挖前巖體體積和堆存后體積之比(即前后密度比)有關(guān)。不同巖性的巖石雖然密度不同，但對前后密度比影響不大。僅巖體開挖后的粒徑、粒型、級配對堆實系數(shù)有一定影響。

圖2為石渣料堆實系數(shù)隨粒徑和a的變化規(guī)律。隨a的增大堆實系數(shù)先減小后增大，最后趨于穩(wěn)定；隨石渣料粒徑增大，堆實系數(shù)相應(yīng)減小。對于Dmax=150 mm的石渣料，當(dāng)a<13%時，細(xì)顆粒石渣較少，隨a的增大細(xì)顆粒石渣料填充更多的空隙，孔隙率減小，堆實系數(shù)減小；13%18%后，經(jīng)過簡單碾壓后，堆實系數(shù)基本穩(wěn)定。對于Dmax=300 mm的石渣料、Dmax=800 mm的石渣料同理。

圖2 石渣料堆實系數(shù)Fig.2 Stockpiling coefficient of excavated rock material

1.2.3 土石混合料堆實系數(shù)

在渣場內(nèi)不同土石混合比例的堆渣區(qū)域取樣試驗。同時為模擬不同土石比例情況下的堆實系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場試驗成果，在試驗室內(nèi)，按a含量篩分配成不同比例的土石混合料進(jìn)行試驗。測量0.1～0.2 MPa加壓后的混合料密度。試驗最大顆粒粒徑為60 mm，超徑部分采用等量替代法處理。

圖3主要反映了土石混合料堆實系數(shù)隨小于5 mm粒徑土料的百分含量的變化趨勢。相同碾壓強(qiáng)度下，該堆實系數(shù)隨a增加先減小后增大。當(dāng)a<20%時堆實系數(shù)隨a的增大而減小，當(dāng)20%55%時堆實系數(shù)隨a增大而增大。當(dāng)a<20%，混合料以石渣為主，隨著a的增大，混合料中石渣骨架中的空隙迅速被細(xì)顆粒料填充，故堆實系數(shù)逐漸減??；當(dāng)20%55%混合料以土料為主，隨著土料增加，混合料變得松散，堆實系數(shù)增大。

把現(xiàn)場取樣試驗所測的混合料的堆實系數(shù)，插入到圖中，如圖3所示，現(xiàn)場測得的堆積系數(shù)與試驗數(shù)據(jù)基本規(guī)律一致。

圖3 土石混合料堆實系數(shù)Fig.3 Stockpiling coefficient of soil-rock mixture

1.2.4 砂礫石料堆實系數(shù)

砂礫石渣料的堆實系數(shù)隨粒徑小于5 mm的百分含量a的變化趨勢如圖4所示。相同碾壓強(qiáng)度下，該堆實系數(shù)隨a波動，但波動幅度較小。當(dāng)a<30%時堆實系數(shù)基本不變化，在1.06上下波動，當(dāng)a>30%堆實系數(shù)基本為1.05。對于砂礫石料，影響其堆實系數(shù)的主要是其級配和其整體粒徑的大小。就同一砂礫石料場，其級配相差很小，故堆實系數(shù)取值范圍變化較小。當(dāng)a<30%與a>30%相比，砂礫石料粒徑稍微較粗，堆實系數(shù)相對較大。

圖4 砂礫石料堆實系數(shù)Fig.4 Stockpiling coefficient of sand gravel

1.2.5 渣料堆實系數(shù)

通過試驗分別得出各種渣料的堆實系數(shù)，與《水電建筑工程概算定額》中的松方系數(shù)的對比表如表2所示。

表2 對比表Tab.2 Comparison table different coefficient

2 堆實系數(shù)驗證

通過工程渣場實例與試驗結(jié)果相對比，來驗證試驗測得的堆實系數(shù)的可靠性。統(tǒng)計工程實例中的渣料來源及渣料堆存后體積，與利用本文試驗計算所得的渣場體積相對比。計算公式如下：

V計算=V土K土+V石K石+V混合K混合+V砂礫石K砂礫石

(2)

式中：V計算為按本試驗所得堆實系數(shù)計算所得渣場體積；V土、V石、V混合、V砂礫石分別為開挖前原土、石、土石混合料、砂礫石料的原始體積；K土、K石、K混合、K砂礫石分別為土、石、土石混合料、砂礫石料的渣場實測堆實系數(shù)。

表3為大中型水電工程渣場的渣料來源及渣場容量對比表。三灘溝渣場、道班溝渣場及印把子溝渣場為錦屏一級水電站的3個大型棄渣場，左下溝渣場為兩河口水電站工程的棄渣場之一。表3中的渣料體積為土料、石料、砂礫石料開挖前的 原始體積，V實測為渣場填渣后渣場的實測體積方量，V規(guī)劃為按渣料松方系數(shù)計算的渣場規(guī)劃體積方量。

表3 大中型水電工程渣場容量計算對比表Tab.3 Comparison table of stockpile volume

注：綜合考慮各渣場的情況，本對比表中堆實系數(shù)K土=1.12，K石=1.22，K砂礫=1.06，K混合=1.2～1.23；計算誤差=(V實測-V計算)/V實測×100%，規(guī)劃誤差=(V實測-V規(guī)劃)/V實測×100%。

由于本試驗所得的堆實系數(shù)為渣場表層取樣試驗成果，為反映渣場整體情況，需考慮渣場沉降因素影響。大中型水電工程渣場堆渣一般歷時2～5 a，堆渣過程中不斷沉降，到堆渣結(jié)束后，渣場下部基本完成固結(jié)沉降，僅表層還未完成。錦屏印把子溝渣場堆渣平均高約150 m，根據(jù)其沉降觀測資料知其后期最大沉降量約0.3 m，經(jīng)采用分層總和法估算前期沉降量，約1.5～3 m，故其沉降修正系數(shù)可取1%～2%，不同堆渣高度的渣場沉降系數(shù)按高度比例進(jìn)行折算，對自上而下堆存渣場取上限。

對比結(jié)果表明試驗值相對誤差均在5%以內(nèi)，按松方系數(shù)計算的渣料體積偏大，相對誤差平均為26%。故計算堆渣料體積時，直接應(yīng)用沒有碾壓的松方系數(shù)是不合理的，誤差較大，只有應(yīng)用對應(yīng)工況條件下的堆實系數(shù)，才相對合理。綜上對比分析得出，本文試驗得出的渣料堆實系數(shù)，符合工程實際，且穩(wěn)定可靠，該堆實系數(shù)可用于大中型水電工程渣場規(guī)劃設(shè)計。

采用堆實系數(shù)計算渣場容量，比采用松方系數(shù)計算的渣場容量小20%～30%，根據(jù)各工程渣場統(tǒng)計分析，節(jié)約渣場占地面積平均約20%。每個工程平均減少征地約20 hm2，經(jīng)濟(jì)和社會效益極其顯著。

3 結(jié) 語

通過采用現(xiàn)場取樣試驗和室內(nèi)試驗，主要研究了大中型水電工程的土料、石渣料、土石混合渣料及砂礫石渣料在渣場內(nèi)的堆實系數(shù)，研究成果表明：針對渣場堆存料試驗所得的渣料堆實系數(shù)，符合渣場的堆填實際情況，比《水電建筑工程概算定額》[5]上的松方系數(shù)更可靠適用，可用于渣場規(guī)劃設(shè)計，較精確地計算出渣場體積，對水電工程施工布置具有很大的指導(dǎo)意義。

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[1] 茹克亞·阿布里孜. 水利工程施工布置的特點(diǎn)及總體布置措施[J].黑龍江水利科技,2012,40(9)：144-145.

[2] 何俊喬，謝孟良，崔金虎. 龍灘水電站施工總布置時空協(xié)調(diào)設(shè)計[J]. 水力發(fā)電,2004,30(6):20-22.

[3] 佐佳梅，賈紅巖. 油氣田工程設(shè)計中土石方計算分析[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計,2014,25(1):38-41.

[4] 水利電力部水利水電建設(shè)總局. 水利水電工程施工組織設(shè)計手冊[M]．北京: 中國水利水電出版社，2009.

[5] 中華人民共和國國家發(fā)展改革委員會. 水電建筑工程概算定額(下冊)(2007年版)[M]．北京:中國電力出版社，2008.