心墻堆石壩填筑石料開采規(guī)劃與動態(tài)優(yōu)化

薛 凱

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

長河壩水電站攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程1 697.00 m，最大壩高240.0 m，壩頂長502.85 m，壩頂寬16.0 m。大壩設(shè)計總填筑量約3 417萬m3，設(shè)計石料需求為：壩殼堆石料2 273.9萬m3，過渡料290.97萬m3，反濾料168.19萬m3；護(hù)坡塊石29.38萬m3，石料約占壩體填筑總量81%。長河壩水電站分別在大壩上、下游各規(guī)劃一個石料場，上游響水溝料場和下游江咀料場。

響水溝料場位于壩址區(qū)上游右岸響水溝溝口，距壩址約3.5 km。地形形態(tài)為一山包，三面臨空，分布高程1 545～1 885 m，地形坡度40°～50°。料源巖性為花崗巖，巖石弱-微風(fēng)化，巖質(zhì)致密堅硬，飽和濕抗壓強度94.5～120.0 MPa，軟化系數(shù)0.74～0.78，天然密度2.61～2.99 g/cm3，凍融損失率 6%～16%，主要質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。料場勘探儲量2 675萬m3。

江咀料場位于壩址區(qū)下游左岸磨子溝溝口左側(cè)，距壩址約6 km。分布高程1 500～1 930 m，地形坡度一般40°～60°，少量30°～35°。料源巖性為石英閃長巖，巖質(zhì)致密堅硬，巖石飽和濕抗壓強度76.4～131 MPa，軟化系數(shù)0.77～0.87，天然密度2.70～2.89 g/cm3，凍融損失率27%～43.3%，主要質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。料場勘探儲量約3 337萬m3。

2 投標(biāo)階段

2.1 規(guī)劃依據(jù)

(1)質(zhì)量要求。滿足招標(biāo)技術(shù)條款對大壩過渡料、堆石料的強度、級配等質(zhì)量技術(shù)要求。

(2)封堵與蓄水要求。根據(jù)招標(biāo)進(jìn)度要求，2016年11月初期導(dǎo)流洞下閘。蓄水后上游道路中斷，上游石料場不具備再供料條件，下閘蓄水后壩體剩余填筑石料從下游石料場開采供應(yīng)。

(3)跨心墻運輸要求。為保證礫石土心墻施工質(zhì)量，招標(biāo)技術(shù)明確不允許跨心墻運輸。當(dāng)上游通向石料場交通隧道因蓄水需要開始封堵時，在采取有效防止心墻料因過度碾壓產(chǎn)生裂縫、彈簧土等措施并經(jīng)批準(zhǔn)后，剩余壩體上游反濾料、過渡料、堆石料、塊石料可以跨心墻運輸。

表1 投標(biāo)方案石料場開采規(guī)劃

注：江咀料場有用料開采量包括向砂石系統(tǒng)補充供料量。

2.2 開采規(guī)劃

根據(jù)招標(biāo)文件的設(shè)計規(guī)劃要求，在初期導(dǎo)流洞下閘前，大壩石料按上、下游分別供應(yīng)。投標(biāo)方案大壩填筑進(jìn)度計劃中，在2016年11月初期導(dǎo)流洞下閘時，大壩已填筑到1 679 m高程。即，響水溝料場供應(yīng)大壩上游1 679 m以下的堆石料、過渡料、護(hù)坡塊石料；大壩下游的所有堆石料、過渡料、塊石料，以及大壩上游1 679 m以上的堆石料、過渡料、塊石料均由江咀料場供應(yīng)。反濾料由砂石系統(tǒng)生產(chǎn)，原料利用建筑物開挖料，不足部分從江咀料場開采供應(yīng)。開采規(guī)劃見表1。

3 施工階段

3.1 規(guī)劃依據(jù)

(1)石料場復(fù)查成果。石料場的可開采量、開采范圍、施工布置等規(guī)劃應(yīng)依據(jù)詳實的復(fù)查成果資料。

(2)設(shè)計工程量。施工圖階段的設(shè)計工程量是石料場開采規(guī)劃的需求量依據(jù)。

(3)大壩填筑設(shè)計指標(biāo)。大壩堆石料、過渡料的孔隙率、干密度、相對密度等設(shè)計指標(biāo)是計算松實系數(shù)的依據(jù)，直接影響開采量計算。

(4)大壩填筑進(jìn)度計劃與施工強度。進(jìn)度計劃中初期下閘時間及對應(yīng)的大壩填筑形象面貌是規(guī)劃上、下游兩個石料場的開采時段及開采量的依據(jù)。根據(jù)長河壩水電站實施階段的大壩填筑進(jìn)度，2016年11月初，初期導(dǎo)流洞下閘時大壩填筑高程由投標(biāo)方案的1 679 m調(diào)整到1 645 m。

(5)交通條件。對開采條件好、運距短的石料場應(yīng)力求多采，不僅有利于加快進(jìn)度和提高施工強度，而且有利于降低施工費用。本工程技術(shù)要求不允許跨心墻運輸，若上、下游兩個石料場根據(jù)條件規(guī)劃不均衡開采(即上游石料場向大壩心墻下游供料或下游石料場向大壩心墻上游供料)，則具備便捷的繞壩運輸通道是關(guān)鍵。本工程布置有左岸低線過壩交通洞，經(jīng)上、下游圍堰可分別通向大壩填筑面。

(6)其他石料需求量。除大壩填筑石料外，本工程還需向砂石生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)239萬m3(自然方)作為生產(chǎn)原料。

3.2 石料需求量

石料需求包括大壩堆石料、過渡料、反濾料、塊石料以及砂石生產(chǎn)系統(tǒng)原料等。根據(jù)設(shè)計施工圖紙工程量核算石料需求量見表2，其中松實系數(shù)根據(jù)巖石天干然密度、設(shè)計壓實干密度計算。

從表2可知，需從石料場開采2 075.08萬m3(自然方)石料直接上壩用于填筑堆石、過渡層及護(hù)坡塊石；開采239萬m3(自然方)供應(yīng)砂石系統(tǒng)作為大壩反濾料及混凝土生產(chǎn)原料?？偣残枰獜氖蠄鲩_采2314.08萬m3(自然方)有用石料。

3.3 料場復(fù)查

(1)響水溝料場：①復(fù)查指標(biāo)。計劃開采高程1 885～1 545 m(可開采至1 530 m)；平面開采面積10 297～87 824 m2；后坡面積約82 000 m2；總儲量2 102萬m3，有用料儲量2 002萬m3，無用料儲量100萬m3。平均上壩運距6.3 km。②其他條件。響水溝料場位于長河壩庫區(qū)內(nèi)的響水溝口，呈一三面臨空的山包，緊臨大渡河，周邊沒有民居區(qū)，也沒有地方交通從料場影響區(qū)通過，S211永久改線道路從料場后緣山體內(nèi)通過，不受料場開采影響。溝口段作為棄渣場，主干道為隧道，料場開采對棄渣影響小。

(2)江咀料場：①復(fù)查指標(biāo)。招標(biāo)設(shè)計規(guī)劃的開采范圍劃分為A、B、C三個采區(qū)，A為溝內(nèi)采區(qū)，B為溝口采區(qū)，C為中間采區(qū)。料場總體開采高程1 916～1 550 m；后坡面積約297 300 m2；總儲量2 299萬m3，有用料儲量1 901萬m3，無用料儲量398萬m3。平均上壩運距10.4 km。為優(yōu)化開采規(guī)劃，根據(jù)現(xiàn)場地形條件，對A采區(qū)向溝內(nèi)范圍適當(dāng)擴(kuò)展形成A1區(qū)，復(fù)查指標(biāo)為：開采高程1 916～1 610 m；后坡面積約90 837 m2；總儲量707萬m3，有用料儲量607萬m3，無用料儲量100萬m3。 靠近A1區(qū)上游的小山脊稱為A2區(qū)，指標(biāo)為：開采高程1 715～1 910 m；后坡面積約34 862 m2；總儲量194萬m3，有用料儲量184萬m3，無用料儲量10萬m3。另外，磨子溝口左側(cè)B區(qū)外緣兩面臨空的小山脊(稱為B1區(qū))部分坡面巖石裸露，可低高程開采(1 640 m以下)，采區(qū)距砂石生產(chǎn)系統(tǒng)較近(約300 m)，方便直接向砂石系統(tǒng)供料，可采性相對較好，指標(biāo)為：開采高程1 640～1 480 m；后坡面積約50 594 m2；總儲量344.41萬m3，有用料儲量301.68萬m3，無用料儲量42.73萬m3。②其他條件。江咀料場位于大壩下游磨子溝內(nèi)，總體沿磨子溝左側(cè)坡面布置，單面臨空。料場采區(qū)對面山坡有居民住戶，采區(qū)山后是麥崩鄉(xiāng)，都不同程度受料場開采的爆破振動、噪聲、揚塵影響；通往麥崩鄉(xiāng)的地方公路順磨子溝底部通過，是料場開采的重大干擾因素。

表2 大壩填筑石料工程量明細(xì)

表3 復(fù)查成果對比分析

注：江咀指招標(biāo)設(shè)計范圍；坡面系數(shù)指料場開挖形成的后坡面積與料場有用料體積之比， m2/萬m3。

(3)復(fù)查成果。響水溝與江咀兩大石料場復(fù)查成果對比分析見表3。

3.4 開采規(guī)劃

(1)規(guī)劃思路。以確保壩料質(zhì)量、確保壩料供應(yīng)強度為直接目的，原則上基于可靠的復(fù)查成果及綜合開采條件，優(yōu)選質(zhì)量好、出料快、運距短、效益好、干擾小的石料場作為主料源，綜合條件相對次之的料場作為輔助料源；突破投標(biāo)階段嚴(yán)格按上、下游分開獨立供應(yīng)的格局，實現(xiàn)一主一輔的綜合優(yōu)化開采規(guī)劃。

(2)實施開采規(guī)劃。通過對響水溝、江咀石料場復(fù)查成果對比分析，響水溝料場的各項指標(biāo)均明顯優(yōu)于江咀料場：剝采比為江咀料場的24%；坡面系數(shù)為江咀料場的26%；平均上壩運距為江咀料場的61%。江咀料場周邊分布有居民區(qū)，爆破振動影響大，單次爆破藥量受到嚴(yán)格控制，嚴(yán)重制約開采強度，難以滿足填筑進(jìn)度要求，且料場底部有鄉(xiāng)村公路通過，交通干擾大。因此，響水溝料場開采干擾遠(yuǎn)小于江咀料場。在江咀料場的幾個采區(qū)中，A1區(qū)的綜合指標(biāo)優(yōu)于其他采區(qū)。

(3)對比分析后最終確定的石料場開采規(guī)劃為：以響水溝料場為主料場，江咀料場A1區(qū)作為輔助料場，江咀料場B1區(qū)作為應(yīng)急備用采區(qū)，江咀料場其他采區(qū)不考慮開采。響水溝料場、江咀A1區(qū)、江咀B1區(qū)的有用料總量為2 910萬m3(2 002+607+301)大于需求總量2 314.08萬m3；儲量富裕系數(shù)為2 910÷2 314.08=1.26，滿足規(guī)范值1.20～1.50的要求。

(4)響水溝石料場供料部位包括：大壩上、下游堆石；上、下游過渡料；上、下游護(hù)坡塊石。江咀A1區(qū)供料范圍：初期下閘蓄水前補充供應(yīng)大壩下游堆石、過渡料、塊石，初期下閘后供應(yīng)大壩頂部剩余堆石、過渡料、塊石料；補充供應(yīng)砂石生產(chǎn)系統(tǒng)加工原料(優(yōu)先利用建筑物開挖料，不足部分由江咀A1區(qū)供應(yīng))。

(4)根據(jù)調(diào)整后大壩進(jìn)度計劃，初期下閘時大壩計劃填筑到1 645 m高程，此時響水溝料場對應(yīng)開采高程1 550 m，向大壩供應(yīng)石料1 900萬m3。大壩剩余石料由江咀料場A1區(qū)供應(yīng)，即考慮砂石系統(tǒng)用料，江咀A1區(qū)計劃開采有用料414萬m3，對應(yīng)開采高程1 610 m。

4 石料場開采動態(tài)優(yōu)化

4.1 料源交換、以空間換時間和場地

長河壩水電站左岸引水發(fā)電系統(tǒng)和右岸泄洪放空系統(tǒng)(簡稱“廠泄系統(tǒng)”)為地下工程，以花崗巖、石英閃長巖為主開挖料均滿足大壩填筑料要求，原規(guī)劃建筑開挖料用于砂石系統(tǒng)生產(chǎn)原料。

廠泄系統(tǒng)開挖工期計劃2014年6月結(jié)束，開挖工期后半段與大壩填筑期重合，填筑前地下開挖料已堆存到回采場。在廠泄系統(tǒng)開挖期間，混凝土施工項目較少，骨料用量小，砂石系統(tǒng)還未進(jìn)入生產(chǎn)高峰期，但回采場已堆滿。大壩填筑后，調(diào)整廠泄系統(tǒng)開挖料直接上壩用于堆石料填筑，提高了大壩填筑強度，緩解了石料場開采與運輸壓力。2014年5月前大壩度汛高峰期，利用廠泄系統(tǒng)開挖料就近上壩作為補充供料，提高了實現(xiàn)度汛目標(biāo)的保證率。

長河壩水電站工程砂石系統(tǒng)至江咀料場運距約2 km，調(diào)配后砂石系統(tǒng)就近從江咀料場取料。通過石料的時空交換后，大幅減小了原料運距和有效緩解了堆存壓力，避免原料轉(zhuǎn)運。

長河壩水電站大壩度汛填筑期(2014年5月前)實際利用建筑開挖料191萬m3(壓實方)，利用量約占度汛期填筑石料總量的18%，補充了度汛期石料填筑高峰平均強度的15%，對料場開采與運輸壓力緩解效果明顯。

4.2 料場開采動態(tài)優(yōu)化

(1)工程于2016年10月下旬初期下閘蓄水，工程加快施工進(jìn)度，大壩于2016年9月上旬填筑到頂，上游響水溝料場開采未受蓄水影響，持續(xù)開采到大壩填筑結(jié)束。

(2)為降低開采難度和節(jié)省工程費用，當(dāng)料場開采到1 670 m高程時，對開采體型再次優(yōu)化：將后坡由原設(shè)計1∶0.3調(diào)整到1∶0.5，開采到1 640 m高程時再次調(diào)整為1∶0.75；邊坡不再采取支護(hù)措施；采取掏心開挖方式。響水溝料場隨著開采高程不斷下降，巖石越趨新鮮、完整，采區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)軟弱夾層、透鏡體等不良地質(zhì)條件。通過中上部的開采揭示判斷，影響有用料儲量的因素基本排除。為降低開采難度、節(jié)省工程費用，施工過程中結(jié)合實際情況反復(fù)核算料場剩余儲量及大壩填筑需要量，對邊坡得處理進(jìn)行了調(diào)整：料場采區(qū)周圍邊沿巖石裂隙較發(fā)育，鉆孔爆破與級配控制難度相對較大，調(diào)整為掏心開挖，甩開邊沿巖體，這樣不僅避免了表面無用料開挖，也降低了開采難度。

(3)開采過程中，根據(jù)揭露出的地質(zhì)情況動態(tài)調(diào)整開挖坡比及平臺高程與寬度。響水溝料場的最終開采高程為1 580 m，最終開采量為1 508萬m3(有用料1 398萬m3)；江咀料場A1區(qū)終采高程1 670 m，最終開采量562萬m3(有用料471萬m3)。大壩其余石料利用建筑開挖料。設(shè)計邊坡線與實際開采邊坡線對比見圖1。

5 動態(tài)優(yōu)化效果

長河壩水電站石料場動態(tài)優(yōu)化效果明顯，石料場開采總運輸量比投標(biāo)方案降低約25%，料場邊坡支護(hù)面積比投標(biāo)方案降低約71%。這些取決于：選擇距離近、地形好的上游料場作為主料場，充分利用建筑物開挖料，及時調(diào)整開采坡比等的動態(tài)優(yōu)化。

長河壩水電站石料場在投標(biāo)方案階段、實施方案階段及開采動態(tài)優(yōu)化階段的數(shù)據(jù)對比見表4。

6 結(jié) 語

長河壩水電站大壩比合同工期提前近4個月填筑到頂。石料場開采規(guī)劃通過動態(tài)優(yōu)化后，不僅實現(xiàn)了在滿足質(zhì)量要求的前提下保證了大壩填筑供料強度的目標(biāo)；而且進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合效益顯著。優(yōu)化工作較成功，但還有需要進(jìn)一步完善的地方，幾點體會如下：

(1)土石壩之“糧倉”的石料場，其開采規(guī)劃是大壩填筑施工取得成功的關(guān)鍵。

(2)優(yōu)選石料的主料場應(yīng)遵循“質(zhì)量好、地形佳、出料快、運距短、干擾小”的基本原則，在保證質(zhì)量的前提下，首先應(yīng)考慮供料強度滿足大壩填筑進(jìn)度要求。

圖1 料場終采典型剖面對比示意

料場狀態(tài)開口高程/m終采高程/m有用料/萬m3無用料/萬m3總開采/萬m3支護(hù)面積/m2剝采比坡面系數(shù)/m2·(萬m3)-1運輸量/m3·km響水溝投標(biāo)方案18801650973.139.51012.6524380.040.00561305300實際完成188515801398.0110.01508.0302110.080.00288074000江咀投標(biāo)方案191015901520.3325.21845.52412820.210.01695778900實際完成19101670471.091.0562.0549450.190.01229673000

(3)料場的開采規(guī)劃應(yīng)結(jié)合其地質(zhì)條件、開采與運輸邊界條件、設(shè)計變更等因素動態(tài)優(yōu)化調(diào)整。

(4)重視“坡面系數(shù)”評判指標(biāo)。剝采比側(cè)重于料場有、無用料的經(jīng)濟(jì)性、可行性評價，而坡面系數(shù)則側(cè)重于邊坡因素對開采進(jìn)度的影響，也可作為經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)。如果坡面系數(shù)小，則支護(hù)量小，支護(hù)進(jìn)度更容易保證，且支護(hù)費用也小，更經(jīng)濟(jì)。

(5)建筑開挖料的利用可降低工程費用，有效補充高峰期供料強度。建筑開挖料的料源交換使用可充分實現(xiàn)以空間換時間，解決施工場地問題，高峰供應(yīng)強度等系列綜合問題。

(6)料源開采規(guī)劃必須考慮規(guī)范規(guī)定的富裕系數(shù)，但可通過單獨規(guī)劃備用的料場或獨立的備用采區(qū)，這樣可有效避免普遍存在的低料無用的現(xiàn)象，同時也能有效降低料場因高開口而帶來的施工難度。

[1] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S]．

[2] DL/T 5397—2007 水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范[S]．

[3] 梅錦煜, 黨立本. 土石方工程[M]∥水利水電工程施工手冊編委會. 水利水電工程施工手冊. 北京： 中國電力出版社, 2002．

[4] 薛凱. 長河壩水電站大壩度汛填筑施工[J]. 四川水利, 2016(5)： 82- 86．

[5] 吳高見. 高土石壩施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 水利水電施工, 2013(4)： 1- 7．

[6] 胡海濤. 長河壩水電站施工總布置規(guī)劃[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(10)： 26- 28．