垣曲抽水蓄能電站堿性骨料料源比選的研究

付 斌 景鵬云

(山西垣曲抽水蓄能有限公司，山西 垣曲 043700)

抽水蓄能電站主要由上水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫等組成，其中上水庫主要功能為將從下水庫泵送的水進(jìn)行儲(chǔ)存，相當(dāng)于儲(chǔ)存了電能，因此對(duì)上水庫庫盆防滲標(biāo)準(zhǔn)要求更高。瀝青混凝土對(duì)骨料特性有很高的要求，已有工程應(yīng)用的實(shí)踐表明，酸性石料與瀝青的黏結(jié)力較差,一般抗剝離等級(jí)達(dá)不到要求,因而瀝青混合料的強(qiáng)度達(dá)不到要求。瀝青與堿性石料的黏結(jié)力要好于酸性石料。經(jīng)調(diào)查，國網(wǎng)新源控股有限公司下屬60余家抽水蓄能電站上水庫普遍采用瀝青混凝土防滲，且全部電站瀝青混凝土均采用以灰?guī)r、白云巖等堿性巖石為主的骨料[1]。

1 工程概況

山西垣曲抽水蓄能電站，上水庫庫盆采用瀝青混凝土簡(jiǎn)式面板防滲，面板坡比1 ∶1.75，瀝青混凝土整平膠結(jié)層厚8cm，防滲層厚10cm，表面采用2mm厚的瀝青瑪蹄脂封閉，所需瀝青混凝土工程量約6.28萬m3，需要生產(chǎn)瀝青混凝土成品骨料約14.68萬t，所需毛料約17.46萬t。在預(yù)可研階段，中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)電站周邊開展堿性骨料場(chǎng)普查工作，經(jīng)普查，該區(qū)域灰?guī)r較少，均為零星分布，隨著普查力度不斷加大，最后確定以前斜料場(chǎng)和樂堯料場(chǎng)作為料源地進(jìn)行方案比選。根據(jù)土石方平衡計(jì)算，骨料設(shè)計(jì)開采需要量為7.56萬m3(自然方)，考慮1.5倍的需求量，規(guī)劃開采需要量為11.34萬m3(自然方)[2]。為確定堿性骨料料源地，重點(diǎn)對(duì)前斜料場(chǎng)和樂堯料場(chǎng)從開采規(guī)劃條件、儲(chǔ)量對(duì)比評(píng)價(jià)、巖石物理指標(biāo)、征地移民、施工期環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)投資等方面進(jìn)行多角度、深層次分析比較。

2 對(duì)外交通條件

結(jié)合工程區(qū)附近公路現(xiàn)狀及大宗外來物資來源情況，公路對(duì)外交通有3條線路可供選擇：

線路一：垣曲高速收費(fèi)站→長(zhǎng)直鄉(xiāng)→東南莊→上下庫連接公路(簡(jiǎn)稱北線)。

線路二：垣曲高速收費(fèi)站→寨里村→前斜→關(guān)家溝→上下庫連接公路(簡(jiǎn)稱中線)。

線路三：垣曲高速收費(fèi)站→寨里村→前斜→清水河橋→下庫左壩頭(簡(jiǎn)稱南線)。

可研階段，從工程投資、建設(shè)工期、交通條件、與場(chǎng)內(nèi)交通銜接及與地方規(guī)劃相適應(yīng)等5方面，對(duì)3條對(duì)外交通線路進(jìn)行了綜合比較，最終選擇北線為對(duì)外交通線路。經(jīng)此線路，前斜料場(chǎng)距離上水庫54km；樂堯料場(chǎng)距離上水庫36km，運(yùn)距較近(見圖1)。

圖1 堿性骨料料場(chǎng)分布

3 料場(chǎng)開采規(guī)劃

3.1 前斜料場(chǎng)開采規(guī)劃

前斜料場(chǎng)規(guī)劃開采底高程為340m，設(shè)計(jì)開采底高程為360m，頂部開采高程為440m，規(guī)劃開采深度為100m，覆蓋層開挖坡比為1 ∶1.5，弱風(fēng)化開挖坡比為1 ∶0.5，微風(fēng)化開挖坡比為1 ∶0.3，每20m設(shè)置一級(jí)2m寬馬道，規(guī)劃開采面積1.12萬m2，剝離量8.66萬m3。

前斜料場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)需新建臨時(shí)道路1.125km，臨時(shí)公路按4級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路基寬7.5m，采用砂石路面。骨料開采運(yùn)輸總運(yùn)距約54km，其中部分道路狹窄、破損嚴(yán)重，部分路段不具備大型車輛運(yùn)輸條件，需對(duì)約25km的路段進(jìn)行重新修復(fù)擴(kuò)建，整體開采運(yùn)輸條件較差。

料場(chǎng)開采后需對(duì)設(shè)計(jì)開采底高程360m以上邊坡進(jìn)行防護(hù)，主要防護(hù)措施：料場(chǎng)邊坡采用噴混凝土防護(hù)，噴混凝土厚10cm；料場(chǎng)邊坡較破碎范圍內(nèi)采用錨桿(L=3m,φ22mm)支護(hù)，錨桿間、排距1.5m，梅花形布置，錨桿入巖深度2.75m，局部掛鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20cm×20cm，鋼筋直徑8mm；距離料場(chǎng)開采邊線外5m處布置漿砌石截水溝，凈尺寸1m×1m(寬×深)，漿砌石厚0.5m。料場(chǎng)防護(hù)工程量見表1。

表1 前斜料場(chǎng)防護(hù)工程量

3.2 樂堯料場(chǎng)開采規(guī)劃

樂堯料場(chǎng)規(guī)劃開采底高程為690m，設(shè)計(jì)開采底高程為702m，頂部開采高程為758m，規(guī)劃開采深度為68m，弱風(fēng)化開挖坡比為1 ∶0.3，剝離量5.28萬m3，規(guī)劃開采面積0.62萬m2。

樂堯料場(chǎng)開采條件相對(duì)較好，料場(chǎng)附近有公路經(jīng)過，距離選定的對(duì)外交通公路較近，為7km，路況較好，至上水庫骨料加工廠運(yùn)距為36km。料場(chǎng)開采需新建3條臨時(shí)公路，長(zhǎng)度各為140m、500m和150m，分別連接料場(chǎng)730m高程、710m高程和690m高程。料場(chǎng)臨時(shí)公路按4級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路總長(zhǎng)0.79km，路基寬7.5m，采用砂石路面。

料場(chǎng)開采后需對(duì)設(shè)計(jì)開采底高程702m以上邊坡進(jìn)行防護(hù)，主要防護(hù)措施如下：料場(chǎng)邊坡采用噴混凝土防護(hù)，噴混凝土厚10cm；料場(chǎng)邊坡較破碎范圍內(nèi)采用錨桿(L=3m,φ22mm)支護(hù)，錨桿間排距1.5m，梅花形布置，錨桿入巖深度2.75m，局部掛鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20cm×20cm，鋼筋直徑8mm；距離料場(chǎng)開采邊線外5m處布置漿砌石截水溝，凈尺寸1m×1m(寬×深)，漿砌石厚0.5m。料場(chǎng)防護(hù)工程量見表2。

表2 樂堯料場(chǎng)防護(hù)工程量

經(jīng)對(duì)比分析，樂堯料場(chǎng)運(yùn)距較近，相對(duì)于前斜料場(chǎng)節(jié)省運(yùn)距約18km，路況相對(duì)較好，臨時(shí)道路的新建及現(xiàn)有道路的擴(kuò)建與維護(hù)距離均更短，同時(shí)料場(chǎng)防護(hù)工程量更少，故樂堯料場(chǎng)整體開采運(yùn)輸條件相對(duì)較好。

4 料場(chǎng)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)

經(jīng)實(shí)地測(cè)量勘察，樂堯料場(chǎng)長(zhǎng)約100m，寬約70m，產(chǎn)地面積約7000m2，開采底面高程680m，開挖坡比1 ∶0.3，剝離層厚度平均7.7m；前斜料場(chǎng)長(zhǎng)約82m，寬約68m，產(chǎn)地面積約5500m2，開采底面高程301m，開挖坡比1 ∶0.3，剝離層厚度平均12.0m。根據(jù)鉆孔取樣分析，兩者灰?guī)r溶蝕不發(fā)育，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，綜合考慮10%的溶蝕、溶洞及斷層棄料[3-4]，兩料場(chǎng)綜合地質(zhì)情況詳見圖2和圖3。因兩料場(chǎng)地形起伏較大、剝離層和無用層厚度不均勻，結(jié)合《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251—2015)要求，利用平行斷面法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，結(jié)合兩料場(chǎng)規(guī)劃，分別在樂堯和前斜料場(chǎng)取3、4個(gè)平行斷面(見圖2和圖3)，算出斷面有用層和無用層面積，結(jié)合斷面間平均距離，算出有用層和無用層儲(chǔ)量[5]，進(jìn)行儲(chǔ)量評(píng)價(jià)。兩料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算成果見表3。

圖2 樂堯料場(chǎng)工程地質(zhì)

圖3 前斜料場(chǎng)工程地質(zhì)

表3 平行斷面法儲(chǔ)量計(jì)算成果

經(jīng)比較，兩料場(chǎng)儲(chǔ)量均滿足設(shè)計(jì)需用量1.5倍的要求，樂堯料場(chǎng)相較于前斜料場(chǎng)，有用層儲(chǔ)量更大，無用層體積更小，綜合兩料場(chǎng)儲(chǔ)量比較，樂堯料場(chǎng)較優(yōu)。

5 巖石試驗(yàn)結(jié)果及質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)

為查明料場(chǎng)巖石物理力學(xué)性質(zhì)，分別在前斜和樂堯料場(chǎng)各鉆孔5處，分別進(jìn)尺186m和241m，結(jié)合骨料需求量，按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251—2015)要求，各取6組磨片樣進(jìn)行巖石命名，各取5組巖樣，按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 264—2020)等多種規(guī)范規(guī)定，進(jìn)行室內(nèi)巖體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)[6-8]，并在此基礎(chǔ)上，按照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251—2015)中對(duì)人工骨料的要求，進(jìn)行質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)成果詳見表4，灰?guī)r原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)見表5。

表4 物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

續(xù)表

表5 原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)對(duì)比

試驗(yàn)成果表明：前斜料場(chǎng)鮞狀灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值55～80MPa，平均值為69MPa，為堅(jiān)硬巖；軟化系數(shù)0.67～0.93，平均值為0.79，不易軟化；吸水率平均值為0.40%，吸水率低。樂堯料場(chǎng)鮞狀灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值78～106MPa，平均值為91MPa，為堅(jiān)硬巖；軟化系數(shù)0.32～0.41，平均值為0.38，不易軟化；吸水率平均值為0.25%，吸水率低。經(jīng)比較，兩料場(chǎng)巖石均滿足SL 251—2015中表觀密度大于2.60g/cm3、吸水率小于2.0%、飽和抗壓強(qiáng)度大于40MPa等主要物理力學(xué)指標(biāo)要求，就具體指標(biāo)數(shù)據(jù)而言，樂堯料場(chǎng)具有單軸抗壓強(qiáng)度更高、吸水率更小、凍融損失率更小等優(yōu)點(diǎn)，整體優(yōu)于前斜料場(chǎng)。

6 對(duì)周邊環(huán)境條件的影響

前斜料場(chǎng)位于垣曲縣解峪鄉(xiāng)前斜村板澗河右岸，緊鄰村莊，考慮到施工期機(jī)械設(shè)備的大量進(jìn)場(chǎng)，施工過程中骨料爆破開采、渣料運(yùn)輸會(huì)產(chǎn)生大量煙塵、噪聲，嚴(yán)重影響周邊居民正常生產(chǎn)生活，引發(fā)村民阻工、擾工等聚眾性影響工程施工的風(fēng)險(xiǎn)增加，同時(shí)由于緊鄰河道，環(huán)保水保形勢(shì)嚴(yán)峻，外在不可控因素增加。

樂堯料場(chǎng)位于垣曲縣解峪鄉(xiāng)樂堯村西北側(cè)，遠(yuǎn)離居民生活區(qū)域，料場(chǎng)征地范圍內(nèi)無自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)等制約工程建設(shè)的環(huán)保問題；樂堯料場(chǎng)為臨時(shí)占地，工程結(jié)束進(jìn)行植被恢復(fù)與重建，區(qū)內(nèi)植物種類均為山西省內(nèi)分布較廣的物種，資源豐富且無珍稀物種，不會(huì)造成生物多樣性降低和物種消失，施工期，料場(chǎng)的開采可能會(huì)造成水土的流失、生態(tài)的破壞[9]，但對(duì)環(huán)境的影響是暫時(shí)的、可逆的，在采取一定的措施后，可以恢復(fù)至原有狀態(tài)，從環(huán)境角度來說，影響輕微，是可以接受的。

前斜料場(chǎng)緊鄰村莊，涉及征地移民20人，實(shí)施難度較大。樂堯料場(chǎng)施工區(qū)征地主要包括臨時(shí)道路、棄渣場(chǎng)和料場(chǎng)，臨時(shí)道路按邊坡開口線及回填坡腳線外1～2m控制，其他場(chǎng)地按邊坡開口和回填邊線外20m控制，并形成封閉的施工征地區(qū)，不涉及居民搬遷。

7 經(jīng)濟(jì)投資

在上述對(duì)比的基礎(chǔ)上，充分考慮工程建設(shè)期料場(chǎng)開挖工程量、防護(hù)工程量、骨料的運(yùn)輸費(fèi)用、臨時(shí)道路的修建及維護(hù)費(fèi)用、征地移民費(fèi)用等方面，并參考當(dāng)?shù)匚飪r(jià)水平，對(duì)兩料場(chǎng)直接費(fèi)用進(jìn)行全面預(yù)估比較[10](見表6)。

表6 直 接 費(fèi) 用 對(duì) 比

續(xù)表

從兩料場(chǎng)直接投資進(jìn)行比較，樂堯料場(chǎng)較前斜料場(chǎng)節(jié)省投資1000.5萬元。

8 結(jié) 論

針對(duì)料源地的選擇，本文以骨料開采運(yùn)輸條件、儲(chǔ)量、巖石質(zhì)量、周邊環(huán)境、經(jīng)濟(jì)投資為重要關(guān)注點(diǎn)，多方面比較，得出以下結(jié)論：樂堯料場(chǎng)開采運(yùn)輸條件較好，運(yùn)距較近，相對(duì)于前斜料場(chǎng)節(jié)省運(yùn)距約18km，路況相對(duì)較好，臨時(shí)道路的新建及現(xiàn)有道路的擴(kuò)建與維護(hù)距離均更短，同時(shí)料場(chǎng)防護(hù)工程量更少；兩料場(chǎng)儲(chǔ)量以及巖石質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)場(chǎng)需求和規(guī)范要求，相較而言，樂堯料場(chǎng)有用層儲(chǔ)量更大，無用層體積更小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)技術(shù)指標(biāo)更優(yōu)；樂堯料場(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境的影響更小，不涉及征地移民；樂堯料場(chǎng)直接費(fèi)用更少，較前斜料場(chǎng)節(jié)省投資。綜合以上比較，選取樂堯料場(chǎng)為山西垣曲抽水蓄能電站堿性骨料料源地。