瀑布沟水电站大坝工程土石方优化调配

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瀑布沟水电站大坝为砾石土心墙堆石坝，大坝由心墙防渗料区、上下游反滤料区、上下游过渡料区、上下游堆石料区和上下游护坡块石料区等组成。大坝填筑总量达2424.25万m³，各建筑物的地基开挖量也相当大。在满足关键施工进度和建筑物开挖工期的条件下，结合大坝填筑工期要求，尽量提高建筑物利用料直接上坝率，减少中转上坝和开挖利用料的损失，提高建筑物和石料场开挖利用率，加快施工进度，降低工程成本，实现各种物料优化调配，成为重要的课题。

    2 、枢纽建筑物开挖料优化调配     大坝各种填筑料要求不一，各料源的开采时段与填筑应尽可能地与开挖同步，以减少开挖料的中转和废弃，并实现高料高用，低料低用，减少运距，合理调配。这是加快工程施工进度、降低成本的重要措施。做好优化调配要确保以下原则：     （1）各种料源满足坝体填筑各料区坝料的技术指标要求；     （2）建筑物开挖工期安排与大坝填筑进度和对料源开挖要求相适应，以最大限度地利用建筑物开挖料直接上坝填筑，降低中转上坝填筑量；     （3）在对建筑物开挖料规划利用的前提下，尽早确定土石料场开采规模，满足大坝填筑施工强度；     （4）土石料场开挖施工中，依据坝体各料区技术指标不同，有选择地进行爆破和挖装，减少利用料的损失。     2.1 大坝填筑料要求     坝体填筑料分为砾石土心墙防渗料、高塑性粘土料、反滤料、过渡料、堆石料、坝坡护坡块石料、压重料等(见下图)，以下为大坝填筑料主要技术要求。     2.1.1 砾石土心墙防渗料     填筑土料中水溶岩含量小于3%，有机质含量小于2%；在黑马料场Ⅰ区土料最大粒径不大于80mm，在0区土料最大粒径不大于60mm；心墙防渗土料的渗透系数小于1×10-5cm/s，抗渗透变形的临界坡降大于2.5，其渗透破坏型式为流土；塑性指数大于8，小于20；压实度达到98%（修正普式击实仪），细料含水率高于最优含水率的1%~2%。     2.1.2 高塑性粘土料     高塑性粘土料中水溶岩含量小于3%，有机质含量小于2%；最大粒径小于于2mm，颗粒级配满足设计级配曲线网络图；渗透系数小于1×10^-6cm/s，抗渗透变形的临界坡降大于8；塑性指数大于20；压实度达到98%（普式击实仪）；含水率高于最优含水率的1%~4%。     2.1.3 反滤料     反滤料采用人工砂石加工系统加工。石料呈粒状颗粒，饱和抗压强度大于50Mpa；B1、B3最大粒径不大于10mm，小于0.075mm的颗粒含量小于2%； B2、B4最大粒径不大于100mm，小于1.8mm的颗粒含量小于2%。B5最大粒径不大于200mm，小于2.5mm的颗粒含量小于2%；B1、B3区渗透系数大于5×10^-3cm/s，B2、B4、B5区渗透系数大于8×10^-3cm/s，压实后的相对密度大于0.8。     2.1.4 过渡料     过渡料采用石料场开采料，饱和抗压强度大于50Mpa；最大粒径不大于300mm，最小粒径大于0.1mm，小于5mm的颗粒含量不大于15%。压实后的孔隙率小于23%。     2.1.5 堆石料     堆石料采用弱风化~微风化或新鲜的花岗岩开采的石料。用于D1、D2区堆石料的饱和抗压强度大于60MPa，软化系数大于0.8，用于D3区堆石料的饱和抗压强度大于50Mpa；堆石料的最大与最小边长比不超过4，最大粒径不大于800mm，小于5mm的颗粒含量不大于15%。压实后的孔隙率小于23%。     2.1.6 上下游护坡块石料     上游死水位（790m高程）及下游806m高程以上坝坡采用干砌块石，其它部位坝坡采用大块石护坡；干砌块石采用微风化或新鲜的硬质块石，饱和抗压强度大于60MPa，粒径为400~600mm，块石重量大于30kg；大块石护坡石料的饱和抗压强度大于60MPa，其粒径为400~800mm。     2.1.7 压重石碴料     最大粒径不大于1200mm，小于5mm的颗粒含量不大于25%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%。     2.2 土石料利用料折算系数     根据瀑布沟水电站工程地质特性，建筑物开挖及料场开挖施工方法，结合以往堆石坝施工经验，确定瀑布沟大坝工程各种填筑料的利用折算系数如下。 表1 　　　　　　　　　　　　　　　　 土料综合折算系数表

序号 料场名称 综合折算系数 备注 直接上坝料 转存上坝料   1 管家山高塑性粘土料场 0.850     2 黑马砾石土料场 0.784 0.775   3 溢洪道开挖料 0.844     4 右岸放空洞开挖料 1.038 0.779   5 地下厂房系统开挖料 1.233 0.779   6 加里俄呷石料场       （1） 堆石料 1.108     （2） 过渡料 1.047     7 卡尔沟石料场       （1） 堆石料 1.108     （2） 过渡料 1.047     （3） B1和B3反滤料 1.190   填筑损耗5%（压实方） （4） B2和B4反滤料 1.060   填筑损耗5%（压实方） （5） B5水平反滤料 1.038   填筑损耗5%（压实方） （6） 压重料 1.00 1.00  

      2.3 建筑物开挖工期、岩性构成及可利用性分析     由于瀑布沟水电站工程土石方开挖量大，不同岩性的石料可以满足大坝各回填区对岩性的要求，为降低工程造价，大坝石方填筑优先考虑利用建筑物开挖料直接上坝或转存上坝。     开挖石料用于大坝下游D1、D2区填筑，但石方明挖直接上坝料不能用于D2区694.00m高程以下的堆石料填筑，碴场回采料不能用于D2区的填筑。     根据地质资料能用于大坝填筑的有溢洪道、右岸放空洞、地下厂房系统等开挖石方共计398.68万m³（自然方）,根据各建筑物开挖施工时段和大坝填筑施工时段，对各单项工程石方开挖可利用量统计和供料平衡分析。     2.3.1　右岸放空洞工程石方开挖料利用     右岸放空洞石方明挖总量为40.89万m³（自然方），石方洞挖总量为15.63万m³（自然方）。     石方明挖计划施工时段2005年7月1日～2006年1月30日，在大坝填筑之前，即40.89万m³（自然方）明挖料全部运往上游右岸落哈碴场堆存，回采上坝，按折算系数换算成坝上压实方量为31.85万m³（压实方），按上坝料30.00万m³（压实方）调配。     石方洞挖计划施工时段2005年12月1日～2007年4月30日，即在大坝填筑施工期间，根据大坝填筑施工进度和填筑部位，15.63万m³（自然方）洞挖料石料全部直接上坝，按折算系数换算成坝上压实方量为16.31万m³（压实方），按上坝料量13.00万m³（压实方）调配。     2.3.2　溢洪道石方开挖料利用     溢洪道石方明挖总量92.25万m³（自然方）,石方明挖计划施工时段为2006年4月1日～2007年9月30日，在2006年4月1日大坝已填筑至694m高程以上，根据地质资料要求，溢洪道石方明挖料可直接上坝，用于坝体下游D2区694m高程以上部位的填筑，按折算系数换算成坝上压实方量为110万m³（压实方），可按上坝料100.00万m³（压实方）调配。     2.3.3　地下厂房系统石方开挖料利用     地下厂房系统石方明挖总量136.92万m³（自然方），石方洞挖总量112.99万m³（自然方）。     石方明挖计划施工时段为2004年6月1日～2005年7月31日，在大坝填筑施工之前，136.92万m³（自然方）石方明挖料全部转存于上游左岸三谷庄碴场，按折算系数换算成坝上压实方量为106.66m³（压实方），可按上坝料95.00万m³（压实方）调配。     石方洞挖计划施工时段为2004年4月1日～2007年7月31日；2004年4月1日～2005年11月30日大坝填筑施工之前，60.49万m³（自然方）洞挖料转存于上游左岸三谷庄碴场，按折算系数换算成坝上压实方量为47.12万m³（压实方）,可按上坝料30.00万m³（压实方）调配。     2005年12月1日～2007年7月31日，52.50万m³（自然方）洞挖料石料直接上坝填筑，按折算系数换算成坝上压实方量为64.73万m³（压实方），可按上坝料57.00万m³（压实方）调配。     2.3.4　开挖石料利用统计表 表3 建筑物开挖石料利用统计表

序号 工程名称 工程量 （自然方:万m³） 施工时段 直接上坝量 （压实方:万m³） 中转上坝量 （压实方:万m³） 1 放空洞 明挖 40.89 2005.7.1~2006.1.31   30.00 洞挖 15.63 2005.12.1~2007.4.30 13.00   2 溢洪道明挖 130 2006.4.1~2007.9.30 100.00   3 地下厂 房系统 明挖 136.92 2004.6.1~2005.7.31   95.00 洞挖 112.99 2004.1.1~2007.7.31 57.00 30.00 4 合计 398.68   170.00 155.00

      2.4　建筑物开挖方式规划     本工程挖填工程量巨大，充分利用开挖料直接或中转上坝，技术经济意义重大。因此在制定建筑物开挖（主要指明挖）方案时，应兼顾开挖料的利用。     （1）开挖前应在设计单位提供的工程地质勘测资料的基础上，尽可能地进行补充和复勘工作，以充分取得各种建筑物岩层、岩性详细资料。     （2） 建筑物覆盖层厚度大于2 m时，应单独开挖；若覆盖层厚度小于2 m，建议与其下伏岩层一并开挖。     （3） 建筑物表层开挖应形成较规则的梯段，以利于有用层的大规模开挖。     （4） 岩层钻爆时，应避免顺层方向爆破（最好选择垂直于岩层），以获得级配良好、质量稳定的爆破石碴料。爆破建议采用大孔距、小抵抗线、孔间微差顺序爆破方式，并通过调整孔排距参数、炸药单耗来控制爆破石碴粒径及级配。     3、料场规划     3.1 料场规划原则     （1）心墙砾石土料优先采用黑马Ⅰ区、黑马0区砾石土料。     （2）高塑性粘土料从位于距坝址上游约25km的管家山高塑性粘土料场挖取。     （3）大坝上游堆石料、过渡料及上游护坡块石采用加里俄呷石料场的开采料。     （4）大坝下游过渡料和护坡块石采用卡尔沟石料场的开采料，下游堆石料采用卡尔沟石料场的开采料、上游左岸三谷庄碴场和右岸落哈碴场的回采料及溢洪道、右岸放空洞、地下厂房发电系统开挖直接上坝料。     （5）大坝所需反滤料、坝顶路面碎石垫层料全部采用卡尔沟人工砂石系统加工的人工骨料。     （6）土石料场开采料的品种、数量及质量必须满足坝体各期填筑需要。     3.2土料场规划     （1）高塑性粘土料场：大坝高塑性粘土料从位于距坝址上游约25km的管家山高塑性粘土料场开挖，直接上坝。     高塑性粘土料填筑总量为24.8万m³（压实方）, 上游围堰截流闭气用粘土料用量1.75万m³（压实方），上下游围堰子堰粘土用量为0.043万m³（压实方）、碾压试验粘土料用量为0.062万m³（压实方）,折算成需在管家山高塑性粘土料场挖取31.36万m³（自然方）,根据地质资料管家山高塑性粘土料场有效储量45.7万m³（自然方），有效储量为需要量的1.46倍，能满足大坝高塑性粘土料填筑总量。     （2）心墙砾石土料场：心墙砾石土料优先采用黑马Ⅰ区、黑马0区砾石土料。     大坝心墙砾石土料填筑总量为298.66万m³（压实方）、碾压试验砾石土料用量为0.062万m³（压实方），折算成需在黑马料场挖取385.45万m³（自然方）；根据地质资料黑马Ⅰ区砾石土料有效储量270万m³（自然方），黑马0区砾石土料有效储量183.8万m³（自然方），黑马Ⅰ区和黑马0区砾石土料共计有效储量453.80万m³（自然方），有效储量为需要量的1.18倍，黑马Ⅰ区和黑马0区砾石土料能满足心墙砾石土料填筑总量要求。     3.3 石料场规划     （1）加里俄呷石料场     大坝上游堆石料、过渡料、上游护坡块石，上游围堰截流的中大石料以及上游围堰与坝体结合的部位填筑料，采用加里俄呷石料场的开采料。大坝开采料直接上坝，不设中转料场。从加里俄呷石料场开采的上游围堰截流的中大石料堆在左堰头平台上。     大坝上游主堆石料填筑量为704.15万m³（压实方）、过渡料填筑量为171.46万m³（压实方）、上游护坡块石量共计16.16万m³（干砌方）、上游围堰填筑石料81.59万m³（压实方），共计973.36万m³（压实方）,根据综合折算系数换算成在加里俄呷石料场开采的自然方量为892.31万m³（自然方）。加里俄呷石料场储量1600万m³（自然方），为需要量的1.79倍，满足大坝上游块石料量填筑要求。     （2）卡尔沟石料场     大坝下游过渡料采用卡尔沟石料场的开采料；下游堆石料采用卡尔沟石料场的开采料、上游左岸三谷庄碴场和右岸落哈碴场的回采料及溢洪道、右岸放空洞、地下厂房发电系统开挖料直接上坝料；大坝所需反滤料全部采用人工砂石系统加工的人工骨料；大坝下游坡脚压重料和下游围堰堰体填筑料采用卡尔沟石料场的开采的石方弃料；碾压试验的过渡料及堆石料采用卡尔沟石料场的开采料。     从卡尔沟石料场的开采的堆石料、过渡料、下游护坡块石料开挖直接上坝；反滤料、坝顶路面碎石垫层由卡尔沟人工砂石系统加工后直接上坝；溢洪道、右岸放空洞、地下厂房发电系统开挖料根据大坝填筑施工进度和部位，直接上坝料和运至上游左岸三谷庄碴场和右岸落哈碴场回采料上坝，大坝下游坡脚压重料和下游围堰堰体填筑料从卡尔沟碴场回采上坝。     大坝下游堆石料填筑量为856.36万m³（压实方）、过渡料填筑量为176.51万m³（压实方）、下游护坡块石量为10.34万m³（干砌方）、大坝全部反滤料量为155.55万m³（压实方）、坝顶路面碎石垫层0.38万m³（压实方）、大坝下游压重土石碴10.26万m³（压实方）；碾压试验堆石料用量0.27万m³（压实方）、过渡料用量为0.16万m³（压实方）、反滤料用量为0.16万m³（压实方）；下游围堰堰体填筑料土石料用量7.86万m³（压实方）。     大坝工程利用溢洪道、右岸放空洞、地下厂房发电系统开挖料进行坝体下游填筑量为300万m³（压实方）；大坝下游压重土石碴利用卡尔沟石料场开采弃料10.26万m³（压实方），下游围堰堰体填筑利用卡尔沟石料场开采弃料用量7.86万m³（压实方），根据各种上坝石料折算系数换算，需另外在卡尔沟石料场开采石料量共计826.43万m³（自然方）；卡尔沟石料场石料场储量1200万m³（自然方），为需要量的1.45倍，满足大坝下游块石料量填筑要求。     4、存、弃碴场规划     瀑布沟工程堆存碴场有大坝上游左岸三谷庄碴场和上游右岸落哈碴场，弃料堆存在碴场在上游侧，有用料堆存在碴场下游侧以减少将来回采运距。     三谷庄碴场堆存上下游围堰左岸土石方开挖料、地下厂房系统石方开挖上坝转存料、加里俄呷料场剥离层料及石方开挖弃料、深启低料场剥离层料等。     落哈碴场堆存坝基及右坝肩土石方开挖料、上下游围堰右岸土石方开挖料、右灌浆洞石方洞挖料、右岸放空洞石方明挖料等。     4.1 三谷庄碴场     （1）上、下游围堰左岸土石方开挖料     上游围堰左岸土石方开挖量为24万m³（自然方），其中3.62万m³（自然方）土石方用于上游围堰左岸戗堤及防渗墙工作平台填筑，其余20.38万m³（自然方）运至上游左岸三谷庄碴场。     下游围堰石方开挖总量为1.5万m³（自然方），全部开挖料作为下游围堰戗堤填筑料。     （2）地下厂房系统土石方开挖料     石方明挖计划施工时段为2004年6月1日～2005年7月31日，在大坝填筑施工之前，136.92万m³（自然方）石方明挖料全部转存于上游左岸三谷庄碴场，回采上坝。     石方洞挖计划施工时段为2004年4月1日～2007年7月31日；2004年4月1日～2005年11月31日大坝填筑施工之前，60.08万m³（自然方）洞挖料转存于上游左岸三谷庄碴场，回采上坝；2005年12月1日～2007年7月31日石方洞挖料直接上坝。     （3）加里俄呷料场开挖弃料     加里俄呷料场剥离层料50.00万m³（自然方）和石方开挖弃料60万m³（自然方），共计110.00万m³（自然方）全部弃运至上游左岸三谷庄碴场。     （4）三谷庄碴场总计堆放料327.4万m³（自然方），其中堆放回采上坝料共计197.00万m³（自然方），弃碴共计130.4万m³（自然方）。     4.2 落哈碴场     （1）右坝肩土石方开挖料     右坝肩土石方开挖总量为40.72万m³（自然方），其中土石方5.13万m³（自然方）用于上游围堰戗堤及截流填筑，其余35.59万m³（自然方）运至上游落哈碴场。     （2）坝基土石方开挖料     坝基土石方开挖总量为51.66万m³（自然方），其中4.36万m³土石方（自然方）用于上游围堰填筑、0.19万m³土石方（自然方）用于下游围堰填筑，其余47.11万m³（自然方）运至上游落哈碴场。     （3）灌浆洞石方洞挖料     灌浆洞石方洞挖总量为2.61万m³（自然方），灌浆洞石方洞挖施工时，大坝还没有开始填筑，全部洞挖料运往上游右岸落哈碴场堆存，大坝填筑时，回采上坝。     （4）右岸洞放空洞开挖料     右岸洞放空洞石方明挖计划施工时段2005年7月1日～2006年1月30日，在大坝填筑之前，即40.89万m³（自然方）明挖料全部运往上游右岸落哈碴场堆存。     （5）加上卡尔沟剥离料落哈碴场总计堆放料251万m³（自然方），其中堆存回采上坝料共计 43.50万m³（自然方）、弃碴共计约207.5万m³（自然方）。     4.3 卡尔沟料场开挖弃料     卡尔沟场剥离层料共计74.00万m³（自然方）和石方开挖弃料88.5万m³（自然方），共计162.5万m³（自然方），其中用于下游围堰土石方填筑7.86万m³（自然方），用于大坝下游压重区土石方填筑10.26万m³（自然方），其余144.38万m³（自然方）除用于混凝土生产系统基础回填约20万m³外，剩下部分全部运至落哈碴场。     4.4 碴场堆放土石碴量统计表     三谷庄碴场和落哈碴场堆放土石碴量统计见表16-10。     表16-10 三谷庄碴场和落哈碴场堆放土石碴量统计表（自然方：万m³）

料源点 碴场名称 放空洞开挖料 地下厂房开挖料 右坝肩开挖料 灌浆洞洞挖料 上游围堰开挖料 坝基开挖料 加里俄呷料场弃料 卡尔沟料场弃料 合计 三谷庄碴场 土石料         20.4   110.00   327.4 回采料   197             落哈碴场 土石料     35.59     47.11   124.8 251 回采料 40.89     2.61         合计 40.89 197.00 35.79 2.61 37.50 47.11 110.00 162.5 578.4

    5 、土石方挖填平衡

        大坝工程土石方开挖及填筑调配见下表。

 

    6、建筑物开挖料优化调配计算机模型项目建议

    瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝最大坝高达186m，填筑方量为2424万m³,规划填筑工期不足3年。从强度分析情况来看，高峰填筑时段月平均填筑强度达到94.89万m³，而2006年全年平均月填筑强度高达88万m³，这在目前非常罕见，由此可见瀑布沟水电站大坝填筑具有填筑方量大、填筑工期短、连续填筑强度高的特点。从规划来看，上下游堆石料物开采条件（干扰与工作面布置）不同程度存在较为突出的问题，另外，坝体填筑方面存在上坝道路和上坝口数量较少、心墙和坝壳堆石料相互制约等方面不利因素影响。     坝体填筑优化调配方案的确定受到坝体填筑进度的制约，而坝体填筑进度又和施工道路、运输路线的选择、施工机械配套方式和数量、料场和碴场的配置和利用、防洪等密切相关。在实际施工过程中，各种制约因素是不断变化的。因此，实际施工过程中的坝体填筑优化调配方案是受到变化时间和空间关系制约的动态问题。为解决这个动态问题，我们提出了建筑物开挖料优化调配计算机模型。在对瀑布沟工程施工期各个组成部分（如料场、碴场、各个建筑物、大坝填筑、施工机械、道路）之间的相互关系进行系统分析的基础上，确定约束条件，将动态的问题转换为实际施工中某一时刻、确定条件下相对静态的问题加以解决。     通常，在施工规划管理过程中，为了保证施工技术、施工进度实施的可行性和经济优化必须对建筑物开挖施工、料场开采、大坝填筑施工充分加以协调。然而，由于各个建筑物施工、料场开采均不同程度上受气候条件、水文条件、工作面及施工工艺等限制和影响，其施工进度和强度方面必然存在差异和矛盾，为了缓和建筑物开挖、料场开采和大坝填筑之间的矛盾以及建筑物施工工艺或质量要求，需要设置一定的转运料场和土石方加工系统，因此，大坝填筑过程不仅与建筑物开挖施工有关，而且与转运堆场、施工道路布置、上坝通道、机械运行情况等多个施工内部环节紧密相关。     针对瀑布沟工程，要保证瀑布沟大坝填筑的经济、快速完成，有必要在实际施工期间协调开挖、运输、坝面填筑各个环节之间的关系；有必要对土石方实行动态优化调度，以减少因调配不利而造成经济和进度两个方面的损失；有必要根据现场施工情况，快速及时分析各种分案，以获得最为可行经济的方案，为指导控制、规划实际施工提供辅助决策。