瀑布溝水電站大壩工程土石方優(yōu)化調(diào)配

    2 、樞紐建筑物開挖料優(yōu)化調(diào)配

    大壩各種填筑料要求不一，各料源的開采時段與填筑應盡可能地與開挖同步，以減少開挖料的中轉(zhuǎn)和廢棄，并實現(xiàn)高料高用，低料低用，減少運距，合理調(diào)配。這是加快工程施工進度、降低成本的重要措施。做好優(yōu)化調(diào)配要確保以下原則：

    （1）各種料源滿足壩體填筑各料區(qū)壩料的技術(shù)指標要求；

    （2）建筑物開挖工期安排與大壩填筑進度和對料源開挖要求相適應，以最大限度地利用建筑物開挖料直接上壩填筑，降低中轉(zhuǎn)上壩填筑量；

    （3）在對建筑物開挖料規(guī)劃利用的前提下，盡早確定土石料場開采規(guī)模，滿足大壩填筑施工強度；

    （4）土石料場開挖施工中，依據(jù)壩體各料區(qū)技術(shù)指標不同，有選擇地進行爆破和挖裝，減少利用料的損失。

    2.1 大壩填筑料要求

    壩體填筑料分為礫石土心墻防滲料、高塑性粘土料、反濾料、過渡料、堆石料、壩坡護坡塊石料、壓重料等(見下圖)，以下為大壩填筑料主要技術(shù)要求。

    2.1.1 礫石土心墻防滲料

    填筑土料中水溶巖含量小于3%，有機質(zhì)含量小于2%；在黑馬料場Ⅰ區(qū)土料最大粒徑不大于80mm，在0區(qū)土料最大粒徑不大于60mm；心墻防滲土料的滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s，抗?jié)B透變形的臨界坡降大于2.5，其滲透破壞型式為流土；塑性指數(shù)大于8，小于20；壓實度達到98%（修正普式擊實儀），細料含水率高于最優(yōu)含水率的1%~2%。

    2.1.2 高塑性粘土料

    高塑性粘土料中水溶巖含量小于3%，有機質(zhì)含量小于2%；最大粒徑小于于2mm，顆粒級配滿足設計級配曲線網(wǎng)絡圖；滲透系數(shù)小于1×10^-6cm/s，抗?jié)B透變形的臨界坡降大于8；塑性指數(shù)大于20；壓實度達到98%（普式擊實儀）；含水率高于最優(yōu)含水率的1%~4%。

    2.1.3 反濾料

    反濾料采用人工砂石加工系統(tǒng)加工。石料呈粒狀顆粒，飽和抗壓強度大于50Mpa；B1、B3最大粒徑不大于10mm，小于0.075mm的顆粒含量小于2%； B2、B4最大粒徑不大于100mm，小于1.8mm的顆粒含量小于2%。B5最大粒徑不大于200mm，小于2.5mm的顆粒含量小于2%；B1、B3區(qū)滲透系數(shù)大于5×10^-3cm/s，B2、B4、B5區(qū)滲透系數(shù)大于8×10^-3cm/s，壓實后的相對密度大于0.8。

    2.1.4 過渡料

    過渡料采用石料場開采料，飽和抗壓強度大于50Mpa；最大粒徑不大于300mm，最小粒徑大于0.1mm，小于5mm的顆粒含量不大于15%。壓實后的孔隙率小于23%。

    2.1.5 堆石料

    堆石料采用弱風化~微風化或新鮮的花崗巖開采的石料。用于D1、D2區(qū)堆石料的飽和抗壓強度大于60MPa，軟化系數(shù)大于0.8，用于D3區(qū)堆石料的飽和抗壓強度大于50Mpa；堆石料的最大與最小邊長比不超過4，最大粒徑不大于800mm，小于5mm的顆粒含量不大于15%。壓實后的孔隙率小于23%。

    2.1.6 上下游護坡塊石料

    上游死水位（790m高程）及下游806m高程以上壩坡采用干砌塊石，其它部位壩坡采用大塊石護坡；干砌塊石采用微風化或新鮮的硬質(zhì)塊石，飽和抗壓強度大于60MPa，粒徑為400~600mm，塊石重量大于30kg；大塊石護坡石料的飽和抗壓強度大于60MPa，其粒徑為400~800mm。

    2.1.7 壓重石碴料

    最大粒徑不大于1200mm，小于5mm的顆粒含量不大于25%，小于0.075mm的顆粒含量不大于5%。

    2.2 土石料利用料折算系數(shù)

    根據(jù)瀑布溝水電站工程地質(zhì)特性，建筑物開挖及料場開挖施工方法，結(jié)合以往堆石壩施工經(jīng)驗，確定瀑布溝大壩工程各種填筑料的利用折算系數(shù)如下。

表1 　　　　　　　　　　　　　　　　 土料綜合折算系數(shù)表

 

    2.3 建筑物開挖工期、巖性構(gòu)成及可利用性分析

    由于瀑布溝水電站工程土石方開挖量大，不同巖性的石料可以滿足大壩各回填區(qū)對巖性的要求，為降低工程造價，大壩石方填筑優(yōu)先考慮利用建筑物開挖料直接上壩或轉(zhuǎn)存上壩。

    開挖石料用于大壩下游D1、D2區(qū)填筑，但石方明挖直接上壩料不能用于D2區(qū)694.00m高程以下的堆石料填筑，碴場回采料不能用于D2區(qū)的填筑。

    根據(jù)地質(zhì)資料能用于大壩填筑的有溢洪道、右岸放空洞、地下廠房系統(tǒng)等開挖石方共計398.68萬m³（自然方）,根據(jù)各建筑物開挖施工時段和大壩填筑施工時段，對各單項工程石方開挖可利用量統(tǒng)計和供料平衡分析。

    2.3.1　右岸放空洞工程石方開挖料利用

    右岸放空洞石方明挖總量為40.89萬m³（自然方），石方洞挖總量為15.63萬m³（自然方）。

    石方明挖計劃施工時段2005年7月1日～2006年1月30日，在大壩填筑之前，即40.89萬m³（自然方）明挖料全部運往上游右岸落哈碴場堆存，回采上壩，按折算系數(shù)換算成壩上壓實方量為31.85萬m³（壓實方），按上壩料30.00萬m³（壓實方）調(diào)配。

    石方洞挖計劃施工時段2005年12月1日～2007年4月30日，即在大壩填筑施工期間，根據(jù)大壩填筑施工進度和填筑部位，15.63萬m³（自然方）洞挖料石料全部直接上壩，按折算系數(shù)換算成壩上壓實方量為16.31萬m³（壓實方），按上壩料量13.00萬m³（壓實方）調(diào)配。

    2.3.2　溢洪道石方開挖料利用

    溢洪道石方明挖總量92.25萬m³（自然方）,石方明挖計劃施工時段為2006年4月1日～2007年9月30日，在2006年4月1日大壩已填筑至694m高程以上，根據(jù)地質(zhì)資料要求，溢洪道石方明挖料可直接上壩，用于壩體下游D2區(qū)694m高程以上部位的填筑，按折算系數(shù)換算成壩上壓實方量為110萬m³（壓實方），可按上壩料100.00萬m³（壓實方）調(diào)配。

    2.3.3　地下廠房系統(tǒng)石方開挖料利用

    地下廠房系統(tǒng)石方明挖總量136.92萬m³（自然方），石方洞挖總量112.99萬m³（自然方）。

    石方明挖計劃施工時段為2004年6月1日～2005年7月31日，在大壩填筑施工之前，136.92萬m³（自然方）石方明挖料全部轉(zhuǎn)存于上游左岸三谷莊碴場，按折算系數(shù)換算成壩上壓實方量為106.66m³（壓實方），可按上壩料95.00萬m³（壓實方）調(diào)配。

    石方洞挖計劃施工時段為2004年4月1日～2007年7月31日；2004年4月1日～2005年11月30日大壩填筑施工之前，60.49萬m³（自然方）洞挖料轉(zhuǎn)存于上游左岸三谷莊碴場，按折算系數(shù)換算成壩上壓實方量為47.12萬m³（壓實方）,可按上壩料30.00萬m³（壓實方）調(diào)配。

    2005年12月1日～2007年7月31日，52.50萬m³（自然方）洞挖料石料直接上壩填筑，按折算系數(shù)換算成壩上壓實方量為64.73萬m³（壓實方），可按上壩料57.00萬m³（壓實方）調(diào)配。

    2.3.4　開挖石料利用統(tǒng)計表

表3 建筑物開挖石料利用統(tǒng)計表

 

    2.4　建筑物開挖方式規(guī)劃

    本工程挖填工程量巨大，充分利用開挖料直接或中轉(zhuǎn)上壩，技術(shù)經(jīng)濟意義重大。因此在制定建筑物開挖（主要指明挖）方案時，應兼顧開挖料的利用。

    （1）開挖前應在設計單位提供的工程地質(zhì)勘測資料的基礎(chǔ)上，盡可能地進行補充和復勘工作，以充分取得各種建筑物巖層、巖性詳細資料。

    （2） 建筑物覆蓋層厚度大于2 m時，應單獨開挖；若覆蓋層厚度小于2 m，建議與其下伏巖層一并開挖。

    （3） 建筑物表層開挖應形成較規(guī)則的梯段，以利于有用層的大規(guī)模開挖。

    （4） 巖層鉆爆時，應避免順層方向爆破（最好選擇垂直于巖層），以獲得級配良好、質(zhì)量穩(wěn)定的爆破石碴料。爆破建議采用大孔距、小抵抗線、孔間微差順序爆破方式，并通過調(diào)整孔排距參數(shù)、炸藥單耗來控制爆破石碴粒徑及級配。

    3、料場規(guī)劃

    3.1 料場規(guī)劃原則

    （1）心墻礫石土料優(yōu)先采用黑馬Ⅰ區(qū)、黑馬0區(qū)礫石土料。

    （2）高塑性粘土料從位于距壩址上游約25km的管家山高塑性粘土料場挖取。

    （3）大壩上游堆石料、過渡料及上游護坡塊石采用加里俄呷石料場的開采料。

    （4）大壩下游過渡料和護坡塊石采用卡爾溝石料場的開采料，下游堆石料采用卡爾溝石料場的開采料、上游左岸三谷莊碴場和右岸落哈碴場的回采料及溢洪道、右岸放空洞、地下廠房發(fā)電系統(tǒng)開挖直接上壩料。

    （5）大壩所需反濾料、壩頂路面碎石墊層料全部采用卡爾溝人工砂石系統(tǒng)加工的人工骨料。

    （6）土石料場開采料的品種、數(shù)量及質(zhì)量必須滿足壩體各期填筑需要。

    3.2土料場規(guī)劃

    （1）高塑性粘土料場：大壩高塑性粘土料從位于距壩址上游約25km的管家山高塑性粘土料場開挖，直接上壩。

    高塑性粘土料填筑總量為24.8萬m³（壓實方）, 上游圍堰截流閉氣用粘土料用量1.75萬m³（壓實方），上下游圍堰子堰粘土用量為0.043萬m³（壓實方）、碾壓試驗粘土料用量為0.062萬m³（壓實方）,折算成需在管家山高塑性粘土料場挖取31.36萬m³（自然方）,根據(jù)地質(zhì)資料管家山高塑性粘土料場有效儲量45.7萬m³（自然方），有效儲量為需要量的1.46倍，能滿足大壩高塑性粘土料填筑總量。

    （2）心墻礫石土料場：心墻礫石土料優(yōu)先采用黑馬Ⅰ區(qū)、黑馬0區(qū)礫石土料。

    大壩心墻礫石土料填筑總量為298.66萬m³（壓實方）、碾壓試驗礫石土料用量為0.062萬m³（壓實方），折算成需在黑馬料場挖取385.45萬m³（自然方）；根據(jù)地質(zhì)資料黑馬Ⅰ區(qū)礫石土料有效儲量270萬m³（自然方），黑馬0區(qū)礫石土料有效儲量183.8萬m³（自然方），黑馬Ⅰ區(qū)和黑馬0區(qū)礫石土料共計有效儲量453.80萬m³（自然方），有效儲量為需要量的1.18倍，黑馬Ⅰ區(qū)和黑馬0區(qū)礫石土料能滿足心墻礫石土料填筑總量要求。

    3.3 石料場規(guī)劃

    （1）加里俄呷石料場

    大壩上游堆石料、過渡料、上游護坡塊石，上游圍堰截流的中大石料以及上游圍堰與壩體結(jié)合的部位填筑料，采用加里俄呷石料場的開采料。大壩開采料直接上壩，不設中轉(zhuǎn)料場。從加里俄呷石料場開采的上游圍堰截流的中大石料堆在左堰頭平臺上。

    大壩上游主堆石料填筑量為704.15萬m³（壓實方）、過渡料填筑量為171.46萬m³（壓實方）、上游護坡塊石量共計16.16萬m³（干砌方）、上游圍堰填筑石料81.59萬m³（壓實方），共計973.36萬m³（壓實方）,根據(jù)綜合折算系數(shù)換算成在加里俄呷石料場開采的自然方量為892.31萬m³（自然方）。加里俄呷石料場儲量1600萬m³（自然方），為需要量的1.79倍，滿足大壩上游塊石料量填筑要求。

    （2）卡爾溝石料場

    大壩下游過渡料采用卡爾溝石料場的開采料；下游堆石料采用卡爾溝石料場的開采料、上游左岸三谷莊碴場和右岸落哈碴場的回采料及溢洪道、右岸放空洞、地下廠房發(fā)電系統(tǒng)開挖料直接上壩料；大壩所需反濾料全部采用人工砂石系統(tǒng)加工的人工骨料；大壩下游坡腳壓重料和下游圍堰堰體填筑料采用卡爾溝石料場的開采的石方棄料；碾壓試驗的過渡料及堆石料采用卡爾溝石料場的開采料。

    從卡爾溝石料場的開采的堆石料、過渡料、下游護坡塊石料開挖直接上壩；反濾料、壩頂路面碎石墊層由卡爾溝人工砂石系統(tǒng)加工后直接上壩；溢洪道、右岸放空洞、地下廠房發(fā)電系統(tǒng)開挖料根據(jù)大壩填筑施工進度和部位，直接上壩料和運至上游左岸三谷莊碴場和右岸落哈碴場回采料上壩，大壩下游坡腳壓重料和下游圍堰堰體填筑料從卡爾溝碴場回采上壩。

    大壩下游堆石料填筑量為856.36萬m³（壓實方）、過渡料填筑量為176.51萬m³（壓實方）、下游護坡塊石量為10.34萬m³（干砌方）、大壩全部反濾料量為155.55萬m³（壓實方）、壩頂路面碎石墊層0.38萬m³（壓實方）、大壩下游壓重土石碴10.26萬m³（壓實方）；碾壓試驗堆石料用量0.27萬m³（壓實方）、過渡料用量為0.16萬m³（壓實方）、反濾料用量為0.16萬m³（壓實方）；下游圍堰堰體填筑料土石料用量7.86萬m³（壓實方）。

    大壩工程利用溢洪道、右岸放空洞、地下廠房發(fā)電系統(tǒng)開挖料進行壩體下游填筑量為300萬m³（壓實方）；大壩下游壓重土石碴利用卡爾溝石料場開采棄料10.26萬m³（壓實方），下游圍堰堰體填筑利用卡爾溝石料場開采棄料用量7.86萬m³（壓實方），根據(jù)各種上壩石料折算系數(shù)換算，需另外在卡爾溝石料場開采石料量共計826.43萬m³（自然方）；卡爾溝石料場石料場儲量1200萬m³（自然方），為需要量的1.45倍，滿足大壩下游塊石料量填筑要求。

    4、存、棄碴場規(guī)劃

    瀑布溝工程堆存碴場有大壩上游左岸三谷莊碴場和上游右岸落哈碴場，棄料堆存在碴場在上游側(cè)，有用料堆存在碴場下游側(cè)以減少將來回采運距。

    三谷莊碴場堆存上下游圍堰左岸土石方開挖料、地下廠房系統(tǒng)石方開挖上壩轉(zhuǎn)存料、加里俄呷料場剝離層料及石方開挖棄料、深啟低料場剝離層料等。

    落哈碴場堆存壩基及右壩肩土石方開挖料、上下游圍堰右岸土石方開挖料、右灌漿洞石方洞挖料、右岸放空洞石方明挖料等。

    4.1 三谷莊碴場

    （1）上、下游圍堰左岸土石方開挖料

    上游圍堰左岸土石方開挖量為24萬m³（自然方），其中3.62萬m³（自然方）土石方用于上游圍堰左岸戧堤及防滲墻工作平臺填筑，其余20.38萬m³（自然方）運至上游左岸三谷莊碴場。

    下游圍堰石方開挖總量為1.5萬m³（自然方），全部開挖料作為下游圍堰戧堤填筑料。

    （2）地下廠房系統(tǒng)土石方開挖料

    石方明挖計劃施工時段為2004年6月1日～2005年7月31日，在大壩填筑施工之前，136.92萬m³（自然方）石方明挖料全部轉(zhuǎn)存于上游左岸三谷莊碴場，回采上壩。

    石方洞挖計劃施工時段為2004年4月1日～2007年7月31日；2004年4月1日～2005年11月31日大壩填筑施工之前，60.08萬m³（自然方）洞挖料轉(zhuǎn)存于上游左岸三谷莊碴場，回采上壩；2005年12月1日～2007年7月31日石方洞挖料直接上壩。

    （3）加里俄呷料場開挖棄料

    加里俄呷料場剝離層料50.00萬m³（自然方）和石方開挖棄料60萬m³（自然方），共計110.00萬m³（自然方）全部棄運至上游左岸三谷莊碴場。

    （4）三谷莊碴場總計堆放料327.4萬m³（自然方），其中堆放回采上壩料共計197.00萬m³（自然方），棄碴共計130.4萬m³（自然方）。

    4.2 落哈碴場

    （1）右壩肩土石方開挖料

    右壩肩土石方開挖總量為40.72萬m³（自然方），其中土石方5.13萬m³（自然方）用于上游圍堰戧堤及截流填筑，其余35.59萬m³（自然方）運至上游落哈碴場。

    （2）壩基土石方開挖料

    壩基土石方開挖總量為51.66萬m³（自然方），其中4.36萬m³土石方（自然方）用于上游圍堰填筑、0.19萬m³土石方（自然方）用于下游圍堰填筑，其余47.11萬m³（自然方）運至上游落哈碴場。

    （3）灌漿洞石方洞挖料

    灌漿洞石方洞挖總量為2.61萬m³（自然方），灌漿洞石方洞挖施工時，大壩還沒有開始填筑，全部洞挖料運往上游右岸落哈碴場堆存，大壩填筑時，回采上壩。

    （4）右岸洞放空洞開挖料

    右岸洞放空洞石方明挖計劃施工時段2005年7月1日～2006年1月30日，在大壩填筑之前，即40.89萬m³（自然方）明挖料全部運往上游右岸落哈碴場堆存。

    （5）加上卡爾溝剝離料落哈碴場總計堆放料251萬m³（自然方），其中堆存回采上壩料共計 43.50萬m³（自然方）、棄碴共計約207.5萬m³（自然方）。

    4.3 卡爾溝料場開挖棄料

    卡爾溝場剝離層料共計74.00萬m³（自然方）和石方開挖棄料88.5萬m³（自然方），共計162.5萬m³（自然方），其中用于下游圍堰土石方填筑7.86萬m³（自然方），用于大壩下游壓重區(qū)土石方填筑10.26萬m³（自然方），其余144.38萬m³（自然方）除用于混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)回填約20萬m³外，剩下部分全部運至落哈碴場。

    4.4 碴場堆放土石碴量統(tǒng)計表

    三谷莊碴場和落哈碴場堆放土石碴量統(tǒng)計見表16-10。

    表16-10 三谷莊碴場和落哈碴場堆放土石碴量統(tǒng)計表（自然方：萬m³）

        大壩工程土石方開挖及填筑調(diào)配見下表。

    瀑布溝水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高達186m，填筑方量為2424萬m³,規(guī)劃填筑工期不足3年。從強度分析情況來看，高峰填筑時段月平均填筑強度達到94.89萬m³，而2006年全年平均月填筑強度高達88萬m³，這在目前非常罕見，由此可見瀑布溝水電站大壩填筑具有填筑方量大、填筑工期短、連續(xù)填筑強度高的特點。從規(guī)劃來看，上下游堆石料物開采條件（干擾與工作面布置）不同程度存在較為突出的問題，另外，壩體填筑方面存在上壩道路和上壩口數(shù)量較少、心墻和壩殼堆石料相互制約等方面不利因素影響。

    壩體填筑優(yōu)化調(diào)配方案的確定受到壩體填筑進度的制約，而壩體填筑進度又和施工道路、運輸路線的選擇、施工機械配套方式和數(shù)量、料場和碴場的配置和利用、防洪等密切相關(guān)。在實際施工過程中，各種制約因素是不斷變化的。因此，實際施工過程中的壩體填筑優(yōu)化調(diào)配方案是受到變化時間和空間關(guān)系制約的動態(tài)問題。為解決這個動態(tài)問題，我們提出了建筑物開挖料優(yōu)化調(diào)配計算機模型。在對瀑布溝工程施工期各個組成部分（如料場、碴場、各個建筑物、大壩填筑、施工機械、道路）之間的相互關(guān)系進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，確定約束條件，將動態(tài)的問題轉(zhuǎn)換為實際施工中某一時刻、確定條件下相對靜態(tài)的問題加以解決。

    通常，在施工規(guī)劃管理過程中，為了保證施工技術(shù)、施工進度實施的可行性和經(jīng)濟優(yōu)化必須對建筑物開挖施工、料場開采、大壩填筑施工充分加以協(xié)調(diào)。然而，由于各個建筑物施工、料場開采均不同程度上受氣候條件、水文條件、工作面及施工工藝等限制和影響，其施工進度和強度方面必然存在差異和矛盾，為了緩和建筑物開挖、料場開采和大壩填筑之間的矛盾以及建筑物施工工藝或質(zhì)量要求，需要設置一定的轉(zhuǎn)運料場和土石方加工系統(tǒng)，因此，大壩填筑過程不僅與建筑物開挖施工有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)運堆場、施工道路布置、上壩通道、機械運行情況等多個施工內(nèi)部環(huán)節(jié)緊密相關(guān)。

    針對瀑布溝工程，要保證瀑布溝大壩填筑的經(jīng)濟、快速完成，有必要在實際施工期間協(xié)調(diào)開挖、運輸、壩面填筑各個環(huán)節(jié)之間的關(guān)系；有必要對土石方實行動態(tài)優(yōu)化調(diào)度，以減少因調(diào)配不利而造成經(jīng)濟和進度兩個方面的損失；有必要根據(jù)現(xiàn)場施工情況，快速及時分析各種分案，以獲得最為可行經(jīng)濟的方案，為指導控制、規(guī)劃實際施工提供輔助決策。