大中型水電工程開挖渣料堆實系數研究

秦光輝，王會杰，李 翔，曹駕云，張偉鋒

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072；2. 四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065； 3. 四川大學水利水電學院，成都 610065)

目前大中型水電工程多位于深山峽谷地區，地形地質條件差、場地匱乏、社會環境復雜、征地移民困難、環保水保要求嚴格[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]，即堆實系數進行深入研究，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施或移民造地，優化施工總布置。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的經驗數值。該方法造成規劃的渣場容量偏大，常常不能把渣場填到原規劃面貌，嚴重影響渣頂的利用；同時造成渣場征地浪費和渣場防護設施投資浪費。

本文通過試驗、現場測量調查、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種渣料的堆實系數進行研究，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，為大中型水電工程渣場規劃、施工總布置規劃提供參考數據，為水電工程施工組織設計規范相關內容修編提供技術支持。

1 現場試驗

渣料的堆實系數的影響因素很多，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。同一開挖時段內各種渣料在渣場內混合堆存，渣場內各種渣料一般分布不均勻。渣場內堆渣一般采用自下而上堆存，5 m左右一個臺階，采用自卸汽車運輸卸料，推土機整平的堆渣工藝。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進行取樣，選取不同粒徑、不同土石混合比例的渣料進行試驗。受取料方法限制，只能在渣場表層隨機選取經簡單碾壓后的土料、石渣料、土石混合料及砂礫石料進行試驗，并采用沉降系數對堆實系數進行修正。

1.1 渣場現場試驗

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行試驗。試驗通過控制式樣的最大粒徑及粒徑<5 mm的質量百分含量粗略控制級配影響。根據渣場的實際情況，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，室內試驗時所用樣本的級配可根據各渣料現場檢測試驗提供的物理性試驗成果，依據《土工試驗規程》采用等量替代法法進行縮制。

1.2 試驗結果及分析

1.2.1 土料堆實系數

土料采取現場實際堆存，分別測試松鋪和過車碾壓兩種狀況下的堆實系數。松鋪土料為自卸汽車卸土鋪填后，不經過碾壓；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為土料的堆實系數隨小于5 mm粒徑土料的百分含量(用a表示，下同)的變化關系。對于沒有碾壓的松鋪土料，堆實系數大于1.35且隨a的增大而增大；這主要是因為原土經過自然沉降較密實，開挖堆積后未經過碾壓，孔隙率大堆實系數較大。經過26 t自卸車碾壓后，a<75%時，隨a的增大對實系數由1.05增大到1.14；當a>75%時，堆實系數較穩定，約1.15。

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

1.2.2 石渣料堆實系數

在渣場內選取巖性為砂巖、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，石渣料均經自卸汽車過車碾壓。

試驗過程中發現，堆實系數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。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、級配對堆實系數有一定影響。

圖2為石渣料堆實系數隨粒徑和a的變化規律。隨a的增大堆實系數先減小后增大，最后趨于穩定；隨石渣料粒徑增大，堆實系數相應減小。對于Dmax=150 mm的石渣料，當a<13%時，細顆粒石渣較少，隨a的增大細顆粒石渣料填充更多的空隙，孔隙率減小，堆實系數減??；13%18%后，經過簡單碾壓后，堆實系數基本穩定。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Fig.2 Stockpiling coefficient of excavated rock material

1.2.3 土石混合料堆實系數

在渣場內不同土石混合比例的堆渣區域取樣試驗。同時為模擬不同土石比例情況下的堆實系數，根據現場試驗成果，在試驗室內，按a含量篩分配成不同比例的土石混合料進行試驗。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隨小于5 mm粒徑土料的百分含量的變化趨勢。相同碾壓強度下，該堆實系數隨a增加先減小后增大。當a<20%時堆實系數隨a的增大而減小，當20%55%時堆實系數隨a增大而增大。當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顆粒料填充，故堆實系數逐漸減??；當20%55%混合料以土料為主，隨著土料增加，混合料變得松散，堆實系數增大。

把現場取樣試驗所測的混合料的堆實系數，插入到圖中，如圖3所示，現場測得的堆積系數與試驗數據基本規律一致。

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

1.2.4 砂礫石料堆實系數

砂礫石渣料的堆實系數隨粒徑小于5 mm的百分含量a的變化趨勢如圖4所示。相同碾壓強度下，該堆實系數隨a波動，但波動幅度較小。當a<30%時堆實系數基本不變化，在1.06上下波動，當a>30%堆實系數基本為1.05。對于砂礫石料，影響其堆實系數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，故堆實系數取值范圍變化較小。當a<30%與a>30%相比，砂礫石料粒徑稍微較粗，堆實系數相對較大。

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

1.2.5 渣料堆實系數

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

表2 對比表Tab.2 Comparison table different coefficient

2 堆實系數驗證

通過工程渣場實例與試驗結果相對比，來驗證試驗測得的堆實系數的可靠性。統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。

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規劃為按渣料松方系數計算的渣場規劃體積方量。

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%，規劃誤差=(V實測-V規劃)/V實測×100%。

由于本試驗所得的堆實系數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，到堆渣結束后，渣場下部基本完成固結沉降，僅表層還未完成。錦屏印把子溝渣場堆渣平均高約150 m，根據其沉降觀測資料知其后期最大沉降量約0.3 m，經采用分層總和法估算前期沉降量，約1.5～3 m，故其沉降修正系數可取1%～2%，不同堆渣高度的渣場沉降系數按高度比例進行折算，對自上而下堆存渣場取上限。

對比結果表明試驗值相對誤差均在5%以內，按松方系數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，直接應用沒有碾壓的松方系數是不合理的，誤差較大，只有應用對應工況條件下的堆實系數，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，符合工程實際，且穩定可靠，該堆實系數可用于大中型水電工程渣場規劃設計。

采用堆實系數計算渣場容量，比采用松方系數計算的渣場容量小20%～30%，根據各工程渣場統計分析，節約渣場占地面積平均約20%。每個工程平均減少征地約20 hm2，經濟和社會效益極其顯著。

3 結 語

通過采用現場取樣試驗和室內試驗，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的堆實系數，研究成果表明：針對渣場堆存料試驗所得的渣料堆實系數，符合渣場的堆填實際情況，比《水電建筑工程概算定額》[5]上的松方系數更可靠適用，可用于渣場規劃設計，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調設計[J]. 水力發電,2004,30(6):20-22.

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

[4] 水利電力部水利水電建設總局. 水利水電工程施工組織設計手冊[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.