抽水蓄能電站庫內(nèi)開挖料“挖填平衡”初步探討

孫世輝

（中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京市 100048）

抽水蓄能電站庫內(nèi)開挖料“挖填平衡”初步探討

孫世輝

（中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京市 100048）

抽水蓄能電站庫內(nèi)開挖料利用與否是電站經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文在調(diào)查多個(gè)抽水蓄能電站庫內(nèi)開挖料施工設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對上水庫庫內(nèi)開挖料“挖填平衡”理論進(jìn)行了初步探討，并探索提出了“挖填平衡系數(shù)”概念。針對不同開挖料與填筑料對比分析，提出9種挖填平衡類型，并制定了相應(yīng)的針對性措施。以某抽水蓄能電站為例，在挖填平衡系數(shù)大于1，有用層儲(chǔ)量為0時(shí)，建議優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。將開挖料中相對質(zhì)量較好的氣孔狀玄武巖用于次堆石區(qū)的填筑料，同時(shí)選擇庫外流紋巖料場作為主堆石料場，將無用層堆砌于壩體下游作為壩后壓坡體等設(shè)計(jì)措施，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

挖填平衡；開挖料；抽水蓄能電站

0 引言

天然建筑材料勘察是水電水利工程前期勘測設(shè)計(jì)中非常重要的一項(xiàng)工作，但往往因得不到足夠重視，而在施工過程中出現(xiàn)料源問題。早在20世紀(jì)50年代，就有專家在思考總結(jié)水電站天然建筑材料勘察中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)指出建筑材料產(chǎn)地的選擇應(yīng)當(dāng)是由近而遠(yuǎn)[1]。還有的專家著重探討了如何結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行料源的質(zhì)量評價(jià)，并研究了料源儲(chǔ)量計(jì)算方法等[2]。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者就天然建筑材料勘察過程中遇到的問題和新的技術(shù)方法進(jìn)行了研究[3-7]。這些研究成功地為水電工程天然建筑材料勘察奠定了重要基礎(chǔ)。

抽水蓄能電站天然建筑材料的勘察與常規(guī)水電項(xiàng)目勘察重點(diǎn)有所不同，尤其是在上水庫庫區(qū)內(nèi)，根據(jù)水庫庫容的要求，庫區(qū)內(nèi)開挖量已經(jīng)確定的前提下，應(yīng)重點(diǎn)研究開挖料工程地質(zhì)特征，分析其作為筑壩材料的可行性，從而達(dá)到挖填平衡，降低工程造價(jià)。有些工程技術(shù)人員研究了文登抽水蓄能電站全、強(qiáng)風(fēng)化料可利用性研究及上水庫庫區(qū)開挖與壩體填筑方案設(shè)計(jì)[8]，有些同行[9]研究了溧陽抽水蓄能電站土石方平衡規(guī)劃，還有的同行研究了沙河抽水河蓄能電站上水庫庫盆開挖設(shè)計(jì)[10]。

基于上述工程實(shí)踐，本文對抽水蓄能電站庫內(nèi)開挖料“挖填平衡”概念進(jìn)行了初步探討，嘗試提出“挖填平衡系數(shù)”的概念，并針對不同開挖料與填筑料對比類型，提出相應(yīng)的針對性措施。

1 挖填平衡概念初步探討

抽水蓄能電站上水庫庫內(nèi)開挖料挖填平衡是以提高開挖料有效利用為目的，通過有針對性的工程地質(zhì)勘察工作，充分研究開挖料工程地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，結(jié)合工程布置要求，盡可能將其用于壩體填筑等工程部位，減少棄渣，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。挖填平衡在施工階段為一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，根據(jù)開挖揭露情況，及時(shí)調(diào)整開挖方案，充分利用開挖料源。

挖填平衡系數(shù)是開挖料儲(chǔ)量與填筑料需求量的比值，即為：

式中：K──挖填平衡系數(shù)；

W挖── 上水庫庫內(nèi)開挖料儲(chǔ)量，m3，包括有用層儲(chǔ)量W有和無用層儲(chǔ)量W無；

W填── 用于工程填筑料需求量，m3，包括筑壩W筑壩、修建道路W道路、建筑物W建筑等填筑量，一般指筑壩填筑量。

挖填平衡系數(shù)K>1時(shí)，表明庫區(qū)開挖料儲(chǔ)量多于填筑料需求量；挖填平衡系數(shù)K=1時(shí)，表明庫區(qū)開挖料儲(chǔ)量等于填筑料需求量；挖填平衡系數(shù)K＜1時(shí)，表明庫區(qū)開挖料儲(chǔ)量少于填筑料需求量。挖填平衡概念進(jìn)一步分析見表1。

從表1可知，經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)優(yōu)劣主要取決于庫區(qū)開挖料中有用層的儲(chǔ)量，一般情況下，有用層儲(chǔ)量較多時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)較好。目前，抽水蓄能電站上水庫庫內(nèi)天然建筑材料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)評價(jià)主要依據(jù)《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（DL/T 5388）執(zhí)行。

下面，以某抽水蓄能電站上水庫庫內(nèi)開挖料勘察為例，進(jìn)一步闡述挖填平衡概念在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

2 某抽水蓄能電站上水庫庫內(nèi)開挖料挖填平衡案例分析

2.1 工程概況及基本地形地質(zhì)條件

某抽水蓄能電站上水庫位于山體頂部玄武巖臺(tái)地上，地形平緩（見圖1）。上水庫為庫內(nèi)開挖、環(huán)庫筑壩形成，擬布置瀝青混凝土面板堆石壩，最大壩高73m，壩體填筑需求量為408.2m3。

庫區(qū)出露的基巖巖性主要為氣孔狀玄武巖、凝灰質(zhì)角礫巖，屬中新世昭烏達(dá)組。該組以基性玄武巖為主，巖石產(chǎn)狀近于水平，厚度約435m，由西向東、由北向南厚度有逐漸變薄的趨勢。每一韻律下部均為沉積巖，上部均為基性熔巖，火山巖全為溢流相。在前期勘察階段，對庫區(qū)開挖料作為筑壩料的可行性進(jìn)行了研究。

2.2 原巖試驗(yàn)成果及質(zhì)量評價(jià)

上水庫庫內(nèi)開挖料巖性為氣孔狀玄武巖和凝灰質(zhì)角礫巖，二者呈互層結(jié)構(gòu)，對巖樣進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表2和表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，氣孔狀玄武巖的飽和抗壓強(qiáng)度平均值為28.8MPa，干密度平均值為2.15g/cm3；凝灰質(zhì)角礫巖的飽和抗壓強(qiáng)度平均值為1.6MPa，干密度平均值為1.34g/cm3。依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)范，上水庫庫區(qū)內(nèi)巖石的飽和抗壓強(qiáng)度和干密度均不滿足壩體對堆石料的質(zhì)量指標(biāo)要求，即庫內(nèi)開挖料均不滿足筑壩料質(zhì)量指標(biāo)要求（見表4）。

2.3 原巖可利用性分析

研究區(qū)庫內(nèi)開挖料儲(chǔ)量為473.2m3，壩體填筑需求量為408.2m3。挖填平衡系數(shù)K=473.2/408.2=1.2>1，且W有=0，屬挖填平衡概念中第Ⅲ種類型，即庫區(qū)開挖料儲(chǔ)量多于填筑料需求量，且開挖料中沒有有用層，全部為無用層。為了提高電站經(jīng)濟(jì)效益，將無用層中質(zhì)量相對較好的氣孔狀玄武巖作為次堆石區(qū)的填筑料進(jìn)行了研究，按照氣孔狀玄武巖夾雜部分凝灰質(zhì)角礫巖混合料（混合比例7∶3）采取試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在壓實(shí)度0.98條件下，混合料強(qiáng)度指標(biāo)φ為34.0°～35.3°，鄧肯模型參數(shù)K為728.4～989.6，在垂直應(yīng)力50～3200kPa范圍內(nèi)壓縮模量ES為67.7～116.3MPa。在氣孔狀玄武巖夾雜部分凝灰質(zhì)角礫巖混合料（混合比例7∶3）條件下，其試驗(yàn)指標(biāo)基本滿足次堆石區(qū)的填筑料要求。

2.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

某抽水蓄能電站上水庫屬挖填平衡概念中第Ⅲ種類型，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及筑壩材料試驗(yàn)研究成果，擬采用庫區(qū)氣孔狀玄武巖夾雜部分凝灰質(zhì)角礫巖混合料（混合比例7∶3）作為次堆石區(qū)填筑料，同時(shí)選擇庫外流紋巖料場作為主堆石區(qū)料源，并采取了將無用層堆砌于壩體下游作為壩后壓坡體等設(shè)計(jì)優(yōu)化措施（見圖2）。這些措施充分利用了工程開挖料，減少工程棄渣量，提高了電站經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論與建議

（1）抽水蓄能電站庫內(nèi)開挖料挖填平衡是以提高開挖料有效利用為目的，通過有針對性的工程地質(zhì)勘察工作，充分研究開挖料工程地質(zhì)性質(zhì)基礎(chǔ)上，結(jié)合工程布置要求，盡可能將其用于壩體填筑等工程部位，減少棄渣，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）挖填平衡是影響抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)效益的重要因素之一，其經(jīng)濟(jì)性主要取決于庫區(qū)開挖料中有用層的儲(chǔ)量。將挖填平衡系數(shù)探討劃分為9種類型，依據(jù)不同類型，采取設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（3）某蓄能電站上水庫屬挖填平衡概念中第Ⅲ種類型，在研究了混合料作為次堆石區(qū)填筑料的基礎(chǔ)上，同時(shí)選擇庫外流紋巖料場作為主堆石料場，并采取了將無用層堆砌于壩體下游作為壩后壓坡體等設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，盡可能做到挖填平衡。

（4）挖填平衡是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，本文以某抽水蓄能電站為例，對上水庫挖填平衡從料源儲(chǔ)量、質(zhì)量及工程措施等方面進(jìn)行了初步探討，提出了挖填平衡系數(shù)概念，對上水庫開挖填筑的經(jīng)濟(jì)性有一定參考價(jià)值。隨著越來越多蓄能電站的建設(shè)，挖填平衡理念將會(huì)得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。

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2017-07-18

2017-08-29

孫世輝（1968─），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：水利水電、新能源、水資源與環(huán)境工程的勘測、設(shè)計(jì)與管理。E-mail：sunsh@powerchina．cn

Preliminary Discussion on “Excavation-fills Balance” in Excavation Materials of Pumped Storage Power Station

SUN Shihui
（Power Construction Corporation of China，Beijing 100048，China）

It is an important index that whether using the excavation materials in the reservoir of the pumped storage power station to evaluate the economic benefit of the power station. Based on the summary of the construction design of the excavation materials in the reservoirs of everal pumped storage power stations， this paper systematically discusses the theory of “excavation-fills balance”in the reservoirs of the upper reservoir， and puts forward the concept of“ excavation-fills balance ”coefficient. The comparison of excavation materials and filling materials， and puts forward nine kinds of “ excavation-fills balance ” types， and formulates corresponding countermeasures. Taking a pumped storage power station as an example， when the coefficient is greater than 1 and the useful layers is 0， it is suggested to optimize the design scheme。The relatively good stomatal basalts in the excavation material are used for the filling material of the secondary rockfill zone. At the same time， the rhyolite field outside reservoir area is selected as the main rockfill zone， and the uselessness layers are piled up downstream of the dam slope and other design measures to improve the economic efficiency.

excavation-fills balance；excavation materials；pumped storage power station

TV743

A學(xué)科代碼：570．35

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．023