大中型水电工程开挖渣料堆实系数研究

秦光辉，王会杰，李 翔，曹驾云，张伟锋

(1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065； 3. 四川大学水利水电学院，成都 610065)

目前大中型水电工程多位于深山峡谷地区，地形地质条件差、场地匮乏、社会环境复杂、征地移民困难、环保水保要求严格[1]。水电工程中渣场占地面积约占全工程总占地面积的30%～40%[2]。若能对水电工程渣料开挖前的体积与堆存后的体积之比[3]，即堆实系数进行深入研究，合理确定渣场容量，便可减少渣场占地面积，并充分利用渣顶面积布置施工设施或移民造地，优化施工总布置。目前水电工程渣场容量计算时，由于缺少资料，一般采用《水利水电工程施工组织设计手册》[4]或《水电建筑工程概算定额》[5]中土石方渣料松方系数的经验数值。该方法造成规划的渣场容量偏大，常常不能把渣场填到原规划面貌，严重影响渣顶的利用；同时造成渣场征地浪费和渣场防护设施投资浪费。

本文通过试验、现场测量调查、计算分析等方法，对水电工程开挖的土、石渣、土石混合、砂砾石4种渣料的堆实系数进行研究，即综合考虑渣料的堆存方法、沉降等因素后的实际堆实系数，为大中型水电工程渣场规划、施工总布置规划提供参考数据，为水电工程施工组织设计规范相关内容修编提供技术支持。

1 现场试验

渣料的堆实系数的影响因素很多，如渣料的岩性、颗粒大小、级配、堆存方法等。大中型水电工程渣料主要来源于坝肩及隧洞进出口土石明挖渣料、河床基坑明挖渣料、地下洞室洞挖渣料、料场剥离渣料等，主要为石渣料、河床砂砾石料、覆盖层土料，一般粒径在100 cm以内。同一开挖时段内各种渣料在渣场内混合堆存，渣场内各种渣料一般分布不均匀。渣场内堆渣一般采用自下而上堆存，5 m左右一个台阶，采用自卸汽车运输卸料，推土机整平的堆渣工艺。部分渣场地形陡峻，采用自上而下堆存工艺。

本试验在堆存不同岩性的渣场内进行取样，选取不同粒径、不同土石混合比例的渣料进行试验。受取料方法限制，只能在渣场表层随机选取经简单碾压后的土料、石渣料、土石混合料及砂砾石料进行试验，并采用沉降系数对堆实系数进行修正。

1.1 渣场现场试验

1.1.1 渣场取样

本试验分别在两河口水电站左下沟渣场、锦屏水电站印把子沟渣场、官地水电站2号渣场、JC水电站1号渣场等多个水电工程渣场的马道及渣顶平台取样进行试验。试验通过控制式样的最大粒径及粒径<5 mm的质量百分含量粗略控制级配影响。根据渣场的实际情况，土料控制最大粒径约100 mm，石渣料控制最大粒径150、300、800 mm，土石混合料室内试验控制最大粒径约60 mm，砂砾石料控制最大粒径约200 mm，具体试验组数如表1所示。

表1 试验取样分布Tab.1 The table of sampling distribution

1.1.2 试验方法

堆实系数K的计算公式如下：

(1)

式中：V堆实为堆实体积；V原为对于岩石类渣料为岩体体积，对于土类渣料为原土未松动时体积；ρ堆实为堆实干密度；ρ原为对于岩石类渣料为岩体干密度，对于土类渣料为原土未松动时干密度。

由于渣料粒径较大，室内试验时所用样本的级配可根据各渣料现场检测试验提供的物理性试验成果，依据《土工试验规程》采用等量替代法法进行缩制。

1.2 试验结果及分析

1.2.1 土料堆实系数

土料采取现场实际堆存，分别测试松铺和过车碾压两种状况下的堆实系数。松铺土料为自卸汽车卸土铺填后，不经过碾压；过车碾压为26 t自卸汽车卸土并过车碾压土料4～6遍，模拟渣场实际堆渣情况。

图1为土料的堆实系数随小于5 mm粒径土料的百分含量(用a表示，下同)的变化关系。对于没有碾压的松铺土料，堆实系数大于1.35且随a的增大而增大；这主要是因为原土经过自然沉降较密实，开挖堆积后未经过碾压，孔隙率大堆实系数较大。经过26 t自卸车碾压后，a<75%时，随a的增大对实系数由1.05增大到1.14；当a>75%时，堆实系数较稳定，约1.15。

图1 土料的堆实系数Fig. 1 Stockpiling coefficient of soil

1.2.2 石渣料堆实系数

在渣场内选取岩性为砂岩、板岩、大理岩、玄武岩、花岗岩的石渣料，最大粒径按150、300、800 mm分组，石渣料均经自卸汽车过车碾压。

试验过程中发现，堆实系数只跟开挖前岩体体积和堆存后体积之比(即前后密度比)有关。不同岩性的岩石虽然密度不同，但对前后密度比影响不大。仅岩体开挖后的粒径、粒型、级配对堆实系数有一定影响。

图2为石渣料堆实系数随粒径和a的变化规律。随a的增大堆实系数先减小后增大，最后趋于稳定；随石渣料粒径增大，堆实系数相应减小。对于Dmax=150 mm的石渣料，当a<13%时，细颗粒石渣较少，随a的增大细颗粒石渣料填充更多的空隙，孔隙率减小，堆实系数减小；13%18%后，经过简单碾压后，堆实系数基本稳定。对于Dmax=300 mm的石渣料、Dmax=800 mm的石渣料同理。

图2 石渣料堆实系数Fig.2 Stockpiling coefficient of excavated rock material

1.2.3 土石混合料堆实系数

在渣场内不同土石混合比例的堆渣区域取样试验。同时为模拟不同土石比例情况下的堆实系数，根据现场试验成果，在试验室内，按a含量筛分配成不同比例的土石混合料进行试验。测量0.1～0.2 MPa加压后的混合料密度。试验最大颗粒粒径为60 mm，超径部分采用等量替代法处理。

图3主要反映了土石混合料堆实系数随小于5 mm粒径土料的百分含量的变化趋势。相同碾压强度下，该堆实系数随a增加先减小后增大。当a<20%时堆实系数随a的增大而减小，当20%55%时堆实系数随a增大而增大。当a<20%，混合料以石渣为主，随着a的增大，混合料中石渣骨架中的空隙迅速被细颗粒料填充，故堆实系数逐渐减小；当20%55%混合料以土料为主，随着土料增加，混合料变得松散，堆实系数增大。

把现场取样试验所测的混合料的堆实系数，插入到图中，如图3所示，现场测得的堆积系数与试验数据基本规律一致。

图3 土石混合料堆实系数Fig.3 Stockpiling coefficient of soil-rock mixture

1.2.4 砂砾石料堆实系数

砂砾石渣料的堆实系数随粒径小于5 mm的百分含量a的变化趋势如图4所示。相同碾压强度下，该堆实系数随a波动，但波动幅度较小。当a<30%时堆实系数基本不变化，在1.06上下波动，当a>30%堆实系数基本为1.05。对于砂砾石料，影响其堆实系数的主要是其级配和其整体粒径的大小。就同一砂砾石料场，其级配相差很小，故堆实系数取值范围变化较小。当a<30%与a>30%相比，砂砾石料粒径稍微较粗，堆实系数相对较大。

图4 砂砾石料堆实系数Fig.4 Stockpiling coefficient of sand gravel

1.2.5 渣料堆实系数

通过试验分别得出各种渣料的堆实系数，与《水电建筑工程概算定额》中的松方系数的对比表如表2所示。

表2 对比表Tab.2 Comparison table different coefficient

2 堆实系数验证

通过工程渣场实例与试验结果相对比，来验证试验测得的堆实系数的可靠性。统计工程实例中的渣料来源及渣料堆存后体积，与利用本文试验计算所得的渣场体积相对比。计算公式如下：

V计算=V土K土+V石K石+V混合K混合+V砂砾石K砂砾石

(2)

式中：V计算为按本试验所得堆实系数计算所得渣场体积；V土、V石、V混合、V砂砾石分别为开挖前原土、石、土石混合料、砂砾石料的原始体积；K土、K石、K混合、K砂砾石分别为土、石、土石混合料、砂砾石料的渣场实测堆实系数。

表3为大中型水电工程渣场的渣料来源及渣场容量对比表。三滩沟渣场、道班沟渣场及印把子沟渣场为锦屏一级水电站的3个大型弃渣场，左下沟渣场为两河口水电站工程的弃渣场之一。表3中的渣料体积为土料、石料、砂砾石料开挖前的 原始体积，V实测为渣场填渣后渣场的实测体积方量，V规划为按渣料松方系数计算的渣场规划体积方量。

表3 大中型水电工程渣场容量计算对比表Tab.3 Comparison table of stockpile volume

注：综合考虑各渣场的情况，本对比表中堆实系数K土=1.12，K石=1.22，K砂砾=1.06，K混合=1.2～1.23；计算误差=(V实测-V计算)/V实测×100%，规划误差=(V实测-V规划)/V实测×100%。

由于本试验所得的堆实系数为渣场表层取样试验成果，为反映渣场整体情况，需考虑渣场沉降因素影响。大中型水电工程渣场堆渣一般历时2～5 a，堆渣过程中不断沉降，到堆渣结束后，渣场下部基本完成固结沉降，仅表层还未完成。锦屏印把子沟渣场堆渣平均高约150 m，根据其沉降观测资料知其后期最大沉降量约0.3 m，经采用分层总和法估算前期沉降量，约1.5～3 m，故其沉降修正系数可取1%～2%，不同堆渣高度的渣场沉降系数按高度比例进行折算，对自上而下堆存渣场取上限。

对比结果表明试验值相对误差均在5%以内，按松方系数计算的渣料体积偏大，相对误差平均为26%。故计算堆渣料体积时，直接应用没有碾压的松方系数是不合理的，误差较大，只有应用对应工况条件下的堆实系数，才相对合理。综上对比分析得出，本文试验得出的渣料堆实系数，符合工程实际，且稳定可靠，该堆实系数可用于大中型水电工程渣场规划设计。

采用堆实系数计算渣场容量，比采用松方系数计算的渣场容量小20%～30%，根据各工程渣场统计分析，节约渣场占地面积平均约20%。每个工程平均减少征地约20 hm2，经济和社会效益极其显著。

3 结 语

通过采用现场取样试验和室内试验，主要研究了大中型水电工程的土料、石渣料、土石混合渣料及砂砾石渣料在渣场内的堆实系数，研究成果表明：针对渣场堆存料试验所得的渣料堆实系数，符合渣场的堆填实际情况，比《水电建筑工程概算定额》[5]上的松方系数更可靠适用，可用于渣场规划设计，较精确地计算出渣场体积，对水电工程施工布置具有很大的指导意义。

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[1] 茹克亚·阿布里孜. 水利工程施工布置的特点及总体布置措施[J].黑龙江水利科技,2012,40(9)：144-145.

[2] 何俊乔，谢孟良，崔金虎. 龙滩水电站施工总布置时空协调设计[J]. 水力发电,2004,30(6):20-22.

[3] 佐佳梅，贾红岩. 油气田工程设计中土石方计算分析[J]. 石油规划设计,2014,25(1):38-41.

[4] 水利电力部水利水电建设总局. 水利水电工程施工组织设计手册[M]．北京: 中国水利水电出版社，2009.

[5] 中华人民共和国国家发展改革委员会. 水电建筑工程概算定额(下册)(2007年版)[M]．北京:中国电力出版社，2008.