浅述抽水蓄能电站土石方平衡设计及过程调配管理

温家华，潘福营

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100761）

0 引言

土石方平衡设计是水电工程施工组织设计中的一项工作，其主要目的是实现尽量利用开挖土石方，减少总挖填工程量，正确处理开挖、利用、暂时堆存、废料处理之间的关系；按照环保要求，选择堆料、弃料场地；合理调配，减少运输工作量[1][2]。做好土石方平衡设计，对于减少工程量、降低工程投资意义重大。

抽水蓄能电站作为一种特殊的水电站，由于需设置两个水库、多采用地下厂房布置型式、坝型选择多为当地材料坝等特点，其土石方平衡设计相较于常规水电工程又有不同。

目前，在抽水蓄能电站建设过程中，建设各方对土石方平衡均较为重视。然而由于各种原因，在实际工程建设过程中，土石方平衡不合理或过程管理不到位而导致的料源不足、开挖料浪费、渣场二次搬迁等问题却时有发生。

因此，本文拟从土石方平衡的设计、动态管理、各方职责等出发，对常见问题及可能存在的原因进行分析，并提出解决措施和控制要点。

1 土石方平衡设计的一般思路

土石方平衡是一项综合性设计，须由各专业密切配合和综合比较才能选定最佳总平衡设计方案[1]。设计时应贯彻“料尽其用、时间匹配、容量适度”的总体原则，一般按以下思路开展：

（1）初定设计方案及施工方案。

（2）梳理初选设计方案下土石方填筑工程量与混凝土骨料需求量，包括各种类别填筑料物的规格、品质要求和需求量，混凝土工程量和各种规格混凝土骨料的需要量。

（3）梳理各建筑物分部位、分岩性的开挖工程量，结合各建筑物开挖部位的地质条件、开挖方法和进度安排，对各建筑物开挖料质量及数量进行可利用分析，提出各建筑物开挖料的可利用量。

（4）分析主要土石方填筑工程分区分高程料物品种、质量、数量、施工时段和强度等，分析混凝土骨料品种、数量、混凝土施工时段及强度。

（5）进行土石方平衡规划（开挖料利用方案，开挖量、流向、利用量、弃用量、中转安排，料场、存渣场、弃渣场布置）等。

（6）根据土石方平衡结果对设计方案和施工方案进行修正。

（7）提出各建筑物开挖料利用及土石方平衡汇总表。

2 土石方平衡计算常见问题及原因分析

2.1 土石方平衡设计出现的常见问题

（1）料源平衡时序冲突问题。如某抽水蓄能电站土石方平衡设计时，上水库面板堆石坝填筑时间为2015年5月～2017年10月，其填筑料来源为上水库进出水口。而根据工程进度安排，上水库进出水口开挖时段为2015年8月～2017年5月，即上水库面板堆石坝填筑时所需填筑料还没有开始开挖。

（2）开挖料利用系数取值问题。如某抽水蓄能电站招标设计阶段土石方平衡设计时，其上下库连接道路石方开挖料利用系数选用0.8，引水上斜井石方洞挖利用系数选用0.96，下斜井石方洞挖料利用系数选用0.8，并据此计算开挖料中的可利用料量。根据设计人员反馈，该利用系数主要由地质专业人员根据地勘资料得出。

然而在实际施工过程中，上下库连接道路开挖由于地形陡峭、线性条带状施工场地等特点，开挖料难以有效收集；引水系统的上下斜井由于计划采用反井钻机开挖（施工组织设计主要施工方法中描述），反井钻机反拉提升范围内（1.4～2m，该电站反井钻实际反提孔径2.4m）的围岩不能得到利用，上述系数选用时仅考虑地质因素未能考虑实际施工因素显然存在问题。

（3）后期弃渣转运问题。如某抽水蓄能电站土石方平衡设计时，拟在下水库拦河坝坝后设置1号弃渣场，在下水库库尾、业主营地上游设置2号弃渣场，其中由于下水库坝后1号弃渣场受大坝填筑进度安排形成较晚，故通风兼安全洞、进厂交通洞、下水库进出水口、临时营地场地平整等部位的弃渣部分（约50万松方）先行堆存在2号弃渣场。

由于2号弃渣场位于业主营地上游，为避免生产运行期2号弃渣场对业主营地带来不良影响，2号渣场弃渣施工后期全部倒运至附近渣场，其中35万m3倒运至2km之外的1号渣场，116.22万m3倒运至3km之外位于上下库连接道路之间的3号渣场。

鉴于渣场二次倒运成本较高，且对于临时渣场的环境破坏严重。后续经各方研究，考虑到该电站现有交通条件较为便利，下水库大坝具备在筹建期开工条件，即1号弃渣场具备提前启用条件，因此最终取消了2号渣场，将工程早期弃渣堆存至1号渣场，后期直接堆存至3号渣场。

（4）料场的无用料、实际开挖料较原界定量超出过大。如某电站Ⅱ石料场设计开挖有用料利用总量为144.48万m3，无用料总量为86.31万m3，然而在实际开挖过程中，经过参建各方成立的有用料现场鉴定小组核定，无用料实际开挖总量131万m3，超出原界定量45.2万m3，最终额外增加投资近1000万元。

除此之外，如果招标设计阶段土石方平衡设计不合理，还将可能导致“在弃掉大量有用料的同时，另开辟料场或者从外部买料”“原界定可用料实际不可用，料源不足重新找料”等问题。

2.2 原因分析

导致上述各类问题出现的原因很多，常见的有：

（1）计算中的细节问题。如利用系数、换算系数取值的问题，挖填时段的冲突问题等。

（2）基础资料的偏差问题。如陡峭地形条件下，利用较大比例尺的测绘图进行工程量计算，即便测绘比例尺在规范允许范围内仍有可能会面临较大偏差。目前抽水蓄能电站主要采用水电工程的规程规范，如水库岸坡详勘可采用1∶5000～1∶1000的比例尺，其中1∶5000对于大中型常规水电而言还可以，但对于较小工程范围的抽水蓄能电站而言则准确度就远远不够，地形越陡峭偏差可能越大。与此同时，地形越陡峭进行高精度测绘的难度和代价也更大。另外，如对料场的地勘深度不足，也可能导致土石方平衡设计偏差。

（3）专业间的衔接问题。目前在各水电设计院，土石方平衡一般由施工专业设计人员负责，其他专业人员（地质、水工）只负责提交相关专业资料，专业之间的衔接联动虽然有，但对于需要各专业密切配合和综合比较才能真正完成的土石方平衡计算而言仍有不足，有待进一步加强。

（4）实际施工进度与设计进度不一致问题。实际施工过程中由于各种原因，实际的施工进度与原设计的进度可能不一致也是导致上述各项问题出现的一个原因。

3 土石方平衡调配的动态管理

作为基于某一具体的设计方案和进度计划安排进行的设计，土石方平衡计算成果是一个时点的方案而不是一贯到底的方案。随着工程建设的不断进行，开挖揭露的地质情况、设计方案、实际进度相较于初始方案往往会发生变化。这种情况下，盲目地按招标设计阶段土石方平衡计算成果进行调配反而会给工程建设带来很多问题。

目前，关于土石方平衡调配动态管理的常见问题主要有：

（1）缺少对土石方平衡落实情况的监管。如施工方未执行土石方平衡方案，将作为填筑料的开挖料选择就近的弃渣场随意堆存，未运至中转料场进行保护等，与此同时监理方未能做好监督管理。

（2）当开挖揭露的地质资料、施工进度计划等边界条件变化后，未能及时地进行土石方平衡复核。

上述问题究其本质就在于对于土石方平衡调配管理认知不够，参建各方不能正确对待自身在调配管理中的职责。

一般而言，作为项目的投资方，建设单位往往对土石方平衡都较为关注，但由于涉及单位众多，如果不能认清参建各方职责，调动各方积极性则难以有所建树。除建设单位外，抽水蓄能电站大多由设计单位、监理单位和施工承包商共同建设，各个单位在土石方平衡过程管理环节中的职责各有不同。

设计单位作为土石方平衡方案的设计者，对于整个方案最为清晰，在过程管理中主要发挥的是督促和提醒作用，需要对过程中的变化做出预警并及时进行复核、提出应对措施。

施工单位作为土石方平衡方案的执行方，其主要职责是严格按照土石方平衡方案及监理要求实施，对于实施过程中发生的变化，应及时向监理单位报告。

监理单位作为工程现场的直接管理者，是整个土石方平衡方案实施情况的现场监管者和变化发生后的协调中枢，担负着对施工单位具体执行情况进行监督管理，以及对过程中的变化及时协调处理的职责。

在实际工程中，只有各参建单位各尽其责，才能有效避免上述土石方平衡过程管各项问题的发生。

4 土石方平衡调配管理建议

作为施工组织设计中的一项重要工作，土石方平衡计算在抽水蓄能电站建设过程各设计阶段均需开展，只是设计深度要求各有不同。招标设计是施工招标前的最后一个设计阶段，其基本任务是为施工招标文件的编制提供依据，满足工程建设项目招标采购和工程实施与管理的需要。在招标设计阶段对土石方平衡设计进行强化审查，是一个较为理想的切入点。如国网新源公司要求各个新建项目的设计单位在招标设计就土石方平衡计算编制专题报告，并组织专家审查会进行审查把关，将各项可能存在的问题消除在招标之前，从而减少建设过程中的索赔等风险。

在动态管理上，近年来的部分抽水蓄能项目大多采用以下方式：

（1）成立由监理牵头，业主、监理、设计、施工单位技术人员和地质人员工程参加的料源管理小组，负责对开挖料进行鉴别、对有用料的运输保存等进行检查等。

（2）定期由监理组织各施工承包商进行实际开挖量、填筑量统计，并依据实施进展开展土石方平衡复核。如江苏溧阳抽水蓄能电站每月要求参建各方报送已开挖量、已填筑量、剩余开挖量、剩余填筑量和其他部位需要量，每季度组织土石方平衡分析。

（3）利用数字化系统将每辆运料车装上GPS定位，确保将全部开挖料运到指定的部位[3]。

目前，已有科研院所正在研究进行利用计算机技术建立数学模型，拟将土石方平衡调配成果以三维动画形式进行展示，从而达到形象生动的指导施工的目的[4][5]。这为未来抽水蓄能电站土石方平衡调配动态管理提供了新的工具和方法。

5 结束语

抽水蓄能电站土石方平衡调配实施的优劣，对于减少工程量、降低工程投资意义重大。对于土石方平衡调配工作，土石方平衡计算与工程建设过程中的动态管理同样重要。

在招标设计阶段加强土石方平衡设计成果管理，可以将各项可能存在的问题消除在招标之前，从而减少建设过程中的索赔等风险。

参建各方在土石方平衡过程管理环节中的职责各有不同，只有各方各尽其责，才能有效避免土石方平衡调配过程中各项问题的发生。

[1] 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，1996.General Administration of Water Conservancy and Hydropower Construction of Hydraulic Power Department. Handbook of construction planing of hydropower projects [M]. Beijing ： China Water & Power Press，1996.

[2] 邱彬如，刘连希. 抽水蓄能电站工程技术[M]. 北京：中国电力出版社，2008.QIU Binru，LIU Lianxi. Engineering technology of pumped storage power station[M]. Beijing ： China Electric Power Press，2008.

[3] 李国权，祁舵，陈洪来. 溧阳抽水蓄能电站上水库主坝料源管理综合措施[J]. 高面板堆石坝安全性研究及软岩筑坝技术进展论文集，2014.LI Guoquan，QI Duo，CHEN Honglai. Source management measures of upper reservoir dam on liyang pump-storage power station[J]. Proceedings of Study on Safety of High-Face-Rockfill Dam and the Technology Progress of Soft Rock Damming，2014.

[4] 胡程顺，钟登华，张静，洪文，李明超. 土石方动态调配模型与可视化研究 [J]. 中国工程科学，2003.12 ：73-79.HU Chengshun，ZHONG Denghua，ZHANG Jing，HONG Wen，LI Mingchao. Study on the model and its visualization for dynamic allocation of earth[J]. Engineering Sciences，2003.12 ：73-79.

[5] 申明亮，倪锦初. 料物平衡方法研究与软件开发[J]. 人民长江，2001，32（4）：25-26.SHEN Mingliang，NI Jinchu. Study on methods of earth-rock work banlance and software development[J]. Yangtze River，2001，32（4）：25-26.

[6] 刘琼芳. 天生桥一级水电站土石方平衡规划与实施[J]. 云南水力发电，2001.2 ：101-104.LIU Qiongfang. Source balance planning and implementation of tianshengqiao hydropower station [J]. Yunnan Water Power，2001.2，101-104.

[7] 王仲何，曹志宇，曾详虎. 水布垭水电站工程土石方平衡与规划 [J]. 水力发电，2002.10.WANG Yonghe，CAO Zhiyu，ZENG Xianghu. Source balance planning and implementation of shuibuya hydropower station [J].Water Power，2002.10.

[8] 李晓伟，刘大炜，姜韶阳，侯毅. 基于线性规划的土石方动态调配系统建模仿真 [J]. 人民黄河，2013，35（3）：120-123.LI Xiaowei，LIU Dawei，JIANG Shaoyang，HOU Yi.Dynamic allocation system simulation of earth-rock based on linear programming[J]. Yellow River，2013，35（3）：120-123.

[9] 申明亮，杨树明，等. 堆石坝施工中料物调配问题研究[J]. 武大大学学报（工学版），2000，33（5）：16-18.SHEN Mingliang，YANG Shuming，etc. Material progamming for rockfill dam construction[J]. Engineering Journal of Wuhan University，2000，33（5）：16-18.