心墙堆石坝填筑石料开采规划与动态优化

薛 凯

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

长河坝水电站拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程1 697.00 m，最大坝高240.0 m，坝顶长502.85 m，坝顶宽16.0 m。大坝设计总填筑量约3 417万m3，设计石料需求为：坝壳堆石料2 273.9万m3，过渡料290.97万m3，反滤料168.19万m3；护坡块石29.38万m3，石料约占坝体填筑总量81%。长河坝水电站分别在大坝上、下游各规划一个石料场，上游响水沟料场和下游江咀料场。

响水沟料场位于坝址区上游右岸响水沟沟口，距坝址约3.5 km。地形形态为一山包，三面临空，分布高程1 545～1 885 m，地形坡度40°～50°。料源岩性为花岗岩，岩石弱-微风化，岩质致密坚硬，饱和湿抗压强度94.5～120.0 MPa，软化系数0.74～0.78，天然密度2.61～2.99 g/cm3，冻融损失率 6%～16%，主要质量技术指标满足规范要求。料场勘探储量2 675万m3。

江咀料场位于坝址区下游左岸磨子沟沟口左侧，距坝址约6 km。分布高程1 500～1 930 m，地形坡度一般40°～60°，少量30°～35°。料源岩性为石英闪长岩，岩质致密坚硬，岩石饱和湿抗压强度76.4～131 MPa，软化系数0.77～0.87，天然密度2.70～2.89 g/cm3，冻融损失率27%～43.3%，主要质量技术指标满足规范要求。料场勘探储量约3 337万m3。

2 投标阶段

2.1 规划依据

(1)质量要求。满足招标技术条款对大坝过渡料、堆石料的强度、级配等质量技术要求。

(2)封堵与蓄水要求。根据招标进度要求，2016年11月初期导流洞下闸。蓄水后上游道路中断，上游石料场不具备再供料条件，下闸蓄水后坝体剩余填筑石料从下游石料场开采供应。

(3)跨心墙运输要求。为保证砾石土心墙施工质量，招标技术明确不允许跨心墙运输。当上游通向石料场交通隧道因蓄水需要开始封堵时，在采取有效防止心墙料因过度碾压产生裂缝、弹簧土等措施并经批准后，剩余坝体上游反滤料、过渡料、堆石料、块石料可以跨心墙运输。

表1 投标方案石料场开采规划

注：江咀料场有用料开采量包括向砂石系统补充供料量。

2.2 开采规划

根据招标文件的设计规划要求，在初期导流洞下闸前，大坝石料按上、下游分别供应。投标方案大坝填筑进度计划中，在2016年11月初期导流洞下闸时，大坝已填筑到1 679 m高程。即，响水沟料场供应大坝上游1 679 m以下的堆石料、过渡料、护坡块石料；大坝下游的所有堆石料、过渡料、块石料，以及大坝上游1 679 m以上的堆石料、过渡料、块石料均由江咀料场供应。反滤料由砂石系统生产，原料利用建筑物开挖料，不足部分从江咀料场开采供应。开采规划见表1。

3 施工阶段

3.1 规划依据

(1)石料场复查成果。石料场的可开采量、开采范围、施工布置等规划应依据详实的复查成果资料。

(2)设计工程量。施工图阶段的设计工程量是石料场开采规划的需求量依据。

(3)大坝填筑设计指标。大坝堆石料、过渡料的孔隙率、干密度、相对密度等设计指标是计算松实系数的依据，直接影响开采量计算。

(4)大坝填筑进度计划与施工强度。进度计划中初期下闸时间及对应的大坝填筑形象面貌是规划上、下游两个石料场的开采时段及开采量的依据。根据长河坝水电站实施阶段的大坝填筑进度，2016年11月初，初期导流洞下闸时大坝填筑高程由投标方案的1 679 m调整到1 645 m。

(5)交通条件。对开采条件好、运距短的石料场应力求多采，不仅有利于加快进度和提高施工强度，而且有利于降低施工费用。本工程技术要求不允许跨心墙运输，若上、下游两个石料场根据条件规划不均衡开采(即上游石料场向大坝心墙下游供料或下游石料场向大坝心墙上游供料)，则具备便捷的绕坝运输通道是关键。本工程布置有左岸低线过坝交通洞，经上、下游围堰可分别通向大坝填筑面。

(6)其他石料需求量。除大坝填筑石料外，本工程还需向砂石生产系统供应239万m3(自然方)作为生产原料。

3.2 石料需求量

石料需求包括大坝堆石料、过渡料、反滤料、块石料以及砂石生产系统原料等。根据设计施工图纸工程量核算石料需求量见表2，其中松实系数根据岩石天干然密度、设计压实干密度计算。

从表2可知，需从石料场开采2 075.08万m3(自然方)石料直接上坝用于填筑堆石、过渡层及护坡块石；开采239万m3(自然方)供应砂石系统作为大坝反滤料及混凝土生产原料。总共需要从石料场开采2314.08万m3(自然方)有用石料。

3.3 料场复查

(1)响水沟料场：①复查指标。计划开采高程1 885～1 545 m(可开采至1 530 m)；平面开采面积10 297～87 824 m2；后坡面积约82 000 m2；总储量2 102万m3，有用料储量2 002万m3，无用料储量100万m3。平均上坝运距6.3 km。②其他条件。响水沟料场位于长河坝库区内的响水沟口，呈一三面临空的山包，紧临大渡河，周边没有民居区，也没有地方交通从料场影响区通过，S211永久改线道路从料场后缘山体内通过，不受料场开采影响。沟口段作为弃渣场，主干道为隧道，料场开采对弃渣影响小。

(2)江咀料场：①复查指标。招标设计规划的开采范围划分为A、B、C三个采区，A为沟内采区，B为沟口采区，C为中间采区。料场总体开采高程1 916～1 550 m；后坡面积约297 300 m2；总储量2 299万m3，有用料储量1 901万m3，无用料储量398万m3。平均上坝运距10.4 km。为优化开采规划，根据现场地形条件，对A采区向沟内范围适当扩展形成A1区，复查指标为：开采高程1 916～1 610 m；后坡面积约90 837 m2；总储量707万m3，有用料储量607万m3，无用料储量100万m3。 靠近A1区上游的小山脊称为A2区，指标为：开采高程1 715～1 910 m；后坡面积约34 862 m2；总储量194万m3，有用料储量184万m3，无用料储量10万m3。另外，磨子沟口左侧B区外缘两面临空的小山脊(称为B1区)部分坡面岩石裸露，可低高程开采(1 640 m以下)，采区距砂石生产系统较近(约300 m)，方便直接向砂石系统供料，可采性相对较好，指标为：开采高程1 640～1 480 m；后坡面积约50 594 m2；总储量344.41万m3，有用料储量301.68万m3，无用料储量42.73万m3。②其他条件。江咀料场位于大坝下游磨子沟内，总体沿磨子沟左侧坡面布置，单面临空。料场采区对面山坡有居民住户，采区山后是麦崩乡，都不同程度受料场开采的爆破振动、噪声、扬尘影响；通往麦崩乡的地方公路顺磨子沟底部通过，是料场开采的重大干扰因素。

表2 大坝填筑石料工程量明细

表3 复查成果对比分析

注：江咀指招标设计范围；坡面系数指料场开挖形成的后坡面积与料场有用料体积之比， m2/万m3。

(3)复查成果。响水沟与江咀两大石料场复查成果对比分析见表3。

3.4 开采规划

(1)规划思路。以确保坝料质量、确保坝料供应强度为直接目的，原则上基于可靠的复查成果及综合开采条件，优选质量好、出料快、运距短、效益好、干扰小的石料场作为主料源，综合条件相对次之的料场作为辅助料源；突破投标阶段严格按上、下游分开独立供应的格局，实现一主一辅的综合优化开采规划。

(2)实施开采规划。通过对响水沟、江咀石料场复查成果对比分析，响水沟料场的各项指标均明显优于江咀料场：剥采比为江咀料场的24%；坡面系数为江咀料场的26%；平均上坝运距为江咀料场的61%。江咀料场周边分布有居民区，爆破振动影响大，单次爆破药量受到严格控制，严重制约开采强度，难以满足填筑进度要求，且料场底部有乡村公路通过，交通干扰大。因此，响水沟料场开采干扰远小于江咀料场。在江咀料场的几个采区中，A1区的综合指标优于其他采区。

(3)对比分析后最终确定的石料场开采规划为：以响水沟料场为主料场，江咀料场A1区作为辅助料场，江咀料场B1区作为应急备用采区，江咀料场其他采区不考虑开采。响水沟料场、江咀A1区、江咀B1区的有用料总量为2 910万m3(2 002+607+301)大于需求总量2 314.08万m3；储量富裕系数为2 910÷2 314.08=1.26，满足规范值1.20～1.50的要求。

(4)响水沟石料场供料部位包括：大坝上、下游堆石；上、下游过渡料；上、下游护坡块石。江咀A1区供料范围：初期下闸蓄水前补充供应大坝下游堆石、过渡料、块石，初期下闸后供应大坝顶部剩余堆石、过渡料、块石料；补充供应砂石生产系统加工原料(优先利用建筑物开挖料，不足部分由江咀A1区供应)。

(4)根据调整后大坝进度计划，初期下闸时大坝计划填筑到1 645 m高程，此时响水沟料场对应开采高程1 550 m，向大坝供应石料1 900万m3。大坝剩余石料由江咀料场A1区供应，即考虑砂石系统用料，江咀A1区计划开采有用料414万m3，对应开采高程1 610 m。

4 石料场开采动态优化

4.1 料源交换、以空间换时间和场地

长河坝水电站左岸引水发电系统和右岸泄洪放空系统(简称“厂泄系统”)为地下工程，以花岗岩、石英闪长岩为主开挖料均满足大坝填筑料要求，原规划建筑开挖料用于砂石系统生产原料。

厂泄系统开挖工期计划2014年6月结束，开挖工期后半段与大坝填筑期重合，填筑前地下开挖料已堆存到回采场。在厂泄系统开挖期间，混凝土施工项目较少，骨料用量小，砂石系统还未进入生产高峰期，但回采场已堆满。大坝填筑后，调整厂泄系统开挖料直接上坝用于堆石料填筑，提高了大坝填筑强度，缓解了石料场开采与运输压力。2014年5月前大坝度汛高峰期，利用厂泄系统开挖料就近上坝作为补充供料，提高了实现度汛目标的保证率。

长河坝水电站工程砂石系统至江咀料场运距约2 km，调配后砂石系统就近从江咀料场取料。通过石料的时空交换后，大幅减小了原料运距和有效缓解了堆存压力，避免原料转运。

长河坝水电站大坝度汛填筑期(2014年5月前)实际利用建筑开挖料191万m3(压实方)，利用量约占度汛期填筑石料总量的18%，补充了度汛期石料填筑高峰平均强度的15%，对料场开采与运输压力缓解效果明显。

4.2 料场开采动态优化

(1)工程于2016年10月下旬初期下闸蓄水，工程加快施工进度，大坝于2016年9月上旬填筑到顶，上游响水沟料场开采未受蓄水影响，持续开采到大坝填筑结束。

(2)为降低开采难度和节省工程费用，当料场开采到1 670 m高程时，对开采体型再次优化：将后坡由原设计1∶0.3调整到1∶0.5，开采到1 640 m高程时再次调整为1∶0.75；边坡不再采取支护措施；采取掏心开挖方式。响水沟料场随着开采高程不断下降，岩石越趋新鲜、完整，采区内未出现软弱夹层、透镜体等不良地质条件。通过中上部的开采揭示判断，影响有用料储量的因素基本排除。为降低开采难度、节省工程费用，施工过程中结合实际情况反复核算料场剩余储量及大坝填筑需要量，对边坡得处理进行了调整：料场采区周围边沿岩石裂隙较发育，钻孔爆破与级配控制难度相对较大，调整为掏心开挖，甩开边沿岩体，这样不仅避免了表面无用料开挖，也降低了开采难度。

(3)开采过程中，根据揭露出的地质情况动态调整开挖坡比及平台高程与宽度。响水沟料场的最终开采高程为1 580 m，最终开采量为1 508万m3(有用料1 398万m3)；江咀料场A1区终采高程1 670 m，最终开采量562万m3(有用料471万m3)。大坝其余石料利用建筑开挖料。设计边坡线与实际开采边坡线对比见图1。

5 动态优化效果

长河坝水电站石料场动态优化效果明显，石料场开采总运输量比投标方案降低约25%，料场边坡支护面积比投标方案降低约71%。这些取决于：选择距离近、地形好的上游料场作为主料场，充分利用建筑物开挖料，及时调整开采坡比等的动态优化。

长河坝水电站石料场在投标方案阶段、实施方案阶段及开采动态优化阶段的数据对比见表4。

6 结 语

长河坝水电站大坝比合同工期提前近4个月填筑到顶。石料场开采规划通过动态优化后，不仅实现了在满足质量要求的前提下保证了大坝填筑供料强度的目标；而且进度、经济、环境等综合效益显著。优化工作较成功，但还有需要进一步完善的地方，几点体会如下：

(1)土石坝之“粮仓”的石料场，其开采规划是大坝填筑施工取得成功的关键。

(2)优选石料的主料场应遵循“质量好、地形佳、出料快、运距短、干扰小”的基本原则，在保证质量的前提下，首先应考虑供料强度满足大坝填筑进度要求。

图1 料场终采典型剖面对比示意

料场状态开口高程/m终采高程/m有用料/万m3无用料/万m3总开采/万m3支护面积/m2剥采比坡面系数/m2·(万m3)-1运输量/m3·km响水沟投标方案18801650973.139.51012.6524380.040.00561305300实际完成188515801398.0110.01508.0302110.080.00288074000江咀投标方案191015901520.3325.21845.52412820.210.01695778900实际完成19101670471.091.0562.0549450.190.01229673000

(3)料场的开采规划应结合其地质条件、开采与运输边界条件、设计变更等因素动态优化调整。

(4)重视“坡面系数”评判指标。剥采比侧重于料场有、无用料的经济性、可行性评价，而坡面系数则侧重于边坡因素对开采进度的影响，也可作为经济性评价指标。如果坡面系数小，则支护量小，支护进度更容易保证，且支护费用也小，更经济。

(5)建筑开挖料的利用可降低工程费用，有效补充高峰期供料强度。建筑开挖料的料源交换使用可充分实现以空间换时间，解决施工场地问题，高峰供应强度等系列综合问题。

(6)料源开采规划必须考虑规范规定的富裕系数，但可通过单独规划备用的料场或独立的备用采区，这样可有效避免普遍存在的低料无用的现象，同时也能有效降低料场因高开口而带来的施工难度。

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