变电工程基槽余土及土方平衡计算探讨

常 伟，王伟军，梁 伟，张玉明

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安710075）

引言

土石方工程是工程建设的重要组成部分[1]，随着环保要求的日益提高，弃土或者外购土石方将变得越来越困难，余缺土石方处理是否合理、得当，直接影响整个工程的顺利验收[2]。合理的确定场地设计标高是变电工程建构筑物基础施工的前提条件。场地设计标高等于场地初平标高与基槽余土回填高度之和[3]。变电工程场地平整施工完成后，基槽余土的回填高度决定了场地终平设计标高，也决定了站区土石方能否平衡，为尽量做到土石方平衡，基槽余土计算的准确性尤为重要。基槽余土的计算已成为土石方平衡计算的关键环节[4]。

变电工程建构筑物基槽数量多、种类复杂，国内学者对土方平衡计算方法及误差分析开展了一定的研究[5-8]，针对基槽余土计算的研究相对较少，而实际工程设计中，设计人员常通过估算或经验法确定基槽余土工程量。由于变电工程的地质条件的复杂性和建设规模的不同，估算法和经验法往往误差较大，导致土方平衡计算误差。因此，有必要对基槽余土的计算进行认真的梳理分析和总结。

本文结合工程实例，总结了基槽余土计算内容、统一了基槽余土计算原则，分析了土方平衡计算的误差原因，并提出了减小误差的措施。为后续变电工程基槽余土及土方平衡计算提供参考。

1 基槽余土计算

变电工程基槽余土计算一般涉及变电总图、结构、水工、建筑等相关专业。

1.1 基准面的选取

为方便计算及统一原则，基槽余土计算的基准面建议以场地终平标高为准。如图1 所示。场地终平标高比较明确，方便设计及施工单位计算。

图1 基槽余土计算示意

根据图1 所示，基槽余土工程量为：V1+V2。基坑回填量为V2+V3。根据理论计算结果：

基准面以上部位不计列在基槽余土范围内。如图2所示。实际工程中，基准面以上部位很容易被计列基槽余土工程量，影响土方平衡计算。

图2 基槽余土计算示意图

如图2 所示，终平标高以上部分的电缆沟道、设备基础、柱及保护帽等不应计列基槽余土工程量。

1.2 基槽余土计算内容

变电工程建构筑物基础的基槽余土计算内容大致分为以下几个部分：（1）建筑物基础；（2）构筑物基础；（3）工艺设备基础；（4）场地封闭；（5）站外部分。

（1）建筑物基础基槽余土。建筑物基础的基槽余土主要包括垫层，基础，基准面以下柱（梁）、地下设施（屏柜基础、沟道）、室内设备基础、地面、预埋管、室外散水，换填工程量等。（2）构筑物基础基槽余土。构筑物基础的基槽余土主要包括围墙、防火墙基础及垫层；水池、事故油池等箱型基础及垫层；道路及电缆沟、边坡及挡墙、雨水井、检查井、阀门井等体积、围栏基础及垫层、地下管线、换填工程量等。（3）工艺设备基础基槽余土。工艺设备基础基槽余土主要包括：构支架基础及垫层；GIS、HGIS 设备基础及垫层；变压器、电抗器、电容器基础及垫层、换填工程量等。（4）场地封闭。场地封闭基槽余土主要包括：站区场地（含围栏内）封闭的面层、基层及垫层。（5）站外部分。站外部分的基槽余土主要包括：进站道路、站外管线（引水管线）、站外蒸发池、临建区域表层根植土、植被恢复等。

1.3 基槽余土计算误差分析

（1）基准面选取不统一造成计算误差。以初平标高作为基准面计算基槽余土、以建筑物室内地坪为基准面计算基槽余土、以外露地面的设备基础顶部作为基准面计算基槽余土等都将导致基槽余土计算不准确。（2）工艺资料滞后导致的计算误差。基槽余土计算时，工程往往刚开工，受设备工艺资料相对滞后等原因，建构筑物的基础大小、埋深等无法最终确定，基槽余土计算往往需要根据以往工程经验进行估算，从而产生计算误差。（3）场地坡度导致计算误差。场地坡度较大时，场地封闭、电缆沟道等基槽余土工程量未考虑场地坡度的影响。（4）地基处理方案改变导致的计算误差。建构筑物基坑开挖过程中，根据实际土层开挖情况，难免出现超挖换填，从而导致基槽余土理论计算与实际不一致。（5）换填材料改变导致的计算误差。施工图前确定的换填方案，在施工工程中，因采购困难、施工等因素导致换填材料发生变化，砂不同换填材料的换填要求不一致，换填工程量差异较大，导致基槽余土计算产生误差。

1.4 减少基槽余土计算误差的措施

（1）基槽余土计算阶段，设备工艺专业应最大限度的配合土建专业完成提资，力求基槽余土计算的准确性。（2）基准面选取应统一，这是基槽余土计算最基本的前提条件。（3）场地坡度较大时，场地封闭、电缆沟道等基槽余土工程量应考虑场地坡度的影响。（4）条件允许的情况下，施工图正式提供现场前，应复核基槽余土工程量。（5）严格执行初步设计阶段已确定的地基换填处理方案。即便相同的换填位置，因换填材料（灰土、砂砾石、毛石、素混凝土等）不同，因换填范围不同，基槽余土计算工程量的差异也不同。同时，在施工图设计中应严格控制换填工程量。施工图应明确换填厚度及换填范围。（6）加强基槽余土计算校审制度。设计应建立健全基槽余土工程量计算校-审-批制度，避免出现漏项、重复计列、原则不统一、方法不恰当、数据不准确等导致基槽余土的计算误差。

2 土石方平衡计算

土石方的计算不仅涉及天然的挖、填方体积，还需要考虑土壤挖、填时的松散量以及基槽余土计算等。土石方平衡并不意味着计算出来挖方体积等于填方体积即可，而应该综合考虑土壤松散及基槽余土等因素的影响。

2.1 设计标高确定原则

土石方平衡的关键在于确定合理的场平设计标高。设计标高：原则上应不外弃、不外购。但也要讲究实事求是，工程设计之初不能勉强，工程实施过程不能硬凑。确实无法平衡的应尽量往弃土方向考虑，尽量不产生购土。

（1）对于新疆、青海等西北盐渍土地区，土层中一般均含有胶结盐渍块（以具体工程岩土地质为准），此部分胶结块因破碎困难，工程实施过程中一般均按照弃土考虑。此类站址，在工程可研～初设阶段，可提前考虑弃土方案。（2）对于膨胀土地基，应提前考虑换土及膨胀土外弃方案；对于岩石类地基，应提前考虑基岩破碎或外弃方案；对于淤泥质土，应提前考虑淤泥的外弃方案。

2.2 土石方工程量计算

土石方计算的方法有很多，例如方格网法、等高线法、断面法、散点法等[9]，变电工程实际中一般多采用方格网法计算土石方工程量，将站区红线范围内用地根据工艺需求标高划分为不同区块，将每个区块再划分为多个边长为a 的小方格。最后通过计算软件测算出每个方格点的施工高度，第k 个方格内的挖填方量计算公式为：

式中：Vk-第k 个方格内挖填土石方量；a-方格边长，通常取10～20m；h1、h2、h3、h4-方格各角点的挖填高度。

第k 个方格内区域土方计算简图如图3 所示：

图3 方格网法土方计算示意图

2.3 土石方计算误差分析

（1）地形图测量误差。测量误差主要受测量仪器的准确度、观测者的技术水平以及温度、湿度、风力等外界条件的影响。这些影响因素可能导致测量地形图与实际地形存在误差。（2）土石方计算方法误差。方格网计算公式将四角高度不一致的不规则几何体简化为四角高度一致的长方体来计算其体积，忽略方格区内地形的起伏变化，这样的计算结果存在一定误差。如图4 所示。另外，方格网计算时，方格间距大小也影响计算精度，方格间距越小，精度越高。考虑到地形图比例等因素，方格网间距一般取10～20m。（3）建构筑物基槽余土的计算误差。变电工程建构筑物基础基槽余土计算时，除场地封闭、道路结构层等可以相对准确的计算外，涉及工艺专业的建筑物基础、设备基础、地下管线等以及详细的地基处理方案通常均难以精确提供，仅靠设计人员的经验数据估算。（4）土壤松散系数误差。土壤经过挖掘后，原土体组织破坏，体积就会增加，因此，挖填平衡计算时必须考虑土壤松散系数的影响。变电工程建构筑物基础基槽余土有的位于原始挖方区，有的位于初平后的填方区，土质类型不同，土壤松散系数随土壤类别而不同，另外，每一类土的松散系数本身就是一个范围值，设计人员应用时都是根据自己的经验进行取值，导致土石方量计算误差。（5）清表、清淤的计算误差。变电工程场平施工前，植被、草皮、杂填土、耕植土、腐殖土、淤泥等应清除干净。由于清表、清淤的土方均需外运，故有必要精确计算该部分工程量。清表工程量一般按照经验将整个站区取一定厚度予以估算，清表土一般不作为回填土，若是对清表土进行过筛处理后则可利用，清表土的可利用率具体是多少不易确定。（6）基坑回填未按照规范要求分层夯实。根据现行国家标准，填方工程均要求分层碾压密实，密实度达到0.94 以上。但现场施工过程中，往往很难严格执行该要求。（7）基坑回填粒径不满足要求。对于基坑开挖遇到坚硬基岩的工程，通常需先采用爆破施工，再对大粒径的块石进行二次破碎后方可回填，工程实施工程中，未按照相关要求进行二次破碎回填的大块石会形成底部空隙，导致密实度达不到要求，还会导致后期场地发生不均匀沉降。（8）就地取材。对于土层较好（土、石可兼做建筑材料）的站址，工程实际实施过程中，可能出现就地取材现象。挖出来的土石被用作建筑材料，后期回填时造成土方不够的现象。

图4 土方计算公式误差图

2.4 减少土石方计算误差的措施

虽然土石方工程有误差，难以真正平衡，但也应力求做到误差最小，尽量消除土石方不平衡导致的余缺土量。

（1）土方平衡初平标高容易控制，甚至可以根据实际进行调整，终平标高的确定主要取决于基槽余土工程量。因此，应加强基槽余土计算的准确性。

表1 不同土质松散系数取值

（3）清表土不一定全部外运，过筛后有部分土可用于回填，适当控制清表再利用的比例，即可减少外运量又可有效利用土方。

（4）作为设计单位，可在工程开工伊始，提醒业主及监理单位做好现场土方倒运集中管理工作，尽力避免后续土方扯皮事件。

（5）强夯地基处理后，理论上强夯会使得强夯区域会沉降一定深度，但根据多个工程实际经验表明，由于强夯后基础开挖又将该部分夯压密实的土方挖松，待基础施工完毕后，由于受基础等构筑物的限制，大型机具很难完全碾压到位，存在碾压盲点，回填土的密实度不可能达到强夯时的效果，所以，强夯地基处理时夯沉量远没有理论计算的多。

（6）施工过程中，监理单位应督促施工单位严格按照相关规程规范要求进行基坑回填，严格控制回填土粒径及压实密实度。

3 结论

在实际工程中，经常遇到因土石方量计算值与现场实际发生量间的误差而产生的纠纷。基槽余土工程量及土方平衡计算时，不能局限于图面计算，而应把影响基槽余土计算和土方平衡计算的各种因素综合考虑全面一些，才能使得计算工程量与实际施工基本吻合，将误差降到最小。

本文结合工程实例，总结了基槽余土计算内容、统一了基槽余土计算原则，分析了土方平衡计算的误差原因，并提出了减小误差的措施，为后续变电工程基槽余土及土方平衡计算提供参考。