垣曲抽水蓄能电站碱性骨料料源比选的研究

付 斌 景鹏云

(山西垣曲抽水蓄能有限公司，山西 垣曲 043700)

抽水蓄能电站主要由上水库、输水发电系统、地下厂房系统、下水库等组成，其中上水库主要功能为将从下水库泵送的水进行储存，相当于储存了电能，因此对上水库库盆防渗标准要求更高。沥青混凝土对骨料特性有很高的要求，已有工程应用的实践表明，酸性石料与沥青的黏结力较差,一般抗剥离等级达不到要求,因而沥青混合料的强度达不到要求。沥青与碱性石料的黏结力要好于酸性石料。经调查，国网新源控股有限公司下属60余家抽水蓄能电站上水库普遍采用沥青混凝土防渗，且全部电站沥青混凝土均采用以灰岩、白云岩等碱性岩石为主的骨料[1]。

1 工程概况

山西垣曲抽水蓄能电站，上水库库盆采用沥青混凝土简式面板防渗，面板坡比1 ∶1.75，沥青混凝土整平胶结层厚8cm，防渗层厚10cm，表面采用2mm厚的沥青玛蹄脂封闭，所需沥青混凝土工程量约6.28万m3，需要生产沥青混凝土成品骨料约14.68万t，所需毛料约17.46万t。在预可研阶段，中水东北勘测设计院对电站周边开展碱性骨料场普查工作，经普查，该区域灰岩较少，均为零星分布，随着普查力度不断加大，最后确定以前斜料场和乐尧料场作为料源地进行方案比选。根据土石方平衡计算，骨料设计开采需要量为7.56万m3(自然方)，考虑1.5倍的需求量，规划开采需要量为11.34万m3(自然方)[2]。为确定碱性骨料料源地，重点对前斜料场和乐尧料场从开采规划条件、储量对比评价、岩石物理指标、征地移民、施工期环境条件、经济投资等方面进行多角度、深层次分析比较。

2 对外交通条件

结合工程区附近公路现状及大宗外来物资来源情况，公路对外交通有3条线路可供选择：

线路一：垣曲高速收费站→长直乡→东南庄→上下库连接公路(简称北线)。

线路二：垣曲高速收费站→寨里村→前斜→关家沟→上下库连接公路(简称中线)。

线路三：垣曲高速收费站→寨里村→前斜→清水河桥→下库左坝头(简称南线)。

可研阶段，从工程投资、建设工期、交通条件、与场内交通衔接及与地方规划相适应等5方面，对3条对外交通线路进行了综合比较，最终选择北线为对外交通线路。经此线路，前斜料场距离上水库54km；乐尧料场距离上水库36km，运距较近(见图1)。

图1 碱性骨料料场分布

3 料场开采规划

3.1 前斜料场开采规划

前斜料场规划开采底高程为340m，设计开采底高程为360m，顶部开采高程为440m，规划开采深度为100m，覆盖层开挖坡比为1 ∶1.5，弱风化开挖坡比为1 ∶0.5，微风化开挖坡比为1 ∶0.3，每20m设置一级2m宽马道，规划开采面积1.12万m2，剥离量8.66万m3。

前斜料场场内需新建临时道路1.125km，临时公路按4级公路标准设计，路基宽7.5m，采用砂石路面。骨料开采运输总运距约54km，其中部分道路狭窄、破损严重，部分路段不具备大型车辆运输条件，需对约25km的路段进行重新修复扩建，整体开采运输条件较差。

料场开采后需对设计开采底高程360m以上边坡进行防护，主要防护措施：料场边坡采用喷混凝土防护，喷混凝土厚10cm；料场边坡较破碎范围内采用锚杆(L=3m,φ22mm)支护，锚杆间、排距1.5m，梅花形布置，锚杆入岩深度2.75m，局部挂钢筋网，网格20cm×20cm，钢筋直径8mm；距离料场开采边线外5m处布置浆砌石截水沟，净尺寸1m×1m(宽×深)，浆砌石厚0.5m。料场防护工程量见表1。

表1 前斜料场防护工程量

3.2 乐尧料场开采规划

乐尧料场规划开采底高程为690m，设计开采底高程为702m，顶部开采高程为758m，规划开采深度为68m，弱风化开挖坡比为1 ∶0.3，剥离量5.28万m3，规划开采面积0.62万m2。

乐尧料场开采条件相对较好，料场附近有公路经过，距离选定的对外交通公路较近，为7km，路况较好，至上水库骨料加工厂运距为36km。料场开采需新建3条临时公路，长度各为140m、500m和150m，分别连接料场730m高程、710m高程和690m高程。料场临时公路按4级公路标准设计，路总长0.79km，路基宽7.5m，采用砂石路面。

料场开采后需对设计开采底高程702m以上边坡进行防护，主要防护措施如下：料场边坡采用喷混凝土防护，喷混凝土厚10cm；料场边坡较破碎范围内采用锚杆(L=3m,φ22mm)支护，锚杆间排距1.5m，梅花形布置，锚杆入岩深度2.75m，局部挂钢筋网，网格20cm×20cm，钢筋直径8mm；距离料场开采边线外5m处布置浆砌石截水沟，净尺寸1m×1m(宽×深)，浆砌石厚0.5m。料场防护工程量见表2。

表2 乐尧料场防护工程量

经对比分析，乐尧料场运距较近，相对于前斜料场节省运距约18km，路况相对较好，临时道路的新建及现有道路的扩建与维护距离均更短，同时料场防护工程量更少，故乐尧料场整体开采运输条件相对较好。

4 料场储量评价

经实地测量勘察，乐尧料场长约100m，宽约70m，产地面积约7000m2，开采底面高程680m，开挖坡比1 ∶0.3，剥离层厚度平均7.7m；前斜料场长约82m，宽约68m，产地面积约5500m2，开采底面高程301m，开挖坡比1 ∶0.3，剥离层厚度平均12.0m。根据钻孔取样分析，两者灰岩溶蚀不发育，结构面较发育，综合考虑10%的溶蚀、溶洞及断层弃料[3-4]，两料场综合地质情况详见图2和图3。因两料场地形起伏较大、剥离层和无用层厚度不均匀，结合《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251—2015)要求，利用平行断面法进行储量计算，结合两料场规划，分别在乐尧和前斜料场取3、4个平行断面(见图2和图3)，算出断面有用层和无用层面积，结合断面间平均距离，算出有用层和无用层储量[5]，进行储量评价。两料场储量计算成果见表3。

图2 乐尧料场工程地质

图3 前斜料场工程地质

表3 平行断面法储量计算成果

经比较，两料场储量均满足设计需用量1.5倍的要求，乐尧料场相较于前斜料场，有用层储量更大，无用层体积更小，综合两料场储量比较，乐尧料场较优。

5 岩石试验结果及质量技术指标评价

为查明料场岩石物理力学性质，分别在前斜和乐尧料场各钻孔5处，分别进尺186m和241m，结合骨料需求量，按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251—2015)要求，各取6组磨片样进行岩石命名，各取5组岩样，按照《水利水电工程岩石试验规程》(SL/T 264—2020)等多种规范规定，进行室内岩体物理力学性质试验[6-8]，并在此基础上，按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251—2015)中对人工骨料的要求，进行质量技术指标评价。试验成果详见表4，灰岩原岩质量技术指标评价见表5。

表4 物理力学指标对比

续表

表5 原岩质量技术指标评价对比

试验成果表明：前斜料场鲕状灰岩饱和单轴抗压强度试验值55～80MPa，平均值为69MPa，为坚硬岩；软化系数0.67～0.93，平均值为0.79，不易软化；吸水率平均值为0.40%，吸水率低。乐尧料场鲕状灰岩饱和单轴抗压强度试验值78～106MPa，平均值为91MPa，为坚硬岩；软化系数0.32～0.41，平均值为0.38，不易软化；吸水率平均值为0.25%，吸水率低。经比较，两料场岩石均满足SL 251—2015中表观密度大于2.60g/cm3、吸水率小于2.0%、饱和抗压强度大于40MPa等主要物理力学指标要求，就具体指标数据而言，乐尧料场具有单轴抗压强度更高、吸水率更小、冻融损失率更小等优点，整体优于前斜料场。

6 对周边环境条件的影响

前斜料场位于垣曲县解峪乡前斜村板涧河右岸，紧邻村庄，考虑到施工期机械设备的大量进场，施工过程中骨料爆破开采、渣料运输会产生大量烟尘、噪声，严重影响周边居民正常生产生活，引发村民阻工、扰工等聚众性影响工程施工的风险增加，同时由于紧邻河道，环保水保形势严峻，外在不可控因素增加。

乐尧料场位于垣曲县解峪乡乐尧村西北侧，远离居民生活区域，料场征地范围内无自然保护区、水源保护区等制约工程建设的环保问题；乐尧料场为临时占地，工程结束进行植被恢复与重建，区内植物种类均为山西省内分布较广的物种，资源丰富且无珍稀物种，不会造成生物多样性降低和物种消失，施工期，料场的开采可能会造成水土的流失、生态的破坏[9]，但对环境的影响是暂时的、可逆的，在采取一定的措施后，可以恢复至原有状态，从环境角度来说，影响轻微，是可以接受的。

前斜料场紧邻村庄，涉及征地移民20人，实施难度较大。乐尧料场施工区征地主要包括临时道路、弃渣场和料场，临时道路按边坡开口线及回填坡脚线外1～2m控制，其他场地按边坡开口和回填边线外20m控制，并形成封闭的施工征地区，不涉及居民搬迁。

7 经济投资

在上述对比的基础上，充分考虑工程建设期料场开挖工程量、防护工程量、骨料的运输费用、临时道路的修建及维护费用、征地移民费用等方面，并参考当地物价水平，对两料场直接费用进行全面预估比较[10](见表6)。

表6 直 接 费 用 对 比

续表

从两料场直接投资进行比较，乐尧料场较前斜料场节省投资1000.5万元。

8 结 论

针对料源地的选择，本文以骨料开采运输条件、储量、岩石质量、周边环境、经济投资为重要关注点，多方面比较，得出以下结论：乐尧料场开采运输条件较好，运距较近，相对于前斜料场节省运距约18km，路况相对较好，临时道路的新建及现有道路的扩建与维护距离均更短，同时料场防护工程量更少；两料场储量以及岩石质量技术指标均满足现场需求和规范要求，相较而言，乐尧料场有用层储量更大，无用层体积更小，试验数据技术指标更优；乐尧料场对周边环境的影响更小，不涉及征地移民；乐尧料场直接费用更少，较前斜料场节省投资。综合以上比较，选取乐尧料场为山西垣曲抽水蓄能电站碱性骨料料源地。