武宣县高达水库枢纽工程土石方平衡分析

马丹荣

（玉林市水利电力科学研究院，广西 玉林 537000）

0 引言

土石方平衡是指建设项目在设计和施工过程中，根据场地原始标高和建构筑物设计高程，对土石方的数量、质量、运输及利用方式等各项因素进行综合分析，计算出土石方的挖填量。 计算时，尽可能做到挖填平衡，避免多次倒运，减少废弃土石方。对于新建水库工程，尤其是采取土石坝方案的水库工程，由于挖填方量巨大，土石方的调配是否合理，对工程建设成本、进度控制、生态保护等有显著影响。 一些学者和专家对水利工程的土石方平衡分析方法和内容进行研究。 张捷以华安罗溪水库为例，从表土剥离保护与利用、土石方利用、余方去向等方面，对土石方问题进行了分析，并提出了土石方综合利用建议［1］。郭建飞以温泉水利枢纽为例，重点研究了工程开挖料来源及去向，通过合理规划施工分区和运输路线，大大降低了工程投资［2］。张洪川以西藏某大型水利枢纽为例，采用表上作业法和闭回路法对土石方调配最短运输线路进行了研究，通过比选得到最优调配方案［3］。但在目前的研究中，针对土石方平衡过程中水土流失防治、临时堆放及转运等方面的研究不多。 武宣县高达水库枢纽工程在施工时，对土石方平衡过程中的关键环节进行了优化设计，实现了土石方资源利用率最大化的目的。

1 工程概况

1.1 工程规模

武宣县高达水库枢纽工程位于广西壮族自治区来宾市武宣县境内黔江支流东乡河上游，距东乡镇约12 km，距武宣县城约37 km，是一座以供水为主，兼顾灌溉、事故备用等综合利用的中型水库，工程等别为Ⅲ等，永久性建筑物按3 级设计，次要建筑物按4 级设计，临时建筑物按5 级设计。 坝址以上流域集水面积为27.60 km2， 主河道长为10.10 km，平均坡降为37.5‰。水库正常蓄水位为276.00 m，设计洪水位为276.48 m，校核洪水位为278.44 m，死水位为238.50 m，总库容为1 090.00 万m3，兴利库容为923.00 万m3，调洪库容为145.80 万m3，死库容为21.20 万m3。 该工程输水管线总长度为33.85 km，设计灌溉面积为386.67 hm2， 设计流量为0.678 m3／s，设计最高日供水量为4.47 万m3／d。

1.2 工程布置

武宣县高达水库枢纽工程主要由水库枢纽和输水管线两大部分组成，建设内容包括大坝、溢洪道、导流隧洞、放水塔、移民安置区、运行管理区、生产道路复建、高压电线迁建、输水管线铺设等。 工程总占地面积为148.54 hm2，其中永久占地为96.11 hm2，临时占地为52.43 hm2，占地类型为耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地、交通运输用地、住宅用地等。

（1）水库枢纽工程布置。 该工程采用塑性混凝土心墙土石坝，大坝坝轴线呈直线布置，与河道走向基本垂直。坝顶总长为601.00 m，从左到右的布置依次为：左岸回车场段（20.00 m），塑性混凝土心墙土石坝段（548.00 m），溢洪道控制闸段（22.20 m），右岸连接段（10.80 m）。

（2）输水管线工程布置。 输水管线分坝首至东乡镇、 东乡镇至三里镇和三里镇至武宣县城3 段布置，长度分别为13.20 km、11.60 km 和9.05 km，设计流量分别为0.678 m3／s、0.678 m3／s 和0.582 m3／s。管线终点连接规划自来水厂， 全程采用重力式输水方式。输水管道主要采用DN800 内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCP-L 管），沿程阀井、跨河、顶管、倒虹吸段采用D813×12.5 的直缝焊接钢管， 其中顶管下穿道路共计8 处，跨河管桥4 处，倒虹吸下穿河道15处，均采用单管敷设。 沿途设3 座减压水池，在每个分段结束位置均设1 个分水口。

1.3 工程地质概况

工程区域属于湘桂赣褶皱带与华夏褶皱带的接界处，是广西山字形的前弧东翼及其盾地的一部分，区域下古生代末期的加里东运动表现明显， 形成紧密线状复式褶皱，构成区域基底。

坝址区域出露地层有泥盆系下统莲花山组、那高岭组和中统郁江组以及第四系， 地表多为第四系地层覆盖，主要岩性为洪坡积碎石土、残坡积土和卵石、漂石等。 溢洪道区域岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩，地表覆盖层为残坡积土，下部为强风化、弱风化、微风化岩。 导流隧洞进口段位于弱风化泥质粉砂岩中，出口段位于强风化、弱风化泥岩层中，全段无不利的极软岩层分布。 输水管线沿线多为第四系所覆盖，主要岩性为人工填土、残坡积土和卵石、漂石等，下伏地层有泥盆系中统郁江组和东岗岭组、 上统榴江组及石炭系下统、中统大埔组［4］。

工程所选料场山体可开采料源丰富， 局部基岩裸露， 地表局部发育沟槽， 上部分布厚层残坡积黏土，厚约0.50～8.50 m，下伏基岩以那高岭组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、石英细砂岩及泥岩为主，岩体强风化下限深度约为5.00～15.00 m， 开采料在数量和质量上均能满足工程所需。

2 土石方挖填数量计算

2.1 计算原则

（1）完整性。 土石方工程量计算应全面、完整地考虑工程各建设项目， 将所有动土区域纳入计算范围。（2）准确性。土石方工程量计算应基于准确的数据和信息进行，严格按照设计图纸、工程规范和技术要求进行计算。（3）一致性。土石方工程量计算使用的单位、精度及方法等应基于统一的标准和规范，结果可量化，便于分析和决策。（4）适用性。土石方工程量计算方法众多，应根据工程实际情况，合理选择计算方法，确保计算结果的准确性。

2.2 计算方法

常用的土石方工程量计算方法主要有方格网法、DTM 法和断面法等。 （1）方格网法。 根据实测地形及设计标高， 通过软件将测区分割成多个具有一定距离的正方形方格，计算每一方格的挖填土方量，再进行累加。该方法主要适用于地形起伏不大，坡度变化平缓的场地。（2）DTM 法。利用实测地形碎部点数据和特征点数据构成三角网， 按照柱体体积计算挖填土方量，再进行累加。该方法主要适用于地形起伏大，精度要求高的山区工程。（3）断面法。根据实测地形及设计断面， 取相邻断面面积平均值与断面间距求积，再进行累加。 该方法在各类工程项目、各种地形的适用性较好。 它还可以通过加密断面来降低计算误差。

由于高达水库枢纽工程建设内容多、范围广、地形变化大，考虑计算精度和可操作性，借鉴类似工程经验，根据工程特点进行施工区段划分，然后选用断面法进行土石方工程量的计算， 并按照“1 自然方=0.85 实方=1.33 虚方”的关系式，将计算结果统一换算为自然方。

2.3 计算结果

根据计算原则及方法，结合工程实际情况，将工程划分为大坝工程、溢洪道工程、导流隧洞工程、库区临时工程、生产道路复建工程、移民安置工程、施工临建工程、输水管线工程和其他工程（上坝公路、会车平台、运行管理区、放水塔衔接道路等），分别进行土石方计算。

为保护表土资源， 对于工程占地范围内存在的可剥离表土区域按照0.30 m 厚度进行表土剥离，并堆放在专门的堆放场地， 用于各建设区后期场地复垦、复绿覆土。剥离表土与普通土石方分别堆放在临时堆土场内，并采用必要的苫盖、拦挡等防护措施。

经计算分析，工程挖填方总量为209.09 万m3，其中开挖总量为69.07 万m3，回填总量为140.02 万m3，利用总量为46.25 万m3， 借方总量为93.78 万m3，工程弃渣总量为22.82 万m3，具体如表1 所示。

表1 土石方平衡分析表Tab.1 Analysis of soil and rock balance

3 临时堆土场规划

在满足数量和质量的前提下，为减少工程投资，在进行工程填筑时，应根据工程建设时序，尽可能利用各分部工程自身的开挖料， 如坝体填筑利用坝基开挖料、溢洪道填筑全部利用自身开挖料等。结合土石方开挖、回填施工时序和工程总体进度安排，为满足土石方临时堆放以及转运需要， 在工程建设范围内，选适当位置设置临时堆土场，用以堆放后期进行回填利用的开挖土石方。

3.1 水库枢纽工程临时堆土场

水库枢纽工程临时堆土场用于堆放大坝工程、溢洪道工程、导流隧洞工程等工程的多余开挖土方，并将表土与普通土进行分区堆放。 根据施工平面布置， 水库枢纽工程临时堆土场设置在大坝上游约200 m 处，占地面积约为3.00 hm2，全部位于水库淹没区内，占地类型为林地，现状地形较为平缓，满足土石方堆放要求。 根据施工进度对堆土进行转运回填，综合运转距离小于0.50 km。 水库枢纽工程临时堆土场特性如表2 所示。

表2 水库枢纽工程临时堆土场特性Tab.2 Characteristics of temporary mound yard of reservoir junction project

3.2 输水管线工程临时堆土场

输水管线工程考虑分段施工，每个工段长约500m。 输水管线工程临时堆土场随管线分段设置。 在管沟两侧15 m 征地范围内，灵活布置临时堆土场，单个堆土场的占地面积为200～300 m2，且将表土与普通土进行分区堆放，堆土高度约为2 m，坡比为1∶2［5］。

3.3 临时堆土场度汛设计

水库枢纽工程临时堆土场北侧最低地面比汛期上游水位低0.90 m， 为确保汛期堆土安全， 在汛期前，根据施工工序，尽量将临时堆土场内的堆土转运到施工区域，进行回填，以减少场内堆土。另外，还应在场地迎水侧设置袋装土拦挡（袋装土拦挡采用场地内堆土），表面覆盖彩条布。 如彩条布在汛期期间有破损，应及时修复。 汛期结束后，应及时将场地内积水排干，并拆除袋装土拦挡，对拆除料及场地内湿土进行就地平整晾晒。

3.4 水土流失防治措施设计

在外力的作用下，临时堆土容易产生水土流失，于是需考虑在堆土边界采用编织土袋进行临时拦挡。在拦挡周边设置临时排水沟，在排水出口设置临时沉砂池。若施工期遇降雨，堆土坡面采用密目网苫盖防护。 施工结束后，将临时措施全部拆除，对临时占地部分进行复垦、复绿。

3.5 方案评价

水库枢纽工程临时堆土场位于水库淹没区内，工程完工后，将全部淹没在库区内，所以没有新增临时占地，有利于水土保持。但场地北侧距离河道约为35 m，由于地面略低于汛期水位，汛期需采取一定的措施，以安全度汛。输水管线工程临时堆土场随管线分段施工在管沟两侧15 m 征地范围内灵活布置，也避免了新增临时占地，有利于水土保持。管线安装完成后，及时回填，对占用耕地、园地部分进行复垦设计，恢复其原有耕种性质，符合水土保持要求。

4 料场规划

根据土石方平衡分析， 工程建设共产生借方总量为93.78 万m3（其中土方25.70 万m3，石方68.08万m3），主体工程所需借方均从料场开采，同时建筑材料块石、砂也从料场开采，进行加工。 结合地质勘探结果，工程共选择4 处料场，其中4＃料场为备用料场，施工期间从1＃～3＃料场采料。

4.1 料场布置

1＃～3＃料场均位于库区中部右岸山坡上，其中1＃料场距坝址约1.00 km，2＃料场距坝址约0.50 km，3＃料场距坝址约0.90 km。 料场自上而下为残坡积土、风化基岩，基岩岩性以粉质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩为主。料源为中厚至厚层状灰岩，岩石饱和抗压强度为20～40 MPa，质量能满足工程要求。料源地层产状较平缓，开采边坡整体稳定性好，仅需加强施工期临时支护处理。 料场总储量为188.40 万m3，其中土料29.60 万m3，软岩料52.40 万m3，硬质岩料106.40万m3。 各料场特性如表3 所示。

表3 水库枢纽工程料场特性Tab.3 Characteristics of material yard of reservoir junction project

4.2 料场开采设计

料场上覆土层作为土料进行开采， 其下为石料。料场具体开采方法为：先进行表层剥离，对地表灌木采用人工挖除，以履带式挖掘机配合人工清除，风化层采用风钻钻孔，人工装药爆破方式清除。 形成开采工作面后，采用自上而下的梯段开采方式，用YQ100型潜孔钻机钻孔，微差挤压爆破，梯段高度控制在8～10 m，以降低综合边坡和保证施工安全。施工时，优先使用1＃料场，其次为2＃料场，最后为3＃料场。

4.3 料场度汛设计

根据主体工程度汛方案，1＃和3＃料场开采底高程均高于汛期上游水位，2＃料场地势较低，需要考虑度汛问题。结合施工时序和大坝填筑工程量，大坝需在截流后第二年9 月至第三年4 月填筑至安全度汛高程。 在此期间，对2＃料场进行大方量开采，并在开采后形成的土质边坡上，及时进行喷播植草，同时做好养护工作，确保边坡植被恢复良好。 另外，还需在场地内配置足够数量的抽水泵， 以便及时抽排料场低洼处和水坑内的集水。 同时，对料场表面浸泡软化层进行剥离、晾晒。

4.4 水土流失防治措施设计

在设计的开采边坡顶部设截水沟， 在开采马道及坑底设置排水沟， 在排水沟转角和坑底设置集水坑，在排水出口设置沉砂池，汇集雨水进行抽排。 在施工期，遇降雨，采用密目网苫盖对开挖坡面进行防护。 由于料场大部分位于水库淹没区内，仅局部开采边坡位于正常蓄水位以上。 在开采结束后， 需要对正常蓄水位以上开采边坡进行喷播植草复绿。

4.5 方案评价

工程所选料场从数量和质量上均能满足填筑需求，开采边坡整体稳定性好，位置不在县级以上人民政府划定的崩塌和滑坡危险区、 泥石流易发区内，占地不涉及基本农田和城镇规划用地，且距离坝址位置较近，运距较短，经济可行。 料场大部分位于水库淹没区内，大大减少了征占地面积，通过采取截排水和复绿措施， 料场开采施工对周围环境的影响不大。

5 弃渣综合利用

根据土石方平衡分析， 工程建设共产生弃渣方量为22.82 万m3。由于工程弃土量较大，且在大坝枢纽工程附近较难找到合适的弃渣场， 通过对主体设计方案进行优化， 将部分弃渣回填至下游坝脚原河道处，形成坝脚盖重平台，与坝体结合，对多余及不可利用部分挖方进行外运处理。

5.1 坝脚盖重平台设计

坝脚盖重平台填筑投影面积约为1.60 hm2，采用分台阶填筑，将透水性较强的沙砾料、风化料回填于底部，顶部回填表土，平台填筑平面如图1 所示。经核算，坝脚盖重平台填筑方量为12.81 万m3，其中表土方量为5.62 万m3，普通土石方为7.19 万m3，具体如表4 所示。

图1 坝脚盖重平台填筑平面示意图Fig.1 Soil and rock for filling of dam foot cover platform

表4 坝脚盖重平台回填土石方来源表Tab.4 Source of soil and rock for backfilling of dam foot cover platform

5.2 外运处理

坝脚盖重平台回填后，工程仍剩余10.01 万m3弃渣，需进行处理。 原设计在坝址下游河道右岸100 m处的小冲沟内设置弃渣场， 但考虑到冲沟上游来水较大，且冲沟出口与溢洪道出口距离较近，为保证堆渣安全，需要布设较多的防护措施，致使投资较大，若不采取防护措施，失事造成的危害性较大，不符合水土保持要求。 因此， 对该弃渣方案进行了优化调整。经现场查勘，确定将剩余弃渣全部外运至武宣县东乡镇六库村白面山槟榔岭南侧一带虎头山采石场，用于矿坑回填。 其中，弃渣中的表土用于顶部回填。 堆渣结束后，进行复垦。 该矿坑深约为30.00～40.00 m，大致呈漏斗状，开口面积约为1.33 hm2，可容纳弃渣方量超过30 万m3，满足工程回填要求。

5.3 水土流失防治措施设计

坝脚盖重平台下游利用溢洪道边墙进行拦挡，平台四周设置排水沟和沉沙井， 填土内部设排水箱涵，与大坝排水棱体连接，水流汇集至河道内排出，主体设计的拦挡、排水措施较完善。如填筑施工期间遇降雨， 可考虑对裸露面采用密目网苫盖。 堆土结束、平台顶部回填表土后，撒播草籽，进行绿化。

5.4 方案评价

由于工程建设特性，会不可避免地产生一定方量的弃渣。通过回填坝脚盖重平台及外运至虎头山采石场，进行矿坑回填、复垦，不仅使废弃土石方得到妥善处理，避免因新增弃渣场而增加临时占地，还有效地利用了项目区内的表土资源，有利于水土保持。

6 结语

武宣县高达水库枢纽工程建设内容多， 土石方量大， 通过对工程土石方平衡进行分析， 从工程数量、 临时堆场、 料场选择及弃渣处理等主要环节入手，确定了合理的土石方调配方案。该方案尽可能地减少了扰动面积，避免了多次倒运，并充分地利用了表土资源，不仅降低了工程建设成本，还保护了生态环境。