山西垣曲抽水蓄能電站工程上水庫挖填平衡分析研究

潘永慶，劉文斌

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

山西垣曲抽水蓄能電站位于山西省運(yùn)城市垣曲縣境內(nèi)，電站裝機(jī)容量為1 200 MW，為Ⅰ等大（1）型工程，電站由上水庫擋水建筑物、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫擋水及泄水建筑物等組成。上水庫位于東坪村所在的關(guān)家溝溝首部位，下水庫位于垣曲縣院后村下游約0.5 km 的清水河主河道上。上水庫總庫容775.00 萬m3，下水庫總庫容1 059.00 萬m3。上、下水庫大壩均為1 級(jí)建筑物，最大壩高分別為111.2，81.3 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)均為200 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)均為1 000 年一遇。該工程建成后可承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務(wù)。

2 上水庫結(jié)構(gòu)布置

上水庫大壩位于上水庫庫區(qū)兩條支溝交匯處。壩址區(qū)的溝谷斷面形狀為兩岸基本對(duì)稱的“V”字形，溝底高程為842.0～864.0 m，正常蓄水位的溝谷寬度為385.0～410.0 m。大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程為969.5 m，壩頂寬10.0 m，主壩軸線長(zhǎng)425.0 m，最大壩高為111.2 m。上游壩坡比為1∶1.75，下游壩坡比為1∶1.6。壩后設(shè)有1 號(hào)渣場(chǎng)，渣場(chǎng)頂高程為910.0 m。壩體堆石料分區(qū)從上游至下游依次為墊層區(qū)、過渡層區(qū)、上游主堆石區(qū)、下游次堆石區(qū)、干砌塊石護(hù)坡。墊層區(qū)及過渡區(qū)水平寬度均為3.0 m，次堆石區(qū)底部設(shè)置4.0 m 厚排水層和1.0 m 厚過渡層。壩體下游880.0 m 高程以下設(shè)置增模區(qū)，增模區(qū)與次堆石區(qū)之間設(shè)1.0 m 厚過渡層。次堆石區(qū)上部設(shè)置5.0 m厚、下游側(cè)設(shè)置水平寬度為5.0 m 的主堆石保護(hù)。

庫區(qū)總體地勢(shì)為西北高東南低，為北、西、東三面環(huán)山的庫盆，水庫天然封閉條件較好。上水庫庫盆采用瀝青混凝土面板全庫防滲，庫頂高程為969.5 m，庫底高程為932.0 m，庫周面板坡比為1∶1.75，環(huán)庫路軸線長(zhǎng)度為2 148.0 m。

3 上水庫大壩及庫盆開挖與填筑

3.1 開挖

大壩壩基開挖安排在2024 年1 月至4 月，分岸坡和河床兩部分，先挖岸坡，后挖河床，左、右岸工作面同時(shí)進(jìn)行。壩基開挖均為土方明挖，開挖采用132 kW 推土機(jī)集料，3 m3挖掘機(jī)裝20 t 自卸汽車運(yùn)至1 號(hào)棄渣場(chǎng)，開挖總量為39.06 萬m3。

庫盆表土剝離在2024 年1 月至4 月，庫盆土方、石方開挖在2024 年5 月至2026 年6 月。庫盆開挖時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行表土剝離，庫內(nèi)表土剝離總量為19.05 萬m3，并運(yùn)至上水庫表土?xí)捍鎴?chǎng)暫存。庫盆土方明挖量為207.13 萬m3，采用132 kW 推土機(jī)集料，局部機(jī)械無法施工的部位輔以人工開挖，采用3 m3挖掘機(jī)裝20 t 自卸汽車運(yùn)輸至1 號(hào)棄渣場(chǎng)棄渣。石方開挖總量為388.06 萬m3，采用ROC742液壓履帶鉆機(jī)鉆孔，為保證爆破石料的級(jí)配符合填筑料的要求，采用分層微差擠壓爆破，石渣由132 kW 推土機(jī)配合3 m3裝載機(jī)裝20 t 自卸汽車直接運(yùn)輸，其中，弱風(fēng)化及以下開挖料部分運(yùn)至上水庫大壩作主（次）堆石料、過渡料、排水料及干砌塊石利用，其余運(yùn)至棄渣場(chǎng)。

3.2 填筑

大壩主堆石、增模區(qū)、墊層、過渡層、排水層、干砌石護(hù)坡，庫底主堆石、墊層、過渡層，以及庫周開挖區(qū)墊層、回填區(qū)墊層、過渡層、主堆石等區(qū)域采用硬質(zhì)巖填筑；大壩、庫底及庫周次堆石區(qū)采用軟硬巖混合料填筑。硬質(zhì)巖填筑料采用明挖硬質(zhì)巖及石料場(chǎng)開挖石料作為料源，軟硬巖混合填筑料采用明挖軟硬巖混合料作為料源，混凝土骨料及墊層料毛料利用上水庫區(qū)石方洞挖料及石料場(chǎng)明挖硬質(zhì)巖作為料源。

上水庫大壩及庫盆填筑料約488.90萬m3（自然方，下同），其中，硬質(zhì)巖填筑料約289.40 萬m3，軟硬巖混合填筑料約198.70 萬m3，砌石料約0.80 萬m3。上水庫區(qū)混凝土骨料及墊層料毛料需要量約53.30 萬m3。

大壩主堆石料及次堆石料填筑分別安排在2024 年5 月至2026 年7 月中旬、2024 年5 月至2026年7 月，壩體填筑采用庫盆石方明挖硬巖料及程家山料場(chǎng)石方明挖硬巖料；大壩墊層料、過渡料填筑安排在2024 年5 月至2026 年7 月，墊層料來自上水庫砂石料加工系統(tǒng)；大壩下游干砌塊石護(hù)坡安排在2024 年6 月至2026 年8 月中旬。

庫底、庫周主堆石料分別安排在2026 年3 月至6 月、2026 年2 月至5 月，庫底、庫周主堆石料填筑采用庫盆石方明挖硬巖料及程家山料場(chǎng)石方明挖硬巖料；庫底墊層料、庫底過渡料、庫周墊層料、庫周過渡料分別安排在2026 年7 月至9 月、2026 年6 月至8 月、2026 年3 月至6 月、2026 年2 月中旬至6 月中旬，墊層料來自上水庫砂石料加工系統(tǒng)，過渡料填筑采用庫盆石方明挖硬巖料及程家山料場(chǎng)石方明挖硬巖料；庫底、庫周次堆石料分別安排在2026 年4 月至6 月、2025 年9 月至2026 年5 月，庫底、庫周次堆石填筑采用庫盆明挖軟硬巖混合料。

4 上水庫土石方利用時(shí)序分析

為減少棄渣占地和棄渣場(chǎng)防護(hù)工程量，盡量多利用開挖料，并在進(jìn)度上盡量協(xié)調(diào)開挖與填筑的時(shí)間安排，應(yīng)優(yōu)先使用在進(jìn)度上能與填筑相匹配的可用開挖料，不能直接利用的可用開挖料可以先進(jìn)行暫存，再進(jìn)行回采利用[1]。

1）硬質(zhì)料填筑

硬質(zhì)巖填筑部位主要包括大壩主堆石區(qū)、增模區(qū)、排水層、庫底主堆石、庫底過渡層、庫周回填區(qū)主堆石、庫周回填區(qū)過渡層等。硬質(zhì)巖開挖工期安排在2024 年1 月至2026 年6 月，上水庫大壩主體填筑工期安排在2024 年5 月至2026 年7 月中旬，二者時(shí)間基本一致，因此，庫盆、壩基等部位明挖的硬巖料可以直接上壩。經(jīng)復(fù)核，硬質(zhì)巖開挖小于同時(shí)段的硬質(zhì)巖填筑強(qiáng)度，需由程家山料場(chǎng)明挖硬巖料補(bǔ)充上壩。

2）軟硬巖混合料填筑

軟硬巖混合料填筑部位位于大壩、庫底、庫周次堆石區(qū)。軟硬巖混合料的開挖時(shí)間為2024 年1月至2026 年6 月，填筑工期安排在2024 年5 月至2026 年6 月，二者時(shí)間基本一致，軟硬巖混合料開挖后可以直接上壩。經(jīng)復(fù)核，軟硬巖混合料的填筑料強(qiáng)度前期稍小、后期較大，與開挖強(qiáng)度不匹配，因此，可根據(jù)填筑強(qiáng)度相應(yīng)地調(diào)整開挖強(qiáng)度及時(shí)間，開挖出的多余部分可在開挖面附近暫存，以供后期使用。

3）混凝土骨料及墊層料毛料

上水庫庫區(qū)石方暗挖部位及混凝土澆筑部位多，石方洞挖與混凝土澆筑時(shí)間交錯(cuò)在一起。經(jīng)復(fù)核，前期的石方洞挖料開挖強(qiáng)度大于同時(shí)段的混凝土骨料及墊層料毛料加工需要量，工程施工時(shí)，應(yīng)優(yōu)先利用洞挖料作為混凝土骨料及墊層料的毛料進(jìn)行加工，并將多余的開挖料運(yùn)至?xí)捍鎴?chǎng)暫存。后期洞挖料不足以供應(yīng)上水庫砂石骨料加工系統(tǒng)時(shí)，由程家山石料場(chǎng)明挖硬巖料進(jìn)行補(bǔ)充[2]。

上水庫主要項(xiàng)目時(shí)間安排見表1。

表1 上水庫主要項(xiàng)目時(shí)間安排表

5 上庫區(qū)料源選擇及土石方平衡

5.1 上水庫區(qū)開挖量及其可利用量

上水庫區(qū)（不含籌建期項(xiàng)目）主要工程項(xiàng)目有上水庫大壩、上水庫庫盆、上水庫輸水系統(tǒng)、上水庫施工導(dǎo)流等。上水庫區(qū)墊層料、混凝土骨料由上水庫砂石加工系統(tǒng)供應(yīng)，大壩、庫盆填筑料由上水庫工程開挖料和程家山料場(chǎng)開采料提供[3]。

上水庫大壩及庫盆土方開挖量為246.20 萬m3（自然方，下同），硬質(zhì)巖石方開挖量為252.20萬m3，軟硬巖混合料石方開挖量為135.90 萬m3。石方明挖中的弱風(fēng)化及微風(fēng)化巖石均可利用，經(jīng)計(jì)算，明挖硬巖料可利用料約為227.10 萬m3。

上水庫程家山料場(chǎng)明挖土石方量為311.70 萬m3，其中，土方明挖量為28.90 萬m3，石方明挖量為282.60 萬m3，石方洞挖量為0.20 萬m3。石方開挖中的弱風(fēng)化及微風(fēng)化巖石均可利用，經(jīng)計(jì)算，程家山料場(chǎng)明挖硬巖料可利用量約為204.0 萬m3（為開挖補(bǔ)充料）。

上水庫輸水系統(tǒng)土石方開挖量為42.20 萬m3，其中，土方明挖量為5.20 萬m3，石方明挖量為16.60 萬m3，石方洞挖量為20.40 萬m3。石方洞挖中的弱風(fēng)化巖石及微風(fēng)化巖石均可利用，經(jīng)計(jì)算，可利用洞挖石方量共12.60 萬m3。

上水庫施工導(dǎo)流共開挖土石方量為4.30萬m3，其中，土方開挖量為2.90 萬m3，石方明挖量為1.30萬m3，土石方開挖料均作棄渣處理。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上庫區(qū)土石方開挖總量約為992.50萬m3，包括土方明挖283.20 萬m3、石方明挖688.70 萬m3、石方洞挖20.60 萬m3。明挖硬巖料可利用量約為431.10 萬m3，洞挖硬巖料可利用量約為12.60 萬m3。

5.2 上水庫區(qū)填筑量及土石方平衡

1）上水庫石方填筑料需要量為492.30萬m3，其中，上水庫大壩及庫盆石方填筑料約為488.10萬m3（硬質(zhì)巖填筑料約為289.40 萬m3，軟硬巖混合填筑料約為198.70 萬m3），上水庫大壩需砌石料約為0.80 萬m3，上水庫過渡料及排水層填筑量料約為3.40 萬m3。

上水庫區(qū)明挖硬巖料可利用量約為227.10 萬m3（硬質(zhì)巖填筑區(qū)、軟硬巖混合填筑料區(qū)、干砌石、1 號(hào)渣場(chǎng)基礎(chǔ)處理的工程量分別為126.10，96.80，0.80，3.40 萬m3），直接利用上水庫軟硬巖混合料為101.90 萬m3。經(jīng)平衡計(jì)算，需從石料場(chǎng)補(bǔ)充硬巖料163.30 萬m3。

2）該工程上水庫區(qū)混凝土骨料及墊層料毛料需要量約為53.30 萬m3，上水庫區(qū)石方洞挖料可利用量約為12.60 萬m3，經(jīng)土石方平衡計(jì)算，需由程家山料場(chǎng)補(bǔ)充硬巖料40.70 萬m3。

上水庫區(qū)開挖石方料共利用545.60 萬m3，其中，直接利用533.00 萬m3（庫盆開挖硬巖料227.10萬m3，程家山料場(chǎng)補(bǔ)充硬巖料204.00 萬m3，軟硬巖混合料101.9 萬m3），暫存利用12.60 萬m3?？鄢纤畮靺^(qū)開挖石方利用料，共計(jì)棄渣446.90 萬m3，折合成松方為586.10 萬m3。

6 結(jié)語

在抽水蓄能電站建設(shè)過程中，土石方平衡、土石方利用時(shí)序是上水庫施工中的核心要素，不僅關(guān)乎到電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，還緊密地聯(lián)系著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的理念。本文通過分析上水庫區(qū)土石方利用時(shí)序及土石方平衡，制定開挖與填筑總量平衡、時(shí)間協(xié)調(diào)的施工計(jì)劃，減少了棄渣的二次倒運(yùn)，降低了工程投資，為工程實(shí)施提供了技術(shù)參考。在實(shí)際庫盆開挖施工中，還應(yīng)依據(jù)大壩各料區(qū)對(duì)填筑料的不同要求，進(jìn)行控制爆破和挖裝，減少可利用料的損失，進(jìn)一步降低工程投資。