2.11 溧阳主坝土石方平衡
2.11.1 土石方平衡调配概述
上水库主坝填筑工程量约1545万m3（包括垫层及反滤料等），下水库均质土坝填筑工程量约13.8万m3。上水库主坝填筑的主要料源来自下水库库盆开挖料及其他建筑物开挖的部分可利用料，下水库库盆土石方开挖总量约为2203万m3，库盆地基岩性以晶屑凝灰岩为主，穿插分布有安山岩和花岗斑岩岩脉，一般强风化下限埋深3～12m，覆盖层及全风化岩体开挖方量为324万m3，约占总开挖量的14.7%，覆盖层开挖料中的表层耕植土可用于厂区绿化回填土，冲洪积层合格土料可用于下水库均质土坝填筑；下水库强风化岩体开挖总量约为393万m3，约占总开挖量的17.9%左右，强风化料可用于上水库库底回填及坝体下游堆石区填筑；弱风化及其以下岩石开挖总量约为1486万m3，约占总开挖量的67.4%，弱风化料用于坝体主堆石填筑、坝体垫层及反滤料加工等。上水库库岸及地下输水发电系统开挖的可利用料，主要用于坝体过渡料填筑，由于下水库断层岩脉发育剔除率高，上水库开挖料多为强风化岩石能够用于主坝填筑的量很少（实际仅用了30万m3），使得能够用于主坝填筑的开挖料理论上达到平衡，不满足施工规范要求的富裕系数。因此需通过科学认真开展土石方平衡规划、管理，达到：不另外增加料源；加强料源鉴定与管理使可利用上坝料实现零弃渣，满足工程质量与数量的需求；提高直接上坝率，不新增渣场；最终实现开挖技术与环境保护的有机协调。
2.11.2 土石方动态平衡调配规划研究
2.11.2.1 可利用料源
溧阳工程主体土建共划分为四个标段，其中C1标为上水库大坝及下水库工程、C2标为上水库及进出水口工程、C3标为引水尾水支岔管和地下厂房系统工程、C4标为尾水洞工程（含调压井），土石方平衡调配以大坝堆石料填筑为中心，根据坝体填筑分区，结合各建筑物开挖进度要求、填筑石料来源和石料岩性质量的不同、弃渣场规划，进行综合分析、调配，以达到不新增料源和弃渣场为目的。在施工全过程中认真进行开挖可利用料、弃料质量控制，在施工总进度安排上，以大坝不同时期分区填筑所需的料源为中心安排相应的开挖工作，切实提高开挖料直接上坝率。根据动态土石方平衡计划，按照以挖定填的原则，对坝体结构分区进行适当调整。经综合分析研究，应考虑各类开挖料的直接利用情况。
1.下库弱风化利用料
根据主坝填筑分区质量要求，主坝的主堆石区、200m高程以下次堆石区、过渡料、坝基排水层料、坝后砌石用料、垫层料的加工毛料及其他零星建筑物砌体等用料，要求使用下库盆开挖的弱风化料。由于下库盆开挖区域大，开采条件较好，下库盆开挖除进出水口部位有工期要求外，其他区域开挖可以保留到水库蓄水前完成即可，工期调节余地较大，填筑过程中料源需求量的变化，可以在开挖中进行及时调整，在施工进度安排上，也可以做到开挖与填筑同步协调一致，但考虑到开挖与填筑工序有时间滞后效应，特别是大坝开始填筑阶段，需要使用弱风化料，不能完全做到同步，施工进度安排上考虑1个月的备料时间，打开弱风化料开挖工作面，弱风化岩备料量控制在20万m3左右，经小颗粒料剔除处理后，单独在1＃中转料场储备，供大坝填筑初期坝基排水层填筑使用，下库开挖的弱风化料的直接上坝率为100%。
2.下库的强风化利用料
下库的强风化利用料，可用于主坝200m高程以上的下游次堆石区和上库库底回填，由于主坝填筑到200m高程以前，要求使用的均为弱风化料，因此，该阶段开挖所产生的强风化可用料均需要进入周转料场储备，在主坝填筑到200m高程以后，开挖的强风化料可直接上坝用于下游次堆石区填筑，根据对下库强风化料综合利用情况分析，强风化可利用料总量约为143.9万m3，其中在主坝填筑到200m高程以前，开挖所产生的强风化可利用料约为81.8万m3，以后为62.1万m3，下库强风化可利用料的直接上坝率为43.2%，间接利用料暂存右岸永久弃渣场备用。
3.下库的土方利用料
下库的土方覆盖层开挖总量有324.7万m3，表层50cm为耕植土，总量约35.0万m3，可作为工程后期厂区绿化复耕用土，进入表土场堆存，表土场容量为25万m3，堆满为止，均为间接利用，多余的按弃土处理，进入右岸冲沟主弃渣场；下部的沉积土及坡积土可用于下库均质土坝及围堰填筑，扣除各类施工损耗系数，可利用量约为203万m3，用于下库围堰及土坝填筑的需要量仅为17.2万m3，其余可利用土料堆存在下库周边黏土堆场（堆场容量180万m3），多余土方进入上库右岸主弃渣场，由于可利用土方富余量很大，调节余地大，下库土坝及围堰填筑的直接利用率可以做到100%。
4.C2标（上水库）向C1（大坝及下水库）标供应石料
根据招标文件要求，C2标（上库岸开挖料）应向C1标提供82万m3的强风化料、27万m3的弱风化料、2.8万m3的洞挖料，强风化料用于主坝200m高程以上次堆石区填筑，弱风化料主次堆石区都可以使用，洞挖料优先用于坝体过渡区填筑，从石料开挖的时间分析，上库1＃副坝和库岸一区开挖的强风化料除用于库底一期回填外，多余部分约24.1万m3，不具备直接上坝条件，需要进入2＃中转料场储存，其余石料从理论上分析，通过调整库岸开挖进度，有直接利用的条件，但由于分标的因素，两个标段的施工进度很难做到协调一致，根据招标文件的事先约定，C2标向C1标供应石料中，不少于30万m3的强风化料、10万m3的弱风化料直接利用，其余的为间接利用，进入2＃中转料场储存，C2标向C1标供应石料的直接利用率为35.8%。
5.C3标（地下厂房）向C1标供应石料
根据招标文件要求，C3标（地下洞室开挖料）应向C1标提供11万m3的洞挖料，用于坝体过渡区或主堆石区填筑，从石料开挖的时间分析，在2011年6月主坝开始填筑以后，即具有直接利用的条件，但由于分标的因素，不同标段较难协调一致，均需转存按间接利用考虑。
6.其他零星开挖回填料
下库进库公路、下库蓄水管路的回填等，使用开挖的土石混合料，均考虑直接利用。
根据上述分析，主坝各填筑料源的直接利用率情况汇总详见表2-25。
表2-25 主坝各填筑料源的直接利用率情况汇总表
注 1.本标没有利用价值的开挖项目，未列入本表中。
2.堆存在下库土黏堆场的黏土料，没有回采填筑的需求，实际为弃土料，黏土料的直接上坝率为100%。
3.表中数据均为开挖自然方，单位：万m3。
主坝及下库均质土坝各区填筑料的直接上坝率情况见表2-26。
表2-26 主坝及下库土坝各区填筑料的直接上坝率情况汇总表
注 1.垫层及反滤料为人工加工料，未参加直接上坝率统计。
2.表中数据均已转换成开挖自然方量，单位：万m3。
从表中分析成果可见，该工程开挖的大部分石料均可直接上坝，主坝填筑料的直接上坝率达到90.2%，下库土坝的直接上坝率达为100%。弱风化料除前期需要少量备料外，其余均可做到直接上坝，主要中转上坝的填筑料是大坝上部次堆石区的强风化料，需要等坝体填筑至200.00m高程以后才能开始填筑，前期开挖产生的强风化料需要中转上坝，另外部分洞挖料由于分标因素，进度较难协调，产生了部分中转上坝料，如果施工过程中采取措施，加强各标段施工协调配合，减少弱风化开挖料的损失系数，主坝的直接上坝率还可以适当提高。
土石方动态平衡调配规划是一个受空间、时间制约的动态系统，为了直观反应土石方平衡调配过程中的动态变化情况，根据施工总进度计划安排，以全过程系统调运直接上坝率最高为目标函数，建立系统优化数学模型，对本工程土石方调配平衡进行了施工动态仿真模拟分析。
2.11.2.2 中转料场与弃渣场规划
1.中转料场规划
本工程规划了4个中转料场，其中石渣中转料场2个，均位于上下库连接1＃公路右边山沟内，主要堆存本工程各开挖工作面不能直接用于坝体或库盆填筑的石渣可利用料，两个中转料场互为备用，为便于管理，由C1标和C2标各管理一个，其中C1标管理1＃中转料场，C2标管理2＃中转料场，堆渣的原则为：C1标和C2标本标产生的堆渣统一堆存在本标管理的渣场内，C3标及C4标的可利用洞挖料，堆存在1＃中转料场，由C1标统一管理。
土方堆存场2个，分别堆存用于场地复耕的表植土和可用于建筑物填筑的粘土，位置分别在1＃公路起点左侧和下库周边，均由C1标负责管理。各储料场的具体堆料情况见表2-27。
表2-27 中转料场规划情况一览表
注 渣场容量与最大可堆存量之间的转换系数按1.4考虑，单位：万m3。
通过上表分析可知，中转储料场规划可以满足工程堆存可利用料的需要。
2.弃渣场规划
本工程规划的弃渣场共有2个，分别为主坝右岸冲沟主弃渣场和坝后弃渣场，其中主坝右岸冲沟主弃渣场容量为1000万m3，供各标合用，由C1标负责管理，坝后弃渣场供C1标专用，容量为400万m3，由于坝后弃渣场涉及坝脚排水问题，不宜堆存土方料，因此，考虑下库开挖的石渣弃料优先堆存在坝后弃渣场，堆满为止，其余的弃渣均到主弃渣场堆存。弃渣场的具体堆渣情况见下2-28。
表2-28 弃渣料场规划情况一览表
注 1.主渣场堆存相当部分为土方，渣场容量与最大可堆存量之间的转换系数按1.3考虑。
2.坝后渣场堆存均为石渣，渣场容量转换系数按1.4考虑，单位：万m3。
通过上表分析可知，弃渣场规划也可以满足工程弃渣堆存的需要。弃渣顺序：考虑到主坝坝脚弃渣场与主坝之间的相关关系，坝脚弃渣场必须在主坝填筑至高程160.00m以后，才能开始弃渣，堆存的主要是下库开挖的石渣弃料，堆满为止，工程前期所产生的弃渣全部到右岸主弃场。
2.11.3 土石方平衡
2.11.3.1 提高石方直接利用率的措施
通过对本工程土石方调配动态平衡分析，发现影响主坝石料填筑直接上坝率的提高主要有下列三方面因素：
（1）由于主坝最先填筑的基底排水层料需要剔除5cm以下的小料，在工程开挖的初期，开挖工作面尚未打开，弱风化料的开采一时达不到填筑需要的强度，考虑提前一个月进行备料，计划备料20万m3，影响直接上坝率约1.5%。
（2）由于主坝200m高程以下填筑用料均要求采用弱风化以下岩石料，期间开挖所产生的强风化可利用料均需要进入中转料场周转间接上坝，总方量约有80万m3，影响直接上坝率约6.2%。
（3）由于分标因素等的影响，不同标段开挖所产生的可利用料在施工时段上很难与坝面填筑需要的时段协调统一，根据招标文件的事先约定，约有27.7万m3间接利用料，影响直接上坝率约2.1%。
针对上述影响主坝石料填筑直接上坝率提高主要因素，施工中采取下列主要措施，以尽可能提高主坝石料填筑的直接上坝率：
（1）工程进场后，抓紧工程前期的准备工作和下库盆开挖覆盖层及强风化料的剥离工作，做好弱风化岩开采前的一切准备工作，尽可能增加下库盆初始阶段的开采工作面，同时适当降低大坝填筑初期的施工强度，以减少大坝填筑初期坝基排水层料的备用量。
（2）工程进场后，认真做好下库盆料场的地质复勘工作，搞清石方开挖区强～弱风化岩的分界线及主要地质断层的分布情况，根据地质复勘成果，制定有针对性的石方开采方案，根据地质分层界线，调整石方开挖分层梯段高度，对主要的地质断层料，事先进行剔除处理，以减少弱风化料的施工界面损失、减少对可利用石料的污染损失，提高弱风化料的可利用量。
（3）做好下库盆开挖分区规划研究，尽可能多保留部分强风化料在主坝填筑到210.00m高程以后开挖，以提高强风化利用料的直接上坝率。
（4）加强开挖施工设备的配置，使石方开挖的强度能适应填筑强度变化的需要，确保本标开挖的弱风化料都有能直接利用。
（5）加强不同标段之间的施工管理协调，为其他标段开挖的可利用料创造优先上坝的条件，减少其他标段提供料的间接上坝量。
2.11.3.2 土石方平衡调配规划的成果
通过对主体工程填筑料源分析与选择、坝体填筑石料分区优化、工程开挖利用料质量控制、挖填程序及进度、土石方动态平衡调配等方面进行分析研究，土石方平衡主要成果如下：
（1）本工程的开挖可利用料与填筑量基本平衡，但是不满足规范要求的1.25的储备系数，考虑工程其他部位（包括护坡、挡墙、排水沟等）对石料的需求，挖填比为1∶1，使得料源控制难度很大，特别是弱风化料更趋紧张。土石方平衡控制结果：石方开挖可利用料基本达到零弃渣，满足了填筑需要，不需要另外开采石料场。
（2）下库盆覆盖层中含有200万m3的可利用土料，足以满足下库均质土坝及围堰的填筑用料，不需要另外开辟土料场。同时通过与地方的协调，将下库开挖多余土料摊铺在土坝与沙河之间原低洼地处，植草种树形成绿化带，既有利于土坝的渗透稳定，又减少了护坡量和弃渣运距等，达到多方共赢。
（3）工程规划的中转料场、弃渣场能够满足工程使用需要。但在实际施工过程中发现，中转料场容量不足（不到招标文件确定的一半），导致开挖不能正常施工，给工程管理也带来了较大的风险，也增大了土石方平衡和料源管理难度。
（4）通过对土石方动态平衡调配计算，上库主坝的直接上坝率为90.2%，下库均质土坝的直接上坝率为100%，比所要求的直接上坝率高。