探析南水北調(diào)工程中的土方平衡論文
南水北調(diào)中線工程是國家工程，是迄今為止人類最為浩大的單項調(diào)水工程。南水北調(diào)中線工程全長1432km，總干渠為梯形斷面，橫斷面分挖方、半挖半填、填方段，開挖及回填工程量巨大。土方平衡結(jié)果直接影響取、棄土量及相應(yīng)的取、棄土占地面積，并牽涉施工征地問題，從而嚴重影響工程的造價及施工進度。因此，做好土方平衡具有十分重要的意義。
筆者參與了南水北調(diào)中線工程輝縣段第三施工標段的建設(shè)，本標段全長7.1km，設(shè)計開挖量509萬m³，土方填筑量343萬m³，工程需要大量取土、棄土和調(diào)土，并需大量的取土和棄土占地。土方平衡的優(yōu)化設(shè)計在本工程中尤為重要，目前本工程已施工完成。筆者結(jié)合實際工作，闡述了南水北調(diào)工程中的土方平衡工作的幾點經(jīng)驗。
1相關(guān)工程量
土方平衡相關(guān)工程量包括挖、填、棄、借，相應(yīng)關(guān)系為：挖+借=填+棄，其中挖方量=可用量+不可用量，細分關(guān)系為挖方可用量+借=填，挖方不可用量=棄。相應(yīng)施工用地包括棄土場、臨時堆土場及借土場。
土方平衡設(shè)計的意義在于尋找最優(yōu)調(diào)配方案，體現(xiàn)為最低的運輸費用。而充分利用開挖土用于回填可以有效減少取土量和棄土量，減少取土占地和棄土占地，從而能夠有效節(jié)省工程投資，同時減少對周邊居民的影響。
2開挖可用量的計算
南水北調(diào)工程沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)地質(zhì)勘探揭露，開挖土中包含壤土、黃土狀壤土、砂壤土、黏土、泥礫、弱膨脹土、中強膨脹土、粉砂、砂卵石、雜填土等。根據(jù)堤防填筑設(shè)計要求最終選用開挖土中的壤土、黃土狀壤土、部分黏土和泥礫進行堤防填筑。
南水北調(diào)為線性工程，沿線分為若干施工標段，每個施工標段長度約4～15km。為保證開挖可利用土的充分利用并降低運輸距離，渠道應(yīng)分段開挖，可利用量應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料分段計算，分段長度宜為0.5～1km。
渠道開挖土料本身差別較大，有松散的土體，有軟塑甚至流塑狀的淤泥，還有表層的清基土，而更多的是基坑開挖或老堤鏟除的原狀土。通常情況下清淤及清基土都直接扣除，不再考慮利用，但在某些特殊情況下也可部分利用，如在淮北大堤加固和沙潁河近期治理工程中，審查中要求將清基甚至少量清淤土用于堤內(nèi)填塘。因此，在開挖土料中除清基、清淤土外，還有老堤(壩)土、建筑物基坑開挖土等，這些土料是否可以用來回填利用需通過綜合分析和設(shè)計要求規(guī)范規(guī)定來確定。在計算上述可用土工程量時一般根據(jù)地質(zhì)斷面的上下界面計算土方量。在計算時要注意：計算的人員通常不考慮可用和非可用土層交界混亂而又雜的問題，只看上下界面，以此來計算所在土地占的體積，如此計算，會導(dǎo)致很多嚴重的后果，比如平衡后棄土和取土的數(shù)量減少，過渡層難以區(qū)分哪些是可用土和非可用土。過渡層施工材料在南水北調(diào)這一填筑類很高的工程是不能使用的，所以，過渡層土量在計算可用土工程量時應(yīng)扣除掉。
根據(jù)南水北調(diào)工程現(xiàn)場開挖情況，根據(jù)上下層土料地址剖面圖和勘探情況預(yù)留過渡層。一般考慮30～50cm的過渡層厚度，此部分工程量認為是不可用土。在南水北調(diào)工程中部分回填土料要求含石量不超過20%，若渠道開挖土層中摻雜局部卵石夾層，且卵石夾層體積不超過總體積的20%時，可采用立式開采的方法，必要時預(yù)先挖除卵石夾層在開挖和卸料過程中使土方和卵石充分混合，以增加可利用土方量。
通常說的利用多少開挖方時，指的是開挖的自然方，而在計算填筑利用方時又要考慮折實系數(shù)和運輸損耗系數(shù)折合成實方，依據(jù)《水利建筑工程預(yù)算定額(水總[2012]116號)》，自然方折實系數(shù)為0.85，該系數(shù)可供一般土石方工程換算時參考。在大方量土石方工程施工中，為保證可利用放量計算的準確，折實系數(shù)的取值在地質(zhì)資料完備的條件下，應(yīng)該按照土料的`物理力學(xué)指標進行計算，通常對填筑部位的土料填筑有設(shè)計干容重和壓實度的要求，土料的天然干容重可以根據(jù)每塊土區(qū)不同土料取樣實驗得出，每塊土區(qū)天然干容重與設(shè)計干容重的比值即為折實系數(shù)。根據(jù)折實系數(shù)、每塊土區(qū)儲量計算各土區(qū)可利用量。土料的操作運輸損耗系數(shù)取1.05～1.1。
3開挖可利用量的使用
開挖可利用量使用的原則為盡量減少二次倒運工程量，并使用最短運距。二次倒運量的大小與工程的組織協(xié)調(diào)情況以及分段的多少有關(guān)，二次倒運的工程量影響土方工程的投資及臨時用地的面積。從有利于土方平衡的角度出發(fā)，渠段劃分要盡量少，從而減少或者避免二次倒運量;從工程進度考慮，分段較多有利于進駐更多的作業(yè)隊伍，故二次倒運量應(yīng)從工期、施工組織等因素綜合考慮。
依據(jù)上文計算的分段可利用量，并結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)隊伍數(shù)量，從可利用量最少的渠段優(yōu)先開挖。首批開挖渠段數(shù)量等于進場作業(yè)隊數(shù)量，首批開挖渠段應(yīng)分隔開。將首批開挖渠段的可利用方暫存在臨時堆土區(qū)，首批渠段開挖完成后開始相鄰的第二批渠段的開挖，將第二批渠段開挖的可利用方直接填筑在首批開挖渠段，按此順序依次開挖和回填剩余渠段。
4借土量及借土場規(guī)劃
總填筑工程量扣除可利用量后就是借土量，借土量往往以自然方表述，實方和自然方的換算參照上文，借土量的計算應(yīng)充分考慮運輸損耗系數(shù)及超填系數(shù)。
借土方量確定以后，就可以進行取土區(qū)面積的計算了，取土區(qū)面積計算要考慮取土深度、取土邊坡、表層腐殖土占地、施工運輸通道及施工干擾等影響因素。另外還應(yīng)考慮土區(qū)土料的層后，土料的黏粒含量等物理性質(zhì)是否符合設(shè)計要求。根據(jù)符合要求的土層厚度確定取土深度。當采用挖掘機取土深度超過4m時，通常需分層開挖，取土單價有所提高，而且通常當取土達到一定深度后就要采取降低地下水位或翻曬措施，土料單價大大提高，所以更應(yīng)綜合考慮土區(qū)地下水位、施工機械、施工方法的影響，多方案成本分析，以盡可能低的成本最終確定取土區(qū)面積。
借土區(qū)面積計算完成后，即可開展征地工作，借土區(qū)征地優(yōu)先考慮土料性質(zhì)、運輸距離等。南水北調(diào)中線工程輝縣段渠道東西走向。位于太行山麓山前平原，渠道沿線多為卵石土層，借土場多位于渠道南岸，選取地方耕地，對表層土清理堆置并加以保護后取土使用。根據(jù)國家政策，為保護耕地，盡量減少征地數(shù)量，借土場借土完成后作為棄土場使用，兼具取土和棄渣功能，先取后棄。取土場棄土?xí)r應(yīng)充分考慮棄料性質(zhì)及對復(fù)耕后地力的影響，首先將地力低的棄土填筑至取土場下層，若棄土含石量較高，不具備防滲保水性能，可下翻取土場土料覆蓋在棄土之上作為防滲保水層使用。
5結(jié)語
土方平衡工作復(fù)雜、繁瑣，尤其是線性工程中需考慮分段施工，盡量利用自身開挖方，提前做好土方平衡優(yōu)化設(shè)計，可大大減少借、棄土工程量，加工工程進度、減少征地費用、節(jié)約工程投資。水利工程土方平衡要充分考慮土料的松實系數(shù)、綜合損耗系數(shù)，分清松方、自然方、壓實方概念及轉(zhuǎn)換關(guān)系，準確計算相關(guān)工程量。
隨著工程的進展，施工環(huán)境可能發(fā)生變化，開挖土料性質(zhì)可能出現(xiàn)與地質(zhì)勘測不符的情況，要及時計算土方工程量的變化，做好土方平衡的動態(tài)控制，及時調(diào)整挖土、棄土、借土的調(diào)配方案，為工程的順利進行奠定基礎(chǔ)。
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