4.4　枢纽建筑物开挖料利用研究

4.4.1　开挖料的来源和种类

工程的开挖料主要来源于以下五个部分：大坝基础开挖、洞群进口开挖、洞身和地下厂房开挖、洞群出口消力塘和正常溢洪道开挖。这五个部位的开挖料主要有黄土、砂卵石、明挖和洞挖岩石料、各倾倒变形体滑坡体和坡积的土夹石材料。其中黄土开挖主要集中在右岸坝基开挖和消力塘开挖，砂卵石在河床右岸滩地坝基开挖，岩石开挖分布在上述五个部位，以洞群进口和地下厂房开挖料为最好。

4.4.2　开挖料的基本性质

4.4.2.1　土料

（1）右岸坝基开挖。右岸坝基开挖黄土主要包括右岸岸边坡积、右岸高漫滩、东坡洪积扇及其前沿的冲—积带以及坝轴线下游侧东坡倾倒变形体上覆黄土等。右岸坝基土料开挖总量约180万m3。

（2）洞群出口开挖。洞群出口开挖土方总量约900万m3，其各项质量技术指标见表4.4－1。

从表4.4－1中可看出，土的粘粒含量、塑性指数等指标均可满足设计要求。但位于瓮沟部位的轻壤土属分散性土料，不宜作为防渗土料。其余可根据材料质量、施工进度安排等决定其填筑部位。

4.4.2.2　砂卵石料

砂卵石主要是高程130.00m以上的开挖，开挖方量约114万m3。但有部分开挖料含砂量超过40%，属于易液化材料，不可在作为坝基回填。

4.4.2.3　岩石开挖料

岩石开挖料是小浪底工程开挖料利用研究的重点，下面将不同部位开挖岩石料的基本性质分述如下。

（1）右岸坝基开挖。该部分开挖料主要为二叠系、两岩组石料，总开挖量80万m3。岩组为粉砂质黏土岩和砂岩，呈互层状，约各占50%。岩组以厚层粉砂质黏土岩为主，夹薄层粉砂岩及细砂岩。砂质黏土岩强度较低，平均干抗压强度为34.4MPa，最低仅为11.2MPa，软化系数为0.41。开挖后暴露在大气中，风化速度较快，一旦岩块失水干缩则龟裂成碎块，数天内风化成岩屑。

（2）洞群进口开挖。该部位开挖料主要以三叠系、和岩层为主，为小浪底工程质量最好的岩层，、岩层软岩含量稍高，其中岩层中的软岩含量最高。典型剖面（钻孔）的统计资料见表4.4－2。

上述几类岩石开挖料总方量约为660万m3，是小浪底工程岩石开挖最集中、岩石质量较好的部位之一。

（3）洞群开挖。洞群岩石开挖（包括地下厂房），总开挖方量为478万m3，其中、、三岩层开挖料为19万m3。

（4）洞群出口消力塘、电站尾水渠及溢洪道开挖。该两部分岩石开挖总方量为896万m3，其中消力塘开挖674万m3，尾水渠开挖139万m3，溢洪道开挖83万m3。这些部位的开挖绝大多数为岩层料。该岩层分为、、三层，各岩层厚度、岩性及强度分级见表4.4－3。

从表4.4－3可看出，三层岩石中只有较好，但层厚较薄，在开挖施工时，不易与其他两层分开。而、性质相近，其中岩层层厚占整个岩层的50%以上，因此，在研究岩层开挖料及其应用以岩层为主。、软岩含量很高，分别为72.78%和62.43%。这种泥质胶结的粉砂岩为缓倾层状结构，层理发育，含有少量蒙脱石、高岭石之类的具有膨胀晶格的矿物，遇水易膨胀、崩解，岩石强度低。这类岩石有以下显著的特点：其一，暴露在大气中风化崩解速度很快，根据实地观察当新鲜完整的岩块在大气中暴露1～2个月之后，便风化成较均匀的碎块，其粒径多数为10mm以下；其二，经爆破开挖及运输堆存后，砂粒含量往往会很高。

为了解岩石料风化后的材料特性，进行了风化料的物性、击实、矿物分析、抗剪强度等试验，试验结果见表4.4－4～表4.4－6。

三轴剪切试验表明，其内摩擦角φ＝26.6°～29.2°，凝聚力c＝（0.8～0.9）×100kPa。渗透试验表明，渗透系数K10＝（1.64～4）×10－6cm/s，临界渗透比降为5.51～11.55。

从上述试验结果可看出，风化料有以下特点：

（1）岩层中软岩含量高，饱和抗压强度小于15MPa的软岩含量高达62.43%～72.78%，碾压时极易破碎。由于黏土矿物中蒙托石含量偏高，具有较高的亲水性，洒水碾压颗粒破碎更甚。颗粒成分试验表明，击实后小于5mm的颗粒含量高达70%以上。

（2）2mm以下细颗粒的塑性较差，塑性指数小于10。黏土矿物中蒙托石含量不稳定，也可能遇水膨胀。

根据上述性质，以及各类石渣料开挖量的综合比较，开挖料仅用于填筑大坝下游压戗（8区）料。

4.4.3　开挖料的填筑部位及质量要求

4.4.3.1　主坝

（1）上游水平铺盖（10区）。在右岸滩地原有的黄土覆盖层之上，设置了人工铺盖，从而加强右岸滩地的防渗效果。由于设置了水平人工铺盖，将上游围堰混凝土防渗墙由原设计的墙右端点与右岸岸坡相接优化为仅插入右岸滩地一定长度，使混凝土防渗墙长度减少约280.0m，减少防渗面积8000m2。由于该区已在坝体以外，仅起防渗作用。所以可利用右岸坝基开挖的黄土和黄土与粉细砂混合料填筑，填筑方量为100万m3。

（2）上游围堰。上游围堰混凝土防渗墙的一部分为高压旋喷墙，考虑造墙施工及利用开挖料，墙上下游两侧用开挖的砂卵石料回填。

（3）心墙基础回填（9区）。考虑主坝混凝土防渗墙插入心墙（1区）的高度应尽量相等，以有利于墙顶土体的应力和变形，利用开挖砂卵石料，将斜心墙下河床砂卵石地基面防渗墙上游低于131.00m、下游低于高程129.00m的部位回填至以上相应高程，总填筑方量50万m3。

（4）4C区。为多利用开挖料，在下游坝壳内特别设置了4C区，由于该区位于下游坝壳内部和下游水位以上。该部位既不存在严重的后期风化问题，也不存在遇水软化变形的问题，因此，对堆石料质量要求较低，仅对其抗剪强度有一定的要求。对于该区，要求粉砂岩和黏土岩含量不大于20%，可以用、和岩层开挖料填筑。总填筑方量470万m3。

（5）8区。8区石渣压戗随部位不同其作用也不同，但两种不同部位的8区料均是利用其重量，对抗剪强度要求不高。因此，可用任一岩层的开挖料填筑，但要求在填筑施工中尽量将质量较好和较差的开挖料混合填筑。总填筑方量380万m3。

4.4.3.2　副坝

垭口副坝位于左岸山体垭口处，为心墙堆石坝坝型，坝高约50m，坝顶长约170m，总填筑方量约42万m3，其中防渗土料7.5万m3，反滤料3.6万m3，堆石料24万m3，下游石渣压戗6.6万m3。防渗土料可用消力塘开挖土料，上游坝壳要求用软岩含量较少的堆石料（4A区），下游坝壳采用与主坝4B区堆石料填筑，下游石渣压戗用与主坝8区相同材料填筑。

4.4.4　开挖料堆弃料场规划和上坝方式

4.4.4.1　施工进度与上坝方式

小浪底工程施工总进度计划是按照关键路线法编制的。根据进度计划具有较好的施工连续性、资源需求均衡性及施工水平的先进性等要求进行优化调整，从而使进度计划达到经济、合理的效果。最终确定的施工进度计划中主坝和副坝填筑与几项主要土石方开挖施工进度关系见表4.4－7。

根据施工总进度要求，截流时间安排在1997年10月底，此时要求导流洞具备过水条件，要求进出口所有工程也应在1997年10月底以前全部完工。从1996年初开始进行围堰和部分坝体填筑。从表中可以看出，在坝体开始填筑时，除正常溢洪道以外，其他建筑物开挖大部分已经完成。因此，开挖料直接上坝的条件不成熟，只能将开挖料暂时堆存，大坝填筑时，二次回采上坝。

4.4.4.2　堆、弃渣场规划

根据坝址区地形、两岸开挖情况、主体工程施工程序，及大坝填筑等要求，将渣场划分为弃渣场和堆渣场两部分。共布置有10个渣场。其中堆渣场8个，左岸5个，右岸3个；弃渣场2个，左右岸各1个。堆、弃渣场的布置原则为：

（1）应尽可能将弃料弃入库区，否则应尽量为填沟造地创造条件。

（2）考虑回采方便，堆渣场尽量就近布置，缩短回采运距。

（3）考虑坝体填筑对材料要求，同时考虑开挖施工方便，将不同性质的开挖料分别堆存。

主要的堆存与回采规划和回采量见表4.4－8。

4.4.5　对开挖和堆存的施工要求

为了有效利用开挖料上坝，并保证上坝材料质量，除已拟作为弃料的开挖料以外，要求在开挖、堆存过程中做到：

（1）在开挖过程中应采用合适地爆破方式，尽量提高开挖料的质量。

（2）堆存料和弃料应分开装运，避免混杂。

（3）应按设计的堆存规划将不同种类的料堆存在指定的堆料场。

（4）严禁不适于坝体填筑的开挖料堆放在堆渣场内。

（5）在进行渣场平整时，应尽量用弃渣料垫底。

（6）在堆存过程中，为避免分离，要求分层堆筑，每层厚度应小于2m。

（7）由于实行国际招标施工，因此，应协调好各相关工程施工的关系，为开挖料的按计划堆存创造条件。

4.4.6　开挖料利用经济分析

小浪底工程中利用开挖料的工程项目，除主坝、副坝外，还有西沟坝、开关站及场内公路等。因此，不做利用率分析，但为说明利用开挖料的经济性，仅将大坝利用开挖料的经济效益分析如下。

如上所述采用了回采上坝方式，降低了开挖料利用的经济效益。但与用开采料相比，利用开挖料仍具有一定的经济效益。为说明这一问题，采用初步设计的单价，将主坝和副坝利用开挖岩石料的经济效益分析见表4.4－9。