探析南水北調工程中的土方平衡論文
南水北調中線工程是國家工程，是迄今為止人類最為浩大的單項調水工程。南水北調中線工程全長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。土方平衡結果直接影響取、棄土量及相應的取、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中線工程輝縣段第三施工標段的建設，本標段全長7.1km，設計開挖量509萬m³，土方填筑量343萬m³，工程需要大量取土、棄土和調土，并需大量的取土和棄土占地。土方平衡的優化設計在本工程中尤為重要，目前本工程已施工完成。筆者結合實際工作，闡述了南水北調工程中的土方平衡工作的幾點經驗。
1相關工程量
土方平衡相關工程量包括挖、填、棄、借，相應關系為：挖+借=填+棄，其中挖方量=可用量+不可用量，細分關系為挖方可用量+借=填，挖方不可用量=棄。相應施工用地包括棄土場、臨時堆土場及借土場。
土方平衡設計的意義在于尋找最優調配方案，體現為最低的運輸費用。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
南水北調工程沿線地質條件復雜，經地質勘探揭露，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。根據堤防填筑設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，渠道應分段開挖，可利用量應結合地質資料分段計算，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計要求規范規定來確定。在計算上述可用土工程量時一般根據地質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，會導致很多嚴重的后果，比如平衡后棄土和取土的數量減少，過渡層難以區分哪些是可用土和非可用土。過渡層施工材料在南水北調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扣除掉。
根據南水北調工程現場開挖情況，根據上下層土料地址剖面圖和勘探情況預留過渡層。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和運輸損耗系數折合成實方，依據《水利建筑工程預算定額(水總[2012]116號)》，自然方折實系數為0.85，該系數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，折實系數的取值在地質資料完備的條件下，應該按照土料的`物理力學指標進行計算，通常對填筑部位的土料填筑有設計干容重和壓實度的要求，土料的天然干容重可以根據每塊土區不同土料取樣實驗得出，每塊土區天然干容重與設計干容重的比值即為折實系數。根據折實系數、每塊土區儲量計算各土區可利用量。土料的操作運輸損耗系數取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調情況以及分段的多少有關，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，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隊伍，故二次倒運量應從工期、施工組織等因素綜合考慮。
依據上文計算的分段可利用量，并結合現場作業隊伍數量，從可利用量最少的渠段優先開挖。首批開挖渠段數量等于進場作業隊數量，首批開挖渠段應分隔開。將首批開挖渠段的可利用方暫存在臨時堆土區，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，借土量的計算應充分考慮運輸損耗系數及超填系數。
借土方量確定以后，就可以進行取土區面積的計算了，取土區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。另外還應考慮土區土料的層后，土料的黏粒含量等物理性質是否符合設計要求。根據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，所以更應綜合考慮土區地下水位、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面積。
借土區面積計算完成后，即可開展征地工作，借土區征地優先考慮土料性質、運輸距離等。南水北調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。根據國家政策，為保護耕地，盡量減少征地數量，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。取土場棄土時應充分考慮棄料性質及對復耕后地力的影響，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結語
土方平衡工作復雜、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化設計，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、綜合損耗系數，分清松方、自然方、壓實方概念及轉換關系，準確計算相關工程量。
隨著工程的進展，施工環境可能發生變化，開挖土料性質可能出現與地質勘測不符的情況，要及時計算土方工程量的變化，做好土方平衡的動態控制，及時調整挖土、棄土、借土的調配方案，為工程的順利進行奠定基礎。
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