砂石料来源对抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝堆坝体项目单价的影响分析

朱威威

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

0 前言

抽水蓄能电站工程设计过程存在大量洞室和库盆石方开挖，为了最大限度利用这部分开挖料，减少占地和对环境的破坏，上、下水库多采用面板堆石坝、心墙堆石坝等当地材料坝，因此混凝土面板堆石坝已成为抽水蓄能电站上、下水库设计中一种较为常见的坝型。混凝土面板堆石坝用石料抛填、碾压堆筑成坝体，用混凝土材料作为防渗体，整体由面板、趾板、垫层、过滤层、主堆石、次堆石区组成。可见，作为坝体占比最大的组成材料，砂石料既是混凝土的骨料，又是筑坝材料。砂石料材料价格的确定是工程单价编制的重要步骤，而砂石料来源的选择是砂石料材料价格构成首要考虑因素，砂石料来源的不同会对混凝土面板堆石坝的堆坝体项目单价产生较大影响。

抽水蓄能电站堆石坝工程建设，对砂石的需求量大，堆石工程量通常可达数百万堆石方，堆石单价的分毫差异会给整个工程投资造成显著的变化。所以在抽水蓄能电站规划设计过程中，在满足库容、地质、质量要求前提下砂石料来源的比较是很有必要的，既可反映出土石方平衡施工组织设计的合理性，又能提高整个工程的经济效益。本文以江门鹤山抽水蓄能电站工程上水库库址比选为例，分析砂石料来源对抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝堆坝体项目单价的影响。

1 工程概况

江门鹤山抽水蓄能电站上水库库址一方案为选点规划阶段上水库库址，位于鹤山市鹤城镇址山河上游井底林场附近；库址二方案为全开挖库盆方案，库盆位置位于库址一上库东南侧。两库址方案上水库均拟采用混凝土面板堆石坝。堆坝体项目单价有：垫层料填筑、过渡料填筑、主堆石区填筑、下游堆石区填筑。

2 砂石料来源方案比较

2.1 方案一：开设石料场

库址一方案上水库为冲沟型水库，初拟上水库最大坝高133.5m，坝顶长530m，坝顶高程403.5m。因坝体填筑量大，可利用的开挖料较少，需开设石料场开采石料用于坝体的填筑。其堆坝体项目砂石料来源：垫层料原料采用上库石料场弱风化层开采石料；过渡料原料60%利用上库坝基弱风化层开挖料，40%采用上库石料场弱风化层开采石料；主堆石直接采用上库石料场弱风化层开采石料上坝；下游堆石5%利用上库坝基强风化层开挖料，95%采用上库石料场强风化层开采石料。

2.2 方案二：利用开挖料，不设石料场

库址二方案为全开挖库盆方案。因考虑到库址一方案石料场开采规模较大，且石料场的用料埋深较深，经过前期勘探及调研，石料场位置也可作为上水库库址，同样满足库容及蓄水要求，采用全开挖库盆方案，需做好库盆防渗处理。其堆坝体项目砂石料来源：垫层料、过度料原料利用上库库盆弱风化层开挖料，主堆石、下游堆石直接利用上库库盆弱风化层开挖料。

3 材料价格分析

根据NB/T 35034—2014《水电工程投资估算编制规定》，自行采备砂石料时依据料源情况、开采条件、初拟砂石料生产系统套用相应定额编制砂石料单价。自行采备砂石料单价采用工序单价法计算，工序单价仅计入直接费和材料价差，主要工序有原料开采，原料运输、砂石料加工及成品料运输。

3.1 原料开采

3.1.1方案一

上水库库址一方案砂石料原料主要来自上库石料场，上库石料场采取自上而下分层开挖的方式，对于表土及全风化层用挖掘机挖装后自卸汽车运弃至渣场回填，强风化层、弱风化层开挖采用150型潜孔钻钻孔梯段微差挤压爆破的方式。根据施工工艺、机械参数及地质资料，垫层料和40%过渡料石料场弱风化层原料开采单价套用概算定额60242碎石原料开采KQ150型潜孔钻钻深孔爆破岩石级别IX—X，依据概算定额说明及有关行业文件规定调整炸药、导爆管及雷管材料，经计算垫层料和40%过渡料石料场弱风化层原料开采单价为9.88元/m3。

依据概算定额说明，对爆破后可直接用于填筑的堆石料开采套用第3章堆砌石工程，95%下游堆石取自石料场强风化层原料开采套用概算定额30373堆石料开采——梯段爆破(高风压潜孔钻KQG150)孔深6～9m岩石级别Ⅶ—Ⅷ，依据概算定额说明及有关行业文件规定调整炸药、导爆管及雷管材料，经计算下游堆石取自石料场强风化层原料开采单价为11.07元/m3；主堆石取自石料场弱风化层原料开采套用概算定额30374堆石料开采——梯段爆破(高风压潜孔钻KQG150)孔深6～9m岩石级别IX—X，依据概算定额说明及有关行业文件规定调整炸药、导爆管及雷管材料，经计算主堆石原料开采单价为13.76元/m3.

60%过渡料原料利用上库坝基弱风化层开挖，5%下游堆石原料利用上库坝基强风化层开挖，因上库坝基强风化层和弱风化层石方开采已在坝体石方开挖单价中考虑，所以此处不再重复计算原料开采工序单价。

3.1.2方案二

上水库库址二方案砂石料原料全部利用上库库盆弱风化层开挖料，其开采单价已在上库库盆弱风化层石方开挖单价中考虑，砂石料原料开采工序单价不再重复计算。

3.2 原料运输

3.2.1方案一

上水库库址一方案垫层料、40%过渡料原料用3m3挖掘机挖装上库石料场开采毛石料，15～25t自卸汽车运5km至上库现场毛料堆场，待加工时送入砂石料加工系统入料口。根据施工组织方案套用概算定额60499&60500 3m3液压挖掘机装砂石料25t自卸汽车运输运碎石原料运距5km，依据概算定额说明调整液压挖掘机反铲作业时人工、机械消耗量，经计算垫层料、40%过渡料来自石料场原料运输单价为14.90元/m3。

95%下游堆石原料用4m3挖掘机挖装石料场强风化层开挖料，20～32t自卸汽车运料上坝，运距5km。根据施工组织方案套用概算定额21138&21139 4m3挖掘机装石渣32t汽车运输运距5km，依据概算定额说明调整液压挖掘机反铲作业时人工、机械消耗量，经计算95%下游堆石来自石料场原料运输单价为25.39元/m3。

主堆石原料用3m3挖掘机挖装石料场弱风化层开挖料，20t～32t自卸汽车运料上坝，运距5km。套用概算定额21132&21133 3m3挖掘机装石渣32t汽车运输运距5km，依据概算定额说明调整液压挖掘机反铲作业时人工、机械消耗量，经计算主堆石原料来自石料场原料运输单价为24.61元/m3。

60%过渡料原料取自上库坝基弱风化层开挖料，从上库临时转运场至上库砂石料加工系统的运输费用已考虑在上库坝基弱风化层开挖单价中，此处不再重复计算。5%下游堆石原料直接利用上库坝基强风化层开挖料上坝，不产生原料运输费用。

3.2.2方案二

上水库库址二方案垫层料和过渡料原料运输工序单价考虑在上库库盆弱风化层开挖单价中，主堆石和下游堆石因直接利用开挖料上坝碾压，故上水库库址二方案砂石料原料运输单价不计。

3.3 砂石料加工

为满足堆坝体材料的级配要求，垫层料和过渡料需要经过砂石料生产系统进行加工，参照类似工程砂石料加工系统工艺流程，主要工序步骤有粗碎运输、预筛分(中碎)运输、碎石(细碎)筛分运输、制砂。

垫层料需要满足坝体填筑及度汛要求，拟定主要设计级配参数为：最大粒径80mm，小于5mm粒径的颗粒含量35%～55%，小于0.075mm的颗粒含量为4%～8%。

过渡料需要具有压缩性小、强度高，对垫层区有反滤保护作用。拟定主要设计级配参数为：最大粒径300mm，小于5mm粒径含量不大于25%，小于0.075mm的颗粒含量小于5%。

根据各方案上水库对粗细砂石料的用料需求，两方案上库砂石料加工系统拟设计生产能力均为380t/h。依据定额说明选用相应工序单价定额，两库址方案垫层料及过渡料原料加工工序单价见表1。

表1 上水库两库址方案原料加工单价表

主堆石和下游堆石直接利用开挖料上坝，不再进行加工，所以两方案的主堆石和下游堆石均不产生原料加工费用。

3.4 成品料运输

根据概算定额说明，机械填筑土石坝堆石料定额中包含了机械挖运费用，因此垫层料、过渡料的成品料运输考虑在填筑单价中，此处不再重复计算。主堆石和下游堆石料未经加工不存在成品料运输费用。

3.5 材料价格综合分析

计算砂石料单价，除了要计算出工序单价，还需要乘以概算定额说明中对应工序流程的各工序单价系数。有些砂石料采用单一的工序流程，而有些砂石料因包含多种级配的砂石料，需要综合考虑多个工序流程系数。

在上述砂石料加工工序单价分析时提到，垫层料包含80～40mm的大石、40～20mm中石、20～5mm小石，以及5mm以下砂。根据设计要求拟定比例为5%∶10%∶30%∶55%。过渡料包含300mm以下的150～80mm特大石、80～40mm大石、40～20mm中石、20～5mm小石，以及5mm以下砂，根据设计要求拟定比例为：15%∶17%∶23%∶27%∶18%。

根据施工组织设计方案，上水库两库址方案砂石料工序流程如图1所示。

图1 砂石料工序流程图

该砂石料工序流程对应概算定额说明中表6-10工序流程Ⅷ，工序单价系数见表2。

表2 工序流程Ⅷ单价系数表

表3 垫层料价格计算表(方案一)

表4 过渡料价格计算表(方案一)

表5 主堆石价格计算表(方案一)

表6 下游堆石价格计算表(方案一)

表7 垫层料价格计算表(方案二)

表8 过渡料价格计算表(方案二)

表9 主堆石、下游堆石价格计算表(方案二)

通过上述对砂石料工序单价及单价系数的确定，上水库两库址方案垫层料、过渡料、主堆石、下游堆石材料价格计算见表3—6。

4 堆坝体项目单价分析

4.1 垫层料填筑

4.1.1方案一

上水库库址一方案垫层料用3m3液压反铲挖掘机挖装上库砂石料加工厂垫层成品料，15t自卸汽车运3.5km至坝面，汽车后退法卸料，推土机摊铺平整，18t振动碾碾压。用液压反铲对其边坡进行削坡修整，洒水后用履带吊牵引10t斜坡振动碾进行坡面碾压。用内插法选用概算定额30147&30148机械填筑土石坝堆石(砂砾、反滤、过渡)料——3m3挖掘机装料汽车运输上坝，填筑反滤料，运距3km&运距4km，依据定额说明调整机械系数及替换反滤料为垫层料，原料开挖中的乳化炸药计算价差，垫层料材料价格以基价进行其他直接费、间接费、利润的滚费，经计算垫层料填筑单价为138.88元/压实方m3。

4.1.2方案二

上水库库址二方案垫层料填筑施工方法与库址一方案大致相同，区别在垫层料用3m3液压反铲挖掘机挖装上库砂石料加工厂垫层成品料，15t自卸汽车运1.0km至坝面。套用概算定额30145机械填筑土石坝堆石(砂砾、反滤、过渡)料——3m3挖掘机装料汽车运输上坝，填筑反滤料，运距1km，依据定额说明调整机械系数及替换反滤料为垫层料，经计算垫层料填筑单价为79.24元/压实方m3。

4.2 过渡料填筑

4.2.1方案一

上水库库址一方案过渡料用3m3液压反铲挖掘机挖装渣料，60%石料15t自卸汽车运1.0km从上库临时转运场至坝面，40%石料运5km从上库砂石料加工系统至至坝面，综合运距2.6km，汽车后退法卸料，摊铺层厚40cm，118kW推土机铺料平仓，18t振动碾碾压。用内插法选用概算定额30152&30153机械填筑土石坝堆石(砂砾、反滤、过渡)料——3m3挖掘机装料汽车运输上坝，填筑过渡料，运距2km或运距3km，依据定额说明调整机械系数，经计算过渡料单价价格为51.87元/压实方m3。

4.2.2方案二

上水库库址二方案过渡料施工方法与库址一方案大致相同，区别在过渡料用3m3液压反铲挖掘机挖装上库砂石料加工厂过渡成品料，15t自卸汽车运1.0km至坝面。套用概算定额30151机械填筑土石坝堆石(砂砾、反滤、过渡)料——3m3挖掘机装料汽车运输上坝，填筑过渡料，运距1km，依据定额说明调整机械系数，经计算过渡料填筑单价为43.12元/压实方m3。

4.3 主堆石填筑

4.3.1方案一

上水库库址一方案主堆石用上库石料场开挖的石料直接运输上坝。自卸汽车进占法卸料，132kW推土机铺料平仓，摊铺层厚80cm，洒水后，26t振动碾碾压，边角部位用手扶振动碾碾压。套用概算定额30079振动碾压实堆石料(砂砾料)，补充主堆石材料价格及消耗量，经计算主堆石填筑单价为34.23元/压实方m3。

4.3.2方案二

上水库库址二方案主堆石直接利用上库库盆弱风化石料开挖，自卸汽车进占法卸料，132kW推土机铺料平仓，摊铺层厚80cm，洒水后，26t振动碾碾压，边角部位用手扶振动碾碾压。套用概算定额30079振动碾压实堆石料(砂砾料)，因在拟定施工工期计划过程中，库盆石料开挖与主堆石填筑两工序之间存在时间差，有部分利用料需要从上库石料转运场挖运至上坝碾压，即增加套用概算定额21128 3m3挖掘机液压正铲装石渣汽车运输运距0.5km，经计算主堆石填筑单价为5.02元/压实方m3。

4.4 下游堆石填筑

4.4.1方案一

上水库库址一方案下游堆石填筑施工方法与主堆石填筑施工方法相同，同样套用概算定额30079振动碾压实堆石料(砂砾料)，唯一区别在于补充材料由主堆石调整为下游堆石料，经计算下游堆石填筑单价为33.77元/压实方m3。

4.4.2方案二

上水库库址二方案因下游堆石与主堆石来源相同，而且施工方法也相同，所以下游堆石填筑单价与主堆石填筑价格相同为5.02元/压实方m3。

5 成果分析及建议

5.1 成果分析

通过分析上水库两库址方案因砂石料来源不同对堆坝体项目材料单价及填筑单价的影响，汇总对比见表10。

表10 上水库两库址方案堆坝体项目材料单价及填筑单价对比表

根据对江门鹤山抽水蓄能电站上水库初步设计，上水库库址一方案上水库垫层料填筑328923压实方，过渡料填筑523874压实方，主堆石填筑1624328压实方，下游堆石填筑5811727压实方，经计算上水库库址一方案堆坝体项目投资为32471.69万元。上水库库址二方案上水库垫层料填筑60297压实方，过渡料填筑50706压实方，主堆石填筑654248压实方，下游堆石填筑804574压实方，经计算上水库库址二方案堆坝体项目投资为1428.77万元。

5.2 建议

(1)在同一尺度衡量单价差异对工程投资的影响，按照上水库库址一方案堆坝体项目工程量套用上水库库址二方案堆坝体项目单价计算投资为8638.91万元，仅单价差异造成投资差额23832.78万元。由对比表10可见，两方案下游堆石填筑单价相差仅28.75元，但因工程量大，造成单项投资相差1.67亿元。因此在设计这种关键项目施工方案时应进行多方案比较，下游堆石远离面板基本不承受水荷载，主要用于保持坝体的稳定，在进行方案优化时，下游堆石填筑的料源在满足功能和级配要求的前提下应尽量选择枢纽建筑物开挖出来的石渣料或料场中开挖出来的较次石料，如各种软岩料、风化石料等。

(2)垫层料填筑单价在几个堆石料项目单价中单价是最大的，因垫层料直接位于面板下部，为面板提供均匀且可靠的支撑，同时要求具有半透水性及防渗作用。它的功能要求较多，它的级配要求涵盖的粒径大小比较齐全。在实际案例中仅少数抽水蓄能电站设计在地质条件较好且用量可以满足的前提下，利用枢纽建筑物开挖料作为垫层料原料，多数抽水蓄能电站垫层料常采用石料场级配较好的石料或外购石料来充当其原料。

(3)过渡料填筑、主堆石料填筑和下游堆石填筑一样都属于堆石区填筑。过渡层位于垫层和主堆石之间，用以保护垫层并起到过渡作用。主堆石区是承受水荷载的主要支撑体，具有抗剪强度高、压缩性性和透水性强的功能要求。过渡料填筑、主堆石料填筑料源的选择可根据各工程性质、地质条件综合考虑利用枢纽建筑物开挖料和石料场开挖料的比例。

6 结论

砂石料来源、堆坝体项目单价是施工组织布置、工程投资比较中的重要组成部分。砂石料来源的不同影响着每一步工序单价，从原料开采、原料运输、砂石料加工，到成品料运输及上坝填筑。各个工序施工组织方法的差异都真实地反映在工序单价中。

本文通过研究砂石料来源的差异对堆石坝堆坝体各分区部位的造价影响及结果，提出从堆坝体材料来源的权重优化角度，进一步提升施工组织设计方案的经济性，为类似抽水蓄能电站方案比选过程中施组优化、主要单价编制提供经验参考，同时砂石料加工系统生产能力、施工供水及供电差异等因素对堆坝体单价的影响尚未能全部体现待进一步敏感性分析。