南水北调中线工程是国家工程，是迄今为止人类最为浩大的单项调水工程。南水北调中线工程全长1432km，总干渠为梯形断面，横断面分挖方、半挖半填、填方段，开挖及回填工程量巨大。土方平衡结果直接影响取、弃土量及相应的取、弃土占地面积，并牵涉施工征地问题，从而严重影响工程的造价及施工进度。因此，做好土方平衡具有十分重要的意义。
笔者参与了南水北调中线工程辉县段第三施工标段的建设，本标段全长7.1km，设计开挖量509万m，土方填筑量343万m，工程需要大量取土、弃土和调土，并需大量的取土和弃土占地。土方平衡的优化设计在本工程中尤为重要，目前本工程已施工完成。笔者结合实际工作，阐述了南水北调工程中的土方平衡工作的几点经验。
1相关工程量
土方平衡相关工程量包括挖、填、弃、借，相应关系为：挖+借=填+弃，其中挖方量=可用量+不可用量，细分关系为挖方可用量+借=填，挖方不可用量=弃。相应施工用地包括弃土场、临时堆土场及借土场。
土方平衡设计的意义在于寻找最优调配方案，体现为最低的运输费用。而充分利用开挖土用于回填可以有效减少取土量和弃土量，减少取土占地和弃土占地，从而能够有效节省工程投资，同时减少对周边居民的影响。
2开挖可用量的计算
南水北调工程沿线地质条件复杂，经地质勘探揭露，开挖土中包含壤土、黄土状壤土、砂壤土、黏土、泥砾、弱膨胀土、中强膨胀土、粉砂、砂卵石、杂填土等。根据堤防填筑设计要求最终选用开挖土中的壤土、黄土状壤土、部分黏土和泥砾进行堤防填筑。
南水北调为线性工程，沿线分为若干施工标段，每个施工标段长度约4～15km。为保证开挖可利用土的充分利用并降低运输距离，渠道应分段开挖，可利用量应结合地质资料分段计算，分段长度宜为0.5～1km。
渠道开挖土料本身差别较大，有松散的土体，有软塑甚至流塑状的淤泥，还有表层的清基土，而更多的是基坑开挖或老堤铲除的原状土。通常情况下清淤及清基土都直接扣除，不再考虑利用，但在某些特殊情况下也可部分利用，如在淮北大堤加固和沙颍河近期治理工程中，审查中要求将清基甚至少量清淤土用于堤内填塘。因此，在开挖土料中除清基、清淤土外，还有老堤(坝)土、建筑物基坑开挖土等，这些土料是否可以用来回填利用需通过综合分析和设计要求规范规定来确定。在计算上述可用土工程量时一般根据地质断面的上下界面计算土方量。在计算时要注意：计算的人员通常不考虑可用和非可用土层交界混乱而又杂的问题，只看上下界面，以此来计算所在土地占的体积，如此计算，会导致很多严重的后果，比如平衡后弃土和取土的数量减少，过渡层难以区分哪些是可用土和非可用土。过渡层施工材料在南水北调这一填筑类很高的工程是不能使用的，所以，过渡层土量在计算可用土工程量时应扣除掉。
根据南水北调工程现场开挖情况，根据上下层土料地址剖面图和勘探情况预留过渡层。一般考虑30～50cm的过渡层厚度，此部分工程量认为是不可用土。在南水北调工程中部分回填土料要求含石量不超过20%，若渠道开挖土层中掺杂局部卵石夹层，且卵石夹层体积不超过总体积的20%时，可采用立式开采的方法，必要时预先挖除卵石夹层在开挖和卸料过程中使土方和卵石充分混合，以增加可利用土方量。
通常说的利用多少开挖方时，指的是开挖的自然方，而在计算填筑利用方时又要考虑折实系数和运输损耗系数折合成实方，依据《水利建筑工程预算定额(水总[2012]116号)》，自然方折实系数为0.85，该系数可供一般土石方工程换算时参考。在大方量土石方工程施工中，为保证可利用放量计算的准确，折实系数的取值在地质资料完备的条件下，应该按照土料的物理力学指标进行计算，通常对填筑部位的土料填筑有设计干容重和压实度的要求，土料的天然干容重可以根据每块土区不同土料取样实验得出，每块土区天然干容重与设计干容重的比值即为折实系数。根据折实系数、每块土区储量计算各土区可利用量。土料的操作运输损耗系数取1.05～1.1。
3开挖可利用量的使用
开挖可利用量使用的原则为尽量减少二次倒运工程量，并使用最短运距。二次倒运量的大小与工程的组织协调情况以及分段的多少有关，二次倒运的工程量影响土方工程的投资及临时用地的面积。从有利于土方平衡的角度出发，渠段划分要尽量少，从而减少或者避免二次倒运量;从工程进度考虑，分段较多有利于进驻更多的作业队伍，故二次倒运量应从工期、施工组织等因素综合考虑。
依据上文计算的分段可利用量，并结合现场作业队伍数量，从可利用量最少的渠段优先开挖。首批开挖渠段数量等于进场作业队数量，首批开挖渠段应分隔开。将首批开挖渠段的可利用方暂存在临时堆土区，首批渠段开挖完成后开始相邻的第二批渠段的开挖，将第二批渠段开挖的可利用方直接填筑在首批开挖渠段，按此顺序依次开挖和回填剩余渠段。
4借土量及借土场规划
总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，实方和自然方的换算参照上文，借土量的计算应充分考虑运输损耗系数及超填系数。
借土方量确定以后，就可以进行取土区面积的计算了，取土区面积计算要考虑取土深度、取土边坡、表层腐殖土占地、施工运输通道及施工干扰等影响因素。另外还应考虑土区土料的层后，土料的黏粒含量等物理性质是否符合设计要求。根据符合要求的土层厚度确定取土深度。当采用挖掘机取土深度超过4m时，通常需分层开挖，取土单价有所提高，而且通常当取土达到一定深度后就要采取降低地下水位或翻晒措施，土料单价大大提高，所以更应综合考虑土区地下水位、施工机械、施工方法的影响，多方案成本分析，以尽可能低的成本最终确定取土区面积。
借土区面积计算完成后，即可开展征地工作，借土区征地优先考虑土料性质、运输距离等。南水北调中线工程辉县段渠道东西走向。位于太行山麓山前平原，渠道沿线多为卵石土层，借土场多位于渠道南岸，选取地方耕地，对表层土清理堆置并加以保护后取土使用。根据国家政策，为保护耕地，尽量减少征地数量，借土场借土完成后作为弃土场使用，兼具取土和弃渣功能，先取后弃。取土场弃土时应充分考虑弃料性质及对复耕后地力的影响，首先将地力低的弃土填筑至取土场下层，若弃土含石量较高，不具备防渗保水性能，可下翻取土场土料覆盖在弃土之上作为防渗保水层使用。
5结语
土方平衡工作复杂、繁琐，尤其是线性工程中需考虑分段施工，尽量利用自身开挖方，提前做好土方平衡优化设计，可大大减少借、弃土工程量，加工工程进度、减少征地费用、节约工程投资。水利工程土方平衡要充分考虑土料的松实系数、综合损耗系数，分清松方、自然方、压实方概念及转换关系，准确计算相关工程量。
随着工程的进展，施工环境可能发生变化，开挖土料性质可能出现与地质勘测不符的情况，要及时计算土方工程量的变化，做好土方平衡的动态控制，及时调整挖土、弃土、借土的调配方案，为工程的顺利进行奠定基础。
