李会中, 李红星, 朱鲁飞, 郭 飞, 王 朋

(1.长江三峡勘测研究院有限公司,湖北 武汉 430074; 2.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002; 3.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

大藤峡水利枢纽混凝土骨料备用料源地质勘察与试验研究

李会中1, 李红星1, 朱鲁飞2, 郭 飞3, 王 朋1

(1.长江三峡勘测研究院有限公司,湖北 武汉 430074; 2.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002; 3.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

以大藤峡水利枢纽工程为例,分析前期推荐料源现状与存在问题,指出开展备用料源勘察重要意义,提出贯穿勘察全过程的“整体布局、突出重点,手段综合、有效互补,动态勘察、分步实施”工作思路,阐述备用料源地质勘察与试验研究工作过程与成果,并推荐马鹿岭料场作为本工程混凝土骨料备用料场,确保本工程混凝土骨料无“粮荒”之忧。

大藤峡水利枢纽;混凝土骨料;质量与储量

骨料是混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料,是混凝土的主要原料;料场是砼建(构)筑物的“粮仓”,一旦出现“粮荒”往往将给工程建设带来重大影响。近年来,在中国水电工程建设中,因质量、储量、安全、环保、征地等方面不落实,致使工程开工时“缺粮”、施工中“断粮”等现象屡见不鲜,向家坝、锦屏、官地等大型水电站出现过,中小型水电工程更是举不胜举。

本文以大藤峡水利枢纽工程为例,分析前期推荐料源现状与存在问题,指出开展备用料源勘察的必要性与紧迫性,针对性提出本次勘察工作思路,阐述备用料源地质勘察与试验研究工作过程与成果,推荐本工程混凝土骨料备用料源,其工作成果与经验可供其他工程研究借鉴。

1 概述

1.1 工程概况

大藤峡水利枢纽是西江黄金水道建设的控制性重大工程项目,总投资额达300亿元,于2014年11月15日全面开工建设,它的建成投产必将造福珠江流域民众,并开启珠江—西江经济带建设新篇章。

大藤峡水利枢纽是一座以防洪、航运、发电、水资源配置为主,结合灌溉的综合利用工程,是红水河梯级规划中最末一个梯级。坝址位于珠江流域西江干流黔江河段大藤峡出口弩滩附近。水库正常蓄水位61.0 m,相应库容28.13亿m3,防洪起调水位44.0 m,装机容量1 600 MW;主坝坝型为混凝土重力坝,最大坝高81.55 m,坝长1 343.098 m,左岸黔江副坝坝型为土工膜心墙石渣坝,坝长为1 239 m;船闸布置在左岸,船闸等级为二级,通航船泊吨级为3 000 t;南木江副坝坝型为土工膜心墙石渣坝,坝长647.60 m。

1.2 存在问题

大藤峡水利枢纽工程混凝土总量724.73万m3,需混凝土骨料1 554.02万t。本工程混凝土骨料若采用人工骨料,设计用量1 554.02万t折算成方量(原岩)约为576万m3,详查储量不少于设计需要量的1.5倍,即864万m3。

初设阶段混凝土骨料共勘察5个砂砾石料场和6个人工骨料场,最终推荐江口砂砾石料场、中桥人工骨料场;中桥人工骨料场虽质量、储量满足要求,但运距较远、交通不便,且占用基本农田;江口砂砾石料场,则因民用采砂严重,天然砂匮乏、砾石级配不满足要求。因此,须寻求新料源作备用,避免施工中“粮荒”,以供工程建设急需。

2 工作思路

针对料源勘察工作的复杂性、阶段性与紧迫性,勘察过程中一直贯穿以下工作思路:

2.1 整体布局、突出重点

充分利用、深入分析前期地质勘察成果,以混凝土骨料为核心,研判可作为混凝土骨料料源的地层岩性,结合现场查勘,初拟备选料场,全局布置勘察工作,重点查明料源质量、储量。

2.2 手段综合、有效互补

以现有地质资料为基础,采用地质调查与测绘、钻探与物探、岩石矿化分析与原岩试验(碱活性分析)、轧制试验与混凝土性能试验等综合有效互补手段,查明料场基本地质条件,以及有用层、无用层(夹层)、剥离层的性质及空间分布,计算有用层储量、无用层(夹层)和剥离层方量。

2.3 动态勘察、分步实施

根据勘察工作进展,动态调整或优化勘察工作布置;勘察工作按普查、初查—详查级别两次布置,分普查、初查、详查级别陆续实施;先以地质调查与测绘为主,辅以适量岩石矿化分析与原岩试验,对料场成立可能性作出初步判断;而后,再按规程要求开展全面勘探与试验研究。

3 工作过程

3.1 料场初选

以区域地质资料为依据,分析可作为混凝土骨料的砂岩、碳酸盐岩等地层分布,并进行现场查勘。根据查勘核实,在坝址附近初选砂岩、碳酸盐岩料场各一,其中前者(马鹿岭料场)位于黔江左岸陡坡部位,下距坝址2～3 km,场区内基岩出露好,为泥盆系下统莲花山组第三段(D1l3),以石英砂岩为主,砂岩次之,夹极少量泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,厚度>220 m;后者(京塘料场)位于黔江左岸漫滩或Ⅰ级阶地部位,上距坝址约1 km,场区内覆盖层分布广、厚度大(约10～20 m),基岩零星出露,为泥盆系下统郁江组上段(D1y2)灰色灰质白云岩、灰岩夹泥灰岩等。

前者紧邻江岸,剥离量少,采运方便,但地处规划景区边缘地带,材料层有碱活性反应之忧;后者材料层质量较优,但剥离量大且须基坑式向下开采,加之紧邻黔江,可能存在地下水活动强烈、岩溶发育等问题而对料源质量、开采施工不利。故从料源质量、开采运输、环境保护、少占耕地等方面综合考虑,选择马鹿岭料场作为备用料源勘察研究重点。

3.2 级别勘察

按地形地质条件,参照SL251—2015,马鹿岭料场属于Ⅱ-Ⅲ类,据此布置、开展勘察与研究工作。

3.2.1 普查

砂岩分布范围广、面积大,普查勘察主要采用地质测绘、小口径钻探、声波测井、高清彩电及岩石矿化分析等技术手段,普查地质调查工作覆盖1#-8#沟(图1),考虑到尽量避开大藤峡规划景区,仅选择4#-8#沟之间开展钻探,并选择代表性钻孔进行声波、彩电等物探测试,同时在1∶50地层柱状实测基础上,按岩性采集样品36组,进行岩石矿化分析,初步判断材料层是否含有碱活性成分,从而达到初步了解材料层岩性及其分布、质量、储量等普查精度。

根据普查结果,泥盆系下统莲花山组第三段第3、1亚段(D1l3-3、D1l3-1)岩石质量最优,以石英砂岩为主,夹少量砂岩;第2亚段(D1l3-2)次之,石英砂岩与砂岩互层;第4亚段(D1l3-4)再次之,石英砂岩与砂岩互层,砂岩居多。根据剥离层厚度、岩性分布特征,建议1#-7#沟之间山体为下阶段勘察重点,选取地形较完整、材料层质量较好的地段作为混凝土骨料料源,并提前开展骨料碱活性、轧制、混凝土性能等试验研究。

3.2.2 初查—详查

初查、详查工作合并安排,但实施还是先初查后详查。根据初查成果,从料场岩性组合特征、无用夹层含量、剥离层厚度以及山体完整性等将料场分为有用区Ⅰ区(Ⅰ1区、Ⅰ2区)、无用区Ⅱ区;综合分析Ⅰ1区质量稍优于Ⅰ2区,之后先对Ⅰ1区进行加密勘探,后对Ⅰ2区加密勘探(图1),并补充岩石矿物化学分析、原岩试验及混凝土性能试验,最终达到详查精度。

4 研究成果

4.1 质量评价

4.1.1 宏观分析[1]

(1) 岩性组合。① 地层柱状特征。料场勘察之始即开展了1∶100～1∶50地层柱状测绘,以全面认识料场地层岩性及其组合特征。材料层主要为莲花山组第三段(D1l3),据其岩性组合又细分为四个亚段。

第一亚段(D1l3-1):紫红色石英砂岩夹砂岩。石英砂岩占总厚75%,砂岩占23%,泥质粉砂岩占2%。

第二亚段(D1l3-2):紫红色石英砂岩、砂岩互层夹少量泥质粉砂岩。石英砂岩占总厚52%,砂岩占45%,泥质粉砂岩占3%。

第三亚段(D1l3-3):紫红色中—厚层石英砂岩偶夹砂岩。石英砂岩占总厚80%,砂岩占18%,泥质粉砂岩占2%。

第四亚段(D1l3-4):紫红色石英砂岩、砂岩互层夹少量泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。石英砂岩占总厚46%,砂岩占49%,泥质粉砂岩和粉砂质泥岩占5%。

图1 料场地质简图Fig.1 Geological map of the aggregate field1.冲积层;2.残坡积层;3.崩坡积;4.莲花山组第四段;5.莲花山组第三段第四亚段—第一亚段;6.第四系与基岩分界线;7.第四系物质分界线;8.地层分段界线(虚线为推测分界线);9.质量分区线;10.有用层Ⅰ1区;11.有用层Ⅰ2区;12.无用区。

② 钻孔揭露特征。料场区岩层产状平缓且较稳定,共布置11条勘探剖面,覆盖整个有用区,剖面上钻孔揭露了材料层全部岩性,按剖面统计可真实反映储量范围内岩性及其分布。统计表明:石英砂岩占总厚60%～86.52%,砂岩占7.4%～32.32%,泥质粉砂岩占2.38%～5.75%,从下游向上游石英砂岩占比总体呈渐增趋势。

(2) 质量分区。根据料场地形地貌、剥离层厚度、材料层岩性组合及其工程特性等差异,将料场划分为有用区(Ⅰ区)和无用区(Ⅱ区)(图1),具体如下。

Ⅰ区:一是指基岩大部分出露,表层剥离层厚度较小,一般2～6 m;二是指储量范围内以石英砂岩为主夹少量砂岩的D1l3-3、D1l3-1地层,顶部、中部有石英砂岩与砂岩互层的D1l3-4、D1l3-2地层。根据有用层岩石质量、无用夹层含量和开采相对难易程度等因素,又将其划分两个亚区,即Ⅰ1区和Ⅰ2区。

Ⅰ1区:2#-5#沟之间,剥离层厚度小,一般2～5 m,有用层分布稳定,可采厚度大,材料层以石英砂岩(约75.5%)、砂岩(约21%)为主,泥质粉砂岩等无用夹层占比约3.5%。该区剥离量较少,以质量较优的石英砂岩为主,山体地形相对完整,推荐为主采区。

Ⅰ2区:5#-7#沟之间,剥离层厚度一般3～6 m,材料层以石英砂岩(约66.1%)、砂岩(28.85%)为主,泥质粉砂岩等无用夹层占比约5.05%。该区北侧以上覆泥质粉砂岩为主的莲花山组第四段地层,剥离量较高,材料层质量整体较Ⅰ1区稍差,山体地形较破碎,沟壑较发育,推荐为备采区。

Ⅱ区:7#-8#沟之间及Ⅰ区之上坡顶,一是指表部第四系剥离层厚度较大,一般6～8 m;二是指该区有用层上部地层为以泥质粉砂岩为主的泥盆系莲花山组第四段(泥质粉砂岩占比>1 /5,不易剔除),因其剥离厚度大、岩石质量较差,故将其划为无用区。

4.1.2 试验研究[2-3]

(1) 原岩常规试验。为了检验岩石物理力学性质指标是否符合工程混凝土用粗细骨料质量技术要求,按部位、层位、深度、岩性、风化程度等选取代表性试样进行常规试验,试验表明:石英砂岩、砂岩饱和抗压强度平均值分别为153.10 MPa、58.86 MPa,软化系数平均值分别为0.75、0.77,干密度平均值分别为2.66 g/cm3、2.68 g/cm3,满足混凝土人工骨料原岩质量技术指标要求,为有用层;泥质粉砂岩、粉砂质泥岩饱和抗压强度较低,平均值分别为19.75 MPa、18.10 MPa,不满足混凝土人工骨料原岩质量技术指标要求,为无用夹层。

(2) 碱活性分析。①岩相法。岩相法是初判骨料碱活性的首选方法,它是通过光学显微镜鉴定骨料的矿物成分含量、结晶程度和结构,借助于扫描电镜、X-射线衍射分析、差热分析、红外光谱分析、化学分析等手段,对骨料作出初步判断。试样主要为石英砂岩、砂岩及少量泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。从岩石矿物成分镜鉴看,岩石组成和结构不均匀,一般含有65%～85%石英,细粒粒状结构,石英颗粒具定向排列现象,在正交镜下干涉色Ⅰ级灰白,石英具有波状消光;岩屑中有极少的燧石。其中具有波状消光石英、燧石是具潜在碱活性危害的矿物组分,须进一步采取碱—硅酸盐反应试验加以验证。

②砂浆棒快速法。本试验方法适于鉴定碱—硅酸反应类骨料的碱活性,试验按《水工混凝土砂石骨料试验规程》要求进行,试验表明:3组石英砂岩试件14 d膨胀率在0.1%～0.2%之间,延长至28 d试件膨胀率均>0.2%,石英砂岩均评价为具有潜在危害性反应的活性骨料。9组砂岩试件,5组14 d膨胀率<0.1%,评价为非活性骨料;1组14 d膨胀率在0.1%～0.2%之间,延长至28 d试件膨胀率均<0.2%,亦评价为非活性骨料;3组14 d膨胀率在0.1%～0.2%之间,延长至28 d试件膨胀率均>0.2%,评价为具有潜在危害性反应的活性骨料。因此,石英砂岩均为有潜在危害性反应的活性骨料,砂岩碱活性反应相对较弱,占1/3的砂岩为有潜在危害性反应的活性骨料。

③碱活性抑制试验。抑制碱—骨料反应的措施是利用各种具有火山灰反应活性的胶凝材料和化学外加剂,在骨料中添加一定量的粉煤灰有效抑制碱硅酸反应(ASR)膨胀,通过不同掺量的粉煤灰,采用砂浆棒快速法进行抑制试验。试验采用2种F类Ⅰ级粉煤灰,即“田东Ⅰ级”和“来宾Ⅰ级”,取4组岩样进行掺粉煤灰抑制骨料碱活性试验(粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%、30%),试验表明:1) 砂浆试件的膨胀率随粉煤灰掺量的增加而减小;当粉煤灰掺量10%时,仅有两组砂浆试件的28 d龄期膨胀率略>0.10%。当粉煤灰掺量≥20%时,试件28 d龄期膨胀率均<0.10%,有效降低了试样的碱活性膨胀反应,因此在混凝土胶凝材料中掺≥20%的粉煤灰可有效地抑制石英砂岩、砂岩潜在的混凝土碱—骨料反应,且粉煤灰掺量越高,抑制效果越好。2) 粉煤灰掺量相同时,使用田东Ⅰ级粉煤灰抑制效果略好于来宾Ⅰ级粉煤灰;粉煤灰掺量10%时,2组砂浆试件28 d龄期膨胀率>0.1%,均为采用来宾Ⅰ级粉煤灰。

(3) 混凝土性能试验。混凝土强度试验主要是研究掺不同比例的无用夹层对混凝土拌合性能和混凝土抗压强度的影响,以判断该料场作为工程混凝土骨料料源的可行性,为工程料源选择提供科学依据。

根据设计报告,工程混凝土浇筑主要为C15、C20、C25、C30等标号,极少量C40标号。混凝土强度试验表明:①砂岩中掺5%的无用夹层,水胶比控制在0.40～0.45条件下,混凝土强度满足C15、C20、C25、C30标号要求;②砂岩中掺≤15%的无用夹层,水胶比控制在0.40～0.50条件下,混凝土满足C15、C20、C25标号强度要求;③砂岩中掺≤15%的无用夹层,水胶比控制在0.40～0.55条件下,混凝土满足C15、C20标号强度要求。

料场储量范围内以石英砂岩为主(约60%～80%),平均饱和抗压强度>150 MPa,砂岩占比总体在20%～40%之间,无用夹层占比总体<5%。上述混凝土强度试验砂石骨料是以砂岩为主、掺≤15%无用夹层,参照其混凝土强度,以石英砂岩为主、砂岩次之、掺≤5%无用夹层的砂石骨料的混凝土强度较上述试验值要高,因而极少量C40标号混凝土骨料宜选用石英砂岩含量较高的部位。

4.2 储量计算

4.2.1 开采底板

根据料场地形地质特征及开采条件,料场西侧(上游)以2#沟为界,料场东侧(下游)以7#沟为界,后缘开采最高高程约275 m;因料场下部为莲花山组第三段1亚段(D1l3-1)地层,岩石质量相对较好,宜尽量向深部开采,开采底板高程按45 m(大坝蓄水前黔江20年一遇洪水位为41 m)、65 m(水库正常蓄水位61 m)两种方案考虑。

4.2.2 侧后缘边坡

侧后缘边坡设计为:第四系残坡层及强风化岩体开挖坡比按1∶1,弱风化上带岩体开挖坡比按1∶0.7、弱风化下带岩体开挖坡比按1∶0.5、微风化岩体开挖坡比按1∶0.3梯级开采,每梯级坡高15 m,每个梯级间设2 m宽的马道。

4.2.3 剥离层下限

剥离层下限的确定:剥离层主要包括第四系残坡积层碎石土、基岩强风化带岩石,而弱风化上带岩石沿裂隙壁风化加剧,一般宽2～4 cm,锤击哑声,局部夹泥,也不适宜作为混凝土骨料用的岩石,故一并划为剥离层。

采用平行断面法[4]进行计算,纵断面距离65～120 m,横断面距离100～120 m,以纵断面计算为主,横断面计算校核,二者结果相差<5%,最终以纵断面计算结果为准,计算成果如表1。由表可见,两种开采方案有用层储量均远大于设计需要量的1.5倍(即864万m3)。具体见表1。

表1 储量计算成果表(底板高程45 m/61 m)

注:Ⅰ1区无用夹层占比约3.5%;Ⅰ2区无用夹层占比约5.05%。

4.3 开采及运输条件

4.3.1 料场开采

料场南临黔江,地形较陡,有用区Ⅰ1区位于2#-5#沟之间,材料层连续分布,可按储量计算所述进行边坡设计与料场开采;开采过程中产生的弃渣,可选择坡度较小、断面较大、迂回状延伸至黔江的2#冲沟库水位以下部位作为弃渣场,但须进行适当防护处理,以防泥石流发生。

4.3.2 运输条件

料场距坝址区直线距离2～3 km,其间还隔有一条南木江,目前尚无公路连接。可与南木江副坝施工方案相结合,修筑一条长约1.50 km的简易公路,运输距离约4 km。

4.4 边坡稳定分析

边坡岩体结构为层状结构,从层面、裂隙等主要结构面与开挖边坡走向关系分析,料场自然边坡与后缘开挖边坡为横向坡,下游侧缘开挖边坡为逆向坡,采取分级放坡,整体稳定性较好,仅存在局部块体稳定问题;上游侧缘开挖边坡为顺向坡,存在整体稳定并局部块体问题。为此,除须做好料场外围及开挖坡面系统截(排)水外,对上游侧边坡应采取系统与随机相结合的支护措施,对后缘、下游侧边坡应采取随机支护或清除措施。

5 结语

(1) 大藤峡水利枢纽混凝土骨料备用料源勘察深入贯彻“整体布局、突出重点,手段综合、有效互补,动态勘察、分步实施”的工作思路,在近场区地质资料分析和现场查勘核实初选比较基础上,确定以马鹿岭料场为重点逐步开展普查—初查—详查级别地质勘察与试验研究,查明了该料场基本地质条件、料源质量与储量、开采运输条件、边坡稳定特征等,勘察精度满足初步设计阶段要求。

(2) 地质勘察与试验研究表明:马鹿岭人工骨料场料源质量Ⅰ1区优于Ⅰ2区,有用层石英砂岩、砂岩物理力学性质满足混凝土人工骨料原岩质量技术指标,虽为潜在活性骨料,但掺入10%～20%的粉煤灰可有效抑制碱活性反应,骨料中掺入≤5%的粉砂质泥岩(泥质粉砂岩)无用夹层对混凝土强度影响不大;Ⅰ1区详查储量已达1 628万～1 959万m3,远大于设计需要量1.5倍;采剥比1∶0.13～1∶0.12,料场位于近坝库首左岸,开采及运输条件较便利,不存在其它制约性环境地质问题。故马鹿岭人工骨料场可作为本工程混凝土骨料备用料场。

(3) 广西大藤峡水利枢纽混凝土骨料备用料源勘察有以下几点重要启示:①料场勘察之初,对场区、近场区等区域地质等资料进行认真研读,初步了解可作为混凝土骨料的地层岩性分布,并进行必要的现场查勘核实,可以有效避免料源勘察出现反复或重大误断。

②制约料源选择的因素包括质量、储量、安全、环保、征地等,尽管质量(储量)是核心,但其它因素却是保障,因而进行料源比选时必须统筹兼顾,做到技术可行、经济合理、社会和谐。

③随着科学技术发展与进步,添加或掺入某些外加剂或其他掺和料可以改良混凝土性能,因而骨料某些质量问题已不再是料场成立与否的制约条件,如碱—硅活性问题可通过在骨料中添加一定量的粉煤灰得以有效抑制。

④要充分认识、高度重视料源勘察的重要性,不可错误认为天然建材勘察工作简单、技术含量低,而产生麻痹思想与敷衍了事;要不断学习与总结经验,天然建材勘察有其独特工作套路与工作要点,需要在实践中多思考,方能把握得当、少出偏差。

[1] 李会中,李红星,吴晓华,等.大藤峡水利枢纽工程天然建筑材料备用料场马鹿岭人工骨料场地质勘察报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究有限责任公司,2015.

[2] 董芸,李鹏翔.大藤峡水利枢纽工程马鹿岭备用料场人工骨料性能试验[R].武汉:长江水利委员会长江科学院,2015.

[3] 董芸,李鹏翔.大藤峡马鹿岭料场砂岩骨料混凝土强度试验[R].武汉:长江水利委员会长江科学院,2015.

[4] 中华人民共和国水利部.水利水电工程天然建筑材料勘察规程:SL 251—2015[S].北京:中国水利水电出版社,2015.

(责任编辑：陈文宝)

The Geological Survey and Experiment of Jury Stocking Yard ofConcrete Aggregate on the Datengxia Hydro-junction

LI Huizhong1, LI Hongxing1, ZHU Lufei2, GUO Fei3, WANG Peng1

(1.ThreeGorgesGeotechnicalConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430074; 2.XinjiangCorpsSurveyingandDesigningInstitute(Group)Co.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang830002;3.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu211100)

The Datengxia Hydro-junction is taken as a case and the present situation and existing problems of the stocking yard recommended has been analyzed.On the basis of this,the significance of the geological survey of the jury stocking yard has been pointed out.The working idea of ‘overall layout arranged,major points emphasized,technical means comprehensively applied,effectiveness supplied,dynamically investigated,gradually carried out’ has been proposed.The work process and results of the geological survey and experiment of jury stocking yard has been described.Then the Maluling stocking yard is recommended as the jury stocking yard of concrete aggregate of the Datengxia Hydro-junction to make sure that the concrete aggregate is abundant in construction.

Datengxia Hydro-junction;concrete aggregate;quality and stocks

2016-04-15;改回日期:2016-05-13

李会中(1964-),男,教授级高级工程师,硕士,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程勘察、设计与科研工作。E-mail:lihz8@163.com

TV431

A

1671-1211(2016)03-0474-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.053

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.002.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24