楊 世 平

(深圳市水務規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518008)

深圳市是一個缺水城市，為滿足供水需求修建了大量水庫工程，截至2015年底，共有蓄水水庫168座，總庫容7.7 億m3。其中20世紀90年代以前水庫絕大多數(shù)為均質(zhì)土壩，多采用黏性土填筑。90年代以后，水庫大壩越大越高，填筑料需求量越來越大，必須大量采用各種風化料上壩，例如公明水庫實際利用各種風化料數(shù)量達1 200 萬m3。而隨著碾壓設(shè)備的不斷改進，大壩設(shè)計理論愈加先進，以及料場征地越來越難的現(xiàn)實，要求每個風化巖料場做到最大限度料盡其用，這就給料場地質(zhì)勘查以及施工地質(zhì)工作提出了更高的要求。本文基于在當?shù)靥烊唤ㄖ牧峡辈?、土石壩安全鑒定勘察、土石壩設(shè)計施工配合以及病險水庫處理等工作實踐，提出了一些針對本地特色的風化料勘察地質(zhì)問題對策和理念，對類似地區(qū)水庫工程具有借鑒意義。

1 風化料地質(zhì)背景

土石壩風化料顧名思義是填筑土石壩的各種風化程度的巖石，包括全風化巖、強風化巖、弱風化巖、微風化巖等，本文主要是指常規(guī)碾壓設(shè)備可碾碎的全風化巖(含殘積土)、強風化巖，其壓碎后顆分土名為各種黏性土、粉土、砂土、礫石土、碎石土，以壓實度控制填筑密度，一般情況下機械挖掘機可開采，不需爆破。一些堆填在干燥區(qū)的風化料可容許不完全碾碎，但要與設(shè)計人員協(xié)商。本地全、強風化層成分、成因、分布、結(jié)構(gòu)等產(chǎn)出特征與場地地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水作用等有直接關(guān)系。地貌類型有山地、臺地、海岸帶，地形高差起伏大。地層巖性種類多，分布最廣的是各構(gòu)造期花崗巖，其次是石炭系、泥盆系、侏羅系砂泥巖，以及一些變質(zhì)巖、火山巖。在靠近深圳大斷裂帶的區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造對風化層厚度影響較大。地形地質(zhì)條件和土地規(guī)劃限制決定了本地區(qū)風化巖料場厚度變化大，單個儲量小，層位劃分難，開采和上壩填筑質(zhì)量控制難。這些都是因為風化層的不均一性造成的。常見的“不良夾層”有石英砂巖硬巖層、花崗巖風化球、硅質(zhì)膠結(jié)砂巖硬巖層、石英巖巖脈帶，帶狀、槽狀、囊狀風化和隔層風化等是常見“不良風化”現(xiàn)象。

2 問題與對策

2.1 料場選擇

傳統(tǒng)的料場選擇原則是：由近至遠，先集中后分散，不占或少占耕地或林地，充分利用工程開挖料等。本地區(qū)選擇料場限制因素較多：①要考慮征地難度問題，常常已完成詳細勘察的料場因為征地等原因無法使用，既大大耽誤工期，又造成勘察浪費，因此本地區(qū)選擇料場主要考慮在水庫紅線范圍內(nèi)。②料場選擇要充分考慮后續(xù)水保工程量和難度的問題，以及不規(guī)則開采造成的永久景觀問題，這就要求料場盡量選擇獨丘、殘丘地段，條帶狀串珠狀低丘最好，這些地貌區(qū)開采結(jié)束后可基本變?yōu)槠秸膱龅兀€可加以其他工程利用。③料場選擇要充分考慮地下水位及料源含水量問題，當料源含水量高時處理難度很大，一般不規(guī)劃使用含水量偏高的料源，因此溝谷區(qū)、低臺地地貌區(qū)選擇料場需慎重。④料場選擇要充分考慮開采時對周圍居民和建筑物的影響。⑤料場選擇考慮巖性種類，以花崗巖為代表的火成巖風化成層性好，料種物理力學性質(zhì)好，為各類碾壓土石壩料源首選。各種變質(zhì)巖系地層，風化雖不均一，但全、強風化層總體厚度普遍較大，儲量易滿足。泥盆紀以新的砂頁巖地層，風化很不均一，成層性差，料源物理力學性質(zhì)相對較差，勘察、開采、上壩質(zhì)量控制難度較大。

2.2 擊實試驗

按工程慣例和有關(guān)規(guī)范，水庫大壩和堤防一般要求對黏性土料進行標準擊實試驗(輕型擊實)，適用于粒徑小于5 mm的黏性土，而采用重型擊實試驗的不多，后者常用于公路部門。本區(qū)域在建水庫大壩天然建筑材料大多采用殘積土、全風化巖(土)、強風化巖，其中前兩者屬于土，習慣于進行輕型擊實。后來在多個工程發(fā)現(xiàn)，一些巖類的殘積土和全風化土在不同擊實功下顆粒組成也有較大變化，主要是細粒含量的變化。

以公明水庫10-1料場一批樣為例，擊實樣品為中粗?；◢弾r全風化土，顆分土名為細粒土質(zhì)砂，立面刻槽混合取樣，采用輕型擊實試驗后土的黏粒含量5.1%～9.9%，滲透系數(shù)(1.5～5.0)×10-4cm/s,不滿足均質(zhì)土壩土料質(zhì)量的要求。改為重型擊實試驗后土的黏粒含量變大(15.6%～27.5%)，滲透系數(shù)顯著變小(3～6)×10-6cm/s，均可滿足均質(zhì)壩設(shè)計要求。在料場現(xiàn)場碾壓試驗和工程施工中，采用20 t的震動平碾即可達到重型擊實的效果。天然建筑材料勘察規(guī)范(SL251)規(guī)定對于風化成因的碎(礫)石類土，必要時應做壓實后的顆粒分析和碾壓試驗，鑒于本地區(qū)料場的特點(料源緊缺，立面開采，砂性土含水量不高)，建議對于殘積土較薄全風化土較厚的風化巖形成的砂類土料場，勘察時應進行重型和輕型擊實對比試驗，必要時進行碾壓試驗，充分挖掘料場潛力，節(jié)約土地。至于施工質(zhì)量，當前碾壓設(shè)備壓實能力很容易達到重型擊實效果的壓實度，只需重點控制好含水量即可。

2.3 風化料分區(qū)分層

按現(xiàn)有土石壩設(shè)計理論，各種風化巖和殘積土均可作為良好的天然建筑材料，其中強風化帶以上的巖(土)可作為均質(zhì)土壩、分區(qū)壩的建筑材料。本地區(qū)已建水庫大壩大多為均質(zhì)壩，少數(shù)為防滲體分區(qū)壩，但目前在建水庫由于料源日益緊缺，分區(qū)土壩越來越成為主要的選項。在建水庫區(qū)一般為低丘陵區(qū)，地形開闊，堅硬巖埋深大，不適宜修建重力壩和拱壩，即使修建堆石壩的條件也不好，因此壩型選擇主要考慮各種風化料的因素，并盡可能是庫盆范圍內(nèi)的料場。在建的公明水庫和清林徑水庫，均為大(2)型水庫，壩雖不太高，但副壩數(shù)量多，分別為6座和10座，總的土石料用量大，但單個大壩筑壩用料量相對較小，各大壩設(shè)計必須與就近的料場種類、儲量、質(zhì)量、開采、運輸、施工因素等統(tǒng)籌考慮，每個開采層在可采深度內(nèi)料盡其用，少棄料，這就要求各料場勘察必須做到精細化，以便更好地進行工程設(shè)計和方案決策。

對于殘坡積土，一般為黏性土，可作為防滲料，也可作為均質(zhì)壩料，但不同巖性的殘坡積土的物理力學性質(zhì)和壓實特征有差異，可按顆粒分析成果確定基本土名，并進行平面和剖面細化分區(qū)分層，注意高塑性黏性土的存在。對于全風化巖(土)，以巖性進行大的分區(qū)，一般應根據(jù)擊實后的顆粒分析定土名，如果全風化帶較厚，上下部位物理力學性質(zhì)差異較大時，應進行剖面分層，并分別進行分層取樣擊實試驗和全層取料擊實試驗。全風化巖(土)是良好的均質(zhì)壩料，有些可作為防滲土料。做防滲土料時要經(jīng)過綜合分析判斷，重點關(guān)注試驗樣品的代表性、采料層均一性和施工質(zhì)量的控制難度。強風化帶由于所處地形地貌部位不同、地層巖性差異、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度等原因，在本地區(qū)的主要特征表現(xiàn)為厚度變化大、風化狀態(tài)差異大，壓實性能差異大和碾壓后地質(zhì)參數(shù)差異大，是每個工程料場勘察的難點和重點。強風化巖風化料在本地區(qū)一般作為分區(qū)壩填筑料，具有抗剪強度高，壓縮性低，滲透性大的特點，尤其對于壩較高長度較大的壩，其壓實后工程特性對于工程安全、工程投資控制有重要意義。

鑒于本地區(qū)強風化料的這些特點和問題，采取的主要勘察對策有：①當風化層較厚時必須分區(qū)分層，分區(qū)是根據(jù)巖性先行分類，不同的巖性其風化特點不同。分層是根據(jù)風化程度的深淺進行剖面分類，以松子坑水庫二期擴建工程(中型水庫)為例，粉砂巖強風化帶厚度可達10～30 m，根據(jù)主要風化狀態(tài)描述即半巖半土狀、石夾土狀、碎塊石狀分為上、中、下3層，詳見表1。②勘察時采用鉆孔、物探、坑(井)探、地質(zhì)填圖等綜合勘探方法進行分層，編制專門的強風化巖分層特性表，強調(diào)鉆探班報表要做好鉆進記錄。③分層時多與設(shè)計施工人員溝通，要考慮可能的開采方式和碾壓設(shè)備。

2.4 風化料地質(zhì)參數(shù)綜合取值

風化巖上壩料是一種復雜的建筑材料，其復雜性主要體現(xiàn)在開采壩料存在均一性問題，取樣試驗存在代表性問題，室內(nèi)試驗工況與現(xiàn)場施工存在差異性問題等等，尤其是強風化料，勘察時根據(jù)有限的地質(zhì)工作提出相對合理的地質(zhì)參數(shù)是一項難度較大的工作。

針對這些與參數(shù)取值有關(guān)的問題，在工程前期勘察階段盡可能做到試驗與地區(qū)經(jīng)驗相結(jié)合，在參數(shù)使用過程中地質(zhì)與設(shè)計密切協(xié)商，在施工階段用碾壓試驗成果對前期地質(zhì)參數(shù)進行必要的復核。對于殘坡積土和全風化土料，土性相對均一，以室內(nèi)試驗成果為基本依據(jù)，結(jié)合工程經(jīng)驗，可基本能夠提出比較合適的物理性質(zhì)指標和強度、變形、滲透等參數(shù)；對于強風化料，其風化程度介于全風化和弱風化之間，土石比例、塊度大小和堅硬程度極不均一，當壩較高時，必須要求分層進行大型擊實試驗，通過模擬碾壓功能的擊實試驗，取得基本的地質(zhì)參數(shù)和壓實特性指標。原則上要求上壩的強風化料能基本碾碎，壓實后粗細結(jié)合緊密，不發(fā)生粗料集中架空的現(xiàn)象，沒有飽水后濕陷性問題等，不能滿足這些要求的強風化料一般不能做為壩殼料，除非設(shè)計有要求填在干燥區(qū)。

強風化料大型擊實試驗和擊實后剪切、滲透試驗成果對壩型設(shè)計影響很大，參數(shù)的提出當慎之又慎，地質(zhì)上要綜合考慮各種風險，包括取樣代表性、試驗成果可靠性、施工質(zhì)量可控性等方面，必要時要進行專門論證及專家咨詢工作。本地實驗室當前沒有大型擊實及擊實后各種試驗能力，一般要送去長沙中南院實驗室，成本雖高，但可解決關(guān)鍵技術(shù)問題。對于一些較矮壩的強風化填筑料，地質(zhì)參數(shù)的提出主要依據(jù)類似工程經(jīng)驗。由于各種條件的限制，一般在前期勘察期間無法進行現(xiàn)場碾壓試驗。表1為松子坑水庫二期擴建工程經(jīng)現(xiàn)場碾壓試驗成果復核后的風化巖(土)上壩料地質(zhì)參數(shù)，圖1為典型的顆粒分析曲線(平均線)。該水庫上壩料為石炭系測水組泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖、石英砂巖地層，在深圳地區(qū)有一定的代表性。

表1 各類料地質(zhì)參數(shù)建議值

注：①上述地質(zhì)參數(shù)提出是根據(jù)以下資料綜合分析確定：碾壓試驗報告；施工地質(zhì)人員于碾壓后進行的現(xiàn)場及室內(nèi)試驗成果；前期勘察報告；料場開挖斷面地質(zhì)描述；碾壓后的粗料壓碎狀態(tài)觀察。 ③對于施工期所有壩殼料穩(wěn)定計算的非飽和土抗剪強度參數(shù)設(shè)計取值，建議仍采用原初設(shè)勘察報告提出的各料場的黏性土抗剪強度參數(shù)值。④上述各類料水平滲透系數(shù)，A、B、C類料取其垂直滲透系數(shù)的1.5倍，D類料取3倍。

圖1 典型顆分曲線

2.5 壩型推薦

本地區(qū)水庫以設(shè)計均質(zhì)壩和分區(qū)壩為主，從天然建筑材料角度推薦設(shè)計壩型，主要從以下幾方面考慮：

(1)防滲料的儲量、質(zhì)量和開采條件，這是修建土質(zhì)防滲體壩的先決條件。防滲料的滲透系數(shù)規(guī)范規(guī)定要小于1×10-5cm/s，對料源要求一般要有較高的黏粒含量，較低的含水率，較好的壓實性能，較好的均一性(滲透參數(shù)可靠性)，開采運輸方便，與其他上壩料開采不沖突,達不到這些條件，不應推薦土質(zhì)防滲體壩。

(2)壩殼料的分布規(guī)律、分區(qū)分層儲量、質(zhì)量及依序開采條件，重點關(guān)注料源的均一性，均一性差或分層開采難度大時不應推薦分區(qū)壩，如要推薦分區(qū)壩就要建議增加輔助防滲、反濾及降低浸潤線設(shè)計措施。

(3)對均質(zhì)壩料技術(shù)指標的綜合判別，主要針對料源的均一性、壓實性和施工質(zhì)量的可控性，不能以一些試驗成果輕易下結(jié)論。

以松子坑水庫二期擴建工程土質(zhì)防滲體分區(qū)壩為例，強風化中段料設(shè)計為壩殼料，碾壓試驗時現(xiàn)場測得其滲透系數(shù)(2～5)×10-5cm/s,平均為8×10-5cm/s,似乎可作為均質(zhì)壩料使用，但仔細觀察碾壓后現(xiàn)場顆粒組成情況，有“粗料”相對集中的現(xiàn)象，且是施工期不可避免的，在“粗料”集中區(qū)加做滲透試驗后，綜合分析確定該類料平均滲透系數(shù)取值為1.2×10-4cm/s,單從數(shù)據(jù)上看雖接近均質(zhì)壩料滲透參數(shù)，但原則上是不能按均質(zhì)壩料看待。因此對于上壩料的工程特性評價，必須進行綜合分析后慎重下結(jié)論，推薦設(shè)計壩型也要在與設(shè)計人員充分溝通的基礎(chǔ)上提出建議。相對來看，分區(qū)壩比較經(jīng)濟安全，但填筑質(zhì)量控制難度較大。

本地區(qū)分區(qū)壩的形式一般是“好”料填在大壩上游部分，“差”料填在下游部分，如表1中A、B類料填在上游區(qū)，C類料填在中下游區(qū)，D類料填在后壩坡，穩(wěn)定、滲流、變形三大設(shè)計問題都得到較好的解決。如果A、B類料防滲可靠性有缺陷，應建議增加其他防滲措施(黏土斜墻、土工布等)。如果C、D類料滲透系數(shù)偏小，應建議進行降低浸潤線設(shè)計。一些工程實例顯示，上游壩段土料防滲功能有缺陷，而下游壩段設(shè)置了垂直排水砂墻和水平砂墊層的分區(qū)壩，其滲漏量往往偏大很多。均質(zhì)壩型一般適合較矮的壩，上壩料大多取用全風化土、殘積土，防滲可靠性好，但有些壓實土料在飽和狀態(tài)下抗剪強度偏低，使得大壩壩坡設(shè)計偏緩，筑壩經(jīng)濟指標較差。

2.6 壩料填筑質(zhì)量控制

鑒于風化料的上述特點，上壩填筑質(zhì)量是水庫工程質(zhì)量控制的重點，也是難點，需要各部門協(xié)調(diào)配合共同應對，施工地質(zhì)工作尤為重要，體現(xiàn)在施工過程的各個環(huán)節(jié)。在大規(guī)模壩料填筑之前，地質(zhì)人員應配合施工單位做好現(xiàn)場碾壓試驗，在碾壓試驗方案制定、碾壓參數(shù)的確定和現(xiàn)場試驗檢測方面提出建設(shè)性意見，與設(shè)計、施工、監(jiān)理人員共同研究解決有關(guān)壩料碾壓技術(shù)問題。根據(jù)碾壓試驗成果進一步復核前期提供的地質(zhì)參數(shù)，并將復核結(jié)果及時知會設(shè)計人員。在施工過程中由于多種原因，施工單位常常不能按已規(guī)劃好的開采順序開采料場，導致產(chǎn)生各種質(zhì)量隱患，此時施工地質(zhì)人員應配合設(shè)計修編開采規(guī)劃，必要時還需進行料場補充勘察。對以細粒土為主的殘積土、全風化巖壩料，地質(zhì)人員當重點關(guān)注壩料含水量情況，避免出現(xiàn)彈簧土、水平透水層。對大規(guī)模強風化巖壩料填筑質(zhì)量控制，地質(zhì)人員需重點關(guān)注：在進行碾壓試驗時注意分析研究不同碾壓設(shè)備對技術(shù)指標的影響；在壩料大規(guī)模開采時注意監(jiān)督料場分料區(qū)分層位開采和分料類分壩區(qū)上壩，避免壩體下部填土偏細，壩體上部填土偏粗，不利于壩坡穩(wěn)定，或者出現(xiàn)填土“粗料”集中層、集中帶，不利于滲流和滲透穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

土石壩天然建筑材料勘察失敗的案例在全國很多，曾造成過重大損失，表明此項工作既重要，又風險高。而風化料勘察與評價更為復雜，需要與設(shè)計、施工、巖土測試檢測等多個專業(yè)部門進行溝通、協(xié)調(diào)和共同研究，也需引用統(tǒng)計學、概率學、邏輯推理、風險評估理念，即按一項系統(tǒng)工程看待。只有這樣，才能使得風化料勘察成果評價做到科學、合理、適用，少風險。

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[1] 鄭麗君. 土的輕型與重型擊實試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析[J]. 巖礦測試，2006,25(3):297-298.

[2] 吳國永，鐘俊平.標準擊實試驗與現(xiàn)場填筑若干問題探討[J]. 廣東水利水電，2005(6):39-40.

[3] 碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范(SL274)[S].

[4] 水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程(SL251)[S].