簡介: 隨著壩工技術及壩料研究的進展,不斷突破及拓寬大壩修建對地基基礎的限制,在以往認為不宜修建工程的不良地質條件的地方,也開始修建大中型高壩,而對于對基礎適應程度最強的土石壩,也日益顯出較強的優(yōu)勢。然而在不良地質條件下修建土石壩,存在著許多與往不同的特點,根據已建工程的經驗與教訓,將料場的復勘需注意的問題進行了介紹,可以為類似工程提供有益的借鑒。
關鍵字:不良地質 料場 規(guī)劃 開采

1、概述

隨著新型土石方機械的大量投入及填筑施工工藝水平不斷提高,同時筑壩材料試驗研究的深入,極大地拓寬了土石壩的用料范圍和用料模式,土石壩對壩基適應性強的特點再次引起人們的重視,故在以往認為不宜修建高壩的地方,也開始修建一系列土石壩,然而,在地質條件較差的地方修建土石壩,除了對基礎需進行特殊處理外以滿足土石壩建基要求外,作為土石壩能否經濟、快速施工的因素,料場的規(guī)劃與開采問題就必須引起高度的重視。

對于施工單位而言,在招標文件提供的料場資料的基礎上,對料場進行復勘,是工程開工后必須引起高度重視的工作,也是最困難、最耗時的工作,筆者現就參加不少土石壩料場的復勘阿工作,根據自已的經驗與體會,簡單分析在不良地質條件下修建土石壩的料場復勘工作中應注意的幾個問題。 

所謂的不良地質條件,對于不同的壩料、料場地質條件所涉及的內容也不盡相同,但一般情況,均指存在著斷層發(fā)育、巖體破碎、料場地質發(fā)生異變及含水量與最優(yōu)含水量偏差較大等情況,對于不同的壩料,不良地質情況相差性較大,需要根據實際情況進行合理的分析和探討。

2、料場復勘的必要性

料場復勘,是施工單位進場后,根據招標文件提供的料場地質資料,進行一系列、有目的察勘,逐步了解料場的實際地形、地質情況,詳細地進行料場道路的布置、開采范圍的確定、開采階段的劃分、強度復核等工作,對于防滲土料場,還存著含水量與最優(yōu)含水量的差異調查等內容。

土石壩作為當地材料壩,原則上應該有什么樣的料就修建什么樣的壩,然而在工程實踐中,料場勘探工作的深度往往并沒在達到足夠的程度,一般而言,相對于壩址的地質勘探深度,料場的地質勘探工作就差的較遠,往往僅靠幾個探洞或地形勘查進行地質描述,例如在某個百米級土石壩工程,堆石料場僅布置兩個探洞(后對探洞進行復勘中發(fā)現其中一個還布置在孤石內),洞長也僅15m左右,而僅在壩區(qū)就布置了6條探洞,最長的探洞長約300m(內設斜井),最短的也有54m,可見在設計階段對料場地質勘探深度和重視程度,但壩體設計一般均參照類似工程提出壩料建議性指標,與實際情況可能存在著差異,進場后,與招標文件發(fā)生變化的可能性很大,要么地質條件發(fā)生重大變化,招標文件中有用料變成無用料,要么就是開采面積變小,無法形成大規(guī)模開采(或臺階開采)條件,不利于大規(guī)模機械開采,這在工程實踐中屢見不鮮。

另外,在規(guī)劃及招標階段,料場的指定,往往是根據航測圖或精度較低的圖紙進行規(guī)劃,所推薦的料場往往也存在著局限性,招標文件中地形圖與實際情況也有可能不同,在儲量計算上也可能存在著差異,也需施工單位進行復核,確保在填筑過程用量安全。

在料場的復勘中,也有可能在招標文件推薦的料場之外距壩址很近的地方,存在著開采條件相對較好的料場,或存在著經論證后可作為壩料的新料場,如果在施工中將新開辟的料場能夠投入運用,往往能夠大幅度節(jié)約料場的準備時間和費用,對工期緊、中標單價底的施工單位來說,意義是不言而喻的。

3、料場的復勘內容和方法

為滿足壩料符合填筑指標,料場根據不同料場性質的情況,復勘的內容也應有所側重,而在不良地質條件下,相對來說,料場的復勘工作較為復雜和困難,復勘的內容一般包括下面幾項:

3.1料場地質性調查

料場地質性調查,是查明料場的物理性質能否滿足壩體填筑技術指標,由于在不良地質情況下,料場地質情況較為復雜,在規(guī)劃階段中推薦的料場,往往因勘探深度較淺,提供的地質資料與實情情況相差較大,需要進行進一步復核,查明料場有用料分布情況,為料場開采提供根本性的依據。

料場的地質性調查,一般可以從以下兩個方面進行著手:

3.1.1復查探洞和探坑

料場的探洞和探坑,是設計部位進行料場初步規(guī)劃和儲量計算的根本性的依據,施工單位在設計提供的地質資料的基礎上,對料場的探洞和探坑進行進一步查明和判斷,根據對探洞揭露的巖性和走向,初步判斷料場分布情況,從而為料場開采面提供第一手資料。

但要指出的是,探洞或探坑提供的資料雖然非常重要,也是料場地質性復勘的基礎性資料,但料場的探洞或探坑,為施工的方便,往往選擇在進洞條件好、巖石裸露、結構完整的地段,故探洞揭露的地質情況相對來說要好的多,往往卻并不能代表料場的真實情況,如上述的某料場,就因為探洞選擇在相對完整的孤石上(雖然可以從巖層的走向間接判斷是否是基巖,但也不排除誤判的情況),從而對料場地質情況造成誤導,提供的地質資料與進場后揭露的情況相異極大,使料場工作一度處于停滯和被動狀態(tài)。

3.1.2地表查勘

雖然有設計提供的地質情況和規(guī)劃階段打設的探洞或探坑,但地表查勘工作卻不可少,意義也不可小視,往往在地表查勘中能夠發(fā)現招標文件提供的地質資料中未發(fā)現的斷層或其它有害雜質分布,如有必要,施工單位應補設探槽以查明斷層的分布、大小、走向及影響帶等情況(也可在修建機械道路過程中根據地表揭露情況進行判斷分析),如果是砂石料場或防滲土料場,施工單位應采取挖設探坑了解有用料厚度等,并根據探坑進行地質素描和分析,從而了解料場有用層與無用層分布,為料場的儲量計算提供必要的基礎性資料。

對一個有經驗的承包商來說,料場查勘應不僅僅限于推薦的料場,應該在進場后,對壩址周圍的情況進行有針對性的查勘,往往能夠找到與推薦料場地質情況相近、而開采條件卻較優(yōu)的料場,通過查勘,認為有必要時,就可有意識地進行取樣和論證,為新開辟料場、節(jié)約施工成本提供基礎性資料,如筆者所正在施工的某百米級工程,原設計采用距壩址6公里的堆石料場爆破后經生產作為反濾料及過渡料,由于料場發(fā)生重大變化,不具備出料條件,而在壩址上下游2公里范圍內存在著大片砂卵石料,經施工單位積極努力,采取施工措施進行級配調整后,送樣至相關部門進行復核,認為指標滿足反濾料及過渡料的需要,從而節(jié)約了大量投入,同時也擬作為堆石料的補充,緩解了堆石料場遲遲不出料帶來的嚴重后果, 

3.2儲量計算

儲量計算是料場復勘中最基本、也是最為重要的內容之一,它的準確與否,關系到料場開采價值,是一個極為重要的指標。

3.2.1地形測繪

地形測繪是儲量計算的第一步,雖然在招標文件中也提供有料場的地形資料,但精度往往不能滿足施工階段的需要,需施工單位采用儀器進行測繪。地形測繪的精度,關系到儲量計算的準確性,作為料場的原始地形,在工程料場索賠中(如有可能的話)也占有非常重要的地位,一般而言,在工程竣工時,無用量計算為:

V實際無用料量=V料場開采總量-γV填筑上壩料

V增加的無用量= V實際無用料量- V投標階段無用料

其中:γ為壩料折算系數,為壩料天然容重與填筑干容重的比值。

增加的無用量料,就是合同變更應進行調整的部分,因此,對一個有經驗的承包商來說,從進場開始,就應高度重視這項工作。

由于料場地形復雜、坡度陡峭、植被茂密,許多地方是人無法攀爬而立尺,為測量方便,具備條件時往往采用無棱鏡全站儀進行測繪,具有測繪精度高、方便易行的特點,如不具備條件,則可采用兩臺全站儀進行測量或采用前方交匯法進行測繪,精度也能滿足要求,測出的結果,在室內往往采用地形成圖軟件進行地形圖繪制,在繪制時應盡量標注出探洞的位置及地形特征點,以便于后期復核和現場對照。

3.2.2儲量計算

在已完成的料場地形圖的基礎上,結合相關部門提供的邊坡穩(wěn)定整體評價推薦的穩(wěn)定邊坡及馬道留設情況,以及在地質察看基礎上復核的斷層分布情況標注在圖上,就可以進行儲量計算了,應該說明的是,在不良地質條件下,料場的巖層走向及完整性均是在斷面圖中應該考慮的因素。

儲量計算可分為平行斷面法及平剖法兩種基本方法,基本方法均在已繪制完成的地形圖上切取斷面,間距根據實際可定為2050m,突變部位適當加密,平行斷面法是垂直于等高線切取斷面,斷面上可以反映后邊坡的情況,對分析料場后邊坡穩(wěn)定較為形象和直觀,但缺點是封閉性不好,計算誤差較大;平剖法是平行于等高線進行切取斷面,以計算好的后邊坡作為封閉線,封閉性較好,在平面上可以較為準確地反映地質分界線,區(qū)分有用料、無用料較為方便,計算的精度略高,一般情況下推薦采用平剖法進行儲量計算,從用料安全的角度上說,儲量可采用如下公式進行簡易計算:

V =S測區(qū)面積×H勘探深度-H無用料平均厚度

需指出的是,采用兩種方式進行料場儲量計算(或其它方法計算),均與實際情況存在著差異,根據多個工程情況分析,對于同一個料場,采用不同的方式計算出的儲量相差卻較大,最大可以達到相差20%以上,因此,對于計算出的儲量,應綜合進行評價,同時也應注意,儲量并不等同于開采量,一些不具備開采條件或開采條件較差的儲量不能算入可開采量內,以免影響對料場的正確評價。

在儲量計算完成后,應進行復核是否滿足壩料安全要求,根據規(guī)范要求:

主要料場

備用料場

3.3道路規(guī)劃

道路規(guī)劃是料場規(guī)劃的重要方面,也是料場是否達到預期開采強度的重要保障。

道路規(guī)劃,應根據壩體填筑的強度、開采設備的配置、運輸車輛的類型及道路內側邊坡穩(wěn)定等綜合因素進行考慮,并根據規(guī)范正確確定路寬、坡度、轉彎半徑及徑向超高等技術指標,并在道路上按規(guī)定設置必要的標志及安全墩等措施,結合實際查勘的情況在地形圖中根據縱坡定出道路特征點,進行線路的平面及縱、橫斷面的設計(具體設計詳見相關規(guī)定),道路設計盡量采取挖填平衡或挖方略多于填方的方案,以簡化道路修建,道路規(guī)劃應提出的成果資料一般包括下面內容:

a)道路平面布置圖

b)道路展開圖(縱斷面圖)

c)道路橫斷面圖

d)道路修建開挖、回填工程量及土石方平衡表

e)特殊部位的工程處理措施及相應的防護措施

f)道路運輸量的復核資料

g)必要的文字說明

從工程實踐中,將運輸道路提高一個等級而增加的費用不會增加很多,而帶來的效益卻是可觀的,因此,道路的標準確定,是一個綜合經濟及效益費用比較的問題,需進行全面的分析。

在不良地質條件下的料場道路修建,應充分注意沿道路的斷層對道路邊坡的影響,由于斷層破碎、松散,邊坡難以穩(wěn)定,且在雨季容易形成滑塌,影響道路的運行,應根根據斷層的走向、影響程度、防治費用等方面制定綜合處置措施,

在料場道路的修建中,由于路線長、坡度陡,運輸車輛剎車系統(tǒng)負荷較大,從安全的角度上來講,應在料場坡腳部位修建剎車池,進行剎車冷卻,剎車池的尺寸應根據運輸車輸的尺寸進行相應設計,剎車池的位置不得影響正常運輸。

3.4無用料的處理

對不良地質地質情況的料場而言,剝采比一般非常高,如筆者正在承建的工程,主堆石料場剝采比接近1:1,而新辟堆石料場開采條件較好,剝采比也達到了1:3,無用量總量達到近200萬方,無用量往往與有用料交錯分布,剔除方案也是必須要考慮的因素,而無用料的轉運、堆存、防護均是必須重點考慮的問題。

根據有關資料,無用料的處理方式主要有以下幾種:

a)就地堆存;

b)轉運堆存;

c)重新復核壩體指標,將部分無用料填至技術要求較低的部位;

d)通過對料質的分析和論證,改為其它填筑料進行施工;

就地堆存處理方式最為簡單,也是施工單位首選的事情,但是,由于不良地質條件下無用料較多,為防止造成泥石流等環(huán)境災害問題,往往需設導水建筑物(如暗渠)和較高的防護擋墻,費用也不低,防護施工與料場開采存在著安全問題,例如筆者所在的工程,由于無用料較招標文件增加20倍左右,擬設置2~3根據直徑為1.8m的導水涵管和高達30m的漿砌石擋墻,代價也較大。

轉運回填,相對于就地堆存,增加了二次轉送和卸料工序,也需要一個儲存部位,回填時應結合工程的布置,盡量將其用于工程上,否則增加的費用將是不小的數目。

由于土石壩的特點,不同部位的壩料要求指標不一樣,而通過復核填筑指標、優(yōu)化壩體結構及分區(qū),可以將部分無用料填筑至設計指標較低的部位,達到利用和節(jié)約投資的目的,而且也不會降低壩體安全。實際上,有許多工程,新開辟的料場的地質情況并不比原推薦料場好,只是在工程開工后,根據實際情況對指標進行了調整后,新開辟的料場的壩料才能滿足壩體填筑要求,而開采條件較原推薦的料場略優(yōu)而已,四川涼山州瓦都水庫堆石料場開工后揭露出大片風化巖,不能滿足堆石料要求,后經論證,將其填筑到大壩下游干燥區(qū),從而加快了施工進度、降低了工程造價,也解決了料場無用料的處理問題。

在料場復勘及開挖中,揭露出擠壓破碎帶等無用料,往往通過試驗論證,作為其它壩料進行填筑,在晃橋水庫中施工中,在堆石料場發(fā)現有寬約45 m的擠壓破碎帶,通過對破碎帶的全面研究,得出破碎帶石渣符合用作反濾過渡料質量的技術要求,從而確定取代原設計采用之人工破碎反濾過渡料。破碎帶石渣單價約為人工破碎料的14,因此而節(jié)省了資金,解決了大量無用料處理問題。

3.5防滲土料的含水量調整

防滲土料與其它壩料不一樣,對含水量非常敏感,對于土石壩,防滲土料的質量和儲量是有特殊地位的,也是在所有壩料中最受重視的,設計單位做的勘查相對其它壩料來說也做得非常細,故質量及儲量一般情況沒有大的問題,但是,對于防滲土料,往往含水量并不在最優(yōu)含水量接近,故存在著一個含水量調整的問題。

防滲土料的含水量調整分為降低含水量和提高含水量兩種類型,調整的方式很多,可以見相關資料,在此不再贅述,但要指出的是,含水量調整,是一個系統(tǒng)工程,對于不同地區(qū)來說,相同的方法取得的效果并不一樣,均需進行含水量調整試驗進行逐一驗證后確定最優(yōu)的含水量調節(jié)方法,達到節(jié)約費用、提高工效的目的。

3.6級配調整與生產

對于所有壩料,均存在著級配問題,一般來說,堆石料主要是通過控制爆破參數進行級配控制,而防滲土料的級配由料本身性質確定,只是調整最大粒徑的問題,都相對較為簡單,而砂石料的級配卻是一件不可小視的因素,它的級配良好與否,是關系到能否進行填筑或壩體安全的重要問題。

作為壩體的反濾料或過渡料,主要分為人工破碎制備反濾料和天然砂石料進行級配調整后作為反濾料兩種主要形式,但對于地質條件較差的地方,人工破碎制備反濾料的條件并不理想,如果具備條件,可以充分利用壩址周圍的天然砂石料進行級配調整后作為反濾料,可以節(jié)約大量費用。

根據反濾料既達到“濾土”又達到“排水”的目的,級配需既滿足D15d854的條件,又滿足D15d154的條件,一般均將天然砂石料通過篩分廠篩分、沖洗甚至必要的破碎等加工生產而成,主要方法是:

a)如果天然砂石料級配較好,在分析砂石料場勘察中天然級配資料基礎上,依據被保護料的性質,按一定的濾層準則計算后,最終選定反濾料料場,并提出反濾料級配上下包線,最大粒徑、含泥量要求,按規(guī)定通過篩分剔除大于最大粒徑的顆粒,用水力沖洗方法保證含泥量合格,,由于級配設計是基于原料級配基礎上,該方法是一般常用的加工生產方法,但其缺點是若料場級配變化,必影響加工級配質量。

b)如果天然砂石料級配略差,則可以摻加部分粒徑的料來調整級配,也有可能滿足壩體填筑要求,如黃河小浪底工程料源為卵礫石夾細粉砂,缺乏2012 mm的礫石和粗砂,采用破碎方法加入人工破碎料,滿足反濾料的級配要求。

此外,將天然砂石料生產反濾料后的棄料,如果加以合理利用,則可以達到綜合利用、提高效益的效果,如筆者所在的工程,就擬采用取表面2m范圍內的砂石料生產反濾料后,將超徑的卵石回填采區(qū),與下部的砂石料混合開采生產出過渡料,形成“兩采一摻”法的完整生產體系,具體布置及方法詳見相關文章,此外不再贅述。

4、結論

4.1土石壩對不良地質情況下的壩區(qū)適應性強,但在不良地質情況下尋找合適而又開采條件優(yōu)越的料場并不是容易的事情,需要進行針對性的料場復勘,提前做好各種應對措施,才能確保大壩順利填筑。

4.2充分重視料場的地質性復勘和地形查勘,掌握斷層、破碎帶等不良地質情況,做好心中有數,才能達到復勘的目的。

4.3在不良地質地區(qū),適當的增大復勘范圍,往往能夠找到與推薦料場地質情況相近、而開采條件卻較優(yōu)的料場,節(jié)約大量的前期時間和費用。

4.4充分重視無用量的處理問題,如果進行論證后可以作為壩料填筑,將會降低處理費用和時間,同時可以提高施工單位的效益。

4.5充分利用壩區(qū)范圍內的天然砂石料資源,天然砂石料在某些指標上更優(yōu)于堆石料,如果利用充分,將對施工單位及工程帶來較好的效益。 

參考文獻

[1] 土石壩建設實用技術研究及應用                   郭慶國  蔡長治 

[2] 小浪底大壩填筑施工技術和施工方法               王  碧  李玉潔 王奇峰

[3] 四川省水利工程土石壩建設與筑壩材料研究簡述     陸恩施

 (作者簡介:唐海北,男,30歲,工程師,現在水電五局火溪河施工局任工程部部長)