深圳地區(qū)土石壩風(fēng)化料地質(zhì)勘查問題

楊 世 平

(深圳市水務(wù)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(jì)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(fēng)化料上壩，例如公明水庫實際利用各種風(fēng)化料數(shù)量達(dá)1 200 萬m3。而隨著碾壓設(shè)備的不斷改進(jìn)，大壩設(shè)計理論愈加先進(jìn)，以及料場征地越來越難的現(xiàn)實，要求每個風(fēng)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(dāng)?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(fēng)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(fēng)化料地質(zhì)背景

土石壩風(fēng)化料顧名思義是填筑土石壩的各種風(fēng)化程度的巖石，包括全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、弱風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖等，本文主要是指常規(guī)碾壓設(shè)備可碾碎的全風(fēng)化巖(含殘積土)、強風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)化和隔層風(fēng)化等是常見“不良風(fēng)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(yuǎn)，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(xì)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?，還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(dāng)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(fēng)化成層性好，料種物理力學(xué)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(fēng)化雖不均一，但全、強風(fēng)化層總體厚度普遍較大，儲量易滿足。泥盆紀(jì)以新的砂頁巖地層，風(fēng)化很不均一，成層性差，料源物理力學(xué)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)化巖(土)、強風(fēng)化巖，其中前兩者屬于土，習(xí)慣于進(jìn)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(fēng)化土在不同擊實功下顆粒組成也有較大變化，主要是細(xì)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(fēng)化土，顆分土名為細(xì)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(dá)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(fēng)化成因的碎(礫)石類土，必要時應(yīng)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(fēng)化土較厚的風(fēng)化巖形成的砂類土料場，勘察時應(yīng)進(jìn)行重型和輕型擊實對比試驗，必要時進(jìn)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(dāng)前碾壓設(shè)備壓實能力很容易達(dá)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(fēng)化料分區(qū)分層

按現(xiàn)有土石壩設(shè)計理論，各種風(fēng)化巖和殘積土均可作為良好的天然建筑材料，其中強風(fēng)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(fēng)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(xì)化，以便更好地進(jìn)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(xué)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(jìn)行平面和剖面細(xì)化分區(qū)分層，注意高塑性黏性土的存在。對于全風(fēng)化巖(土)，以巖性進(jìn)行大的分區(qū)，一般應(yīng)根據(jù)擊實后的顆粒分析定土名，如果全風(fēng)化帶較厚，上下部位物理力學(xué)性質(zhì)差異較大時，應(yīng)進(jìn)行剖面分層，并分別進(jìn)行分層取樣擊實試驗和全層取料擊實試驗。全風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)化巖風(fēng)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(fēng)化料的這些特點和問題，采取的主要勘察對策有：①當(dāng)風(fēng)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(fēng)化特點不同。分層是根據(jù)風(fēng)化程度的深淺進(jìn)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(fēng)化帶厚度可達(dá)10～30 m，根據(jù)主要風(fēng)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(jìn)行分層，編制專門的強風(fēng)化巖分層特性表，強調(diào)鉆探班報表要做好鉆進(jìn)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(fēng)化料地質(zhì)參數(shù)綜合取值

風(fēng)化巖上壩料是一種復(fù)雜的建筑材料，其復(fù)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(fēng)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(jìn)行必要的復(fù)核。對于殘坡積土和全風(fēng)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(biāo)和強度、變形、滲透等參數(shù)；對于強風(fēng)化料，其風(fēng)化程度介于全風(fēng)化和弱風(fēng)化之間，土石比例、塊度大小和堅硬程度極不均一，當(dāng)壩較高時，必須要求分層進(jìn)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(biāo)。原則上要求上壩的強風(fēng)化料能基本碾碎，壓實后粗細(xì)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(fēng)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(fēng)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(dāng)慎之又慎，地質(zhì)上要綜合考慮各種風(fēng)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(jìn)行專門論證及專家咨詢工作。本地實驗室當(dāng)前沒有大型擊實及擊實后各種試驗?zāi)芰?，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(fēng)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(jìn)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(fù)核后的風(fēng)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(xì)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(jìn)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(dá)不到這些條件，不應(yīng)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(yīng)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(biāo)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(fēng)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(xì)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(jìn)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(jì)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(yīng)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(yīng)建議進(jìn)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(fēng)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(jì)指標(biāo)較差。

2.6 壩料填筑質(zhì)量控制

鑒于風(fēng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)一步復(fù)核前期提供的地質(zhì)參數(shù)，并將復(fù)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(dǎo)致產(chǎn)生各種質(zhì)量隱患，此時施工地質(zhì)人員應(yīng)配合設(shè)計修編開采規(guī)劃，必要時還需進(jìn)行料場補充勘察。對以細(xì)粒土為主的殘積土、全風(fēng)化巖壩料，地質(zhì)人員當(dāng)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(fēng)化巖壩料填筑質(zhì)量控制，地質(zhì)人員需重點關(guān)注：在進(jìn)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(biāo)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(xì)，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(fēng)險高。而風(fēng)化料勘察與評價更為復(fù)雜，需要與設(shè)計、施工、巖土測試檢測等多個專業(yè)部門進(jìn)行溝通、協(xié)調(diào)和共同研究，也需引用統(tǒng)計學(xué)、概率學(xué)、邏輯推理、風(fēng)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(fēng)化料勘察成果評價做到科學(xué)、合理、適用，少風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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].