巖溶發(fā)育區(qū)薄-中厚層碳酸鹽巖人工骨料場勘察

顏慧明　吳宏鈞

摘要：皂市水利樞紐天然建筑材料選用易家坡料場嘉陵江組薄-中厚層白云質(zhì)灰?guī)r，淺表部巖溶發(fā)育，巖體薄層狀構(gòu)造以及可能的溶蝕夾泥會對料場質(zhì)量產(chǎn)生影響，這些不利因素給料場分區(qū)、選擇利用等造成了很大困難。通過對易家坡料場進(jìn)行綜合勘察和分析，以巖溶發(fā)育程度為主要標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮順層填泥情況、巖體風(fēng)化狀況、巖石單層厚度以及地形等因素，對料場進(jìn)行了質(zhì)量分區(qū)，最終選擇以Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)為主的適宜開采區(qū)域，工程實(shí)踐表明料場儲量滿足設(shè)計(jì)要求。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似工程料場勘察比選工作借鑒。

關(guān)鍵詞：料場勘察; 薄-中厚層碳酸鹽巖; 填泥夾層; 質(zhì)量分區(qū); 皂市水利樞杻

中圖法分類號： TV541

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.010

0引 言

碳酸鹽巖是一種常見的天然建筑材料，由于其強(qiáng)度適中、易于加工，被廣泛作為塊石料或混凝土人工骨料應(yīng)用于水利水電工程及其它建筑工程。但碳酸鹽巖屬可溶巖，巖溶夾泥層的發(fā)育情況對料場質(zhì)量影響很大[1]。國內(nèi)外不缺乏利用碳酸鹽巖加工人工骨料的成功工程實(shí)例，如溫春玉等對甘再水電站4號灰?guī)r料場碳泥工程特性進(jìn)行研究，提出碳泥作為建材混入料在應(yīng)用過程中應(yīng)謹(jǐn)慎對待[2];在戈蘭灘水電站，鐘才良等對白石巖料場中灰?guī)r夾泥層進(jìn)行研究，確保了工程所需的砂石料供應(yīng)[3];在金沙江白鶴灘水電站，洪望兵對旱谷地灰?guī)r料場工程性狀軟弱區(qū)進(jìn)行調(diào)查，保證了料場取樣質(zhì)量[4];在構(gòu)皮灘水電站，向能武等充分采用多種勘探方法，查明了碳酸鹽巖巖溶發(fā)育特征、巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征、剝離層的厚度等[5]。

國內(nèi)外多數(shù)工程所利用的碳酸鹽巖料場多為厚層狀灰?guī)r、白云巖等地層，而皂市水利樞紐易家坡料場地層巖性為三疊系嘉陵江組薄-中厚層白云質(zhì)灰?guī)r，該地層巖溶發(fā)育，表層溶蝕夾泥嚴(yán)重，料場存在溶蝕夾泥形成的剝離層和薄層巖體成材質(zhì)量不高兩大問題，料場條件復(fù)雜。本文通過一系列勘探、試驗(yàn)等對料場進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，使得料場順利開采使用，保證了皂市水利樞紐的骨料供應(yīng)。

1料場工程地質(zhì)概況

皂市水利樞紐是洞庭湖四大水系之一——澧水支流渫水上的防洪骨干工程，為Ⅰ等大（1）型水利樞紐工程，壩址位于湖南石門縣皂市鎮(zhèn)上游2 km。

皂市壩址周邊一帶天然砂礫石料不能滿足工程需要，需要考慮采用人工骨料。前期曾在壩址上游左岸百崖壁、林家屋場、王兒峪，壩址下游5 km左岸的雞鳴山及壩址上游左岸易家坡進(jìn)行了調(diào)查。經(jīng)調(diào)查，前兩個料場開采條件較差，王兒峪料場巖溶發(fā)育，雞鳴山料場距壩址較遠(yuǎn)。經(jīng)綜合比較，易家坡料場在質(zhì)量、開采及運(yùn)輸條件等方面相對較好[6]。

易家坡料場位于皂市水利樞紐壩址上游左岸2 km，在桐梓溪南側(cè)與渫水交匯部位的易家坡一帶，交通便利，料場地形為南高北低的單斜坡，地形坡度25°～35°，高程200～400 m。料場地層巖性為三疊系嘉陵江組中段（T1j2）薄-中厚層白云質(zhì)灰?guī)r地層。巖層單斜傾向340°～10°，傾角55°～65°。區(qū)內(nèi)裂隙較發(fā)育，性狀較好，延伸長度通常小于2 m，主要充填方解石脈、鐵錳質(zhì)，部分充填泥質(zhì)。嘉陵江組地層巖溶發(fā)育，表層溶蝕夾泥嚴(yán)重。

2料場質(zhì)量影響因素

易家坡料場質(zhì)量取決于原巖質(zhì)量、構(gòu)造、巖溶、填泥夾層等4方面因素。

2.1原巖質(zhì)量

對易家坡料場巖石進(jìn)行了鉆孔取樣，取樣部位避開地表風(fēng)化層、地表巖溶發(fā)育部位，選擇在有用層內(nèi)。將巖樣進(jìn)行了巖石礦物鑒定、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，料場巖性主要為含白云質(zhì)灰?guī)r，少量的生物碎屑灰?guī)r，巖石礦物組成中方解石含量79%～98%，白云石含量1%～20%，石英含量0.2%～0.5%，褐鐵礦含量0.5%～1.0%，有機(jī)質(zhì)含量0.1%～0.5%。料場區(qū)內(nèi)巖石的干密度為2.66～2.79 g/cm3，吸水率一般為0.95%～2.08%，孔隙率一般為2.57%～5.43%，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為52.0～97.0 MPa。巖石的堿活性試驗(yàn)（圓柱體試驗(yàn)）結(jié)果表明，巖石均為非活性巖體。原巖質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)滿足SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[7]中的相關(guān)要求，原巖質(zhì)量對料場質(zhì)量影響較小。

2.2構(gòu) 造

料場區(qū)未發(fā)現(xiàn)對巖體質(zhì)量有影響的大規(guī)模斷層，巖石整體性狀好，僅見走向NNW及NNE兩組裂隙，張開寬度多在0.5 cm以下。料場勘探平硐裂隙性狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：59%的裂隙充填灰白色方解石或褐黃色鐵錳質(zhì)，膠結(jié)緊密;11%無充填，微張;30%充填泥質(zhì)，寬度多在0.5 cm以下（見表1）。巖體中以非泥質(zhì)充填裂隙為主，占70%。另據(jù)鉆孔資料可知，巖芯獲得率在90%左右;鉆孔巖芯裂隙線密度一般為7～8條/m，最大為16條/m，約50%的裂面填充泥膜，厚度為1～3 mm，所填泥膜累計(jì)占巖芯總長的1%。

料場區(qū)域內(nèi)巖體主要呈薄層-中厚層[7]，中厚層單層厚度為10～50 cm，薄層單層厚度為5～10 cm，按照各層所占厚度比劃分屬等厚層、略等厚層巖體。根據(jù)探硐資料所統(tǒng)計(jì)的料場巖體厚度特征如表2所列。

總體來說，構(gòu)造對料場巖體質(zhì)量影響不大，但需注意薄層狀巖體的加工成材質(zhì)量。

2.3巖 溶

易家坡一帶地下淺表部巖溶較發(fā)育，高程250 m以下有多處落水洞，最深探測至27 m仍未見底，洞內(nèi)多填泥，難剝離。高程250～400 m區(qū)域，鉆孔資料顯示巖溶線密度約為1%。探硐結(jié)果表明：巖溶基本順層發(fā)育，稍有穿層，形式以小型扁平狀溶洞為主，多數(shù)充填泥，泥呈黃褐色、黃色，可塑狀，為重黏土或粉質(zhì)黏土，人工好剝離，可考慮作為開采區(qū)。

2.4填泥夾層

勘探揭示，料場巖體中填泥夾層有兩類：① 嘉陵江組地層原本含有的少量極薄層泥質(zhì)灰?guī)r風(fēng)化、遇水后軟化的軟弱夾層;② 順層溶蝕后的溶蝕填泥夾層。兩類填泥層對料場質(zhì)量均有不利影響，都為無用層，需要剝離或剔除。本文將兩類填泥厚度累加以2 m為單位，與巖層厚度進(jìn)行順層填泥厚度比（含泥量）分析。2BF25933-C529-4B57-A407-B0127D0FC3AD

軟弱夾層大多數(shù)分布穩(wěn)定，厚度一般小于10 cm，局部受地下水滲流、風(fēng)化影響性狀變差，呈稍濕、可塑狀泥，黏性強(qiáng)。溶蝕填泥夾層主要分布于地表以下（巖層真厚度方向）5～6 m范圍內(nèi)，最深可達(dá)到8 m;地表向下夾層整體寬度逐漸變窄，分布密度變小;單條夾層厚度變化較大，往往呈地表厚、下部薄的狹長倒三角形，地表寬度為0.3～1 m、最寬處為2 m，底部寬度多在0.1 m以下，直至消失。

為分析順層填泥對料場質(zhì)量影響，將高程250～400 m區(qū)域的平硐順層填泥情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分帶，結(jié)果如表3所列。

從表3可以看出，高程250～400 m區(qū)域的平硐順層填泥在高程分布上無明顯規(guī)律，但在縱橫向具有分區(qū)分帶特征，溶槽區(qū)填泥較深。YPD5、YPD6、YPD10、YPD11四個探硐所在區(qū)域含泥量均在10%以下，平均為8.3%，集中在洞深0～8 m處;YPD3、YPD8、YPD9、YPD12四個探硐所在區(qū)域含泥量大多在11%～20%之間，平均為14.8%，集中在洞深0～12 m處;溶槽地帶的YPD1、YPD7兩個探硐含泥量均在15%以上，平均為22.2%，分布洞深大于20 m。

3料場質(zhì)量分區(qū)與開采選擇利用

3.1料場質(zhì)量分區(qū)

根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆探、硐探及地質(zhì)雷達(dá)勘測成果，以巖溶發(fā)育程度為主要標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮順層填泥情況、巖體風(fēng)化狀況、巖石單層厚度以及地形等因素，將料場分為3個區(qū)：相對不發(fā)育區(qū)（Ⅰ區(qū)）、巖溶較發(fā)育區(qū)（Ⅱ區(qū)）、巖溶發(fā)育區(qū)（Ⅲ區(qū)）[6]（見圖1）。

根據(jù)分區(qū)特征，擬開采區(qū)絕大部分屬Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)，其面積占開采區(qū)總面積的96%。Ⅰ區(qū)分布在中間地帶、高程260～380 m之間，面積為9.1萬m2，區(qū)內(nèi)巖體性狀較好;Ⅱ區(qū)分布在高程260 m以下地帶、溶槽所在高程330 m以上條狀地帶、西部高程370 m以上地帶及區(qū)內(nèi)東南角等幾處，面積為6.22萬m2;Ⅲ區(qū)僅零星分布在兩條溶槽所在的高程330 m以下條狀地帶，面積為0.68萬m2，占開采區(qū)總面積的4%。

3.2料場剝離層確定

料場區(qū)內(nèi)剝離層厚度在縱向上具有分帶特征，橫向具有較明顯分區(qū)特征，如表4所列，各區(qū)典型溶蝕填泥厚度比如圖2所示。

Ⅰ區(qū)在剝離4 m后巖體中填泥厚度比小于1.59%;6 m以下巖體中填泥厚度比小于1.13%;8 m以下巖體中填泥厚度比平均為0.38%，最高0.86%，據(jù)此確定該區(qū)剝離層厚度3.2～8.0 m。該區(qū)剝離層在縱向上分帶特征明顯。

Ⅱ區(qū)在剝離6 m后巖體中填泥厚度比小于4.28%;10 m以下巖體中填泥厚度比小于1.88%;11 m以下巖體中填泥厚度比小于0.75%;12 m以下巖體中填泥厚度比小于0.45%。確定該區(qū)剝離層厚度為6.8～10.0 m。

Ⅲ區(qū)在剝離厚度達(dá)到8 m時，巖體中填泥厚度比仍大于20%;9 m以下巖體中填泥平均厚度比為13.7%;厚度10 m以下巖體中填泥平均厚度比平均為9.2%、最高11.6%，據(jù)此確定該區(qū)剝離層厚度大于11 m。

綜合各分區(qū)內(nèi)探硐資料、鉆孔資料并參考地質(zhì)雷達(dá)剖面資料，建議開采區(qū)內(nèi)平均剝離層厚度為8～9 m，局部10～12 m（見表5）。在有用層內(nèi)，仍然分布有少量小型部分填泥溶洞，但開采時易于剝離。

3.3料場開采區(qū)選擇與利用

工程所需混凝土總量為123.4萬m3，需毛料190萬m3，最大需求強(qiáng)度為18萬m3/月（毛料），主體工程采用人工砂石骨料?；炷良壟錇槿壟洌畲蠊橇狭?0 mm，砂子的細(xì)度模數(shù)控制在2.4～2.8。易家坡料場需提供人工砂石骨料及漿砌塊石等開采料約210萬m3，考慮巖溶發(fā)育碳酸鹽巖人工骨料場的復(fù)雜性[8-9]，按工程需毛料的2倍方量去規(guī)劃選擇采區(qū)。綜合各方勘察資料分析，結(jié)合地表地形特征并對料場進(jìn)行質(zhì)量分區(qū)之后，選擇勘探范圍內(nèi)以Ⅰ區(qū)及部分Ⅱ區(qū)作為人工料場的開采區(qū)[10-11]。

開采區(qū)范圍長約750 m、寬約237 m，平面面積約0.16 km2（見圖1），地表高程240～380 m，剝離層厚度為8～9 m，局部10～12 m。開采上下界高差120 m，開采坡度不超過巖層傾角，單級坡度取55°，綜合坡度取49°，開采下界面水平[12]。剝離層厚度以9 m計(jì)，完整開采斷面面積為7 600 m2，計(jì)算長度為750 m，總儲量達(dá)500萬m3，滿足要求（見圖3）。

同時為評價薄層狀巖體的加工成材質(zhì)量，開采前選擇Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)薄層狀巖體進(jìn)行了簡易軋制試驗(yàn)[13-14]。結(jié)果表明：加工后骨料粒徑、針片狀及石粉含量等均滿足三級配混凝土骨料要求。骨料最大需求強(qiáng)度為18萬m3/月，強(qiáng)度不高，自上往下剝離和開采能滿足要求。

料場實(shí)際施工開挖揭露：高程340 m以上巖體中薄層比例較初設(shè)有所增加;采區(qū)東部高程360 m以上溶蝕較嚴(yán)重、剝離厚度超過11 m，開口線附近剝離量比較大，但高程340 m以上整個采區(qū)的平均剝離厚度仍小于8～9 m、有用料總量與預(yù)計(jì)算量大致相當(dāng)。高程340 m以下范圍，剝離層厚度相對穩(wěn)定（一般為5～7 m），含泥量較低，有用料的開采比例高。

4結(jié) 語

通過綜合勘察和分析，總體上查明了易家坡料場表層巖溶填泥、剝離層厚度，圈定了薄層灰?guī)r位置、厚度及成材條件，最終確定了剝離層、可開采層厚度、巖性、成層條件、加工及成品料質(zhì)量、碳酸鹽巖堿活性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并進(jìn)行了科學(xué)的質(zhì)量分區(qū)和開采區(qū)選擇。上述研究得到了工程實(shí)踐的最終驗(yàn)證，不僅保證了施工的順利進(jìn)行，而且為業(yè)主和施工單位帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

碳酸鹽巖巖溶發(fā)育條件下人工骨料場料場質(zhì)量主要取決于巖石成分、構(gòu)造、巖溶、填泥夾層等因素。對料場的選擇與利用，可通過地質(zhì)測繪及鉆探、硐探及地質(zhì)雷達(dá)勘測等綜合手段，以巖溶發(fā)育程度為主要標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化狀況、巖石單層厚度以及地形等因素進(jìn)行質(zhì)量綜合分區(qū)，選擇以相對不發(fā)育區(qū)為主的區(qū)域作為料場開采區(qū)。2BF25933-C529-4B57-A407-B0127D0FC3AD

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（編輯：胡旭東）2BF25933-C529-4B57-A407-B0127D0FC3AD