巖溶發育區薄-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-中厚層白云質灰巖，淺表部巖溶發育，巖體薄層狀構造以及可能的溶蝕夾泥會對料場質量產生影響，這些不利因素給料場分區、選擇利用等造成了很大困難。通過對易家坡料場進行綜合勘察和分析，以巖溶發育程度為主要標準，綜合考慮順層填泥情況、巖體風化狀況、巖石單層厚度以及地形等因素，對料場進行了質量分區，最終選擇以Ⅰ區、Ⅱ區為主的適宜開采區域，工程實踐表明料場儲量滿足設計要求。相關經驗可供類似工程料場勘察比選工作借鑒。

關鍵詞：料場勘察; 薄-中厚層碳酸鹽巖; 填泥夾層; 質量分區; 皂市水利樞杻

中圖法分類號： TV541

文獻標志碼： 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，由于其強度適中、易于加工，被廣泛作為塊石料或混凝土人工骨料應用于水利水電工程及其它建筑工程。但碳酸鹽巖屬可溶巖，巖溶夾泥層的發育情況對料場質量影響很大[1]。國內外不缺乏利用碳酸鹽巖加工人工骨料的成功工程實例，如溫春玉等對甘再水電站4號灰巖料場碳泥工程特性進行研究，提出碳泥作為建材混入料在應用過程中應謹慎對待[2];在戈蘭灘水電站，鐘才良等對白石巖料場中灰巖夾泥層進行研究，確保了工程所需的砂石料供應[3];在金沙江白鶴灘水電站，洪望兵對旱谷地灰巖料場工程性狀軟弱區進行調查，保證了料場取樣質量[4];在構皮灘水電站，向能武等充分采用多種勘探方法，查明了碳酸鹽巖巖溶發育特征、巖體結構與構造特征、剝離層的厚度等[5]。

國內外多數工程所利用的碳酸鹽巖料場多為厚層狀灰巖、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-中厚層白云質灰巖，該地層巖溶發育，表層溶蝕夾泥嚴重，料場存在溶蝕夾泥形成的剝離層和薄層巖體成材質量不高兩大問題，料場條件復雜。本文通過一系列勘探、試驗等對料場進行了全面系統的研究，使得料場順利開采使用，保證了皂市水利樞紐的骨料供應。

1料場工程地質概況

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行了調查。經調查，前兩個料場開采條件較差，王兒峪料場巖溶發育，雞鳴山料場距壩址較遠。經綜合比較，易家坡料場在質量、開采及運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-中厚層白云質灰巖地層。巖層單斜傾向340°～10°，傾角55°～65°。區內裂隙較發育，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，部分充填泥質。嘉陵江組地層巖溶發育，表層溶蝕夾泥嚴重。

2料場質量影響因素

易家坡料場質量取決于原巖質量、構造、巖溶、填泥夾層等4方面因素。

2.1原巖質量

對易家坡料場巖石進行了鉆孔取樣，取樣部位避開地表風化層、地表巖溶發育部位，選擇在有用層內。將巖樣進行了巖石礦物鑒定、巖石物理力學試驗。試驗結果表明，料場巖性主要為含白云質灰巖，少量的生物碎屑灰巖，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%，有機質含量0.1%～0.5%。料場區內巖石的干密度為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%，單軸飽和抗壓強度為52.0～97.0 MPa。巖石的堿活性試驗（圓柱體試驗）結果表明，巖石均為非活性巖體。原巖質量各項指標滿足SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》[7]中的相關要求，原巖質量對料場質量影響較小。

2.2構 造

料場區未發現對巖體質量有影響的大規模斷層，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計結果顯示：59%的裂隙充填灰白色方解石或褐黃色鐵錳質，膠結緊密;11%無充填，微張;30%充填泥質，寬度多在0.5 cm以下（見表1）。巖體中以非泥質充填裂隙為主，占70%。另據鉆孔資料可知，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，所填泥膜累計占巖芯總長的1%。

料場區域內巖體主要呈薄層-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。根據探硐資料所統計的料場巖體厚度特征如表2所列。

總體來說，構造對料場巖體質量影響不大，但需注意薄層狀巖體的加工成材質量。

2.3巖 溶

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

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灰巖風化、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

軟弱夾層大多數分布穩定，厚度一般小于10 cm，局部受地下水滲流、風化影響性狀變差，呈稍濕、可塑狀泥，黏性強。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，最深可達到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量影響，將高程250～400 m區域的平硐順層填泥情況進行統計和分帶，結果如表3所列。

從表3可以看出，高程250～400 m區域的平硐順層填泥在高程分布上無明顯規律，但在縱橫向具有分區分帶特征，溶槽區填泥較深。YPD5、YPD6、YPD10、YPD11四個探硐所在區域含泥量均在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料場質量分區與開采選擇利用

3.1料場質量分區

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

根據分區特征，擬開采區絕大部分屬Ⅰ區、Ⅱ區，其面積占開采區總面積的96%。Ⅰ區分布在中間地帶、高程260～380 m之間，面積為9.1萬m2，區內巖體性狀較好;Ⅱ區分布在高程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以上地帶及區內東南角等幾處，面積為6.22萬m2;Ⅲ區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，占開采區總面積的4%。

3.2料場剝離層確定

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

Ⅰ區在剝離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%，據此確定該區剝離層厚度3.2～8.0 m。該區剝離層在縱向上分帶特征明顯。

Ⅱ區在剝離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%。確定該區剝離層厚度為6.8～10.0 m。

Ⅲ區在剝離厚度達到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%，據此確定該區剝離層厚度大于11 m。

綜合各分區內探硐資料、鉆孔資料并參考地質雷達剖面資料，建議開采區內平均剝離層厚度為8～9 m，局部10～12 m（見表5）。在有用層內，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?，最大骨料粒徑80 mm，砂子的細度模數控制在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，考慮巖溶發育碳酸鹽巖人工骨料場的復雜性[8-9]，按工程需毛料的2倍方量去規劃選擇采區。綜合各方勘察資料分析，結合地表地形特征并對料場進行質量分區之后，選擇勘探范圍內以Ⅰ區及部分Ⅱ區作為人工料場的開采區[10-11]。

開采區范圍長約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，完整開采斷面面積為7 600 m2，計算長度為750 m，總儲量達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量，開采前選擇Ⅰ區、Ⅱ區薄層狀巖體進行了簡易軋制試驗[13-14]。結果表明：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。骨料最大需求強度為18萬m3/月，強度不高，自上往下剝離和開采能滿足要求。

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

4結 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，圈定了薄層灰巖位置、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、加工及成品料質量、碳酸鹽巖堿活性等關鍵技術指標，并進行了科學的質量分區和開采區選擇。上述研究得到了工程實踐的最終驗證，不僅保證了施工的順利進行，而且為業主和施工單位帶來了巨大的經濟效益。

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

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