大型水电工程混凝土骨料料源选择的思考

2011-06-12李太成常作维陈惠明

水力发电 2011年10期

关键词：锦屏料场水电工程

李太成，余奎，常作维，陈惠明

（中国水电工程顾问集团公司，北京 100120）

近年来，在国内一些大型水电工程实施阶段，由于各种原因，在混凝土骨料料源储量质量、加工、开挖料利用、料源开采和运输等方面出现了不同程度的问题，有的甚至出现了料源方案的重大调整，对工程建设造成了影响。

1 料源储量和质量

大型水电工程建设表明，料源储量和质量随着勘探、试验工作的深入，及实际开挖进展，可能会发生较大变化，甚至会发生重大变化，对料源选择和利用造成较大影响。

锦屏一级工程兰坝大理岩料场在可研阶段探明有效储量为870万m3，其储量和质量均满足要求。招标设计阶段加深了勘探工作，发现其开采条件变差，有用料分布范围和储量均发生了巨大变化，可采储量仅为109.1万m3，不得不放弃其作为主要料场。实际采用了质量相对较差的三滩大理岩料场。

锦屏二级东端工程招标阶段混凝土总量为200万m3。工程实施阶段，由于设计变更、超挖、地质条件变化等因素，混凝土总量增加了150万m3，料源缺口200多万m3，后来通过锦屏一级工程三滩大理岩料场扩大用料得到解决。

向家坝工程可研阶段起初将料场选在离坝址约18 km的双河料场，后经详细勘探，发现其中有一半岩层有碱碳酸盐活性反应而放弃。随后考虑过坝址附近的新滩坝砂岩，其缺点是强度偏低，加工易破碎，石粉含量高，此外剥采比也高，约为1∶1，并存在碱硅酸盐活性反应，只好放弃。最终不得不舍近求远，选定各项性能良好、运距近40 km的太平料场灰岩。

漫湾工程可研阶段对花岗岩料场勘探较少，认为风化层较薄，推荐花岗岩作为一号料场。在开采了60万m3以后，才发现山顶风化层太厚，而被迫放弃。

小湾工程选择孔雀沟石料场Ⅲ料区作为拱坝骨料主料源，规划开采量900万m3。料场开采后发现G1挤压破碎带及其下盘岩体的破碎、蚀变、风化程度超过了预期，无用料的比例较高，同时设计混凝土较可研增加较多，设计复核有用料缺口达47.41万m3，不得不增加补充料场。后来分析发现料场可利用范围较大，通过采取上游扩挖、下游收缩的开采方案，并继续开采原来不看好的G1挤压带及其下盘岩体，在没有启用补充料场的前提下问题得到了圆满解决[1]。

可见，对于复杂地形地质条件下巨型料场的前期地勘工作，不能仅局限于满足规程规范对勘探量的要求，还需有针对性地开展加深勘探工作，尽量减少由于地勘工作的局限性带来的料场储量和质量的风险。在料场开挖阶段储量和质量发生变化时，应按勘察规程进行详细的补充勘察和相关试验工作。

对于料源储量，仅要求地质勘察储量达到要求是不够的，应有足够的可采储量。料源规划开采量不能仅依据设计工程量来计算，还要考虑地质条件变化、设计变更、地质处理、施工超挖、施工质量不达标、开挖有用料管理不完善等因素的影响，并考虑一定富裕系数，规划开采范围宜留有扩大用料空间，以备将来之需。规范规定可研阶段可采储量应不小于设计需要量的1.5倍，规划开采量应按设计需要量的1.25～1.5倍选取。对工程地质条件复杂、料场条件不理想、只有单一料场、采用长隧洞作为主要料源、两个工程共用料场等类型的工程，料源系数要适当高一些。混凝土需要量巨大的水电工程，除了推荐料源之外，宜考虑一定的备用料源。

2 岩石加工性能

近年来，一些大型水电工程由于对料源原岩加工性能认识不足，给砂石系统运行、原材料质量控制乃至整个工程造成不利影响。关于原岩的加工性能，虽然规范规定了开展生产性试验的要求，但由于料场岩性分布及变化，岩石取样不一定具有代表性，以及室内加工设备选型与加工工艺不一定适应岩石特点，造成某些岩石加工的特殊性在前期阶段不容易发现，而是在开采和大规模生产过程中才暴露出来。许多水电工程砂石系统加工初期或生产过程中，针对砂石骨料加工存在的问题进行了大量的系统改造和工艺改进，开展了大量相关试验工作。表1列出了一些工程实例。

五强溪工程石英岩具有很强的磨蚀性，其磨损系数约为石灰岩的25倍，制砂棒磨机钢棒单位耗量高达2 167 g/t，每班因维修停产一个多小时，造成砂石系统投产后近一年时间里一直未能达到设计生产能力。

锦屏工程是国内水电工程中首次采用大理岩加工人工骨料，对大理岩加工存在的困难，事先未充分认识到，施工阶段针对人工砂细度模数波动、石粉含量高、含水率不稳定等问题，开展了大量的试验和砂石系统改造工作量，解决了人工砂细度，石粉含量和含水率波动较大的问题，目前仍存在石粉含量和细度模数按规范要求合格率较低的问题。事后总结锦屏工程大理岩砂石系统几年来的生产和改进经验，大理岩加工性能较差与锦屏工程地质条件、大理岩原岩本身特性、岩性组成、开采方式、毛料含水率及加工工艺均有关系[2]。

表1 国内部分水电工程砂石骨料加工中存在的问题

锦屏一级拱坝由于料源选择的局限性，采用了砂岩粗骨料和大理岩细骨料的组合骨料方案[3]。对砂岩加工的特殊性事先认识也不充分，在生产过程中，暴露了特大石产量不足、粒形较差、单边长度过长、针片状含量较高、中径合格率较低、跌落逊径增加和粗骨料超逊径存在超标等大量问题，为此对印把子砂石系统进行了多次改造和工艺改进，砂石骨料品质才有了较大改善。

百色工程在国内首次采用辉绿岩加工大坝碾压混凝土骨料。辉绿岩属于过强过硬的岩石，单轴饱和抗压强度达120～200 MPa。工程前期在叶茂、岩滩工程石灰岩砂石系统及福建棉花滩工程花岗岩砂石系统进行了加工对比试验，当时得出结论是通过选择合适的加工设备和加工工艺，可生产出符合预设或规范要求的辉绿岩人工骨料。工程砂石系统采用与棉花滩工程相同的生产线和设备，结果砂的含粉率达到24%～26%，石粉的颗粒极细且有一定活性，致使大坝碾压混凝土夏季施工时出现早凝现象，后采用特种外加剂才解决了混凝土初凝时间过短问题[4]。

官地工程玄武岩制砂的细度模数偏高且石粉含量偏低，对大坝碾压混凝土施工及性能带来较大的影响。通过采用半干式制砂工艺，并结合系统环境进行设计，充分回收废水中微细颗粒与破碎车间产生的粉尘掺混利用，解决了坚硬岩人工砂高石粉含量要求的难题。

金安桥工程玄武岩制砂存在产粉率较低的问题，后来通过外掺6%石粉才得到解决。另外，成品砂含水率一直居高不下，困扰了工程很长时间。分析其主要原因是料源岩石中夹杂具有吸水性高、保水性好等特性的火山角砾熔岩和凝灰岩的断层及夹层，造成成品砂脱水困难。

溪洛渡工程由于前期对玄武岩特性认识不足，存在人工砂产量达不到要求、中石针片状含量高、骨料棱角多、粒形差等问题，后来通过改进生产工艺，达到了很好的效果。

近年来，料源原岩中存在微小裂隙对加工性能的影响逐渐引起重视。溪洛渡工程骨料加工存在大石、特大石产量不足的问题，分析主要原因是岩石的隐裂缝在加工过程中存在破碎。乌东德工程由于梅子坪和干坝塘料场白云岩、白云质灰岩中微裂隙发育，不能加工出合格的人工骨料，均不推荐作为大坝混凝土骨料料源。

因此，在混凝土骨料料源选择中应高度重视原岩加工性能对料源利用、砂石系统设备选型、原材料质量控制、混凝土性能和质量的影响。宜优先选用岩性较耐磨不易碎、破碎后粒形良好、硬度适中、颗粒级配合理的岩石作为砂石骨料料源。针对某些岩石，特别是以前没有类似成功工程经验时，应慎重选择。为避免由于对料源岩性认识不够给工程带来不利影响，建议在工程前期设计阶段进行岩石有关指标的小型试验，对特大型水电工程应做更精细的岩性试验。

3 开挖料利用

水电工程相关规范明确了 “优先利用建筑物开挖料”、 “应充分合理利用工程开挖料”的原则。这一原则实际应用中涉及到地质可用料中规划开采利用率取多少合适的问题。

目前水电工程设计报告对开挖料利用率经常取70%～80%，而实际施工时往往难以达到。主要原因是：①水电工程开挖普遍采用分包，且分包单位众多，施工可利用料的堆存管理不到位。②由于料场地质条件变化，或者开挖料可用岩中夹有软弱面或难以利用的薄层，开挖时难以剔除，造成有用料弃料较多。如金安桥工程土石方开挖总量1 443万m3，石方洞挖147万m3，招标文件鼓励承包人尽量利用工程开挖料，实际只利用了约7万m3，利用率微乎其微。锦屏二级工程海腊沟渣场前期主要堆存地下厂房、锦屏辅组洞等工程开挖料，其中不乏有大量的有用料，但由于未做好料场开采堆存分区规划和管理，造成有用料和无用料混堆，后期料源出现缺口时却难以回采利用。

开挖料利用率取值宜根据岩石状况及建筑物各部位开挖料可利用情况及转存条件进行区别分析和综合确定。比如，明挖工程一般取30%～50%或50%稍强，洞挖工程要高一些（50%～70%），隧洞（洞室）岩层分布较多时，则要适当降低。III类围岩一般取80%，IV、V类围岩一般取60%～70%。料源含有地质夹层的根据其分布情况具体分析确定。

鉴于开挖料可能存在不太理想的状况，国内几个水电工程全部采用料场开采石料作为大坝混凝土骨料料源，开挖料仅用于厂房工程等其他建筑物，开挖料中也尽量使用工程洞挖料而不是明挖料，这是一个值得注意的现象。如乌东德工程大坝混凝土骨料全部采用施工期料场灰岩，不采用工程开挖料。

4 料源开采与运输

料源开采与运输方案一般要满足工程用料、安全、环保和水保的要求。

锦屏一级工程大奔流沟料场地形高陡，不适合公路运输而采用竖井运输方式。由于料场中上部开挖面狭窄，毛料无法进入竖井生产，不得不采用翻渣至江边截料平台，再通过二次挖装运输至溜井或渣场，不仅损失了大量有用料，而且造成较大扬尘，对锦屏二级闸坝施工及下游业主营地影响较大。

目前，我国西部水电工程由于地形地质条件的限制，许多料场位于陡峭的山坡上，开挖边坡高差大，边坡稳定问题突出，需采取综合防治措施，确保开挖边坡稳定。

官地工程竹子坝料场后缘及两侧为环山的高陡人工边坡，开挖边坡高度达到80 m时，已完成支护的南坡发生了大面积塌滑。主要原因是该部位为断层交汇带，断层破碎带及影响带规模较大，边坡岩体破碎，开挖松弛后岩体强度下降导致边坡失稳。最后不得不将南坡整体后移60 m，并全部挖除断层组成的不稳定楔形体，适当放缓开挖坡比，并对后续的支护设计进行了调整。

锦屏一级工程大奔流沟料场为目前国内最高陡的人工顺层坡，自然边坡和人工开挖边坡高达794 m和513 m，开挖过程中发生了几次小规模塌方。由于料场位于锦屏二级拦河闸坝下游附近，参建各方高度重视，采取了提高边坡等级、加强支护（喷锚支护+锚索加固）、设置坡面和坡内排水系统，加强安全监测、及时支护等综合措施，目前开挖边坡整体处于稳定状态。