大型水電工程混凝土骨料料源選擇的思考

李太成，余 奎，常作維，陳惠明

（中國水電工程顧問集團公司，北京 100120）

近年來，在國內一些大型水電工程實施階段，由于各種原因，在混凝土骨料料源儲量質量、加工、開挖料利用、料源開采和運輸等方面出現了不同程度的問題，有的甚至出現了料源方案的重大調整，對工程建設造成了影響。

1 料源儲量和質量

大型水電工程建設表明，料源儲量和質量隨著勘探、試驗工作的深入，及實際開挖進展，可能會發生較大變化，甚至會發生重大變化，對料源選擇和利用造成較大影響。

錦屏一級工程蘭壩大理巖料場在可研階段探明有效儲量為870萬m3，其儲量和質量均滿足要求。招標設計階段加深了勘探工作，發現其開采條件變差，有用料分布范圍和儲量均發生了巨大變化，可采儲量僅為109.1萬m3，不得不放棄其作為主要料場。實際采用了質量相對較差的三灘大理巖料場。

錦屏二級東端工程招標階段混凝土總量為200萬m3。工程實施階段，由于設計變更、超挖、地質條件變化等因素，混凝土總量增加了150萬m3，料源缺口200多萬m3，后來通過錦屏一級工程三灘大理巖料場擴大用料得到解決。

向家壩工程可研階段起初將料場選在離壩址約18 km的雙河料場，后經詳細勘探，發現其中有一半巖層有堿碳酸鹽活性反應而放棄。隨后考慮過壩址附近的新灘壩砂巖，其缺點是強度偏低，加工易破碎，石粉含量高，此外剝采比也高，約為1∶1，并存在堿硅酸鹽活性反應，只好放棄。最終不得不舍近求遠，選定各項性能良好、運距近40 km的太平料場灰巖。

漫灣工程可研階段對花崗巖料場勘探較少，認為風化層較薄，推薦花崗巖作為一號料場。在開采了60萬m3以后，才發現山頂風化層太厚，而被迫放棄。

小灣工程選擇孔雀溝石料場Ⅲ料區作為拱壩骨料主料源，規劃開采量900萬m3。料場開采后發現G1擠壓破碎帶及其下盤巖體的破碎、蝕變、風化程度超過了預期，無用料的比例較高，同時設計混凝土較可研增加較多，設計復核有用料缺口達47.41萬m3，不得不增加補充料場。后來分析發現料場可利用范圍較大，通過采取上游擴挖、下游收縮的開采方案，并繼續開采原來不看好的G1擠壓帶及其下盤巖體，在沒有啟用補充料場的前提下問題得到了圓滿解決[1]。

可見，對于復雜地形地質條件下巨型料場的前期地勘工作，不能僅局限于滿足規程規范對勘探量的要求，還需有針對性地開展加深勘探工作，盡量減少由于地勘工作的局限性帶來的料場儲量和質量的風險。在料場開挖階段儲量和質量發生變化時，應按勘察規程進行詳細的補充勘察和相關試驗工作。

對于料源儲量，僅要求地質勘察儲量達到要求是不夠的，應有足夠的可采儲量。料源規劃開采量不能僅依據設計工程量來計算，還要考慮地質條件變化、設計變更、地質處理、施工超挖、施工質量不達標、開挖有用料管理不完善等因素的影響，并考慮一定富裕系數，規劃開采范圍宜留有擴大用料空間，以備將來之需。規范規定可研階段可采儲量應不小于設計需要量的1.5倍，規劃開采量應按設計需要量的1.25～1.5倍選取。對工程地質條件復雜、料場條件不理想、只有單一料場、采用長隧洞作為主要料源、兩個工程共用料場等類型的工程，料源系數要適當高一些?；炷列枰烤薮蟮乃姽こ?，除了推薦料源之外，宜考慮一定的備用料源。

2 巖石加工性能

近年來，一些大型水電工程由于對料源原巖加工性能認識不足，給砂石系統運行、原材料質量控制乃至整個工程造成不利影響。關于原巖的加工性能，雖然規范規定了開展生產性試驗的要求，但由于料場巖性分布及變化，巖石取樣不一定具有代表性，以及室內加工設備選型與加工工藝不一定適應巖石特點，造成某些巖石加工的特殊性在前期階段不容易發現，而是在開采和大規模生產過程中才暴露出來。許多水電工程砂石系統加工初期或生產過程中，針對砂石骨料加工存在的問題進行了大量的系統改造和工藝改進，開展了大量相關試驗工作。表1列出了一些工程實例。

五強溪工程石英巖具有很強的磨蝕性，其磨損系數約為石灰巖的25倍，制砂棒磨機鋼棒單位耗量高達2 167 g/t，每班因維修停產一個多小時，造成砂石系統投產后近一年時間里一直未能達到設計生產能力。

錦屏工程是國內水電工程中首次采用大理巖加工人工骨料，對大理巖加工存在的困難，事先未充分認識到，施工階段針對人工砂細度模數波動、石粉含量高、含水率不穩定等問題，開展了大量的試驗和砂石系統改造工作量，解決了人工砂細度，石粉含量和含水率波動較大的問題，目前仍存在石粉含量和細度模數按規范要求合格率較低的問題。事后總結錦屏工程大理巖砂石系統幾年來的生產和改進經驗，大理巖加工性能較差與錦屏工程地質條件、大理巖原巖本身特性、巖性組成、開采方式、毛料含水率及加工工藝均有關系[2]。

表1 國內部分水電工程砂石骨料加工中存在的問題

錦屏一級拱壩由于料源選擇的局限性，采用了砂巖粗骨料和大理巖細骨料的組合骨料方案[3]。對砂巖加工的特殊性事先認識也不充分，在生產過程中，暴露了特大石產量不足、粒形較差、單邊長度過長、針片狀含量較高、中徑合格率較低、跌落遜徑增加和粗骨料超遜徑存在超標等大量問題，為此對印把子砂石系統進行了多次改造和工藝改進，砂石骨料品質才有了較大改善。

百色工程在國內首次采用輝綠巖加工大壩碾壓混凝土骨料。輝綠巖屬于過強過硬的巖石，單軸飽和抗壓強度達120～200 MPa。工程前期在葉茂、巖灘工程石灰巖砂石系統及福建棉花灘工程花崗巖砂石系統進行了加工對比試驗，當時得出結論是通過選擇合適的加工設備和加工工藝，可生產出符合預設或規范要求的輝綠巖人工骨料。工程砂石系統采用與棉花灘工程相同的生產線和設備，結果砂的含粉率達到24%～26%，石粉的顆粒極細且有一定活性，致使大壩碾壓混凝土夏季施工時出現早凝現象，后采用特種外加劑才解決了混凝土初凝時間過短問題[4]。

官地工程玄武巖制砂的細度模數偏高且石粉含量偏低，對大壩碾壓混凝土施工及性能帶來較大的影響。通過采用半干式制砂工藝，并結合系統環境進行設計，充分回收廢水中微細顆粒與破碎車間產生的粉塵摻混利用，解決了堅硬巖人工砂高石粉含量要求的難題。

金安橋工程玄武巖制砂存在產粉率較低的問題，后來通過外摻6%石粉才得到解決。另外，成品砂含水率一直居高不下，困擾了工程很長時間。分析其主要原因是料源巖石中夾雜具有吸水性高、保水性好等特性的火山角礫熔巖和凝灰巖的斷層及夾層，造成成品砂脫水困難。

溪洛渡工程由于前期對玄武巖特性認識不足，存在人工砂產量達不到要求、中石針片狀含量高、骨料棱角多、粒形差等問題，后來通過改進生產工藝，達到了很好的效果。

近年來，料源原巖中存在微小裂隙對加工性能的影響逐漸引起重視。溪洛渡工程骨料加工存在大石、特大石產量不足的問題，分析主要原因是巖石的隱裂縫在加工過程中存在破碎。烏東德工程由于梅子坪和干壩塘料場白云巖、白云質灰巖中微裂隙發育，不能加工出合格的人工骨料，均不推薦作為大壩混凝土骨料料源。

因此，在混凝土骨料料源選擇中應高度重視原巖加工性能對料源利用、砂石系統設備選型、原材料質量控制、混凝土性能和質量的影響。宜優先選用巖性較耐磨不易碎、破碎后粒形良好、硬度適中、顆粒級配合理的巖石作為砂石骨料料源。針對某些巖石，特別是以前沒有類似成功工程經驗時，應慎重選擇。為避免由于對料源巖性認識不夠給工程帶來不利影響，建議在工程前期設計階段進行巖石有關指標的小型試驗，對特大型水電工程應做更精細的巖性試驗。

3 開挖料利用

水電工程相關規范明確了 “優先利用建筑物開挖料”、 “應充分合理利用工程開挖料”的原則。這一原則實際應用中涉及到地質可用料中規劃開采利用率取多少合適的問題。

目前水電工程設計報告對開挖料利用率經常取70%～80%，而實際施工時往往難以達到。主要原因是：①水電工程開挖普遍采用分包，且分包單位眾多，施工可利用料的堆存管理不到位。②由于料場地質條件變化，或者開挖料可用巖中夾有軟弱面或難以利用的薄層，開挖時難以剔除，造成有用料棄料較多。如金安橋工程土石方開挖總量1 443萬m3，石方洞挖147萬m3，招標文件鼓勵承包人盡量利用工程開挖料，實際只利用了約7萬m3，利用率微乎其微。錦屏二級工程海臘溝渣場前期主要堆存地下廠房、錦屏輔組洞等工程開挖料，其中不乏有大量的有用料，但由于未做好料場開采堆存分區規劃和管理，造成有用料和無用料混堆，后期料源出現缺口時卻難以回采利用。

開挖料利用率取值宜根據巖石狀況及建筑物各部位開挖料可利用情況及轉存條件進行區別分析和綜合確定。比如，明挖工程一般取30%～50%或50%稍強，洞挖工程要高一些（50%～70%），隧洞（洞室）巖層分布較多時，則要適當降低。III類圍巖一般取80%，IV、V類圍巖一般取60%～70%。料源含有地質夾層的根據其分布情況具體分析確定。

鑒于開挖料可能存在不太理想的狀況，國內幾個水電工程全部采用料場開采石料作為大壩混凝土骨料料源，開挖料僅用于廠房工程等其他建筑物，開挖料中也盡量使用工程洞挖料而不是明挖料，這是一個值得注意的現象。如烏東德工程大壩混凝土骨料全部采用施工期料場灰巖，不采用工程開挖料。

4 料源開采與運輸

料源開采與運輸方案一般要滿足工程用料、安全、環保和水保的要求。

錦屏一級工程大奔流溝料場地形高陡，不適合公路運輸而采用豎井運輸方式。由于料場中上部開挖面狹窄，毛料無法進入豎井生產，不得不采用翻渣至江邊截料平臺，再通過二次挖裝運輸至溜井或渣場，不僅損失了大量有用料，而且造成較大揚塵，對錦屏二級閘壩施工及下游業主營地影響較大。

目前，我國西部水電工程由于地形地質條件的限制，許多料場位于陡峭的山坡上，開挖邊坡高差大，邊坡穩定問題突出，需采取綜合防治措施，確保開挖邊坡穩定。

官地工程竹子壩料場后緣及兩側為環山的高陡人工邊坡，開挖邊坡高度達到80 m時，已完成支護的南坡發生了大面積塌滑。主要原因是該部位為斷層交匯帶，斷層破碎帶及影響帶規模較大，邊坡巖體破碎，開挖松弛后巖體強度下降導致邊坡失穩。最后不得不將南坡整體后移60 m，并全部挖除斷層組成的不穩定楔形體，適當放緩開挖坡比，并對后續的支護設計進行了調整。

錦屏一級工程大奔流溝料場為目前國內最高陡的人工順層坡，自然邊坡和人工開挖邊坡高達794 m和513 m，開挖過程中發生了幾次小規模塌方。由于料場位于錦屏二級攔河閘壩下游附近，參建各方高度重視，采取了提高邊坡等級、加強支護（噴錨支護+錨索加固）、設置坡面和坡內排水系統，加強安全監測、及時支護等綜合措施，目前開挖邊坡整體處于穩定狀態。

5 結語

工程經驗表明，大型水電工程混凝土骨料料源選擇是個非常復雜、需要慎重對待的問題，應隨著設計階段進展，不斷加深地質勘探和相關試驗工作，逐步深化研究，最終選擇儲量足夠、強度適當、原巖性能良好、易于加工、開挖料利用適當、開采運輸合理的料源方案。

［1］鄒麗春.小灣水電站工程的挑戰與思考［J］.水力發電，2010，36（12）:15-19.

［2］李太成.大理巖人工骨料在水電工程中的應用實踐［J］.水電站設計,2011，27（2）:68-72.

［3］李光偉.人工骨料的特性與高拱壩混凝土人工骨料的選擇［J］.水電站設計，2008，24（3）:1-7.

［4］阮光華.我國混凝土骨料加工技術的進展［J］.建設機械技術與管理，2009（1）:58-63.