深圳地区土石坝风化料地质勘查问题

杨 世 平

(深圳市水务规划设计院有限公司，广东 深圳 518008)

深圳市是一个缺水城市，为满足供水需求修建了大量水库工程，截至2015年底，共有蓄水水库168座，总库容7.7 亿m3。其中20世纪90年代以前水库绝大多数为均质土坝，多采用黏性土填筑。90年代以后，水库大坝越大越高，填筑料需求量越来越大，必须大量采用各种风化料上坝，例如公明水库实际利用各种风化料数量达1 200 万m3。而随着碾压设备的不断改进，大坝设计理论愈加先进，以及料场征地越来越难的现实，要求每个风化岩料场做到最大限度料尽其用，这就给料场地质勘查以及施工地质工作提出了更高的要求。本文基于在当地天然建筑材料勘察、土石坝安全鉴定勘察、土石坝设计施工配合以及病险水库处理等工作实践，提出了一些针对本地特色的风化料勘察地质问题对策和理念，对类似地区水库工程具有借鉴意义。

1 风化料地质背景

土石坝风化料顾名思义是填筑土石坝的各种风化程度的岩石，包括全风化岩、强风化岩、弱风化岩、微风化岩等，本文主要是指常规碾压设备可碾碎的全风化岩(含残积土)、强风化岩，其压碎后颗分土名为各种黏性土、粉土、砂土、砾石土、碎石土，以压实度控制填筑密度，一般情况下机械挖掘机可开采，不需爆破。一些堆填在干燥区的风化料可容许不完全碾碎，但要与设计人员协商。本地全、强风化层成分、成因、分布、结构等产出特征与场地地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水作用等有直接关系。地貌类型有山地、台地、海岸带，地形高差起伏大。地层岩性种类多，分布最广的是各构造期花岗岩，其次是石炭系、泥盆系、侏罗系砂泥岩，以及一些变质岩、火山岩。在靠近深圳大断裂带的区域，地质构造对风化层厚度影响较大。地形地质条件和土地规划限制决定了本地区风化岩料场厚度变化大，单个储量小，层位划分难，开采和上坝填筑质量控制难。这些都是因为风化层的不均一性造成的。常见的“不良夹层”有石英砂岩硬岩层、花岗岩风化球、硅质胶结砂岩硬岩层、石英岩岩脉带，带状、槽状、囊状风化和隔层风化等是常见“不良风化”现象。

2 问题与对策

2.1 料场选择

传统的料场选择原则是：由近至远，先集中后分散，不占或少占耕地或林地，充分利用工程开挖料等。本地区选择料场限制因素较多：①要考虑征地难度问题，常常已完成详细勘察的料场因为征地等原因无法使用，既大大耽误工期，又造成勘察浪费，因此本地区选择料场主要考虑在水库红线范围内。②料场选择要充分考虑后续水保工程量和难度的问题，以及不规则开采造成的永久景观问题，这就要求料场尽量选择独丘、残丘地段，条带状串珠状低丘最好，这些地貌区开采结束后可基本变为平整的场地，还可加以其他工程利用。③料场选择要充分考虑地下水位及料源含水量问题，当料源含水量高时处理难度很大，一般不规划使用含水量偏高的料源，因此沟谷区、低台地地貌区选择料场需慎重。④料场选择要充分考虑开采时对周围居民和建筑物的影响。⑤料场选择考虑岩性种类，以花岗岩为代表的火成岩风化成层性好，料种物理力学性质好，为各类碾压土石坝料源首选。各种变质岩系地层，风化虽不均一，但全、强风化层总体厚度普遍较大，储量易满足。泥盆纪以新的砂页岩地层，风化很不均一，成层性差，料源物理力学性质相对较差，勘察、开采、上坝质量控制难度较大。

2.2 击实试验

按工程惯例和有关规范，水库大坝和堤防一般要求对黏性土料进行标准击实试验(轻型击实)，适用于粒径小于5 mm的黏性土，而采用重型击实试验的不多，后者常用于公路部门。本区域在建水库大坝天然建筑材料大多采用残积土、全风化岩(土)、强风化岩，其中前两者属于土，习惯于进行轻型击实。后来在多个工程发现，一些岩类的残积土和全风化土在不同击实功下颗粒组成也有较大变化，主要是细粒含量的变化。

以公明水库10-1料场一批样为例，击实样品为中粗粒花岗岩全风化土，颗分土名为细粒土质砂，立面刻槽混合取样，采用轻型击实试验后土的黏粒含量5.1%～9.9%，渗透系数(1.5～5.0)×10-4cm/s,不满足均质土坝土料质量的要求。改为重型击实试验后土的黏粒含量变大(15.6%～27.5%)，渗透系数显著变小(3～6)×10-6cm/s，均可满足均质坝设计要求。在料场现场碾压试验和工程施工中，采用20 t的震动平碾即可达到重型击实的效果。天然建筑材料勘察规范(SL251)规定对于风化成因的碎(砾)石类土，必要时应做压实后的颗粒分析和碾压试验，鉴于本地区料场的特点(料源紧缺，立面开采，砂性土含水量不高)，建议对于残积土较薄全风化土较厚的风化岩形成的砂类土料场，勘察时应进行重型和轻型击实对比试验，必要时进行碾压试验，充分挖掘料场潜力，节约土地。至于施工质量，当前碾压设备压实能力很容易达到重型击实效果的压实度，只需重点控制好含水量即可。

2.3 风化料分区分层

按现有土石坝设计理论，各种风化岩和残积土均可作为良好的天然建筑材料，其中强风化带以上的岩(土)可作为均质土坝、分区坝的建筑材料。本地区已建水库大坝大多为均质坝，少数为防渗体分区坝，但目前在建水库由于料源日益紧缺，分区土坝越来越成为主要的选项。在建水库区一般为低丘陵区，地形开阔，坚硬岩埋深大，不适宜修建重力坝和拱坝，即使修建堆石坝的条件也不好，因此坝型选择主要考虑各种风化料的因素，并尽可能是库盆范围内的料场。在建的公明水库和清林径水库，均为大(2)型水库，坝虽不太高，但副坝数量多，分别为6座和10座，总的土石料用量大，但单个大坝筑坝用料量相对较小，各大坝设计必须与就近的料场种类、储量、质量、开采、运输、施工因素等统筹考虑，每个开采层在可采深度内料尽其用，少弃料，这就要求各料场勘察必须做到精细化，以便更好地进行工程设计和方案决策。

对于残坡积土，一般为黏性土，可作为防渗料，也可作为均质坝料，但不同岩性的残坡积土的物理力学性质和压实特征有差异，可按颗粒分析成果确定基本土名，并进行平面和剖面细化分区分层，注意高塑性黏性土的存在。对于全风化岩(土)，以岩性进行大的分区，一般应根据击实后的颗粒分析定土名，如果全风化带较厚，上下部位物理力学性质差异较大时，应进行剖面分层，并分别进行分层取样击实试验和全层取料击实试验。全风化岩(土)是良好的均质坝料，有些可作为防渗土料。做防渗土料时要经过综合分析判断，重点关注试验样品的代表性、采料层均一性和施工质量的控制难度。强风化带由于所处地形地貌部位不同、地层岩性差异、地质构造发育程度等原因，在本地区的主要特征表现为厚度变化大、风化状态差异大，压实性能差异大和碾压后地质参数差异大，是每个工程料场勘察的难点和重点。强风化岩风化料在本地区一般作为分区坝填筑料，具有抗剪强度高，压缩性低，渗透性大的特点，尤其对于坝较高长度较大的坝，其压实后工程特性对于工程安全、工程投资控制有重要意义。

鉴于本地区强风化料的这些特点和问题，采取的主要勘察对策有：①当风化层较厚时必须分区分层，分区是根据岩性先行分类，不同的岩性其风化特点不同。分层是根据风化程度的深浅进行剖面分类，以松子坑水库二期扩建工程(中型水库)为例，粉砂岩强风化带厚度可达10～30 m，根据主要风化状态描述即半岩半土状、石夹土状、碎块石状分为上、中、下3层，详见表1。②勘察时采用钻孔、物探、坑(井)探、地质填图等综合勘探方法进行分层，编制专门的强风化岩分层特性表，强调钻探班报表要做好钻进记录。③分层时多与设计施工人员沟通，要考虑可能的开采方式和碾压设备。

2.4 风化料地质参数综合取值

风化岩上坝料是一种复杂的建筑材料，其复杂性主要体现在开采坝料存在均一性问题，取样试验存在代表性问题，室内试验工况与现场施工存在差异性问题等等，尤其是强风化料，勘察时根据有限的地质工作提出相对合理的地质参数是一项难度较大的工作。

针对这些与参数取值有关的问题，在工程前期勘察阶段尽可能做到试验与地区经验相结合，在参数使用过程中地质与设计密切协商，在施工阶段用碾压试验成果对前期地质参数进行必要的复核。对于残坡积土和全风化土料，土性相对均一，以室内试验成果为基本依据，结合工程经验，可基本能够提出比较合适的物理性质指标和强度、变形、渗透等参数；对于强风化料，其风化程度介于全风化和弱风化之间，土石比例、块度大小和坚硬程度极不均一，当坝较高时，必须要求分层进行大型击实试验，通过模拟碾压功能的击实试验，取得基本的地质参数和压实特性指标。原则上要求上坝的强风化料能基本碾碎，压实后粗细结合紧密，不发生粗料集中架空的现象，没有饱水后湿陷性问题等，不能满足这些要求的强风化料一般不能做为坝壳料，除非设计有要求填在干燥区。

强风化料大型击实试验和击实后剪切、渗透试验成果对坝型设计影响很大，参数的提出当慎之又慎，地质上要综合考虑各种风险，包括取样代表性、试验成果可靠性、施工质量可控性等方面，必要时要进行专门论证及专家咨询工作。本地实验室当前没有大型击实及击实后各种试验能力，一般要送去长沙中南院实验室，成本虽高，但可解决关键技术问题。对于一些较矮坝的强风化填筑料，地质参数的提出主要依据类似工程经验。由于各种条件的限制，一般在前期勘察期间无法进行现场碾压试验。表1为松子坑水库二期扩建工程经现场碾压试验成果复核后的风化岩(土)上坝料地质参数，图1为典型的颗粒分析曲线(平均线)。该水库上坝料为石炭系测水组泥质粉砂岩、细砂岩、石英砂岩地层，在深圳地区有一定的代表性。

表1 各类料地质参数建议值

注：①上述地质参数提出是根据以下资料综合分析确定：碾压试验报告；施工地质人员于碾压后进行的现场及室内试验成果；前期勘察报告；料场开挖断面地质描述；碾压后的粗料压碎状态观察。 ③对于施工期所有坝壳料稳定计算的非饱和土抗剪强度参数设计取值，建议仍采用原初设勘察报告提出的各料场的黏性土抗剪强度参数值。④上述各类料水平渗透系数，A、B、C类料取其垂直渗透系数的1.5倍，D类料取3倍。

图1 典型颗分曲线

2.5 坝型推荐

本地区水库以设计均质坝和分区坝为主，从天然建筑材料角度推荐设计坝型，主要从以下几方面考虑：

(1)防渗料的储量、质量和开采条件，这是修建土质防渗体坝的先决条件。防渗料的渗透系数规范规定要小于1×10-5cm/s，对料源要求一般要有较高的黏粒含量，较低的含水率，较好的压实性能，较好的均一性(渗透参数可靠性)，开采运输方便，与其他上坝料开采不冲突,达不到这些条件，不应推荐土质防渗体坝。

(2)坝壳料的分布规律、分区分层储量、质量及依序开采条件，重点关注料源的均一性，均一性差或分层开采难度大时不应推荐分区坝，如要推荐分区坝就要建议增加辅助防渗、反滤及降低浸润线设计措施。

(3)对均质坝料技术指标的综合判别，主要针对料源的均一性、压实性和施工质量的可控性，不能以一些试验成果轻易下结论。

以松子坑水库二期扩建工程土质防渗体分区坝为例，强风化中段料设计为坝壳料，碾压试验时现场测得其渗透系数(2～5)×10-5cm/s,平均为8×10-5cm/s,似乎可作为均质坝料使用，但仔细观察碾压后现场颗粒组成情况，有“粗料”相对集中的现象，且是施工期不可避免的，在“粗料”集中区加做渗透试验后，综合分析确定该类料平均渗透系数取值为1.2×10-4cm/s,单从数据上看虽接近均质坝料渗透参数，但原则上是不能按均质坝料看待。因此对于上坝料的工程特性评价，必须进行综合分析后慎重下结论，推荐设计坝型也要在与设计人员充分沟通的基础上提出建议。相对来看，分区坝比较经济安全，但填筑质量控制难度较大。

本地区分区坝的形式一般是“好”料填在大坝上游部分，“差”料填在下游部分，如表1中A、B类料填在上游区，C类料填在中下游区，D类料填在后坝坡，稳定、渗流、变形三大设计问题都得到较好的解决。如果A、B类料防渗可靠性有缺陷，应建议增加其他防渗措施(黏土斜墙、土工布等)。如果C、D类料渗透系数偏小，应建议进行降低浸润线设计。一些工程实例显示，上游坝段土料防渗功能有缺陷，而下游坝段设置了垂直排水砂墙和水平砂垫层的分区坝，其渗漏量往往偏大很多。均质坝型一般适合较矮的坝，上坝料大多取用全风化土、残积土，防渗可靠性好，但有些压实土料在饱和状态下抗剪强度偏低，使得大坝坝坡设计偏缓，筑坝经济指标较差。

2.6 坝料填筑质量控制

鉴于风化料的上述特点，上坝填筑质量是水库工程质量控制的重点，也是难点，需要各部门协调配合共同应对，施工地质工作尤为重要，体现在施工过程的各个环节。在大规模坝料填筑之前，地质人员应配合施工单位做好现场碾压试验，在碾压试验方案制定、碾压参数的确定和现场试验检测方面提出建设性意见，与设计、施工、监理人员共同研究解决有关坝料碾压技术问题。根据碾压试验成果进一步复核前期提供的地质参数，并将复核结果及时知会设计人员。在施工过程中由于多种原因，施工单位常常不能按已规划好的开采顺序开采料场，导致产生各种质量隐患，此时施工地质人员应配合设计修编开采规划，必要时还需进行料场补充勘察。对以细粒土为主的残积土、全风化岩坝料，地质人员当重点关注坝料含水量情况，避免出现弹簧土、水平透水层。对大规模强风化岩坝料填筑质量控制，地质人员需重点关注：在进行碾压试验时注意分析研究不同碾压设备对技术指标的影响；在坝料大规模开采时注意监督料场分料区分层位开采和分料类分坝区上坝，避免坝体下部填土偏细，坝体上部填土偏粗，不利于坝坡稳定，或者出现填土“粗料”集中层、集中带，不利于渗流和渗透稳定。

3 结 语

土石坝天然建筑材料勘察失败的案例在全国很多，曾造成过重大损失，表明此项工作既重要，又风险高。而风化料勘察与评价更为复杂，需要与设计、施工、岩土测试检测等多个专业部门进行沟通、协调和共同研究，也需引用统计学、概率学、逻辑推理、风险评估理念，即按一项系统工程看待。只有这样，才能使得风化料勘察成果评价做到科学、合理、适用，少风险。

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[1] 郑丽君. 土的轻型与重型击实试验结果的统计分析[J]. 岩矿测试，2006,25(3):297-298.

[2] 吴国永，钟俊平.标准击实试验与现场填筑若干问题探讨[J]. 广东水利水电，2005(6):39-40.

[3] 碾压土石坝设计规范(SL274)[S].

[4] 水利水电工程天然建筑材料勘察规程(SL251)[S].