岩溶发育区薄-中厚层碳酸盐岩人工骨料场勘察

颜慧明　吴宏钧

摘要：皂市水利枢纽天然建筑材料选用易家坡料场嘉陵江组薄-中厚层白云质灰岩，浅表部岩溶发育，岩体薄层状构造以及可能的溶蚀夹泥会对料场质量产生影响，这些不利因素给料场分区、选择利用等造成了很大困难。通过对易家坡料场进行综合勘察和分析，以岩溶发育程度为主要标准，综合考虑顺层填泥情况、岩体风化状况、岩石单层厚度以及地形等因素，对料场进行了质量分区，最终选择以Ⅰ区、Ⅱ区为主的适宜开采区域，工程实践表明料场储量满足设计要求。相关经验可供类似工程料场勘察比选工作借鉴。

关键词：料场勘察; 薄-中厚层碳酸盐岩; 填泥夹层; 质量分区; 皂市水利枢杻

中图法分类号： TV541

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.010

0引 言

碳酸盐岩是一种常见的天然建筑材料，由于其强度适中、易于加工，被广泛作为块石料或混凝土人工骨料应用于水利水电工程及其它建筑工程。但碳酸盐岩属可溶岩，岩溶夹泥层的发育情况对料场质量影响很大[1]。国内外不缺乏利用碳酸盐岩加工人工骨料的成功工程实例，如温春玉等对甘再水电站4号灰岩料场碳泥工程特性进行研究，提出碳泥作为建材混入料在应用过程中应谨慎对待[2];在戈兰滩水电站，钟才良等对白石岩料场中灰岩夹泥层进行研究，确保了工程所需的砂石料供应[3];在金沙江白鹤滩水电站，洪望兵对旱谷地灰岩料场工程性状软弱区进行调查，保证了料场取样质量[4];在构皮滩水电站，向能武等充分采用多种勘探方法，查明了碳酸盐岩岩溶发育特征、岩体结构与构造特征、剝离层的厚度等[5]。

国内外多数工程所利用的碳酸盐岩料场多为厚层状灰岩、白云岩等地层，而皂市水利枢纽易家坡料场地层岩性为三叠系嘉陵江组薄-中厚层白云质灰岩，该地层岩溶发育，表层溶蚀夹泥严重，料场存在溶蚀夹泥形成的剥离层和薄层岩体成材质量不高两大问题，料场条件复杂。本文通过一系列勘探、试验等对料场进行了全面系统的研究，使得料场顺利开采使用，保证了皂市水利枢纽的骨料供应。

1料场工程地质概况

皂市水利枢纽是洞庭湖四大水系之一——澧水支流渫水上的防洪骨干工程，为Ⅰ等大（1）型水利枢纽工程，坝址位于湖南石门县皂市镇上游2 km。

皂市坝址周边一带天然砂砾石料不能满足工程需要，需要考虑采用人工骨料。前期曾在坝址上游左岸百崖壁、林家屋场、王儿峪，坝址下游5 km左岸的鸡鸣山及坝址上游左岸易家坡进行了调查。经调查，前两个料场开采条件较差，王儿峪料场岩溶发育，鸡鸣山料场距坝址较远。经综合比较，易家坡料场在质量、开采及运输条件等方面相对较好[6]。

易家坡料场位于皂市水利枢纽坝址上游左岸2 km，在桐梓溪南侧与渫水交汇部位的易家坡一带，交通便利，料场地形为南高北低的单斜坡，地形坡度25°～35°，高程200～400 m。料场地层岩性为三叠系嘉陵江组中段（T1j2）薄-中厚层白云质灰岩地层。岩层单斜倾向340°～10°，倾角55°～65°。区内裂隙较发育，性状较好，延伸长度通常小于2 m，主要充填方解石脉、铁锰质，部分充填泥质。嘉陵江组地层岩溶发育，表层溶蚀夹泥严重。

2料场质量影响因素

易家坡料场质量取决于原岩质量、构造、岩溶、填泥夹层等4方面因素。

2.1原岩质量

对易家坡料场岩石进行了钻孔取样，取样部位避开地表风化层、地表岩溶发育部位，选择在有用层内。将岩样进行了岩石矿物鉴定、岩石物理力学试验。试验结果表明，料场岩性主要为含白云质灰岩，少量的生物碎屑灰岩，岩石矿物组成中方解石含量79%～98%，白云石含量1%～20%，石英含量0.2%～0.5%，褐铁矿含量0.5%～1.0%，有机质含量0.1%～0.5%。料场区内岩石的干密度为2.66～2.79 g/cm3，吸水率一般为0.95%～2.08%，孔隙率一般为2.57%～5.43%，单轴饱和抗压强度为52.0～97.0 MPa。岩石的碱活性试验（圆柱体试验）结果表明，岩石均为非活性岩体。原岩质量各项指标满足SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》[7]中的相关要求，原岩质量对料场质量影响较小。

2.2构 造

料场区未发现对岩体质量有影响的大规模断层，岩石整体性状好，仅见走向NNW及NNE两组裂隙，张开宽度多在0.5 cm以下。料场勘探平硐裂隙性状统计结果显示：59%的裂隙充填灰白色方解石或褐黄色铁锰质，胶结紧密;11%无充填，微张;30%充填泥质，宽度多在0.5 cm以下（见表1）。岩体中以非泥质充填裂隙为主，占70%。另据钻孔资料可知，岩芯获得率在90%左右;钻孔岩芯裂隙线密度一般为7～8条/m，最大为16条/m，约50%的裂面填充泥膜，厚度为1～3 mm，所填泥膜累计占岩芯总长的1%。

料场区域内岩体主要呈薄层-中厚层[7]，中厚层单层厚度为10～50 cm，薄层单层厚度为5～10 cm，按照各层所占厚度比划分属等厚层、略等厚层岩体。根据探硐资料所统计的料场岩体厚度特征如表2所列。

总体来说，构造对料场岩体质量影响不大，但需注意薄层状岩体的加工成材质量。

2.3岩 溶

易家坡一带地下浅表部岩溶较发育，高程250 m以下有多处落水洞，最深探测至27 m仍未见底，洞内多填泥，难剥离。高程250～400 m区域，钻孔资料显示岩溶线密度约为1%。探硐结果表明：岩溶基本顺层发育，稍有穿层，形式以小型扁平状溶洞为主，多数充填泥，泥呈黄褐色、黄色，可塑状，为重黏土或粉质黏土，人工好剥离，可考虑作为开采区。

2.4填泥夹层

勘探揭示，料场岩体中填泥夹层有两类：① 嘉陵江组地层原本含有的少量极薄层泥质灰岩风化、遇水后软化的软弱夹层;② 顺层溶蚀后的溶蚀填泥夹层。两类填泥层对料场质量均有不利影响，都为无用层，需要剥离或剔除。本文将两类填泥厚度累加以2 m为单位，与岩层厚度进行顺层填泥厚度比（含泥量）分析。2BF25933-C529-4B57-A407-B0127D0FC3AD

软弱夹层大多数分布稳定，厚度一般小于10 cm，局部受地下水渗流、风化影响性状变差，呈稍湿、可塑状泥，黏性强。溶蚀填泥夹层主要分布于地表以下（岩层真厚度方向）5～6 m范围内，最深可达到8 m;地表向下夹层整体宽度逐渐变窄，分布密度变小;单条夹层厚度变化较大，往往呈地表厚、下部薄的狭长倒三角形，地表宽度为0.3～1 m、最宽处为2 m，底部宽度多在0.1 m以下，直至消失。

为分析顺层填泥对料场质量影响，将高程250～400 m区域的平硐顺层填泥情况进行统计和分带，结果如表3所列。

从表3可以看出，高程250～400 m区域的平硐顺层填泥在高程分布上无明显规律，但在纵横向具有分区分带特征，溶槽区填泥较深。YPD5、YPD6、YPD10、YPD11四个探硐所在区域含泥量均在10%以下，平均为8.3%，集中在洞深0～8 m处;YPD3、YPD8、YPD9、YPD12四个探硐所在区域含泥量大多在11%～20%之间，平均为14.8%，集中在洞深0～12 m处;溶槽地带的YPD1、YPD7两个探硐含泥量均在15%以上，平均为22.2%，分布洞深大于20 m。

3料场质量分区与开采选择利用

3.1料场质量分区

根据地质测绘及钻探、硐探及地质雷达勘测成果，以岩溶发育程度为主要标准，综合考虑顺层填泥情况、岩体风化状况、岩石单层厚度以及地形等因素，将料场分为3个区：相对不发育区（Ⅰ区）、岩溶较发育区（Ⅱ区）、岩溶发育区（Ⅲ区）[6]（见图1）。

根据分区特征，拟开采区绝大部分属Ⅰ区、Ⅱ区，其面积占开采区总面积的96%。Ⅰ区分布在中间地带、高程260～380 m之间，面积为9.1万m2，区内岩体性状较好;Ⅱ区分布在高程260 m以下地带、溶槽所在高程330 m以上条状地带、西部高程370 m以上地带及区内东南角等几处，面积为6.22万m2;Ⅲ区仅零星分布在两条溶槽所在的高程330 m以下条状地带，面积为0.68万m2，占开采区总面积的4%。

3.2料场剥离层确定

料场区内剥离层厚度在纵向上具有分带特征，横向具有较明显分区特征，如表4所列，各区典型溶蚀填泥厚度比如图2所示。

Ⅰ区在剥离4 m后岩体中填泥厚度比小于1.59%;6 m以下岩体中填泥厚度比小于1.13%;8 m以下岩体中填泥厚度比平均为0.38%，最高0.86%，据此确定该区剥离层厚度3.2～8.0 m。该区剥离层在纵向上分带特征明显。

Ⅱ区在剥离6 m后岩体中填泥厚度比小于4.28%;10 m以下岩体中填泥厚度比小于1.88%;11 m以下岩体中填泥厚度比小于0.75%;12 m以下岩体中填泥厚度比小于0.45%。确定该区剥离层厚度为6.8～10.0 m。

Ⅲ区在剥离厚度达到8 m时，岩体中填泥厚度比仍大于20%;9 m以下岩体中填泥平均厚度比为13.7%;厚度10 m以下岩体中填泥平均厚度比平均为9.2%、最高11.6%，据此确定该区剥离层厚度大于11 m。

综合各分区内探硐资料、钻孔资料并参考地质雷达剖面资料，建议开采区内平均剥离层厚度为8～9 m，局部10～12 m（见表5）。在有用层内，仍然分布有少量小型部分填泥溶洞，但开采时易于剥离。

3.3料场开采区选择与利用

工程所需混凝土总量为123.4万m3，需毛料190万m3，最大需求强度为18万m3/月（毛料），主体工程采用人工砂石骨料。混凝土级配为三级配，最大骨料粒径80 mm，砂子的细度模数控制在2.4～2.8。易家坡料场需提供人工砂石骨料及浆砌块石等开采料约210万m3，考虑岩溶发育碳酸盐岩人工骨料场的复杂性[8-9]，按工程需毛料的2倍方量去规划选择采区。综合各方勘察资料分析，结合地表地形特征并对料场进行质量分区之后，选择勘探范围内以Ⅰ区及部分Ⅱ区作为人工料场的开采区[10-11]。

开采区范围长约750 m、宽约237 m，平面面积约0.16 km2（见图1），地表高程240～380 m，剥离层厚度为8～9 m，局部10～12 m。开采上下界高差120 m，开采坡度不超过岩层倾角，单级坡度取55°，综合坡度取49°，开采下界面水平[12]。剥离层厚度以9 m计，完整开采断面面积为7 600 m2，计算长度为750 m，总储量达500万m3，满足要求（见图3）。

同时为评价薄层状岩体的加工成材质量，开采前选择Ⅰ区、Ⅱ区薄层状岩体进行了简易轧制试验[13-14]。结果表明：加工后骨料粒径、针片状及石粉含量等均满足三级配混凝土骨料要求。骨料最大需求强度为18万m3/月，强度不高，自上往下剥离和开采能满足要求。

料场实际施工开挖揭露：高程340 m以上岩体中薄层比例较初设有所增加;采区东部高程360 m以上溶蚀较严重、剥离厚度超过11 m，开口线附近剥离量比较大，但高程340 m以上整个采区的平均剥离厚度仍小于8～9 m、有用料总量与预计算量大致相当。高程340 m以下范围，剥离层厚度相对稳定（一般为5～7 m），含泥量较低，有用料的开采比例高。

4結 语

通过综合勘察和分析，总体上查明了易家坡料场表层岩溶填泥、剥离层厚度，圈定了薄层灰岩位置、厚度及成材条件，最终确定了剥离层、可开采层厚度、岩性、成层条件、加工及成品料质量、碳酸盐岩碱活性等关键技术指标，并进行了科学的质量分区和开采区选择。上述研究得到了工程实践的最终验证，不仅保证了施工的顺利进行，而且为业主和施工单位带来了巨大的经济效益。

碳酸盐岩岩溶发育条件下人工骨料场料场质量主要取决于岩石成分、构造、岩溶、填泥夹层等因素。对料场的选择与利用，可通过地质测绘及钻探、硐探及地质雷达勘测等综合手段，以岩溶发育程度为主要标准，综合考虑地质构造、岩体风化状况、岩石单层厚度以及地形等因素进行质量综合分区，选择以相对不发育区为主的区域作为料场开采区。2BF25933-C529-4B57-A407-B0127D0FC3AD

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（编辑：胡旭东）2BF25933-C529-4B57-A407-B0127D0FC3AD