浅析在不良地质条件下的料场复勘
摘要：随着坝工技术及坝料研究的进展，不断突破及拓宽大坝修建对地基基础的限制，在以往认为不宜修建工程的不良地质条件的地方，也开始修建大中型高坝，而对于对基础适应程度最强的土石坝，也日益显出较强的优势。然而在不良地质条件下修建土石坝，存在着许多与往不同的特点，根据已建工程的经验与教训，将料场的复勘需注意的问题进行了介绍，可以为类似工程提供有益的借鉴。
关键词：不良地质 料场 规划 开采
1、概述
随着新型土石方机械的大量投入及填筑工艺水平不断提高，同时筑坝材料试验研究的深入，极大地拓宽了土石坝的用料范围和用料模式，土石坝对坝基适应性强的特点再次引起人们的重视，故在以往认为不宜修建高坝的地方，也开始修建一系列土石坝，然而，在地质条件较差的地方修建土石坝，除了对基础需进行特殊处理外以满足土石坝建基要求外，作为土石坝能否、快速施工的因素，料场的规划与开采问题就必须引起高度的重视。
对于施工单位而言，在招标文件提供的料场资料的基础上，对料场进行复勘，是工程开工后必须引起高度重视的工作，也是最困难、最耗时的工作，笔者现就参加不少土石坝料场的复勘阿工作，根据自已的经验与体会，简单分析在不良地质条件下修建土石坝的料场复勘工作中应注意的几个问题。
所谓的不良地质条件，对于不同的坝料、料场地质条件所涉及的内容也不尽相同，但一般情况，均指存在着断层发育、岩体破碎、料场地质发生异变及含水量与最优含水量偏差较大等情况，对于不同的坝料，不良地质情况相差性较大，需要根据实际情况进行合理的分析和探讨。
2、料场复勘的必要性
料场复勘，是施工单位进场后，根据招标文件提供的料场地质资料，进行一系列、有目的察勘，逐步了解料场的实际地形、地质情况，详细地进行料场道路的布置、开采范围的确定、开采阶段的划分、强度复核等工作，对于防渗土料场，还存着含水量与最优含水量的差异调查等内容。
土石坝作为当地材料坝，原则上应该有什么样的料就修建什么样的坝，然而在工程实践中，料场勘探工作的深度往往并没在达到足够的程度，一般而言，相对于坝址的地质勘探深度，料场的地质勘探工作就差的较远，往往仅靠几个探洞或地形勘查进行地质描述，例如在某个百米级土石坝工程，堆石料场仅布置两个探洞（后对探洞进行复勘中发现其中一个还布置在孤石内），洞长也仅15m左右，而仅在坝区就布置了6条探洞，最长的探洞长约300m（内设斜井），最短的也有54m，可见在设计阶段对料场地质勘探深度和重视程度，但坝体设计一般均参照类似工程提出坝料建议性指标，与实际情况可能存在着差异，进场后，与招标文件发生变化的可能性很大，要么地质条件发生重大变化，招标文件中有用料变成无用料，要么就是开采面积变小，无法形成大规模开采（或台阶开采）条件，不利于大规模机械开采，这在工程实践中屡见不鲜。
另外，在规划及招标阶段，料场的指定，往往是根据航测图或精度较低的进行规划，所推荐的料场往往也存在着局限性，招标文件中地形图与实际情况也有可能不同，在储量上也可能存在着差异，也需施工单位进行复核，确保在填筑过程用量安全。
在料场的复勘中，也有可能在招标文件推荐的料场之外距坝址很近的地方，存在着开采条件相对较好的料场，或存在着经论证后可作为坝料的新料场，如果在施工中将新开辟的料场能够投入运用，往往能够大幅度节约料场的准备时间和费用，对工期紧、中标单价底的施工单位来说，意义是不言而喻的。
3、料场的复勘内容和方法
为满足坝料符合填筑指标，料场根据不同料场性质的情况，复勘的内容也应有所侧重，而在不良地质条件下，相对来说，料场的复勘工作较为复杂和困难，复勘的内容一般包括下面几项：
3.1料场地质性调查
料场地质性调查，是查明料场的物理性质能否满足坝体填筑技术指标，由于在不良地质情况下，料场地质情况较为复杂，在规划阶段中推荐的料场，往往因勘探深度较浅，提供的地质资料与实情情况相差较大，需要进行进一步复核，查明料场有用料分布情况，为料场开采提供根本性的依据。
料场的地质性调查，一般可以从以下两个方面进行着手：
3.1.1复查探洞和探坑
料场的探洞和探坑，是设计部位进行料场初步规划和储量的根本性的依据，施工单位在设计提供的地质资料的基础上，对料场的探洞和探坑进行进一步查明和判断，根据对探洞揭露的岩性和走向，初步判断料场分布情况,从而为料场开采面提供第一手资料。
但要指出的是，探洞或探坑提供的资料虽然非常重要，也是料场地质性复勘的基础性资料，但料场的探洞或探坑，为施工的方便，往往选择在进洞条件好、岩石裸露、完整的地段，故探洞揭露的地质情况相对来说要好的多，往往却并不能代表料场的真实情况，如上述的某料场，就因为探洞选择在相对完整的孤石上（虽然可以从岩层的走向间接判断是否是基岩，但也不排除误判的情况），从而对料场地质情况造成误导，提供的地质资料与进场后揭露的情况相异极大，使料场工作一度处于停滞和被动状态。
3.1.2地表查勘
虽然有设计提供的地质情况和规划阶段打设的探洞或探坑，但地表查勘工作却不可少，意义也不可小视，往往在地表查勘中能够发现招标文件提供的地质资料中未发现的断层或其它有害杂质分布，如有必要，施工单位应补设探槽以查明断层的分布、大小、走向及影响带等情况（也可在修建机械道路过程中根据地表揭露情况进行判断分析），如果是砂石料场或防渗土料场，施工单位应采取挖设探坑了解有用料厚度等，并根据探坑进行地质素描和分析，从而了解料场有用层与无用层分布，为料场的储量计算提供必要的基础性资料。
对一个有经验的承包商来说，料场查勘应不仅仅限于推荐的料场，应该在进场后，对坝址周围的情况进行有针对性的查勘，往往能够找到与推荐料场地质情况相近、而开采条件却较优的料场，通过查勘，认为有必要时，就可有意识地进行取样和论证，为新开辟料场、节约施工成本提供基础性资料，如笔者所正在施工的某百米级工程，原设计采用距坝址6公里的堆石料场爆破后经生产作为反滤料及过渡料，由于料场发生重大变化，不具备出料条件，而在坝址上下游2公里范围内存在着大片砂卵石料，经施工单位积极努力，采取施工措施进行级配调整后，送样至相关部门进行复核，认为指标满足反滤料及过渡料的需要，从而节约了大量投入，同时也拟作为堆石料的补充，缓解了堆石料场迟迟不出料带来的严重后果，
3.2储量计算
储量计算是料场复勘中最基本、也是最为重要的内容之一，它的准确与否，关系到料场开采价值，是一个极为重要的指标。
3.2.1地形
地形测绘是储量计算的第一步，虽然在招标文件中也提供有料场的地形资料，但精度往往不能满足施工阶段的需要，需施工单位采用仪器进行测绘。地形测绘的精度，关系到储量计算的准确性，作为料场的原始地形，在工程料场索赔中（如有可能的话）也占有非常重要的地位，一般而言，在工程竣工时，无用量计算为：
V实际无用料量=V料场开采总量-γV填筑上坝料
V增加的无用量= V实际无用料量- V投标阶段无用料
其中：γ为坝料折算系数，为坝料天然容重与填筑干容重的比值。
增加的无用量料，就是合同变更应进行调整的部分，因此，对一个有经验的承包商来说，从进场开始，就应高度重视这项工作。
由于料场地形复杂、坡度陡峭、植被茂密，许多地方是人无法攀爬而立尺，为测量方便，具备条件时往往采用无棱镜全站仪进行测绘，具有测绘精度高、方便易行的特点，如不具备条件，则可采用两台全站仪进行测量或采用前方交汇法进行测绘，精度也能满足要求，测出的结果，在室内往往采用地形成图进行地形图绘制，在绘制时应尽量标注出探洞的位置及地形特征点，以便于后期复核和现场对照。
3.2.2储量
在已完成的料场地形图的基础上，结合相关部门提供的边坡稳定整体评价推荐的稳定边坡及马道留设情况，以及在地质察看基础上复核的断层分布情况标注在图上，就可以进行储量计算了，应该说明的是，在不良地质条件下，料场的岩层走向及完整性均是在断面图中应该考虑的因素。
储量计算可分为平行断面法及平剖法两种基本方法，基本方法均在已绘制完成的地形图上切取断面，间距根据实际可定为20～50m，突变部位适当加密，平行断面法是垂直于等高线切取断面，断面上可以反映后边坡的情况，对分析料场后边坡稳定较为形象和直观，但缺点是封闭性不好，计算误差较大；平剖法是平行于等高线进行切取断面，以计算好的后边坡作为封闭线，封闭性较好，在平面上可以较为准确地反映地质分界线，区分有用料、无用料较为方便，计算的精度略高，一般情况下推荐采用平剖法进行储量计算，从用料安全的角度上说，储量可采用如下公式进行简易计算：
V =S测区面积×（H勘探深度-H无用料平均厚度）
需指出的是，采用两种方式进行料场储量计算（或其它方法计算），均与实际情况存在着差异，根据多个工程情况分析，对于同一个料场，采用不同的方式计算出的储量相差却较大，最大可以达到相差20%以上，因此，对于计算出的储量，应综合进行评价，同时也应注意，储量并不等同于开采量，一些不具备开采条件或开采条件较差的储量不能算入可开采量内，以免影响对料场的正确评价。
在储量计算完成后，应进行复核是否满足坝料安全要求，根据规范要求：
主要料场
备用料场
3.3道路规划
道路规划是料场规划的重要方面，也是料场是否达到预期开采强度的重要保障。
道路规划，应根据坝体填筑的强度、开采设备的配置、运输车辆的类型及道路内侧边坡稳定等综合因素进行考虑，并根据规范正确确定路宽、坡度、转弯半径及径向超高等技术指标，并在道路上按规定设置必要的标志及安全墩等措施，结合实际查勘的情况在地形图中根据纵坡定出道路特征点，进行线路的平面及纵、横断面的设计（具体设计详见相关规定），道路设计尽量采取挖填平衡或挖方略多于填方的方案，以简化道路修建，道路规划应提出的成果资料一般包括下面内容：
a）道路平面布置图
b）道路展开图（纵断面图）
c）道路横断面图
d）道路修建开挖、回填工程量及土石方平衡表
e）特殊部位的工程处理措施及相应的防护措施
f）道路运输量的复核资料
g）必要的文字说明
从工程实践中，将运输道路提高一个等级而增加的费用不会增加很多，而带来的效益却是可观的，因此，道路的标准确定，是一个综合及效益费用比较的问题，需进行全面的分析。
在不良地质条件下的料场道路修建，应充分注意沿道路的断层对道路边坡的影响，由于断层破碎、松散，边坡难以稳定，且在雨季容易形成滑塌，影响道路的运行，应根根据断层的走向、影响程度、防治费用等方面制定综合处置措施，
在料场道路的修建中，由于路线长、坡度陡，运输车辆刹车系统负荷较大，从安全的角度上来讲，应在料场坡脚部位修建刹车池，进行刹车冷却，刹车池的尺寸应根据运输车输的尺寸进行相应设计，刹车池的位置不得影响正常运输。
3.4无用料的处理
对不良地质地质情况的料场而言，剥采比一般非常高，如笔者正在承建的工程，主堆石料场剥采比接近1:1，而新辟堆石料场开采条件较好，剥采比也达到了1:3，无用量总量达到近200万方，无用量往往与有用料交错分布，剔除方案也是必须要考虑的因素，而无用料的转运、堆存、防护均是必须重点考虑的问题。
根据有关资料，无用料的处理方式主要有以下几种：
a）就地堆存；
b）转运堆存；
c）重新复核坝体指标，将部分无用料填至技术要求较低的部位；
d）通过对料质的分析和论证，改为其它填筑料进行施工；
就地堆存处理方式最为简单，也是施工单位首选的事情，但是，由于不良地质条件下无用料较多，为防止造成泥石流等环境灾害问题，往往需设导水建筑物（如暗渠）和较高的防护挡墙，费用也不低，防护施工与料场开采存在着安全问题，例如笔者所在的工程，由于无用料较招标文件增加20倍左右，拟设置2~3根据直径为1.8m的导水涵管和高达30m的浆砌石挡墙，代价也较大。
转运回填，相对于就地堆存，增加了二次转送和卸料工序，也需要一个储存部位，回填时应结合工程的布置，尽量将其用于工程上，否则增加的费用将是不小的数目。
由于土石坝的特点，不同部位的坝料要求指标不一样，而通过复核填筑指标、优化坝体结构及分区，可以将部分无用料填筑至设计指标较低的部位，达到利用和节约投资的目的，而且也不会降低坝体安全。实际上，有许多工程，新开辟的料场的地质情况并不比原推荐料场好，只是在工程开工后，根据实际情况对指标进行了调整后，新开辟的料场的坝料才能满足坝体填筑要求，而开采条件较原推荐的料场略优而已，四川凉山州瓦都水库堆石料场开工后揭露出大片风化岩，不能满足堆石料要求，后经论证，将其填筑到大坝下游干燥区，从而加快了施工进度、降低了工程造价，也解决了料场无用料的处理问题。
在料场复勘及开挖中，揭露出挤压破碎带等无用料，往往通过试验论证，作为其它坝料进行填筑，在晃桥水库中施工中，在堆石料场发现有宽约45 m的挤压破碎带，通过对破碎带的全面研究，得出破碎带石渣符合用作反滤过渡料质量的技术要求，从而确定取代原设计采用之人工破碎反滤过渡料。破碎带石渣单价约为人工破碎料的1／4，因此而节省了资金，解决了大量无用料处理问题。
3.5防渗土料的含水量调整
防渗土料与其它坝料不一样，对含水量非常敏感，对于土石坝，防渗土料的质量和储量是有特殊地位的，也是在所有坝料中最受重视的，设计单位做的勘查相对其它坝料来说也做得非常细，故质量及储量一般情况没有大的问题，但是，对于防渗土料，往往含水量并不在最优含水量接近，故存在着一个含水量调整的问题。
防渗土料的含水量调整分为降低含水量和提高含水量两种类型，调整的方式很多，可以见相关资料，在此不再赘述，但要指出的是，含水量调整，是一个系统工程，对于不同地区来说，相同的方法取得的效果并不一样，均需进行含水量调整试验进行逐一验证后确定最优的含水量调节方法，达到节约费用、提高工效的目的。
3.6级配调整与生产
对于所有坝料，均存在着级配问题，一般来说，堆石料主要是通过控制爆破参数进行级配控制，而防渗土料的级配由料本身性质确定，只是调整最大粒径的问题，都相对较为简单，而砂石料的级配却是一件不可小视的因素，它的级配良好与否，是关系到能否进行填筑或坝体安全的重要问题。
作为坝体的反滤料或过渡料，主要分为人工破碎制备反滤料和天然砂石料进行级配调整后作为反滤料两种主要形式，但对于地质条件较差的地方，人工破碎制备反滤料的条件并不理想，如果具备条件，可以充分利用坝址周围的天然砂石料进行级配调整后作为反滤料，可以节约大量费用。
根据反滤料既达到“滤土”又达到“排水”的目的，级配需既满足D15／d85＜4的条件，又满足D15／d15＞4的条件，一般均将天然砂石料通过筛分厂筛分、冲洗甚至必要的破碎等加工生产而成，主要方法是：
a）如果天然砂石料级配较好，在分析砂石料场勘察中天然级配资料基础上，依据被保护料的性质，按一定的滤层准则计算后，最终选定反滤料料场，并提出反滤料级配上下包线，最大粒径、含泥量要求，按规定通过筛分剔除大于最大粒径的颗粒，用水力冲洗方法保证含泥量合格，，由于级配设计是基于原料级配基础上，该方法是一般常用的加工生产方法，但其缺点是若料场级配变化，必影响加工级配质量。
b）如果天然砂石料级配略差，则可以掺加部分粒径的料来调整级配，也有可能满足坝体填筑要求，如黄河小浪底工程料源为卵砾石夹细粉砂，缺乏20～1．2 mm的砾石和粗砂，采用破碎方法加入人工破碎料，满足反滤料的级配要求。
此外，将天然砂石料生产反滤料后的弃料，如果加以合理利用，则可以达到综合利用、提高效益的效果，如笔者所在的工程，就拟采用取表面2m范围内的砂石料生产反滤料后，将超径的卵石回填采区，与下部的砂石料混合开采生产出过渡料，形成“两采一掺”法的完整生产体系，具体布置及方法详见相关文章，此外不再赘述。
4、结论
4.1土石坝对不良地质情况下的坝区适应性强，但在不良地质情况下寻找合适而又开采条件优越的料场并不是容易的事情，需要进行针对性的料场复勘，提前做好各种应对措施，才能确保大坝顺利填筑。
4.2充分重视料场的地质性复勘和地形查勘，掌握断层、破碎带等不良地质情况，做好心中有数，才能达到复勘的目的。
4.3在不良地质地区，适当的增大复勘范围，往往能够找到与推荐料场地质情况相近、而开采条件却较优的料场，节约大量的前期时间和费用。
4.4充分重视无用量的处理问题，如果进行论证后可以作为坝料填筑，将会降低处理费用和时间，同时可以提高施工单位的效益。
4.5充分利用坝区范围内的天然砂石料资源，天然砂石料在某些指标上更优于堆石料，如果利用充分，将对施工单位及工程带来较好的效益。
[1] 土石坝建设实用技术研究及应用 郭庆国 蔡长治
[2] 小浪底大坝填筑施工技术和施工方法 王 碧 李玉洁 王奇峰
[3] 四川省工程土石坝建设与筑坝材料研究简述 陆恩施