司富生,黄民奇，张 晖
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)
摘 要：砂砾石“颗粒分布的不均一性”，目前行业并无统一定义和标准评价，也未出现在相关规范术语中。拟建的茨哈峡水电站工程中，因拟采用的砂砾石料分布广、埋深大、厚度大，而且电站工程属超高坝，砂砾石用于填筑250～300 m级高坝尚无经验。文章探讨了深厚砂砾石颗粒分布不均一性问题的研究思路、方法。希望对同类专题研究有一定的借鉴作用。
关键词：砂砾石料；不均一性；筛分；茨哈峡水电站
拟建的茨哈峡水电站工程采用砂砾石填筑形成超高土石坝[1]，因目前尚无砂砾石填筑250～300 m级高坝的经验，规模巨大的填筑量、不同空间分布的料层，为做到施工方便、填筑质量易于控制，填筑料的物性差异是至关重要的[2-4]。关于料源级配特征、分散程度及某组粒径可能缺失[5]，有关专家提出砂砾石料“颗粒分布的不均一性”问题。对此问题，目前行业并无明确统一的定义和评价标准[6]，也未出现在各类规程规范相关术语中[7-9]。因而这一问题的研究对工程建设的意义不言而喻[10]。具体而言，由于吉浪滩砂砾石料场料层分布广、埋深大、层厚大，虽提出了料源夹层条件、级配曲线的上下包络线和统计值，但料源各处是否均在此包络线范围内，不同空间部位取样筛分结果及其特征是否与总体特征基本一致等。本文通过对吉浪滩砂砾石料场料层的分析评价，希望提供一套简单实用、易于推广应用的工作模式，能对同类专题研究有一定的借鉴作用[11-12]。
1.1 宏观思路
选用能够适用于吉浪滩砂砾石料场的颗粒分布“不均一性”的概念、内容及论证方法；建立“不均一性”的现场实施手段和评价构架；确定大区分层、料源相对“粗细”程度详细划分的原则和方法，形成明确的结论[13-14]。
1.2 实施方案
利用特殊深竖井，每进尺全断面筛分，进行料层总体级配曲线特征和粗细程度的划分，研究砂砾石填筑料天然状态的工程地质特性。从宏观地质成因、沉积环境条件分析入手，利用地表测绘、特殊深竖井及不间断颗粒分级资料，进行料场详细分区、分层，分析上下游、岸远近、料深浅的工程地质特性差异。分析各种不良夹层的类型、分布特征(如砂层、土层、胶结层、大孤石等)和不良夹层率等主要影响因素等。评价不同层组的颗粒均一性异同，进而论证整体料层的均一性问题。明确地提出该问题相关的结论和建议。
2.1 取 样
结合砂砾料前期勘察成果及实际地形地质条件，在推荐料场Ⅰ区中部顺河向纵3、纵5剖面，各布置3个80 m超深竖井，纵断面间距290 m，横向间距190～200 m。开挖贯穿可用料层，且进行全井无间断筛分，试验组数302组，筛分量近1 000 t。结合前期钻孔、普通竖井取样及试验成果，按料源形成及沉积特征分析，完全能反映料源在纵、横方向上的颗粒组成及分布变化规律，取样的代表性较好。对单井而言，具完整的代表性。
2.2 研究分析
以6个超深竖井和全井筛分资料为基础，从夹层分布、各粒径组含量、相对粗细层划分、特征粒径、曲线形态、垂向分布、纵横向变化、及不同高程(厚度)比较等，从天然砾石颗粒大小及组合的诸多方面和不同视角，评价不均一性问题。
2.2.1 大层划分
根据钻孔、竖井揭露，岩性大层可分为3层，从上至下为：① 地表无用层(土层)，厚度岸边0.5 m至岸里25 m左右。② 砂砾石层sgr(2)，推荐开采层，厚度30～55 m，平均一般超过40 m。③ 砂砾石层sgr(1)，颗粒组成与sgr(2)层相近，但含较多胶结层，岸边见4～6层，每层厚度0.5～1.2 m左右，不推荐使用。
2.2.2 夹层分布、最大粒径
夹层为影响料层“不均一”的主要因素之一。通过勘探，其类型和特点为：① 砂夹层为透镜状薄层中细砂(一般厚度10～20 cm，延伸5～10 m)，开采中可不考虑剔除。② 黏土、泥类夹层属有害夹层，未发现。③ 最大粒径，偶见直径400～500 mm的大孤石，含量很少，一般最大粒径为300 mm。④ “风化花岗岩”砾石为软弱颗粒，易压碎，破碎后形成砂粒，但总体含量少，对填筑影响小，可不考虑剔除。⑤ 含泥砾石层，局部分布在无用土层以下，厚度小，开采中很容易剔除。⑥ 含水层未见。⑦ 胶结层在sgr(2)层中呈透镜状分布，较少，厚度一般10～15 cm，胶结程度一般，个别钙质胶结较好，开采中可不考虑剔除。
2.2.3 料源总体粒径组成分析
6个超深竖井全井无间断取样试验共302组，所有组数颗粒分布级配曲线见图1。
图1 所有试验成果级配曲线图
其特点为：总体级配曲线呈平滑下凹状、且形态相似度高[16]。集中成束：编号56-5、56-6、56-7、56-8、56-11、56-15、58-1共7组，级配曲线明显偏下。编号55-11在80～200 mm粒径级配曲线偏下突出，与整体曲线差异明显，特别剔出归入上面，总共8组，占试验总组数的3%。代表本料场相对“最粗”方向的离散情况，试验点级配曲线见图2。
整体料源级配曲线平滑、上下包线清晰、小于某粒径含量的最大值与最小值的平均值，与总平均值对比，除小于200 mm粒径绝对值差值略高外，其余差值均较小，曲线基本重合，见图3。反映料场颗粒含量分布整体呈“正态分布”。即5～200 mm砾石含量高，小于5 mm的砂粒和大于200 mm的粗砾均较少。
2.2.4 各粒径组含量分析
294组粒径统计，其特点为：各粒组平均含量主要分布于10～200 mm粒径段，其中：20～40 mm、100～200 mm，含量近似为17%；10～20 mm、40～60 mm、60～80 mm、80～100 mm，含量近似为10%；0.075～0.25 mm、5～10 mm，含量5%～6%之间；其余粒径组，含量一般在1%～4%之间。 200～300 mm粒径段及以上含量除相对偏粗，8组含量明显突出(最高SJ55-11、SJ56-7达25%左右)外，整体含量小(约1%～2%)。最大粒径可按300 mm。各粒径段粒径组含量单值最大值与最小值的平均值，与总平均值对比，除100～200 mm粒径组绝对值差值略高(6.5%)，其余差值均较小(小于5%)，与颗分曲线正态分布结论吻合。
图2 8组相对“最粗”成果级配曲线图
图3 294组试验特征值级配曲线比较图
2.2.5 相对粗细程度划分
对294组试样进行颗粒相对粗细程度划分,所有级配曲线中，划出约3%相对“最粗”8组，小于某粒径含量按各约1/3比例控制：平均值附近为“中粗层”，上包络线以下相对“细层”，下包络线以上相对“粗层”。
(1) 最粗层
所有试验中，可分出8组相对最粗层，SJ56(56-5、56-6、56-7、56-8、56-11、56-15)中较集中分布6组，SJ55(55-11)、58(58-1)中各有1组零星分布。占试验总组数的3%，颗分成果见图2。
由图2中可以看出8组最粗层，最大粒径420 mm，颗分曲线较离散，规律性不大，但整体向下偏离。与294组各粒径组平均含量对比：本类主要是40 mm以下含量偏少；80 mm以上含量偏高；40～80 mm含量差值不大。本组最大粒径稍大，但所占比例极小，对整体料源均一性影响不大。
(2) 粗 层
按294组曲线包络线范围，按前述划分原则，将下包络线以上共78组划分为相对“粗层”，占总试样的25.8%。其颗分成果表及级配曲线见表1及图4。
表1 粗层小于某粒径含量统计表 /%
粒径/mm粗层平均值粗层最大值粗层最小值最大和最小均值294组平均值5004003002001008060402010520．50．250．075100100100．097．975．264．353．841．426．317．713．311．29．56．82．5100100100．010092．884．673．158．939．825．516．716．415．412．26．910098．194．683．556．850．440．828．617．210．47．75．93．82．00．710099．197．391．874．867．557．043．828．518．012．211．29．67．13．8100100100．099．182．873．663．951．233．723．217．615．113．09．53．6
图4 78组粗层颗粒级配曲线图
由图4和表1中可以看出：级配曲线整体平滑、上下包线清晰，除SJ55-2中含少量(1.9%)400～500 mm粒径(最大490 mm)和300～400 mm(3.5%)外，其余各组最大粒径为300 mm，主要以200～60 mm卵石组为主(平均44.09%)；其次为20～60 mm粗砾(平均27.44%)。大于200 mm漂石组，平均含量2.13%，20～5 mm中砾平均占13.08%,5～2 mm细砾平均占2.01%,小于2 mm的砂粒及细粒均值占11.25%。78组粗层与294组各粒组平均含量对比(见图5)：本组60 mm以下各粒径组颗粒含量相对均值偏低，60 mm以上卵石含量相对均值偏高，但差值除100～200 mm略大(6.2%)，其它各粒径组均较接近，差值多小于2%。
图5 78组粗层与294组粒径组平均含量直方图
图6 粗层颗粒特征值级配曲线比较图
78组粗层小于某粒径含量统计值及级配曲线平滑，其中小于某粒径以下含量单值最大值与最小值的平均值，与总平均值对比，除小于200 mm粒径绝对值差值略高外，其余差值均较小，曲线基本重合，见图6。反映颗粒含量也整体呈“正态分布”。平均值级配曲线与294组平均级配曲线比较，以60 mm粒径含量差值最大(10.1%)，向两侧呈近对称趋近于294组平均级配曲线，这与各粒径组含量统计也相吻合。
(3) 中粗层
曲线包线范围，平均值附近的173组，定义为中粗层，约占总试样数的57.0%，其颗分成果见表2。
表2 中粗层小于某粒径含量统计表 /%
粒径/mm中粗层平均值中粗层最大值中粗层最小值中粗层最大和最小均值294组平均值5004003002001008060402010520．50．250．075100100100．099．483．774．665．052．234．624．118．515．913．710．03．710010010010097．889．878．665．745．129．123．621．319．7157．910010099．386．766．65648．842．227．517．81311．29．55．11．310010099．793．482．272．963．754．036．323．518．316．314．610．14．6100100100．099．182．873．663．951．233．723．217．615．113．09．53．6
由表2中可以看出：中粗层整体级配曲线平滑、上下包线清晰，除SJ59-5中含少量(0.7%)300～400 mm粒径(最大330 mm)外，其余各组最大粒径均小于300 mm，试样主要以200～60 mm卵石组为主，平均含量34.4%；其次为20～60 mm粗砾，平均含量约占30.37%。大于200 mm漂石组，平均含量0.63%，20～5 mm中砾平均含量占16.14%，5～2 mm细砾平均含量占2.59%，小于2 mm的砂粒及细粒占15.87%。与294组各粒组平均含量对比：各粒径组均接近，差值最大0.8%。173组中粗层小于某粒径含量统计值及级配曲线，可见：本层料源各类级配曲线平滑，其中小于某粒径含量单值最大值与最小值的平均值，与总平均值对比，除小于200 mm粒径绝对值差值略高外(大6%)，其余均小于2%，曲线近完全重合，见图7。反映颗粒含量在中粗层呈“正态分布”。平均值级配曲线与294组平均级配曲线比较，差值极小(最大1.1%)，近完全重合，与各粒径组含量统计一致。
图7 曲线近完全重图
(4) 细 层
曲线包线范围，上包线以下的43组，定义为相对细层，占总数的14.3%，其颗分成果见表3。该层整体级配曲线平滑、上下包线清晰，最大粒径平均290 mm，主要以200～60 mm卵石组为主(平均22.86%)；次为20～60 mm粗砾(平均34.15%)。大于200 mm漂石组平均0.59%，20～5 mm中砾平均20.88%，5～2 mm细砾平均2.87%，小于2 mm的砂粒及细粒18.65%。与294组各粒组平均含量对比：本组60 mm以下各粒径组颗粒含量相对均值偏高，60 mm以上卵石含量相对均值偏低，但差值除100～200 mm略大(8.3%)，其它各粒径组均较接近，差值小于4%。
表3 细层小于某粒径含量统计表 /%
粒径/mm平均值最大值最小值最大与最小均值294组均值5004003002001008060402010520．50．250．07510010010099．491．285．076．663．742．428．821．518．716．212．04．810010010010097．294．388．872．949．737．830．526．222．718．38．610010010092．981．671．865．153．233．218．413．411．68．46．72．1100100100．096．589．483．177．063．141．528．122．018．915．612．55．4100100100．099．182．873．663．951．233．723．217．615．113．09．53．6
通过43组相对细层小于某粒径含量统计值及级配曲线可见：本层料源各类级配曲线平滑，其中小于某粒径以下含量单值最大值与最小值的平均值，与总平均值对比，差值均较小，曲线基本重合，见图8。反映颗粒含量在细层也整体呈“正态分布”。平均值级配曲线与294组平均级配曲线比较，以60 mm粒径含量差值最大(12.7%)，向两侧呈近对称趋近于294组平均级配曲线，与各粒径组含量统计吻合。
图8 曲线基本重图
对比上述划分最粗层、粗层、中粗层、细层各层颗分成果含量，除最粗层40 mm以下细颗粒含量明显偏少，80 mm以上卵石含量明显偏高外，粗、中粗、细3层相比较各粒径平均含量差值相近(见表4)，小于某粒径以下含量粗层与细层均值级配曲线与中粗层均值级配曲线重合，说明对粗、中、细各层划分是合理的，同时也说明料源均一性较好。
表4 最粗层～细层颗分成果平均含量比较表 /%
粒径/mm最粗层平均值粗层平均值细层平均值中粗层平均值粗层细层均值5004003002001008060402010520．50．250．07510010099．893．057．546．437．528．018．413．210．28．67．14．91．610010099．997．776．165．254．742．226．717．813．511．49．66．92．510010010099．491．285．076．663．742．428．821．518．716．212．04．810010010099．483．774．665．052．234．624．118．515．913．710．03．710010010098．683．775．165．753．034．623．317．515．112．99．53．7
2.2.6 级配曲线形态特征
总体特征：所有级配曲线基本呈平滑下凹状(大致以5 mm或5～10 mm为界，以上较陡，以下较缓)，形态相似度高，且向中心集束(正态分布)。不均匀系数均>5(平均190)，曲率系数少量1～3(占8%)，多数>3(平均为18～19)，主要是因为d30(18 mm)与曲线拐点(5～10 mm)相差不大，但已属接近“级配良好”，总体判定料层属“级配较好”砂砾石层。各单井整体级配曲线特征与总体曲线特征，仅个别差异稍大；各粗细层级配曲线特征，与总体曲线特征相同，仅“最粗”层差异稍大(且多为“级配良好”)。
2.2.7 特征粒径、细粒含量、含泥量
各井及整体特征粒径(<5>
综合以上情况说明，吉浪滩砂砾石料场各层组颗粒大小分布基本均一，既颗粒均一性较好，适宜进行大范围开采和坝体填筑。
(1) 砂砾石“颗粒分布的不均一性”，目前工程上并无统一定义和标准评价，也未出现在相关规范术语中,这一问题的研究对工程意义重大[13-15]。
(2) 本次研究确定以大范围深井探和筛分实验，层组划分对比为主的工作思路和实施方案。
(3) 综合本次6井无间断筛分和粒径分析,总体吉浪滩砂砾石料场颗粒大小分布基本均一，宜进行大范围开采和坝体填筑，对决策工程建设料源选择意义重大。
(4) 本文所采取的工作方式简单实用，易于在工程中进行推广应用。
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Study on Distribution Nonuniformity of Sandy Gravel Particles in Deep and Thick Stratum
SI Fusheng, HUANG Minqi, ZHANG Hui
(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,china)
Abstract:The distribution nonuniformity of sandy gravel is without general definition or standard evaluation in industry currently. It is also not presented in relevant terminology of specification. In construction of Cihaxia Hydropower Project to be built, the sandy gravel to be applied distributes largely, its cover is deep and its thickness is high. Furthermore, the dam of the proposed project is the extra high one and no experience on the sandy gravel embankment of such 250～300 m high dam is available. In the paper, the study concept and methods on the distribution nonuniformity of the deep and thick sandy gravel particles are explored. Key words:sandy gravel material; nonuniformity; screening; Cihaxia Hydropower Project
文章编号：1006-2610(2017)04-0057-06
收稿日期：2017-07-15
作者简介：司富生(1975- ),男,甘肃省临洮县人,高级工程师,主要从事工程地质勘察工作.
中图分类号：TV42
文献标志码：A
DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.015
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