3.4　混凝土骨料料源

工程建设所需天然建筑材料主要为混凝土砂石骨料和上水库坝体填筑堆石料与垫层料，另外还包括下水库施工围堰填筑石渣料等。根据对混凝土砂石骨料料源调查和相应的地质勘探成果，可供比选的料源有四种：下水库库盆天然砂砾料、工程开挖渣料、商品大理岩石料和大西沟料场。由于各料源地理位置、储量、质量、征地和开采运输条件有差异，因此，除上水库大坝填筑料及垫层料可明确采用上水库库盆石方开挖料外，选用何种料源制备砂石骨料必须进行详细比较，通过综合分析确定。

3.4.1　料源的分布和储量

（1）天然沙砾料场。

预可研设计阶段对下水库库盆和沟口等天然沙砾石料场进行勘察。由于地方已采空沟口天然沙砾石，所以只对下水库库盆天然沙砾料场进行详查。天然沙砾料场分布在下水库库盆，下水库盆位于哈拉沁沟一河曲部位，谷底宽150～240m，河谷纵坡降约1.85%，库盆区左岸地形坡度34°～40°，库岸长约700m；右岸35°～50°，上部较缓，库岸长约885m。两岸冲沟有六条，冲沟内多有洪积和崩坡积物分布。产地基本为河漫滩和Ⅰ级阶地，冲洪积成因，沿河谷分布，表面局部为植被覆盖。产地主要由上覆无用层和下部沙砾石层或沙砾蛮石层组成，其间夹有砂或土的透镜体。无用层一般由粉沙土层或黏土沙砾石层构成，平均厚度为1.5m左右，有植物根系。沙砾石层主要由砾石、砂组成，其次为蛮石，泥质的含量较高，结构一般为中密，部分层次较松散。表层蛮石、砾石、砂有较好的分选性。砾石一般为微风化，少量为弱风化，中等磨圆度。砂透镜体为中粗砂或粉细砂；土透镜体由壤土或淤泥组成，厚度一般为0.1～0.5m，靠近两岸坡脚处厚度一般为1～3m。

采用平行断面法计算，平均无用层厚度1.5m，平均有用层厚度20m，总储量193.6万m3，其中无用料总量3.60万m3，有用料总量190万m3，水上可用料量8.69万m3，水下可用料量181.31万m3。

（2）工程开挖渣料。

工程开挖渣料包括三部分料，下水库进/出水口明挖石方、地下洞室开挖渣料和上水库库盆开挖料。

下水库进/出水口位置，原地表覆盖层约0.5～1.0m厚，主要是第四系崩坡积的碎石土。根据设计开挖坡比及设计开挖深度计算，将弱风化及以下岩石作为人工骨料料源考虑，总量141.15万m3，其中无用料总量39.60万m3，有用料总量101.55万m3。

地下系统位于哈拉沁沟左岸上、下水库之间山体内，开挖渣料主要为地下厂房洞室群开挖料。开挖洞渣中微风化及新鲜的黑云斜长角闪岩及片麻状花岗岩作为人工骨料料源。石方开挖总量约85.7万m3，无用料（强风化及软弱岩体）10.7万m3，其有用料量约75万m3。

上水库位于大青山山顶的古夷平面上，料木山主峰东侧，此处地势开阔，地形较平坦，坡度8°～22°，平均16°。西南侧邻近哈拉沁峡谷，地形陡峻，谷坡坡度34°～53°，平均45°，局部为陡崖。上水库库盆石方明挖总量约448.3万m3，其中无用料66.2万m3，有用料382万m3。有用料按岩石性质分为：强风化片麻状花岗岩70.8万m3，弱风化～新鲜片麻状花岗岩234.6万m3，弱风化～新鲜斜长角闪岩76.6万m3。上水库大坝设计用料量287万m3，计算料场有用料储量382万m3，其中包括强风化花岗岩70.8万m3，储量基本能满足用料量要求。并选用上水库四号山梁作为备用料场，此地段地势开阔，便于开采运输，岩性同库盆开挖料，储量和质量满足要求。

（3）商品大理岩石料（采石场石料场）。

对商品砂石原料市场调查，距下水库坝址下游10km处有地方大理岩料场，现为呼和浩特市水泥厂料场，料场岩性为下元古界二道洼群白云石大理岩，料场储量十分丰富，能满足工程需要量。

（4）大西沟料场。

大西沟料场石料岩性为大理岩，料场位于下水库下游右岸的大西沟内，距大西沟沟口3.5km，储量大于1000万m3。

3.4.2　料源质量

（1）天然沙砾料场。

蛮石（粒径＞150mm）岩性主要为片麻状黑云母花岗岩、大理岩、斜长角闪岩及闪长岩。细骨料的主要矿物成分为长石和石英，占总量的59.7%～69.8%，还有一定的云母、高岭石、蒙脱石，含量为24.1%～34.5%，少量的角闪石、白云石和方解石含量为4.3%～8.8%。

天然沙砾料场粗、细粒分布不均，颗粒分析结果中，粒径＞150mm的蛮石颗粒含量最大值为48.2%，平均值为23.40%；150～5mm砾石含量占41.8%，5～0.16mm沙粒含量占31.8%，小于0.16mm的颗粒占3.0%。沙砾料粒径大于150mm的蛮石颗粒较多，其物理力学及化学指标均能满足规范要求。筛分的砾石料，局部地段的40～20mm、20～5mm粒径级含泥量超标，软弱颗粒含量20～10mm和10～5mm粒径超标严重，其余物理力学指标均能满足混凝土粗骨料的使用要求。小于5mm的砂料如果直接作为混凝土用细骨料是不理想的。首先是级配不太合理，存在着粗、中、细跨界现象，甚至超出适用范围界限；表观密度尽管符合技术指标要求，但堆积密度小，所以对应的孔隙率大于40%，不符合技术要求；含泥量平均值为10.9%，超过了3%的技术要求，其他物理力学技术指标基本满足要求。

对此料源沙砾石料以岩相法、化学法和砂浆棒快速法进行碱活性检验，得到的结论是属于非碱活性骨料。

（2）工程开挖渣料。

1）下水库进/出水口边坡开挖料。下水库进/出水口处覆盖层约0.5～1.0m厚，主要是第四系崩坡积的碎石土。基岩主要是黑云母片麻状花岗岩及斜长角闪岩岩脉。片麻状黑云母花岗岩的矿物成分主要为：长石40%～50%、石英20%～30%、黑云母20%～30%；斜长角闪岩岩脉矿物成分主要为：长石20%～30%、石英10%～20%、黑云母30%～40%。经取样试验，料场岩石各项物理力学参数均满足人工混凝土骨料料源技术指标，且不具有碱活性。但料源岩石矿物含量中，黑云母含量较高。

2）下洞室开挖渣料。洞渣料中黑云斜长角闪岩矿物主要成分为：角闪石50%、斜长石20%～25%、石英10%～15%；片麻状花岗岩矿物主要成分为：长石60%～65%、石英10%～15%、黑云母20%～25%。经取样试验，洞渣料中黑云斜长角闪岩及片麻状花岗岩各项物理力学参数均满足人工混凝土骨料料源技术指标，且不具有碱活性。但料源岩石矿物含量中，黑云母含量较高。

3）上水库库盆开挖料。上水库库盆基岩为吕梁期片麻状黑云母花岗岩，岩脉主要有斜长角闪岩、斜长片麻岩、云母片岩。

上水库库盆开挖料中弱风化～新鲜状的片麻状黑云母花岗岩及斜长角闪岩的物理、化学指标均满足规范要求，可作为上坝主堆石区堆石料及过渡料、垫层料用料。强风化片麻状黑云母花岗岩除饱和抗压强度和软化系数小、需要根据设计要求与实用要求确定外，干密度、冻融损失率和SO3含量均满足技术要求，可适当考虑用作次堆石区堆石料。

上水库库盆开挖料中弱风化～新鲜状的片麻状黑云母花岗岩及斜长角闪岩作为人工骨料料源，质量满足规范要求，但料源岩石矿物含量中，黑云母含量较高。开挖料不具有碱活性。

（3）商品大理岩石料（地方采石场石料场）。

商品大理岩的矿物成分为白云石90%～95%、方解石5%～10%、透闪石1%～2%。岩相稳定，各项物理力学指标能满足工程质量及技术标准要求。碱活性岩相法初判结果表明属于非碱活性岩石。

3.4.3　料源采运条件

（1）天然沙砾料场。

天然沙砾石料场在下水库库盆里，物料的开采结合场内出渣路完成，可通过2号、8号公路运往砂石加工系统和4号、5号渣场，部分回采料通过8号公路运输，开采运输条件方便。

天然沙砾料场位于下水库库盆，属于清库范围，可不计剥离量。

（2）工程开挖渣料。

下水库进/出水口石方开挖须与库盆清理同时进行，按自上而下的开挖顺序完成，开采运输利用库盆施工道路完成。开采受开挖进度控制，需要回采倒运。

地下工程开挖可利用料可直接运至砂石加工系统或4号、5号弃渣场，砂石加工系统与弃渣场相邻布置，交通运输利用3号、8号公路，运输条件方便。

地下洞室开挖料使用不受洪水等因素影响。

上水库工程开挖石渣可用料部分直接上坝或加工垫层料，部分堆存于2号弃渣场，回采时利用场内出渣道路与1号公路，交通运输方便。

（3）商品大理岩石料（采石场石料场）。

外购大理岩石料场距下水库坝址约10km，外购料可经2号与8号公路直接运到砂石加工系统，运输条件方便。

3.4.4　料源方案

根据以上分析，从储量和质量上看天然沙砾料和上水库开挖料料源分别不能够单独满足工程混凝土骨料和上水库坝体填筑料使用需要，因此须考虑多个料源组合使用。因此，对天然粗细骨料、天然砂和洞挖料人工粗骨料、大理岩人工粗细骨料方案进行了下面各种用料组合方案并进行比较。

方案1：下水库施工区设置天然砂石料加工系统，负责下水库及地下系统区全部混凝土骨料加工，原石料为下水库库盆开挖料；上水库设置混凝土骨料及碎石垫层料加工系统，负责上水库全部混凝土骨料和碎石垫层料的加工，原石料为上水库库盆开挖料。

方案2：在下水库设置天然沙砾料筛分系统，负责生产全部工程混凝土细骨料，并设有人工粗骨料加工系统，生产下水库及地下系统工程混凝土粗骨料。原石料为库盆开挖沙砾石料与洞挖料。上水库设置砂石加工系统，生产垫层料和上水库混凝土粗骨料，原石料为上水库库盆开挖可用料。

方案3：考虑到上水库面板混凝土抗冻等级和抗渗要求高，此部位混凝土骨料用外购商品大理岩生产。在下水库设置天然沙砾料筛分系统，负责生产除上水库面板混凝土骨料以外全部工程混凝土细骨料，并设有人工粗骨料加工系统，生产除上水库面板混凝土骨料以外全部工程混凝土粗骨料。原石料为下水库库盆开挖沙砾石料与洞挖料。上水库设置砂石加工系统，生产垫层料和上水库面板混凝土粗细骨料。垫层料的原石料为上水库库盆开挖可用料，面板混凝土粗细骨料原石料为商品大理岩石料。

方案4：考虑到工程总体安全及混凝土配合比试验成果，尤其是抗冻耐久性能指标需待设计龄期期满时方可得出，又补充以下方案。在下水库设置天然沙砾料筛分系统、洞挖料加工人工粗骨料系统及大理岩料加工系统，生产全工程所需混凝土骨料。上水库面板混凝土和下水库大坝的外包混凝土抗冻指标较高，这些重要部位混凝土粗细骨料全部采用外购大理岩加工；其他部位的常态混凝土和碾压混凝土，其混凝土细骨料采用库盆开挖天然沙砾料筛分，混凝土粗骨料采用工程地下洞室开挖渣料加工。另在上水库区设置垫层料加工系统，负责上水库大坝碎石垫层料的加工，原石料为上水库库盆开挖可用料。

综上所述，为确保工程各部位混凝土所需骨料料源储量、质量均满足要求，在可行性研究阶段采用方案4。

3.4.5　混凝土性能试验

细骨料基本参数检验结果：《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）要求，哈拉沁沟天然砂、上水库探洞人工砂、地下系统人工砂坚固性指标均不满足；上水库探洞人工砂、地下系统人工砂云母含量不满足要求，天然砂云母含量较高，接近规范限值；天然砂含泥量较高。

粗骨料主要指标检验结果：哈拉沁沟天然卵石、上水库探洞人工碎石、地下系统人工碎石、大理岩人工碎石的主要指标均能满足《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）和《混凝土面板堆石坝设计规范》（DL/T 5016—1999）的要求。

通过大量的分组试验，开展了混凝土坍落度、VC值、含气量、凝固时间、抗压强度、劈拉强度、轴心抗拉强度、轴心抗拉弹模、极限拉伸、轴心抗压强度、轴压弹模、线膨胀系数、绝对温升、抗渗、抗冻、干缩、自生体积变形等性能试验。试验表明各配合比方案基本能满足设计要求，其中面板混凝土和二级配碾压混凝土采用大理岩骨料方案较优。对面板混凝土的不同技术方案进行抗裂性分析，结果表明采用大理岩骨料方案配置的面板混凝土抗裂性较优。非大理岩人工砂配置的混凝土，指标裕量较小，施工现场大规模生产时各方面条件难以和实验室条件相比，指标裕量会更小。

3.4.6　混凝土骨料方案调整

根据混凝土配合比及性能试验结果，综合分析考虑各部位混凝土的强度、抗渗、抗冻要求以及不同骨料料源方案的优缺点，2006年5月重新确定了工程不同部位混凝土的骨料来源。

（1）细骨料：大理岩制人工砂作为工程各部位混凝土的细骨料。

（2）粗骨料：上水库面板、上水库进/出水口、拦河坝常态混凝土、拦沙坝常态混凝土、下水库进/出水口死水位以上、调压井、引水隧洞混凝土等抗冻、抗渗、干缩、自生体积变形要求高的部位采用大理岩粗骨料；排水廊道、坝顶结构、坝内三级配碾压混凝土、下水库进/出水口死水位以下、地下厂房及尾水系统、引水系统回填混凝土等性能要求不高的部位采用地下系统洞挖料加工粗骨料。

据此调整，工程共需大理岩砂石骨料的混凝土38.41万m3，另有49.47万m3混凝土利用大理岩制人工砂。需要开采大理岩石料58.83万m3；利用地下系统洞挖料加工粗骨料的混凝土49.47万m3，需要洞挖料37.25万m3。

由于商品大理岩石料场（哈拉沁沟沟口原地方大理石采石场）运距较远，政府已不允许开采，不可能采用购买方式解决大理岩料的问题。对大西沟大理岩料场进行详查，由地质勘察试验成果看，储量丰富（大于1000万m3，勘探范围内有用层储量249万m3，约设计需要量的3倍）、质量较好。地下系统开挖料共85.7万m3，去掉强风化及软弱岩体后可用料约75万m3，满足需要量。

鉴于下水库砂石料加工系统两种料源同时加工，生产工艺安排十分复杂，数量和质量均很难保证，又比较了砂石骨料加工全部采用大理岩料场方案。比较结果，工程全部采用大理岩骨料的方案比部分采用大理岩（部分采用工程开挖石渣）的方案直接投资增加约546万元。全部采用大理岩料场供料投资增加量，约占整个系统总投资的6%。为满足不同用户的要求，考虑供料质量可能影响主体工程施工的需要，增大协调管理难度，反而有可能增加不可预见的投资，也为方便施工单位运行中减少协调管理难度，工程用混凝土骨料全部用大理岩原料制备。

2013年3月20—22日通过了混凝土骨料全部用大理岩制备的方案。