長河壩水電站礫石土超徑剔除工藝

薛　凱，　劉 鑫 升，　姚 科 偉

(中國水利水電第五工程局有限公司 長河壩施工局，四川 康定　626001)

長河壩水電站礫石土超徑剔除工藝

薛凱，劉 鑫 升，姚 科 偉

(中國水利水電第五工程局有限公司 長河壩施工局，四川 康定626001)

摘要：設計要求的長河壩水電站大壩心墻礫石土最大粒徑為150 mm，而湯壩土料場的平均超徑含量約為5.6%，在挖裝、鋪料環節由人工分揀的傳統剔除超徑工藝已不能滿足質量與進度要求。該工程根據超徑剔除標準、土料生產強度、土料利用率等綜合因素比選，對棒條式振動喂料機進行改進后用于剔除超徑料并配套設計了集中篩分系統。通過實際運行，該工程的礫石土超徑剔除工藝既滿足質量要求，也能滿足生產強度要求，可供同類工程參考。

關鍵詞：長河壩水電站；大壩；礫石土；超徑；剔除；工藝

1概述

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發中的第10級電站，工程區地處大渡河上游金湯河口以下約4～7km河段上，壩址上距丹巴縣城82km，下距瀘定縣城49km。大渡河為不通航河流，工程區距鐵路線較遠，公路有省道S211線從工程區通過，并在瓦斯河口與國道G318線相接，可較方便地連接外圍交通干道及大、中城市，周邊有成都、眉山、雅安以及樂山等重要城市。

攔河大壩為礫石土直立心墻堆石壩，最大壩高240m，壩頂高程1 697m。大壩填筑料包括堆石、過渡層、反濾層、心墻礫石土、壓重體等，總填筑量為3 400萬m3，其中心墻礫石土430萬m3。

湯壩料場為大壩礫石土料場之一，位于壩址上游金湯河左岸與湯壩溝之間的邊坡上，距壩址約22km，料場土料主要屬冰積堆含碎礫石土，總儲量約464.2萬m3。由于土料質量較好，設計要求優先開采使用湯壩土料。根據復勘成果及前期開采的統計分析，料場超徑(粒徑>150mm)顆粒的平均含量約為5.6%。

2研究超徑剔除的必要性

(1)在高土石壩施工工藝中，為保證心墻的質量可靠，薄層鋪筑已越來越被認同(瀑布溝大壩心墻鋪料厚度為45cm；糯扎渡大壩心墻鋪料厚度最初采用30cm，后又調整為27cm；長河壩大壩心墻試驗階段確定的鋪料厚度為35cm，經專家評審后最終確定為30cm，壓實厚度約25cm)。土料中的超徑石影響鋪料的層厚與平整度控制，進而影響到壓實均勻度。另外，超徑粗粒在土體中骨架作用明顯，細料壓實度不易保證，從而影響其滲透穩定。因此，對于高壩而言，嚴格剔除超徑對于保證心墻整體質量尤為重要。剔除工藝應能確保過程可控，防止漏剔。

(2)該工程工期緊，填筑強度較高，心墻礫石土高峰期平均填筑強度為21萬m3/月。土料超徑剔除工藝須滿足高強度生產的要求，適應組織配套機械化作業。

(3)剔除超徑的設備或構件須堅固耐久，防止時久變形導致最大粒徑不可控。

(4)鑒于土料場儲量有限，另外開辟料場既不利于環境保護，同時也將增加移民征地的難度及工程投資。因此，超徑剔除工藝還要考慮最大限度地減少有用料的浪費，提高成品率。

3超徑剔除工藝的比選

3.1類似工程工藝

根據已建的類似工程，當心墻土料的超徑含量在3%以內時，多采取在挖裝、攤鋪工序中由人工配合設備揀除。當土料含水量較低(不結團)時，也常常采取開采時利用堆料重力分選剔除工藝，即挖料時就近堆存一次，在重力作用下粗粒集中在料堆下邊沿，在堆料過程中清除粗粒；當超徑含量較高時，多采用單坡條篩依靠重力滾動剔除工藝，其既可為固定式條篩，也可為移動式簡易條篩，有的工程是在固定條篩下加振動電機以提高透篩率；瀑布溝工程運用條篩 + 振動篩兩級工藝剔除超徑粗粒，先用條篩剔除粒徑120mm以上的顆粒，再用振動篩剔除粒徑80mm(60mm)以上的顆粒。

類似工程采用的各種工藝的優缺點見表1。

表1　類似工程超徑剔除工藝比較表

3.2本工程工藝要求

長河壩大壩的特點是其為深厚覆蓋層上的超高壩，技術標準高，心墻料不允許含超徑料；另外，受發電工期與度汛工期的限制，施工強度高于已建同類工程。因此，料場的土料必須全部過篩剔除超徑；篩分系統的產能須滿足進度要求，系統的流程與結構布置需適應機械化施工組織；超徑剔除工藝應工序少、流程短，防止含水量嚴重損失；篩分設備及結構應耐久不變形，確保最大粒徑(最小邊尺寸≤150mm)控制有效；剔除工藝應最大限度地降低廢品率。

3.3工藝選擇

在綜合分析了類似工程采用的超徑剔除工藝的優缺點后得知，人工分揀、重力分選工藝不能滿足本工程徹底剔除超徑的高標準要求；條篩剔除工藝不能滿足本工程提高成品率的要求；振動篩剔除工藝因其不適于本工程最大粒徑而無法使用。

為滿足本工程土料超徑剔除工藝的綜合要求，無法直接利用同類工程經驗，需要針對本工程特點研究專用的剔除工藝并修建能規模生產的固定篩分系統。由于固定系統的設備需要另行調研或設計、試驗，并在其基礎上進行系統結構的設計與修建，需要一定的時間過程。結合工程工期要求，在固定系統建成投產前，考慮采用移動式簡易條篩剔除超徑粗粒的方式，條篩采用型鋼制作，軌道鋼作篩面，篩條凈間距為150mm，單坡，通過試驗確定坡角為35°。為提高成品率，土料需要重復過篩2～3次。

4設備的選擇與試驗

4.1試驗設備的選擇

通過對國內主要篩分設備廠家進行調研與咨詢，初步選擇廣泛用于礦山及骨料生產系統的棒條式振動篩分喂料機作為超徑剔除設備，其原因：①喂料機的原功能是向粗碎設備供料，在供料過程中篩除小于某粒徑的料。其工況與土料超徑剔除相似；②喂料機的結構是按塊石料設計，強度與剛度完全滿足土料篩分的要求，篩條不易變形且適用于塊石最大粒徑800mm；③產能高，供石料可達600t/h(篩面流量)；④設備技改工作量小，用于土料篩分時僅作局部改進即可滿足功能要求。

綜上所述，通過比對，既考慮到設備的可靠性，又考慮到供貨周期短等因素，最后選擇了1臺某專業公司生產的振動篩分喂料機進行現場工藝試驗，因本工程主要使用其振動篩分功能，故將其簡稱為振動篩。試驗設備參數見表2。

4.2工藝試驗

圖1　工藝試驗篩分樓立面照片

設備工藝試驗模擬生產工況進行，在現場修建試驗系統，由結構基礎、擋土墻、型鋼支架、振動篩、溜槽式受料斗等幾部分組成，系統滿足自卸車直接向受料斗卸料、篩下裝載機直接出料、超徑料裝載機直接倒出的要求(圖1)。

表2　試驗設備參數表

4.3試驗結論

(1)試驗工況(連續供料)篩分產能為621t/h，計算一般工況產能為540t/h，單臺產能滿足設計要求；

(2)篩下料中無超徑，滿足完全剔除超徑的要求；

(3)篩余料中有用料平均比例(廢品率)小于1%(土料含水量適中，不結團)，而條篩廢品率一般為2%～7.5%，廢品率大幅度降低；

(4)溜槽式受料斗不適用，容量小，易堵、易粘斗，不能保證長時間連續供料；

(5)型鋼支架在振動荷載作用下易共振且焊縫易開裂，對焊接工藝要求高，不耐久；

(6)試驗設備的棒條偏短，影響透篩率；棒條分節連接處不平順，易卡大石；棒條間夾角偏大，影響透篩率；設備安裝角度偏小，影響效率。

綜上所述，棒條式振動篩總體滿足礫石土超徑剔除的工藝要求，但需要對篩分結構、受料斗結構、設備棒條、設備安裝角度等稍作改進。

4.4改進措施

通過對試驗系統暴露出的問題進行分析后，在固定系統設計中進行了以下改進：

(1)將受料斗改為鋼筋混凝土結構，形式調整為箱型結構，漏斗式下料。受料斗容量滿足連續供料要求，具有一定的調節容量，同一受料斗上口尺寸滿足兩車同時卸料。受料系統設置扒料平臺，堵料、粘板時采用小噸位挖掘機疏料、清板，扒料平臺位置應不干擾自卸汽車向料斗內正常卸料。

(2)篩分樓調整為鋼筋混凝土結構，整體剛性強，堅固耐久。

(3)對設備結構的改進。在與廠家設計人員充分溝通后，對設備進行了適當技改：①增大篩面傾角，將安裝角度調整到最大值10°；②棒條長度由原設計方案中的2.4m調整為3.5m(設備總長度不變)；③棒條不再分節，通長布置，同時將棒條間的平面夾角減小(后端凈距120mm，前端凈距150mm)。

5篩分系統的設計

5.1規模設計

(1)計算參數。

填筑強度：礫石土高峰期平均填筑強度為21萬m3/月(壓實方)；

填筑干密度：根據土料填筑技術要求，取大值2.14g/cm3；

土料平均含水率：取10%；

施工不均衡系數：取1.3；

平均月工作時間：25d×14h/d=350h；

土料成品率(考慮過篩、堆存、運輸等損耗及超徑含量):85%。

(2)系統產能。

成品產能：210 000×2.14(1+10%)×1.3÷350=1 836(t/h)，取2 000t/h；

過篩產能(原料產能)：2 000÷85%=2 353(t/h)，取2 500t/h。

(3)設備數量。

根據試驗結果，給料機在一般工況下的過篩產能為538t/h，則系統設備臺數為：

2 500÷538=4.6(臺)，取5臺。

設備在經過技術改造后產能還有一定程度的提高。另外，還可通過延長運行時間提高產能，這些均可作為系統的產能富裕儲備。

5.2系統平面布置

5.2.1篩分系統平面布置要求

(1)系統場地位置應盡量靠近料場，避免繞運，防止超徑料長距離運輸，有利于降低費用。

(2)系統布置應方便交通組織，形成循環線路，進料與出料線路不重合，有利于避免干擾。

(3)場地面積應滿足5套篩分樓布置及同時運行時容納全部進料車輛與出料車輛裝車的要求；還要有一定的成品料中轉儲存場地；滿足超徑廢料永久堆存的要求。

(4)根據超徑剔除工藝，系統按受料、過篩、出料、堆存(有用料中轉堆存及超徑廢料堆存)幾道工序臺階式布置。場地地形宜有利于系統的臺階式布置，減小挖填工程量。

(5)場地高程須滿足大型臨時建筑的防洪標準。

5.2.2場地的選擇與布置

本工程將篩分系統選擇在湯壩土料場山下靠近河邊倚山布置，一方面可以充分利用河灘地作為堆場，另一方面可以利用靠近河灘的緩坡地形布置受料平臺與出料平臺。另外，開采區至系統受料平臺的道路順山布置，且可分別從上、下游布置通向受料平臺的道路，而過篩后的出料道路則順河灘布置，交通流線既順暢，又不互相干擾。

圖2　篩分場地平面布置示意圖

系統總占地面積約為5.5萬m2，其中受料平臺與篩分平臺各占6 500m2，有用料中轉堆場2.5萬m2，超徑料堆場1.7萬m2，系統布置情況見圖2。 由于湯壩河溝沒有水文資料，因此，只有通過調查歷史洪水位及溝內已有建筑物確定系統場地的防洪高程。本系統受洪水威脅的是堆存場，故利用場坪開挖的無用料回填墊高以達到防洪要求。

5.3篩分樓平面布置

剔除超徑的篩下有用土料采用裝載機轉運至成品堆存場。根據試驗測算，一臺棒條篩至少需要兩臺裝載機同時轉運才能滿足要求。結合地形條件，5座篩分樓呈一字形布置，篩分樓之間凈距須滿足兩臺裝載機同時作業。篩分平臺寬度還應滿足5座篩分樓同時裝車的要求。篩分樓布置情況見圖3、4。

圖3　篩分樓平面布置圖

圖4　建成投入運行的篩分樓效果圖

5.4篩分樓結構篩分樓的高度決定受料平臺與篩分平臺高差(篩分平臺即出料平臺)，包括受料層(即受料斗深度)、設備層(棒條篩安裝層)、出料層(裝載機出料裝車)。

篩分樓結構采用鋼筋混凝土箱板式整體結構，板墻厚度、配筋量、混凝土標號等經計算須滿足最不利運行工況下的強度與穩定要求，同時，樓體還要作為擋土墻功能驗算其穩定性。

每個受料斗滿足2輛車同時卸料，死容積不低于100m3，活容積不低于50m3，以保證連續供料。

設備層高度除能滿足布置設備外，還須滿足設備更換、檢修等操作空間要求。

出料層高度應滿足裝載機出料空間要求，如果是其他出料方式(如皮帶)則另行考慮。

另外，在受料層布置挖機平臺，考慮當下料口堵塞時采用挖掘機扒料疏通。

建成并投入運行的篩分樓效果見圖4。

6結語

長河壩水電站湯壩料場礫石土超徑篩分系統已全部建成投產，目前已生產土料超過100萬m3，系統運行可靠，工藝流程可行，設備運行工況穩定，超徑控制有效，廢品率可控(不結塊的土料)，未出現過堵塞現象。筆者認為：設計合理、實用的土料超徑剔除工藝及生產系統具有以下幾點需要注意的地方。

(1)工藝流程應與工程技術標準相適應。

工程技術標準越高，對土料生產的工藝要求越嚴，建成相應生產系統的投資也越大。本工程大壩屬超現行規范標準高壩，因此須有特殊的工藝才能滿足要求，需要相應建設大規模、高標準的生產系統才能滿足其技術要求。

(2)設備的選擇是關鍵。

設備是整個工藝設計的核心。對于土料篩分設備的選擇絕不能一概而論，須根據允許最大粒徑、土料性質、天然含水量、粘粒含量等因素綜合確定。本工程選用市場上成熟的產品——棒條式振動喂料機經技術改進后運用成功：首先是其適合料場含巨粒的土料，設備沒有因大石沖擊造成故障或部件損壞；其次是土料天然含水率與最優含水率接近，可篩性好，透篩率高，連續供料時單臺產能可達670t/h；再者，設備操作簡單，維修率低。

如果土料的控制最大粒徑更小且原料中也沒有大石，天然含水率低，則應考慮更輕型的設備。

如果天然土料含水率高，粘粒含量高，則要另行研究設備或增加調水工序后再剔除超徑顆粒。

(3)應盡量縮短工藝流程。

從原料開采到剔除超徑的流程越短，對防止含水量損失越有利，也越有利于提高產能。本工程的設備僅需一級即可剔除全部超徑且自卸汽車直接向受料斗卸料，一級落差即完成超徑剔除，從而實現了流程最短的目標。經實測，礫石土料從開采到剔除超徑，含水量基本沒有變化(試驗檢測沒有發現明顯的變化規律)。

(4)出料方式應進一步高效節能。

本工程篩分系統采用裝載機出料。由于篩分設備產能高，兩臺3m3裝載機匹配一臺棒條篩顯得很緊張，稍有間隙即出現積料現象，進而影響系統產能，故其有待優化。如果采用皮帶機出料直接裝車，只要皮帶的輸送能力能滿足最大透篩強度即可。皮帶出料強度容易保證，可減少設備投入，系統運行更有序且與裝載機相比更節能，更經濟。

(5)其他因素。

如果工程土料場儲量豐富且征地費用相對較低，填筑強度相對較低，條篩剔除超徑也是可優選的方案。條篩具有結構簡單、臨建費用低等優勢，但應保證篩條剛度，結構不變形，方可做到粒徑可控。

薛凱(1974-)，男，四川平武人，副局長兼總工程師，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

劉鑫升(1985-)，男，河南許昌人，助理工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

姚科偉(1987-)，男，河南濮陽人，助理工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

四川審批兩個水電項目環評

近日，《四川省阿壩州俄日河俄日水電站環境影響報告書》、《江油市科光水電一級站工程環境影響報告書》得到四川省環保廳的批復。其中，俄日水電站位于阿壩州金川縣境內俄日河上，采用引水式開發，主要開發任務為發電，兼顧下游生態環境用水要求，裝機容量為69兆瓦。工程環境保護投資3 578.37萬元。江油市科光水電一級站為徑流河床式開發，裝機規模為20兆瓦，現已基本建成，本次環評屬補辦環保手續。

收稿日期:2015-05-05

文章編號:1001-2184(2015)03-0025-06

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV541;TV52;TV523

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