劉紅玉

（中國水利水電第四工程局有限公司 青海西寧 810000）

1 緒論

1.1 研究背景及目的

三河口水利樞紐是引漢濟渭工程的重要水源之一，也是整個引漢濟渭工程中具有較大水量調(diào)節(jié)能力的核心項目。樞紐大壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程為646m，壩底高程504.5m，最大壩高141.5m，壩頂寬9m，拱冠壩底厚36.604m；壩頂上游弧長472.153m；大壩寬高比2.87，厚高比0.26，上游面最大倒懸度0.16，下游面最大倒懸度0.19，壩體混凝土方量99.0萬m3；壩內(nèi)共布置三層縱向廊道：分布高程為515m、565m和610m；三河口拱壩是目前世界上已建和在建碾壓混凝土拱壩中壩頂弧長最長、河谷寬高比最大的一座高拱壩，同時壩體方量和水推力也排在世界前一、二位。

三河口水利樞紐大壩碾壓混凝土施工時，因壩址河谷狹窄，兩岸山體陡峭，無法采用常規(guī)的自卸車直接入倉方式，如何解決碾壓混凝土高強度連續(xù)施工，選擇合理的混凝土入倉手段是關鍵，其中跨廊道和孔口施工是保證碾壓混凝土整體同步升層的重點和難點。通過多個方案的反復對比，最終決定采用皮帶機入倉作為混凝土垂直運輸手段，該方案雖在施工強度方面比自卸車直接入倉稍有降低，但就本工程現(xiàn)場實際條件而言，具有較高的經(jīng)濟性和便捷性，并有效的解決了特殊部位混凝土入倉難度較大的問題。

經(jīng)研究確定，在上游圍堰高程538m平臺左右岸各布置兩條皮帶機，覆蓋高程范圍高程510.8～538m。高程504.8～510.8m高程碾壓混凝土澆筑從壩后入倉。左岸原路面高程528m，在下游側碼放鋼筋石籠，回填至高程538m高程。左岸受料平臺高程531.8m，右岸受料平臺高程530.7m，皮帶機上傾12°可抬高至538m高程。混凝土入倉方式采用自卸車運輸至高程538m平臺，受料斗接料，再由皮帶機+皮筒輸送至倉面內(nèi)，倉內(nèi)自卸車轉料，不設料斗。

大壩高程508.00～538.00m最大倉面面積為4010m2，最大入倉強度為：4010×0.3/6=200.5m3/h，單條皮帶機的設計強度300m3/h，實際強度150m3/h，兩條皮帶機入倉強度為150×2=300m3/h＞200.5m3/h，滿足入倉強度需求。

1.2 研究方法

根據(jù)大壩各區(qū)的最大倉面面積和胚層覆蓋時間，確定混凝土入倉強度，通過混凝土最大入倉強度，從而設計出皮帶機運輸強度，此過程僅是確定皮帶機運行工況的基本計算原則，而皮帶機的布置、設計、制作及安裝是本次研究的重點。

采用CAD軟件建立大壩和周邊地形模型，通過對大壩結構和地形之間相互關系的分析，規(guī)劃出皮帶機的布置形式，最終采用PKPM軟件設計出皮帶機桁架和立柱制安圖，至此完成了皮帶機的初步設計。為驗證皮帶機的實用性和經(jīng)濟性，還需要進行第二階段的討論論證和經(jīng)濟性計算，該過程主要依據(jù)以往的施工經(jīng)驗和國內(nèi)外的先進技術，結合本工程實際情況，組織相關專業(yè)人士進行方案討論和論證，并形成最終定稿意見。最后階段為組織實施階段，在該階段中還需根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對局部進行優(yōu)化和調(diào)整，以求達到最佳。

1.3 國內(nèi)外研究水平

隨著科技水平的不斷提高，皮帶機的應用范圍也越發(fā)廣泛，在水利工程建設中發(fā)揮著巨大的作用，國家生產(chǎn)制造的帶式輸送機的品種、類型較多。在“八五”期間，通過國家一條龍“日產(chǎn)萬噸綜采設備”項目的實施，帶式輸送機的技術水平有了很大提高，煤礦井下用大功率、長距離帶式輸送機的關鍵技術研究和新產(chǎn)品開發(fā)都取得了很大的進步。如大傾角長距離帶式輸送機成套設備、高產(chǎn)高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機等均填補了國內(nèi)空白，并對帶式輸送機的減低關鍵技術及其主要元部件進行了理論研究和產(chǎn)品開發(fā)，研制成功了多種軟起動和制動裝置以及以PLC為核心的可編程電控裝置，驅(qū)動系統(tǒng)采用調(diào)速型液力偶合器和行星齒輪減速器。

2 皮帶機規(guī)劃研究

2.1 皮帶機規(guī)劃布置的可行性分析論證

由于碾壓混凝土物理特性不同于常態(tài)混凝土，其入倉方式選擇更為靈活和多樣，本工程采用皮帶機入倉，主要因其跨越能力和對復雜地形的適應性較強，三河口水利樞紐大壩壩前至混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)的運輸?shù)缆肥┕ね瓿桑瑪U寬后采用混凝土對路面硬化即可滿足大壩澆筑時的碾壓混凝土運輸，壩前高程538m平臺滿足混凝土卸料及回車要求。

2.2 規(guī)劃皮帶機位置及初步選型

綜合上游圍堰地形情況及澆筑強度要求，在高程538m平臺左側及右側各布置兩條皮帶機，皮帶機布置如圖1。

圖1 皮帶機布置圖

2.3 基本結構組成

三河口水利樞紐大壩壩前4條皮帶機結構形式基本相同，主要由驅(qū)動部分、張緊部分、卸載部分、中間部分、機尾、物料輸送帶、磁力開關、保護裝置等組成。

2.3.1 驅(qū)動部分

按照單條皮帶150m3/h的混凝土輸送量，對皮帶輸送張力進行計算后，由于現(xiàn)場無場地布置地面式驅(qū)動電機，綜合考慮簡化布置，確定選擇外裝電動滾筒，搭配φ800菱形膠面帶逆止器，驅(qū)動電機的規(guī)格型號為WD-37-4.0-10080N，單機功率為37kW。

2.3.2 制動器

制動器安裝要求為：下運皮帶機一定要安裝；平運皮帶機不安裝；上運皮帶機根據(jù)要求安裝，一般情況下不安裝。三河口壩前皮帶機均為平運皮帶機，不需要安裝制動器，緊急時刻采用拉線開關停機。

2.3.3 中間棧橋部分及棧橋支架

皮帶機棧橋主要承擔輸送物料、托輥、輸送帶的靜荷載及運行時的動荷載，一般采用角鋼等型鋼焊接而成；初步設計時，皮帶機桁架剛度按長度50m計算，帶速3.5m/s考慮，由于右岸邊坡地形過陡，不具備設立中間支架的條件，左岸皮帶機棧橋設立中間支架及倉內(nèi)支架；壩前高程538m皮帶機棧橋采用兩種截面尺寸，左岸1#、2#皮帶機桁架截面尺寸為1.73×1.1m，經(jīng)核算，桁架剛度滿足要求；為安全起見，1#、2#皮帶機在桁架中部分別設置8.8m和10m高的單片支架，倉內(nèi)設置17m高的雙片支架，截面尺寸為3.45×1.4m，該支架經(jīng)核算后，滿足受力條件及正常澆筑要求，并且支架周圍澆筑完一倉混凝土后會更加穩(wěn)固，能夠保證皮帶機安全順利的運行。

2.3.4 拉緊裝置

輸送帶是橡膠和纖維織品兩者復合而成的織品，在應用中的重錘拉緊裝置，在運行一段時間后，重錘后自動下降一段距離，使輸送帶變長。這說明輸送帶發(fā)生了蠕變，在啟動、制動過程中也會發(fā)生蠕變現(xiàn)象。此時拉緊裝置就必須進一步收緊才不會發(fā)生打滑現(xiàn)象。

因此拉緊裝置是保證帶式輸送機正常運轉必不可缺少的重要部件，它的功能有：

（1）使輸送帶在傳動滾筒上形成正壓力，靠摩擦力將傳動滾筒的圓周力傳遞出來。

（2）保證輸送帶最小張力點的張力，限制輸送帶在托輥間的垂度，防止輸送帶在托輥間距內(nèi)過分松弛而散失槽型，保證輸送機正常平穩(wěn)地運行。

（3）補償輸送帶的永久伸長。

（4）為輸送帶接頭提供必要的行程。

（5）在長距離帶式輸送機中，為達到輸送機帶的動力張緊引起的彈性伸長所要求的拉緊行程起到一定的作用。

固定式帶式皮帶機拉緊裝置一般有螺旋拉緊裝置、垂直重錘拉緊裝置、車式拉緊裝置、蝸輪蝸桿張緊裝置等。根據(jù)現(xiàn)場施工要求，皮帶輸送距離較小，螺旋拉緊裝置行程較小、結構形式簡單，壩前皮帶配置4臺加強型螺旋拉緊裝置，型號為DTⅡ04D63S=1000。

2.3.5 清掃器

清掃器分為頭部清掃器及空段清掃器，頭部清掃器裝設于輸送機頭部滾筒處，用以清掃輸送帶工作面上粘附的物料，三河口壩前皮帶采用聚氨脂高分子清掃器，根據(jù)皮帶機選型手冊選用DT4EJP5型，相比金屬清掃器，能有效延長使用壽命；空段清掃器用于清除落在輸送帶下分支非工作面上的雜物以保護機尾滾筒和輸送帶，機尾清掃器常用空段清掃器，空段清掃器安裝在機尾滾筒前，空段清掃器也采用高分子聚氨酯清掃器。

2.4 選定皮帶機規(guī)格尺寸，驗證皮帶機澆筑強度滿足需求

2.4.1 初選皮帶機參數(shù)

三河口水利樞紐大壩壩前皮帶機根據(jù)其他施工項目的施工經(jīng)驗以及初步計算，主要選型依據(jù)如下：

（1）運輸長度：L=50m；

（2）運輸角度：α=0°；

（3）混凝土松散密度：γ=2.5t/m3；

（4）堆積角：ρ=41°；

（5）最大塊度：a=80mm；

（6）膠帶寬度：B=1200mm；

（7）膠帶速度：V=3.5m/s；

（8）運輸能力：A=500T/h；

（9）上托輥間距：Lg’=1.2m；

（10）下托輥間距：Lg”=3m；

（11）上托輥摩擦系數(shù)：W’=0.04；

（12）下托輥摩擦系數(shù)：W”=0.035；

2.4.2 皮帶機輸送能力計算

根據(jù)以上參數(shù)對皮帶機輸送量能力進行計算。

理論可用寬度b=0.9B-0.05=0.9×1.2-0.05=1.03m，考慮到實際放料情況，取b=940mm，皮帶機邊緣留出130mm，如圖2所示，此時堆料厚度約為82mm。

圖2 皮帶機剖面圖

中間托輥長：l3=690mm，槽角λ=41°

不考慮運行堆積角，則：

式中：S2為理論堆積面積；l3為中間托輥長；b為膠帶理論可用寬度；λ為槽角。

帶速V=3.5m/s，小時輸送方量Qv=3600×S2×v=600m3/h，考慮實際運行情況，皮帶機輸送量理論量為300m3/h，滿足大壩澆筑要求。

2.5 皮帶機桁架及支架受力計算

（1）桁架受力核算

在初步選定皮帶及運行參數(shù)后，對皮帶機運行的設備進行配型，在確定選用的設備后，皮帶機桁架及支架承受的荷載基本確定，本次鋼結構設計采用經(jīng)驗法結合PKPM受力軟件驗算選定，按照以往施工經(jīng)驗，用于輸送混凝土的皮帶運輸機不同于骨料、粉料輸送機，對桁架結構穩(wěn)定性要求更高，因此在參照骨料輸送皮帶的基礎上擴大了桁架截面寬度及高度，同時采用規(guī)格型號較大的材料，采用L180×12的角鋼作為弦桿，采用L125×8的角鋼作為立面斜桿，采用L100×8的角鋼作為上下平聯(lián)的連接桿。以50m桁架為計算單元，兩端采用固定鉸制作作為約束，按照極限狀態(tài)設計法，混凝土滿鋪50m帶面，為均布荷載，按1.2和1.4的附加系數(shù)考慮靜荷載及動荷載，同時加入托輥、輸送帶、滾筒等設備自重荷載，經(jīng)PKPM軟件核算后，桁架各桿件承受的拉應力或壓應力均小于235N/mm2，且整體撓度在5cm以下，滿足正常使用要求。

桁架PKPM軟件計算簡圖部分如圖3。

圖3 計算簡圖

（2）棧橋支架結構設計

在對桁架進行受力核算，選定桁架結構形式后，經(jīng)過計算，桁架自重能夠確定，則棧橋支架承受的荷載基本確定，三河口水利樞紐壩前高程538m皮帶機棧橋布置形式如圖4所示。

支架1為倉內(nèi)支架，根據(jù)實際施工經(jīng)驗，初選支架1及支架2采用結構形式為“四管柱”，截面形式如圖5。

截面尺寸為1.2m×1.5m，利用PKPM受力核算軟件進行機構受力分析，主要過程如下：

①畫出受力圖，簡化受力模型，根據(jù)力學平衡公式計算出支架1和支架2頂部集中荷載；

②將集中荷載分解到縱向和橫向兩個截面；

③用PKPM鋼結構計算中的PK交互輸入與優(yōu)化計算功能，將縱向及橫向兩個截面建模，并添加擬采用的型鋼材料，加入荷載后進行優(yōu)化計算。PKPM軟件自動將支架劃分為柱及梁單元，結構鉸接點均為受力節(jié)點，同時，PKPM軟件自動考慮風荷載及地震荷載，對每個節(jié)點荷載進行組合核算后，最后結果顯示為結構形式及材料選型滿足使用要求，各節(jié)點計算結果也均滿足規(guī)范要求。

圖4 皮帶機棧橋布置圖

圖5 支架截面圖

2.6 皮帶機的布置及安裝

2.6.1 施工強度分析

大壩高程508.00～538.00m最大倉面面積為4010m2，最大入倉強度為：4010×0.3/6=200.5m3/h，單條皮帶機的設計強度300m3/h，實際強度150m3/h，兩條皮帶機入倉強度為150×2=300m3/h＞200.5m3/h，滿足入倉強度需求。

2.6.2 皮帶機布置

上游圍堰高程538m平臺左右岸各布置兩條皮帶機，左岸1#、2#皮帶機布置高程為531.8m；右岸3#、4#皮帶機布置高程為530.7m。大壩升層至高程530m高程后，向上傾角12°布置，可抬高至高程538m。皮帶機輸送能力為150m3/h，設計帶速為3.8m/s，設計帶寬為1000mm。1#皮帶機長46.8m，桁架寬度為1.73m，高度為1.1m；2#皮帶機長39m，桁架寬度為1.73m，高度為1.1m；3#皮帶機長33m，桁架寬度為1.73m，高度為2.2m；4#皮帶機長44.8m，桁架寬度為1.73m，高度為2.2m。

2.6.3 皮帶機制作安裝

皮帶機必須嚴格按有關規(guī)范要求制作，在綜合加工廠制作完成后，用12m平板拖車運至現(xiàn)場進行上吊裝。皮帶機安裝首先吊裝桁架，再在桁架上安裝托輥，滾筒，皮帶等。左岸皮帶機桁架分兩段，從單片支架靠下游分一段，在倉面內(nèi)用25t汽車起重機和50t汽車起重機抬吊完成，剩下一段在高程538m平臺用25t汽車起重機吊裝。右岸皮帶機桁架直接在倉面內(nèi)用25t汽車起重機和50t汽車起重機抬吊完成。

（1）測量、放線

膠帶基礎中心線的測量是一項十分重要的工作，中心線的偏差直接影響皮帶機的整體安裝精度，因此在測量時至少進行三次重復測量，確保基礎中心線的直線度符合安裝要求?；A中心線直線度與機長的關系見表1。

（2）頭尾架、中間架、支腿、托輥組安裝：

①應根據(jù)預埋鐵，預留漏斗孔等位置確定頭、尾架安裝位置，頭尾架中心線與基礎中心線的左右位置偏差不得大于2mm。滾筒安裝平面的水平度用水平儀測量。

②每個支腿的中心線與基礎中心線的安裝偏差不得大于2mm。

③中間架安裝的水平度，在任意位置上，用水平尺測量，水泡均應居中，偏差不得超過0.5刻度格。

④托輥組在中間架上安裝時，應按工藝圖要求，正確安裝，每個托輥均應檢查其靈活度，發(fā)現(xiàn)不合格托輥應立即更換。托輥橫梁固定螺栓必須緊固，不得有松動現(xiàn)象。

（3）傳動滾筒、改向滾筒、電動滾筒安裝：

每個滾筒在安裝時，均應用水平尺檢查滾筒外緣的水平度，必須保證水平尺水泡居中并檢查滾筒軸線與基礎中心線的垂直度，軸承座緊固螺栓必須符合安裝求，不得過長或過短，螺栓頭部露出螺母2～3扣螺紋。軸承座安裝不歪斜，檢查軸承座透蓋與軸周間隙應一致，用手轉動滾筒，轉動應靈活，不得有異常聲音或轉動不靈活現(xiàn)象。在安裝傳動滾筒，尾部改向滾筒及兩頭托輥時應檢查是否符合理論帶面安裝高度，發(fā)生偏差應根據(jù)現(xiàn)場情況可分別對頭尾架或中間架的安裝高度進行調(diào)整。

表1 基礎中心線直線度

（4）拉裝皮帶：

拉裝皮帶時必須注意皮帶的上下面不得裝反，不得將皮帶拉傷，不得損傷包膠滾筒膠面。皮帶全部拉入皮帶機后，尾部無論是拉緊小車或螺旋拉緊，裝置均應將改向滾筒處于最前端，垂直張緊滾筒提升至最上端2m以內(nèi)，此時將皮帶拉緊，確定皮帶粘接后的總長度。

（5）對現(xiàn)場焊接的基本要求：

現(xiàn)場焊接是一項十分重要的安裝工作內(nèi)容，其質(zhì)量的好壞，直接影響到皮帶機的整體質(zhì)量。

①埋件焊接部位：

在焊接前必須將焊接面清理干凈方可施焊，需要加墊鐵的部位，每處墊鐵數(shù)量不準超過2塊。在重載試車前，各焊接部位均采用點焊方式將部件固定，經(jīng)空載試車對需調(diào)整的部件進行二次調(diào)整，確認各部件位置無誤后，再進行加固焊接。（頭架與驅(qū)動裝置架尤其應注意！）

②部件之間焊接：

有些部件需現(xiàn)場焊接組裝，焊接前必須了解相關部件的功能以及焊接時應注意的事項（如：防止變形，防止燒傷，皮帶作好防護措施等）將需焊接部件正確定位后方可施焊。對仰焊、立焊形式必須嚴格控制焊接質(zhì)量，不準出現(xiàn)過大的焊瘤、氣泡、夾渣等焊接缺陷。所有焊接完成部位必須將焊渣、飛沫等雜物清理干凈，并按規(guī)定進行防腐處理。

2.7 皮帶機支架制作安裝

皮帶機支架的制作必須嚴格按設計圖紙和有關規(guī)范要求制作，在綜合加工廠制作完成后，運至現(xiàn)場進行吊裝。

2.7.1 下料

（1）鋼材在加工廠按設計圖紙及規(guī)范要求制定下料展開圖，鋼板下料采用半自動切割機切割下料。

（2）在加工廠進行焊接、組裝，組裝好的鋼結構允許偏差嚴格按加工制作技術要求執(zhí)行。

2.7.2 焊接

焊接工藝的制定必須以能滿足現(xiàn)場施工條件、方便操作、保證質(zhì)量為前提，在焊接前應將所有焊縫表面和距離焊縫邊緣至少15mm以內(nèi)的氧化皮、鐵銹、油污和其他雜質(zhì)清理干凈。焊接時，對每一層焊接的金屬飛濺和焊渣都應認真清除。當焊接根部縫隙時焊件邊緣應固定，以便使間隙保持在允許公差內(nèi)。主要縱向焊縫上不準有定位焊。

（1）焊接程序

焊接用的焊條應按規(guī)定保管、存放和烘焙。焊接前，應根據(jù)焊接規(guī)范進行試焊，并根據(jù)實際情況進行修正，以確保焊接質(zhì)量。各管段點對、組裝合格后，方可焊接。焊接前的試電流、引弧、收弧均應在助弧板上進行，焊接過程中嚴格執(zhí)行焊接工藝。每條焊縫均應連續(xù)焊接，不宜中斷。焊接時，應采用俯焊以保證焊接質(zhì)量。對焊接時先焊的一側，其底部的金屬應研磨、整平或用電弧氣刨予以清除。對于雙面焊，背面應清除干凈，以防焊接缺陷。

（2）焊接

對焊接設備進行焊接操作性能試驗，操作按標準的焊接工藝和程序進行，對性能達不到要求的不能使用。焊接嚴格按焊接工藝和程序進行。

2.7.3 支架安裝

4條皮帶機在倉號內(nèi)各布置一條支架，支架長21m，底部高程為510.8m，基礎預埋件直接埋在碾壓倉內(nèi)。1#皮帶機、2#皮帶機桁架高度為1.1m，剛度較低，為了保證皮帶機穩(wěn)定運行，除了倉面內(nèi)支架，需在上游圍堰原521m高程馬道上再設置一條單片支架。支架在綜合加工廠加工完成后用12m平板拖車從壩后拉運至消力塘，再用門機吊運至倉面內(nèi)，在倉內(nèi)采用50t汽車起重機吊裝完成，支架與支座焊接連接牢固。

3 結論

本次皮帶機布置研究充分表明了皮帶機在碾壓混凝土澆筑中是一種實用經(jīng)濟的入倉手段，可以適應地形條件差的高邊坡混凝土澆筑，同時輸送能力較強，滿負荷工況下完全能達到混凝土澆筑強度要求，結構簡單靈活，現(xiàn)場安裝方便；本次研究改進了其他工程上的皮帶機結構形式，采用大截面桁架，克服了高邊坡無法澆筑支架基礎的問題，為其他同類工程上的碾壓混凝土等物料運輸提供參考。