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        砂石料綜合加工技術(shù)助推工程降本增效淺析

        2020-11-12 05:33:22婁旭峰王海艷王樹生
        四川水利 2020年5期
        關(guān)鍵詞:含泥量心墻砂礫

        婁旭峰,王海艷,王樹生

        (中國水電基礎(chǔ)局有限公司西藏分公司,拉薩,850000)

        1 原砂石材料來源

        按某水庫工程設(shè)計圖紙結(jié)構(gòu)及砂石材料技術(shù)要求,需應(yīng)用的砂石材料主要包含常規(guī)混凝土骨料、瀝青心墻混凝土骨料、褥墊排水層料、過渡料、碎石墊層料共五類,累計所需成品料數(shù)量達(dá)35.6萬m3以上。根據(jù)原規(guī)劃工程所需砂石材料來源,常規(guī)混凝土骨料主要為外購,料場至施工現(xiàn)場運(yùn)距75km;瀝青心墻混凝土骨料為灰?guī)r骨料,已被當(dāng)?shù)厮鄰S家壟斷,需要在水泥廠家采購后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場二次加工使用,距施工現(xiàn)場85km;褥墊層排水料、過渡料、墊層料均為自行開采加工生產(chǎn)料,生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)一布置在大壩上游壩殼料開采區(qū)域,運(yùn)距為3km,為卵石混合土,平均可開采厚度約20m,儲量約150萬m3,料場含泥量達(dá)15%~18%。各種材料成品用量見表1。

        2 砂礫石料源研究與選擇

        2.1 現(xiàn)場特點(diǎn)

        在施工組織中,根據(jù)工程總體規(guī)劃和施工總進(jìn)度計劃安排,結(jié)合現(xiàn)場實際條件和砂石材料采購、運(yùn)輸、加工與使用等綜合分析,具有以下特點(diǎn):

        表1 砂石材料成品骨料需求量

        (1)工程位于西藏高海拔特殊地區(qū),常規(guī)混凝土骨料與瀝青心墻混凝土灰?guī)r骨料涉及當(dāng)?shù)厝h多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的運(yùn)輸問題,運(yùn)輸距離較遠(yuǎn),采購、運(yùn)輸費(fèi)用較高,加上調(diào)查中發(fā)現(xiàn)擬采購的常規(guī)混凝土砂礫石骨料含泥量相對較大,需要二次沖洗;瀝青心墻混凝土灰?guī)r骨料被當(dāng)?shù)厮鄰S壟斷,水泥廠明確在生產(chǎn)高峰期只能出售廢棄的邊角料,且供應(yīng)數(shù)量和質(zhì)量不能完全保證,同時灰?guī)r骨料運(yùn)到現(xiàn)場還需要進(jìn)行二次加工生產(chǎn)。因此,本工程在砂礫石骨料的采購運(yùn)輸、二次加工生產(chǎn)以及使用方面存在極大困難,且花費(fèi)成本較大,極端不經(jīng)濟(jì)。

        (2)庫區(qū)上游移民區(qū)域未搬遷,移民區(qū)正好在規(guī)劃的開采料場范圍內(nèi),經(jīng)協(xié)商短時間內(nèi)不具備搬遷條件,無法在規(guī)劃的庫區(qū)上游建設(shè)過渡料、褥墊層排水料和墊層料的生產(chǎn)加工系統(tǒng)。加上工程為一次攔斷河床,庫區(qū)蓄水約21m深后通過輸水洞導(dǎo)流,在截流后上游生產(chǎn)系統(tǒng)及大部分料源將被淹沒,完全不具備在上游修建砂石材料加工系統(tǒng)的條件。

        (3)設(shè)計規(guī)劃過渡料、褥墊排水料、墊層開采加工料含泥量達(dá)15%~18%,含泥量大,在生產(chǎn)加工沖洗方面存在較大困難,質(zhì)量難滿足設(shè)計技術(shù)要求,且因含泥量大導(dǎo)致生產(chǎn)廢水、廢棄淤泥質(zhì)增加,不環(huán)保且不經(jīng)濟(jì)。

        (4)前期工程主要為圍堰填筑、壩基防滲體系施工,過渡料、褥墊排水料、墊層料需要加工儲備,在大壩下游填筑或瀝青混凝土開始施工時才能使用,因此,前期生產(chǎn)儲存量大,生產(chǎn)中要有一定的儲存區(qū)域。

        (5)瀝青心墻混凝土骨料最大粒徑為19mm,且骨料各項指標(biāo)要求高,生產(chǎn)后要保持一定的干燥,避免瀝青混凝土拌和時烘干困難。需要修建儲量空間足夠的倉庫,且要靠近瀝青混凝土站,否則會產(chǎn)生大量的額外成本。

        2.2 壩址區(qū)砂礫石料研究

        2.2.1 壩址區(qū)河床料研究分析的提出

        根據(jù)壩址區(qū)河床分布范圍,結(jié)合現(xiàn)場實地查勘分析,發(fā)現(xiàn)在大壩上下游主河床和支溝內(nèi)有大量多年沖積層砂礫石料,但地下水位高,含水率較大,含泥量相對規(guī)劃的砂礫石料開采加工料場要小,河床表層3m含泥量為8%,3m以下含泥量為11%,河床料儲量大,能滿足工程用量需求。據(jù)此情況并結(jié)合上述現(xiàn)場特點(diǎn),施工階段邀請專業(yè)試驗單位和瀝青混凝土科研機(jī)構(gòu)人員現(xiàn)場調(diào)研,提出了采用壩址區(qū)河床砂礫石料作為工程常規(guī)混凝土骨料、瀝青混凝土骨料以及壩體填筑混合骨料的研究。

        2.2.2 壩址區(qū)河床常規(guī)混凝土骨料分析

        通過對壩址區(qū)河床料研究分析,該河床壩料為多年沖積成因的卵石混合土,沿庫區(qū)主河床和支溝內(nèi)漫灘分布,厚度大,層厚穩(wěn)定,卵礫石磨圓度較好,成份以石英砂巖、砂巖及花崗巖為主、質(zhì)地堅硬。經(jīng)試驗研究分析:

        (1)礫石平均含量約67.8%,砂平均含量約32.2%,料場蠻石(>150mm)含量小于25%。粗骨料中150mm~80mm級約占6.7%,80mm~40mm級約占33.5%,40mm~20mm級約占30.2%,20mm~5mm級約占29.6%,級配良好,粒度模數(shù)7.17,含泥量稍大,表層3m含泥量為8%,3m以下含泥量為11%,但遠(yuǎn)小于原設(shè)計開采料場含泥量。經(jīng)現(xiàn)場開采加工,取樣試驗研究分析,砂礫石料總體呈堿性,可用于常規(guī)混凝土骨料,各項指標(biāo)符合混凝土粗骨料質(zhì)量要求(見表2)。

        表2 混凝土粗骨料(礫石)質(zhì)量評價

        (2)研究分析細(xì)骨料中5mm~2.5mm級約占4.7%,2.5mm~1.2mm級約占12.8%,1.25mm~0.63mm級約占16.3%,0.63mm~0.315mm級約占24.5%,0.3mm~0.15mm級約占16.7%,<0.16mm級約占16.3%,細(xì)度模數(shù)2.96,含泥量3.1%,除含泥量略高外,其余各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均符合混凝土細(xì)骨料(砂)的質(zhì)量技術(shù)要求(見表3)。

        表3 混凝土細(xì)骨料(砂)質(zhì)量評價

        2.3 瀝青心墻混凝土骨料研究分析

        由于灰?guī)r骨料料場距工程較遠(yuǎn),考慮在采購運(yùn)輸、二次加工生產(chǎn)等方面存在的諸多問題以及類似工程瀝青心墻混凝土應(yīng)用砂礫石骨料的成功經(jīng)驗,結(jié)合施工現(xiàn)場河床料情況,經(jīng)行業(yè)專家和專業(yè)科研機(jī)構(gòu)對瀝青心墻混凝土骨料采用壩址區(qū)河床加工砂礫石料的研究表明,河床砂礫石料有以下特征,符合瀝青混凝土骨料使用要求。

        (1)工程現(xiàn)場壩址區(qū)河床加工砂礫石料總體呈堿性,其質(zhì)地堅硬,在加熱過程中未出現(xiàn)開裂、分解等現(xiàn)象,破碎砂礫石料和天然砂礫石料總體與瀝青黏附力強(qiáng),堅固性好,質(zhì)量基本滿足SL 501-2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的瀝青混凝土粗骨料的技術(shù)要求,可作為工程瀝青混凝土心墻的粗骨料。

        (2)人工砂細(xì)骨料各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,可作為工程瀝青混凝土心墻的細(xì)骨料。天然砂除含泥量偏大外,天然砂顆粒偏細(xì),級配不良,在瀝青混凝土中應(yīng)少摻,大多采用人工砂即可。

        (3)在類似工程中,已有瀝青混凝土采用當(dāng)?shù)厣暗[石料替代灰?guī)r骨料的成功案例,通過本工程河床壩址區(qū)天然骨料分析,結(jié)合完成的瀝青混凝土配合比試驗和現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗成果分析,應(yīng)用現(xiàn)場生產(chǎn)加工砂礫石骨料可滿足本工程瀝青混凝土施工需求。

        (4)瀝青混凝土骨料研究質(zhì)量鑒定成果見表4、表5、表6。

        表4 粗骨料質(zhì)量鑒定結(jié)果

        表5 砂礫石料與瀝青黏附力鑒定結(jié)果

        表6 細(xì)骨料質(zhì)量鑒定結(jié)果

        2.4 可開采量分析

        根據(jù)對壩址區(qū)河床砂礫石料各項指標(biāo)研究分析表明,壩址區(qū)河床料可同時應(yīng)用于常規(guī)混凝土骨料和瀝青心墻混凝土骨料,由此通過加工生產(chǎn)也可滿足過渡料、排水褥墊層料和墊層料的要求。根據(jù)現(xiàn)場情況,壩址區(qū)河床常年洪水沖擊,表面無覆蓋,直接出露,主河床與支溝分布面積約0.27km2,上部3m~5m范圍內(nèi),含泥量小于5%,5m~10m范圍內(nèi),含泥量約為8%,根據(jù)庫區(qū)分部及相關(guān)要求,在河床內(nèi)的開采深度不宜過大。因此,選擇在上部平均3m范圍內(nèi)開采,儲量可達(dá)到81萬m3,按綜合開采利用率75%計算,可達(dá)到60.8萬m3,本工程累計使用成品料為35.6萬m3,開采加工量可滿足本工程常規(guī)混凝土骨料、瀝青心墻混凝土骨料、過渡料、排水褥墊層料和墊層料需求。

        3 綜合砂石加工系統(tǒng)布置

        3.1 綜合砂石加工系統(tǒng)選址與布置

        結(jié)合工程現(xiàn)場實際條件、總平面布置及施工進(jìn)度計劃安排,通過在上游庫區(qū)內(nèi)和大壩下游河床內(nèi)設(shè)置綜合加工系統(tǒng)對比分析,將大壩下游河道進(jìn)行調(diào)整后,綜合砂石加工系統(tǒng)修建在大壩下游河床內(nèi)較為經(jīng)濟(jì),且方便運(yùn)行與管理。因此,砂石加工系統(tǒng)則設(shè)置在常規(guī)混凝土、瀝青混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)附近,通過現(xiàn)場多種骨料的應(yīng)用、存儲與加工等綜合設(shè)計,將骨料分為六個料倉,加工的砂石料通過皮帶輸送機(jī)輸送到不同的集料倉內(nèi)。在附近分別設(shè)置混凝土骨料存儲倉庫、瀝青心墻混凝土儲存?zhèn)}庫和混合料儲存地,將加工檢測合格的產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)到倉庫內(nèi)儲存,待檢產(chǎn)品則在砂石加工骨料倉內(nèi)存儲,當(dāng)檢測不合格時,則返回綜合加工系統(tǒng)二次加工處理。

        砂石加工系統(tǒng)包括:毛料受料平臺、毛料集料倉、粗碎、第一篩分車間、中細(xì)碎、第二篩分、制砂、第三篩分、成品料堆、配電、生產(chǎn)供水等組成。根據(jù)地形條件,將場地從上游到下游平整形成4個平臺:第一平臺為汽車受料平臺;第二平臺為毛料集料倉、喂料機(jī)、顎破、反擊破、制砂機(jī)、制砂料倉;第三平臺為第一篩分、第二篩分、第三篩分和生產(chǎn)用房;第四平臺布置成品料堆倉。成品料倉堆高均為10m,制砂料倉堆高6m,場地內(nèi)骨料倉總?cè)莘e約2.5萬m3,各料倉之間采用混凝土隔墻分隔。

        3.2 綜合加工系統(tǒng)設(shè)計與修建

        3.2.1 生產(chǎn)能力選擇

        工程所需砂石料成品分別為80mm~40mm、40mm~20mm、20mm~10mm、5mm~10mm、砂以及墊層料(80mm以下混合料)共計6種,需求數(shù)量達(dá)35.6萬m3,根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)條件和砂礫石的加工、運(yùn)輸、儲存與使用等綜合布置,砂石加工系統(tǒng)選擇毛料處理能力不小于150t/h,成品骨料生產(chǎn)能力不小于120t/h。

        3.2.2 工藝流程設(shè)計

        按6種骨料的技術(shù)指標(biāo)要求,為減少加工過程中骨料的損耗,將粒徑≤500mm的毛料經(jīng)粗碎顎破破碎(破碎后物料最大粒徑≤120mm),破碎后物料進(jìn)入第一篩分分級,第一篩分為水洗,產(chǎn)品為成品砂、5mm~40mm混合料、成品40mm~80mm、墊層料5mm~80mm(根據(jù)需要調(diào)整篩網(wǎng))、80mm~120mm的物料;第一篩分處理后80mm~120mm物料和富余的40mm~80mm物料進(jìn)入反擊破碎機(jī)破碎,5mm~40mm混合料進(jìn)入第二篩分分級(干式篩分),生成5mm~10mm、10mm~20mm、20mm~40mm三種成品骨料,富余的10mm~20mm或者富余的20mm~40mm物料進(jìn)入制砂機(jī)制砂。系統(tǒng)中細(xì)碎(反擊破)、制砂均閉路生產(chǎn),這樣方便對各級配骨料進(jìn)行調(diào)節(jié)生產(chǎn),從而提高了砂石系統(tǒng)加工成品骨料的綜合應(yīng)用效率。

        3.2.3 砂石加工系統(tǒng)修建

        砂石加工系統(tǒng)修建根據(jù)現(xiàn)場地形條件,修建時嚴(yán)格控制各膠帶機(jī)的仰角,保證出料膠帶機(jī)有足夠高的拋料高度以便于貯料;地弄、破碎機(jī)支撐等設(shè)計保證各設(shè)備周圍有足夠的檢修、巡視空間。使綜合加工系統(tǒng)安全穩(wěn)定、滿足使用要求且經(jīng)濟(jì)合理、符合規(guī)范。

        (1)毛料受料平臺需采用砂礫石料回填形成,回填高度8m,引道坡度8%,全長約130m,平臺寬度15m,長15m,受料平臺填筑前,先采用C20鋼筋混凝土澆筑一道8m高的擋墻,然后再填筑。受料倉及支撐采用鋼結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土,料倉容積20m3。

        (2)破碎機(jī)、篩分機(jī)支撐均采用鋼結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用C20鋼筋混凝土。顎破和反擊破的支撐高度均為2m,寬度2.2m;第一和第二篩分機(jī)支撐高度4m;第三篩分機(jī)支撐高度3m。

        (3)成品料直接堆存地面,裝載機(jī)取料;制砂料倉采用鋼筋混凝土箱型地弄。

        (4)膠帶機(jī)梁、柱分別采用單梁結(jié)構(gòu)、單柱結(jié)構(gòu)、框架式梁、框架式柱結(jié)構(gòu),柱基礎(chǔ)為混凝土。

        (5)在砂石加工系統(tǒng)修建完成后,在各設(shè)施加工設(shè)備和各條皮帶機(jī)范圍外搭設(shè)鋼棚防護(hù)架,采用彩鋼瓦全封閉,在冬季可在棚內(nèi)進(jìn)行升溫防止凍結(jié),也達(dá)到環(huán)保要求。

        3.3 砂石材料的備用與存儲

        按砂石加工系統(tǒng)總體規(guī)劃布置,砂石料備用主要是由于壩址區(qū)上游河床料在圍堰合攏后將被淹沒,加上洪水期對河床的影響,結(jié)合生產(chǎn)時段等因素,砂石毛料需超前規(guī)劃,一部分料需要直接運(yùn)輸?shù)缴笆庸は到y(tǒng)進(jìn)行加工應(yīng)用,還有一部分河床料需要在截流前開挖轉(zhuǎn)運(yùn)到下游臨時堆存,作為在汛期或者截流后加工所需的砂石料。成品料儲存主要包含常規(guī)混凝土骨料、瀝青混凝土骨料和大壩過渡料等的儲存。根據(jù)常規(guī)混凝土和瀝青混凝土骨料有關(guān)配合比和粒徑要求,將其分為三個儲料倉,骨料倉采用鋼棚封閉,防止雨水進(jìn)入,其中20mm以下的骨料為常規(guī)混凝土和瀝青混凝土共用骨料倉。褥墊層排水料、墊層料根據(jù)施工所需時段,分別進(jìn)行加工應(yīng)用;過渡料由于用量較大,則集中加工后轉(zhuǎn)運(yùn)到儲料點(diǎn)進(jìn)行儲存,待瀝青混凝土心墻施工時,通過運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)運(yùn)到現(xiàn)場應(yīng)用。

        4 經(jīng)濟(jì)效果分析

        通過對本工程建設(shè)所需各類砂礫石料的研究應(yīng)用,在優(yōu)化瀝青心墻混凝土砂礫石材料及綜合現(xiàn)場實際條件下,選擇了充分利用壩址區(qū)河床料,在大壩下游修建砂礫石料綜合加工系統(tǒng)。這樣節(jié)約了大量的采購、運(yùn)輸與二次加工等成本,使其達(dá)到了工程降本增效的目的,從而促進(jìn)工程順利施工,并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益對比分析成果見表7。

        表7 外購砂石料與現(xiàn)場生產(chǎn)砂石料經(jīng)濟(jì)效益對比分析

        5 結(jié)語

        按上述原規(guī)劃采購砂石料與綜合利用壩址區(qū)河床砂礫石料、在大壩上游修建砂石加工系統(tǒng)與下游修建砂石加工系統(tǒng)對比分析可知,外購材料由于運(yùn)距遠(yuǎn),采購、運(yùn)輸費(fèi)用高,極端不經(jīng)濟(jì),充分利用河床壩址區(qū)砂礫石料進(jìn)行工程各類所需料的綜合加工應(yīng)用,可減少大量的運(yùn)輸成本;在大壩上游建砂石加工系統(tǒng)相對在下游建砂石加工系統(tǒng),除排水褥墊層料相對節(jié)約部分轉(zhuǎn)運(yùn)資金外,其余混凝土骨料、過渡料、墊層料均需要轉(zhuǎn)運(yùn)存儲,但在下游建設(shè)砂石加工系統(tǒng)不受上游大壩截流后水位的影響,對工程整體施工有利。同時,通過研究砂礫石原料與工程需用料的技術(shù)特性,設(shè)計并修建綜合砂石加工系統(tǒng),做到了運(yùn)輸至生產(chǎn)系統(tǒng)的所有砂礫石原料能夠充分加工成各種粒徑的砂礫石成品骨料,不但大大提高了砂礫石料利用率,也達(dá)到了降本增效的目的,值得類似工程借鑒。

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