小浪底土石壩的砂石料加工系統(tǒng)

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1、引言

    小浪底大壩為壤土斜心墻土石壩，其壩高154m，壩頂長(zhǎng)1666.3m，壩體總填筑量5184.7萬m3，其中反濾料有261萬m3，過渡料320萬m3。小浪底土石壩的砂石料加工系統(tǒng)主要就是用來生產(chǎn)大壩的反濾料和過渡料。反濾料在土石壩中起保護(hù)防滲土料不被滲透水流帶走的重要作用，過渡料在土石壩中起保護(hù)反濾料并向堆石區(qū)過渡的作用，而且在大壩的填筑施工過程中要求反濾料和過渡料隨壩體平起填筑，因此反濾料和過渡料的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量對(duì)土石壩填筑施工的質(zhì)量和進(jìn)度具有直接影響。     小浪底大壩是由以國(guó)際知名的意大利英波吉洛公司為責(zé)任方的黃河承包商承建，大壩的砂石料加工系統(tǒng)也是由他們自行設(shè)計(jì)修建的。系統(tǒng)除了主要生產(chǎn)反濾料、過渡料外，還擔(dān)負(fù)了大壩所需的砼骨料、5區(qū)摻和料骨料、路基料等多種料的生產(chǎn)，整個(gè)系統(tǒng)的流程和布置比單純的砼骨料加工系統(tǒng)要復(fù)雜得多，這些要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置有很高的兼容性、開放性，要求對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平要很高以保證其正常穩(wěn)定的運(yùn)行。該加工系統(tǒng)于95年10月投產(chǎn)，經(jīng)過歷時(shí)五年的高強(qiáng)度施工，大壩于2000年6月底提前計(jì)劃13個(gè)月勝利填筑到頂，大壩的砂石料加工系統(tǒng)按質(zhì)按量生產(chǎn)的反濾料和過渡料為這一勝利的取得發(fā)揮了重要作用。并且，利用河灘沖積砂卵石料在同一系統(tǒng)生產(chǎn)土石壩的反濾料、過渡料，且設(shè)計(jì)生產(chǎn)率高達(dá)1600t/h的砂石料加工系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)是第一次，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。     2、料源及成品料級(jí)配     2.1料源     反濾料、過渡料毛料取自壩址下游6～7.5Km處的馬糞灘料場(chǎng)，勘探儲(chǔ)量約766萬m3，天然級(jí)配如表一所示，由表可見粒徑80mm以上約占一半，粗砂（1.2~5mm）、小石（5~20mm）含量較少，細(xì)砂（1.2mm以下）含量很大。

　　

    2.2 反濾料級(jí)配要求
    合同文件中要求生產(chǎn)的2A、2B、2C三種反濾料由滿足合適級(jí)配的砂和礫石組成，并提出了三條級(jí)配曲線，承包商為了能精確配取反濾料，也為了能同時(shí)利用本系統(tǒng)生產(chǎn)大壩基礎(chǔ)所需的砼骨料的方便，根據(jù)級(jí)配曲線計(jì)算出各種骨料所占的理論重量百分?jǐn)?shù)如表二示：

　　

    由上表可看出，反濾料粒徑都在80 mm以下，其中20~5 mm，5~1.2 mm用量較大。
    加工系統(tǒng)按上表粒徑范圍生產(chǎn)出不同粒徑的成品砂石骨料，利用準(zhǔn)確的稱量系統(tǒng)，按表二的百分?jǐn)?shù)調(diào)配后充分混和，以達(dá)到合同文件中對(duì)反濾料的級(jí)配要求。
    2.3 過渡料級(jí)配要求
    按照合同文件要求和工程師的批準(zhǔn)，過渡料級(jí)配曲線見曲線一。

　　

    可見過渡料最大粒徑為250mm，粒徑80 mm以上超過50%，5 mm以下只占10%左右，顆粒較粗，細(xì)料要求較少。
    3、工藝流程和系統(tǒng)布置分析
    該系統(tǒng)按生產(chǎn)的主要成品料的不同分成兩大部分：過渡料生產(chǎn)部分和反濾料生產(chǎn)部分，根據(jù)料源的天然級(jí)配以及反濾料、過渡料的不同級(jí)配要求，系統(tǒng)的過渡料部分和反濾料部分生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)情況表明，系統(tǒng)最初的流程設(shè)計(jì)和布置是基本合理成功的，但也出現(xiàn)過一些問題，承包商根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的具體情況和需要作了一些改善，生產(chǎn)系統(tǒng)最終的流程和布置情況如下。
    3.1工藝流程

　　系統(tǒng)工藝流程如圖一示。

　　

    從圖中可看出，該系統(tǒng)除了毛料預(yù)篩分時(shí)將500mm以上超徑料棄掉外，加工工藝為全閉路流程，棄料少，毛料利用率高，減少了重復(fù)運(yùn)輸。
    根據(jù)反濾料和過渡料的不同級(jí)配要求和壩上需要量高峰期不重疊的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。系統(tǒng)將80mm以下的料主要作為反濾料的原料，大于80mm的料主要作為過渡料原料，過渡料與反濾料兩生產(chǎn)系統(tǒng)既相互獨(dú)立，又能互相調(diào)劑。過渡料料堆和反濾料的毛料堆緊挨在一起，當(dāng)反濾料原料不夠時(shí)，過渡料可自動(dòng)補(bǔ)充。在過渡料部分98年5月改造以前，還利用C28皮帶機(jī)從反濾料系統(tǒng)將人工碎石輸送給過渡料，用以增加過渡料碎石含量，改善過渡料級(jí)配，同時(shí)增加過渡料生產(chǎn)能力。這樣設(shè)計(jì)能充分發(fā)揮兩部分的生產(chǎn)潛力，平衡生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)資源。
    根據(jù)反濾料部分擔(dān)負(fù)多種生產(chǎn)任務(wù)的特點(diǎn)，其篩分、破碎和制砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩路并行，可提高系統(tǒng)的利用率，一路出故障，另一路可照樣正常運(yùn)行，減少停產(chǎn)對(duì)工程進(jìn)度的影響。
    反濾料生產(chǎn)部分由于天然料級(jí)配與成品料級(jí)配很不平衡，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多達(dá)7臺(tái)的中細(xì)碎破碎機(jī)（其中有兩臺(tái)用來制備粗砂），來調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡生產(chǎn)。
    由于天然料中粗砂含量少，細(xì)砂含量多，而成品料需要粗砂、小石量卻較大，細(xì)砂需要量卻不是很大，因而將砂子分粗、細(xì)砂兩級(jí)制備，以方便重點(diǎn)人工制粗砂和遺棄多余的細(xì)砂。這些都同時(shí)增加了制砂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制備難度。系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)用小石通過棒磨機(jī)制砂，隨著需要量的加大增加了兩臺(tái)圓錐破碎機(jī)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)小石不夠，且圓錐破碎機(jī)采用小石破碎制砂效率不高，且易堵塞，因而改用中石利用棒磨機(jī)和圓錐破碎機(jī)同時(shí)制備。解決了小石不夠的矛盾，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)棒磨機(jī)利用中石制砂，出來的料中含有少量小石，而棒磨機(jī)后沒有設(shè)計(jì)5mm孔徑的篩網(wǎng)，使得粗砂中出現(xiàn)少量超徑的小石，且含量不穩(wěn)定，給反濾料的精確配制帶來麻煩，對(duì)粗砂質(zhì)量和工程進(jìn)度有一定影響。
    3.2系統(tǒng)布置
    系統(tǒng)平面布置如圖二示，按照從過渡料部分到反濾料部分，從篩分到破碎到制砂順流程布置。進(jìn)料口在料場(chǎng)一側(cè)，成品料出料在上壩方向一側(cè)，自卸車在出料倉(cāng)下接料直接運(yùn)送上壩，無需倒運(yùn)。

　　

    過渡料部分包括進(jìn)料預(yù)篩分樓，篩分、粗碎樓，成品料堆及其卸料倉(cāng)。反濾料部分包括毛料堆，篩分樓，中、細(xì)碎樓，制砂系統(tǒng)，成品骨料料堆，配料系統(tǒng)和卸料倉(cāng)。
    系統(tǒng)布置相當(dāng)緊湊，便于集中運(yùn)行管理。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由3個(gè)中央控制室用計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制，其中H1室控制過渡料生產(chǎn)，H2室控制反濾料生產(chǎn)，H3室控制反濾料的配置。這三部分的運(yùn)行相互 獨(dú)立，互不干擾， 根據(jù)需要可單獨(dú)運(yùn)行其中任一部分，這使系統(tǒng)生產(chǎn)具有較大的靈活性，同時(shí)也使系統(tǒng)能分部檢修維 護(hù)，系統(tǒng)在一部分出現(xiàn)故障時(shí)別的部分可照樣運(yùn)行，不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)全部癱瘓，可減小部分故障對(duì)整個(gè)工程進(jìn)度的影響。
    4、生產(chǎn)能力分析
    系統(tǒng)的生產(chǎn)能力直接影響工程進(jìn)度，生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)過小將使大壩填筑進(jìn)度拖后，但設(shè)計(jì)過大會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。
    根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃，過渡料高峰填筑強(qiáng)度為19.8萬m3/月，反濾料填筑高峰強(qiáng)度為7.1萬m3/月（包括其它用料0.5萬m3），考慮高峰系數(shù)，過渡料取1.05，反濾料取1.25，生產(chǎn)效率85％，按每月工作24天，每天工作20小時(shí)計(jì)算，過渡料設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1100t/h，反濾料設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力750t/h，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1600t/h（過渡料和反濾料的高峰期不重疊，二者間生產(chǎn)能力可相互調(diào)劑，故總生產(chǎn)能力小于二者之和）就可滿足要求，并有所富余。
    然而，在實(shí)際運(yùn)行中，一度出現(xiàn)了過渡料偏粗、分離嚴(yán)重的問題，為確保過渡料的質(zhì)量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了兩次大的改造。第一次在1997年元月，主要解決過渡料偏粗的問題，起用反濾料向過渡料供應(yīng)細(xì)碎料的C28皮帶機(jī)，減小粗碎鍔式破碎機(jī)的開口尺寸；第二次改造在1998年上半年，新增一臺(tái)圓錐破碎機(jī)替代C28皮帶機(jī)供應(yīng)的細(xì)碎料，并使組成過渡料的各部分經(jīng)由同一條皮帶機(jī)輸入成品料堆以減少分離。經(jīng)過兩次改造，較成功的解決了過渡料偏粗、分離的問題，但由于減小了對(duì)整體生產(chǎn)能力起控制作用的鍔式破碎機(jī)的開口尺寸，停止了由反濾料生產(chǎn)部分向過渡料輸料的C28皮帶機(jī)的運(yùn)行，使得該加工系統(tǒng)總生產(chǎn)能力和過渡料部分生產(chǎn)能力下降。實(shí)際運(yùn)行中高峰期總的最高生產(chǎn)率只達(dá)到1335t/h，過渡料部分生產(chǎn)率最高只達(dá)到約900t/h，反濾料部分生產(chǎn)率最高達(dá)到732t/h 。可見改造后對(duì)過渡料生產(chǎn)率 影響較大，對(duì)反濾料生產(chǎn)率基本無影響。
    另外，從1998年下半年到1999年汛前，應(yīng)承包商的要求和出于對(duì)黃河防汛形勢(shì)的需要，大壩填筑需要加速施工，使得過渡料、反濾料填筑質(zhì)量與進(jìn)度的矛盾進(jìn)一步加劇。小浪底工程是千年大計(jì)，質(zhì)量第一，不能犧牲質(zhì)量保進(jìn)度。最后通過在別的料場(chǎng)鉆爆開挖，利用已有的護(hù)坡料加工廠篩分過渡料；根據(jù)反濾料填筑高峰相對(duì)滯后的特點(diǎn)，通過開辟中間堆料場(chǎng)，提前反濾料的生產(chǎn)高峰期，堆存富余用于填筑高峰期，成功地在不影響填筑質(zhì)量的同時(shí)滿足了加速施工的要求。
    5、設(shè)備選型及其運(yùn)行管理
    再好的設(shè)計(jì)最終要通過設(shè)備及其運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)成品料的生產(chǎn)，較好的選取設(shè)備和科學(xué)的管理運(yùn)行才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和工程進(jìn)度。
    5.1 設(shè)備選型
    該加工系統(tǒng)除鋼結(jié)構(gòu)和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在國(guó)內(nèi)采購(gòu)?fù)?，全部設(shè)備都從國(guó)外（主要是意大利、法國(guó)）進(jìn)口。根據(jù)流程設(shè)計(jì)要求，該加工系統(tǒng)很龐大，設(shè)備較多，計(jì)117臺(tái)（套），主要設(shè)備如破碎機(jī)就有鍔破機(jī)、不同型號(hào)的圓錐破碎機(jī)和旋回破碎機(jī)9臺(tái)；不同型號(hào)的振動(dòng)篩、靜力篩、脫水篩達(dá)16臺(tái)；皮帶機(jī)37條，總長(zhǎng)約1700m，有寬1200mm、1000mm、800mm、650mm四種類型。近五年的生產(chǎn)情況表明，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，設(shè)備利用率達(dá)到85%左右，主要設(shè)備完好率100％。
    與國(guó)內(nèi)同類型加工系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的洗砂脫水設(shè)備、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行和反濾料計(jì)算機(jī)稱量配料系統(tǒng)設(shè)備尤為先進(jìn)。
    洗砂脫水設(shè)備改變了過去國(guó)內(nèi)單一使用螺旋洗沙機(jī)洗砂脫水，采用了包括洗砂槽、靜力篩、振動(dòng)篩、旋流器和振動(dòng)脫水篩在內(nèi)的多種設(shè)備。洗砂脫水設(shè)備達(dá)到了很好的效果，砂子含泥量在2.5%左右，粗砂含水量7%，細(xì)砂含水量18%左右，經(jīng)堆存排水后完全滿足其作為反濾料和混凝土骨料的質(zhì)量要求。
    計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行和反濾料計(jì)算機(jī)稱量配料系統(tǒng)設(shè)備采用德國(guó)西門子自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制和反濾料的計(jì)算機(jī)稱量配料，使系統(tǒng)的運(yùn)行和反濾料配料快速準(zhǔn)確，對(duì)保證工程進(jìn)度和質(zhì)量起了重要作用。
    5.2 運(yùn)行管理
    該加工系統(tǒng)的管理由一名外籍主管負(fù)總責(zé)，下有4名機(jī)電和質(zhì)量檢測(cè)工程師，生產(chǎn)工人40人，維修工人30人。管理的主要內(nèi)容有，根據(jù)大壩的填筑進(jìn)度生產(chǎn)合格的過渡料反濾料，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保障其持久正常運(yùn)行，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提前申購(gòu)零配件等等。
    系統(tǒng)每天生產(chǎn)20小時(shí)，設(shè)備維護(hù)3小時(shí)，維護(hù)時(shí)間不管有無問題都得保障。維護(hù)內(nèi)容主要有，每天檢查各水路、電路、油路、自動(dòng)控制系統(tǒng)是否正常，檢查破碎機(jī)開口尺寸是否合理，檢查篩網(wǎng)有無損壞堵塞，對(duì)棒磨機(jī)鋼棒進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整，各磨損件的更換等等。
    設(shè)備維護(hù)是該系統(tǒng)管理的重要方面，對(duì)保障系統(tǒng)持久正常運(yùn)行是必不可少的。有些維護(hù)措施很瑣碎，但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率影響很大。比如，篩洗脫水砂子的靜力篩、振動(dòng)篩和脫水篩由于孔徑小，容易堵塞，維護(hù)時(shí)就得用敲打沖洗篩網(wǎng)的辦法來清除堵塞物，否則會(huì)引起篩分效率下降，篩分不完全，粗砂中含細(xì)砂，影響粗砂質(zhì)量，進(jìn)而影響反濾料的配料質(zhì)量。
    各破碎機(jī)的開口尺寸每天進(jìn)行檢查，根據(jù)破碎機(jī)的破碎特性、原料性質(zhì)和系統(tǒng)骨料平衡要求調(diào)整其到合理的開度，也對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)重要。圖三為曾出現(xiàn)過的一次2B區(qū)反濾料的典型質(zhì)量改進(jìn)前后的級(jí)配曲線。2B區(qū)反濾料是由小石（5mm~20mm）、中石（20mm~40mm）、大石（40mm~80mm）三種骨料按一定比例調(diào)配而成，曲線一是調(diào)配后加工廠控制性試驗(yàn)結(jié)果，質(zhì)量不合格，超出了包絡(luò)線的下包線，原因是細(xì)料含量不夠；曲線二是增加小石含量后的調(diào)配結(jié)果，曲線向上抬起，沒有超出下包線，可卻超出了上包線，原因是小石中10mm以下含量太少，真正缺少的是10mm以下的骨料，單純?cè)黾有∈?mm~20mm）含量，其中10mm~20mm粒徑的骨料同時(shí)也增加，致使曲線超出上包線。所以，靠單純?cè)黾有∈坎荒芙鉀Q該料偏細(xì)的問題，要想辦法增加小石內(nèi)部10mm以下含量。最后，根據(jù)骨料性質(zhì)，同時(shí)查破碎機(jī)的破碎特性曲線，通過多次實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)中細(xì)碎破碎機(jī)的開口到一合理尺寸，使其破碎出的10mm以下含量最大。然后利用破碎機(jī)調(diào)節(jié)開口后生產(chǎn)的小石，仍用曲線一時(shí)的三種骨料配比，配出了質(zhì)量合格的2B區(qū)反濾料，見圖三。

　　

    6、結(jié)語
    砂石料加工系統(tǒng)生產(chǎn)用于土石壩填筑的反濾料和過渡料，它的生產(chǎn)直接影響土石壩的填筑質(zhì)量和進(jìn)度，其影響因素是復(fù)雜的，多方面的，需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷深入研究，具體問題具體分析。就填筑質(zhì)量和進(jìn)度來講，質(zhì)量是第一位的，任何時(shí)候都不能單純追求進(jìn)度而忽視質(zhì)量。土石壩的反濾料和過渡料的填筑質(zhì)量應(yīng)從其成品料加工系統(tǒng)生產(chǎn)就開始重視檢測(cè)，并結(jié)合填筑現(xiàn)場(chǎng)最終反饋來的實(shí)際檢測(cè)情況對(duì)加工系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，直至符合技術(shù)規(guī)范要求。小浪底大壩的填筑經(jīng)過中外建設(shè)者五年的高強(qiáng)度施工，到目前蓄水運(yùn)行結(jié)果表明施工質(zhì)量良好，取得了質(zhì)量和進(jìn)度的雙豐收，其砂石料加工系統(tǒng)功不可沒。
    另外，砂石料加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、管理是一個(gè)涉及到地質(zhì)、水利水電、機(jī)電、自動(dòng)控制和管理等多方面知識(shí)的應(yīng)用性、經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的復(fù)雜的工作，需要各專業(yè)人員的相互協(xié)作和努力工作，國(guó)外承包商吃苦耐勞的敬業(yè)精神和豐富的管理經(jīng)驗(yàn)也非常值得學(xué)習(xí)?！?/p>