高土石壩反濾料精確摻配與精細(xì)施工技術(shù)

韓 興，李亞強(qiáng)

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

長河壩水電站大壩為礫石土心墻堆石壩。壩體設(shè)計(jì)在心墻上、下游側(cè)均設(shè)反濾層[1]，上游為反濾料3，寬8.0 m；下游設(shè)2層，分別為反濾料1和反濾料2，寬均為6.0 m。心墻底部在壩基防滲墻下游亦設(shè)厚各1 m的2層水平反濾層，與心墻下游反濾層相接。心墻下游過渡層及堆石與河床覆蓋層之間設(shè)置反濾料4，厚1 m。反濾料填筑總量168.19萬m3。4種反濾料填筑級(jí)配及壓實(shí)指標(biāo)各異[2]，具體指標(biāo)參數(shù)見表1。

1 反濾料精確摻配

1.1 工藝設(shè)計(jì)原理

砂、小石、中石、大石等反濾料摻配原料在膠帶運(yùn)輸機(jī)上依次下料平鋪，根據(jù)反濾料設(shè)計(jì)級(jí)配對(duì)各粒徑骨料摻配含量確定下料流量。調(diào)整電動(dòng)弧門開口大小，控制下料流量范圍；由中控室遠(yuǎn)程精確控制振動(dòng)給料機(jī)變頻器頻率，再由經(jīng)料機(jī)下的皮帶秤在線反饋流量；通過工藝性試驗(yàn)現(xiàn)場采集參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)編程，從而實(shí)現(xiàn)反濾料的自動(dòng)化摻配。反濾料自動(dòng)摻配原理見圖1。膠帶機(jī)運(yùn)輸平鋪骨料示意見圖2。

1.2 生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)反濾料自動(dòng)化控制生產(chǎn)的原理以及通過現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)，確定計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，反濾料生產(chǎn)具體工藝流程如下：

表1 反濾料設(shè)計(jì)級(jí)配指標(biāo)參數(shù)

注：D15、D85分別為小于該粒徑顆粒含量為15%、85%對(duì)應(yīng)的粒徑。

(1)反濾料1摻配工藝流程。根據(jù)卸料口的不同分2種工況，具體流程見圖3。

(2)反濾料2、3摻配工藝流程。根據(jù)卸料口的不同分4種工況，具體流程見圖4。

(3)反濾料4摻配工藝流程。共計(jì)1種工況，具體流程見圖5。

以上4種反濾料按不同的工況，在成品料堆廊道膠帶運(yùn)輸機(jī)卸料平鋪，然后通過后續(xù)串接皮帶機(jī)運(yùn)至反濾料堆庫存。其中，皮帶運(yùn)輸終端的卸料小車在下料過程中的跌落起到二次摻配作用，最后裝載機(jī)在成品反濾料堆裝車出廠。

圖1 反濾料自動(dòng)摻配原理

圖2 膠帶機(jī)運(yùn)輸平鋪骨料示意

圖3 反濾料1摻配工藝流程

圖4 反濾料2、3摻配工藝流程

圖5 反濾料4摻配工藝流程

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)4種反濾料摻配工藝共計(jì)11種運(yùn)行工況，通過現(xiàn)場采集各工況中各粒徑骨料下料的時(shí)間間隔以及變頻器的指定頻率，同時(shí)結(jié)合目前骨料加工系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，針對(duì)此項(xiàng)工藝進(jìn)行專門的自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)編程。當(dāng)電動(dòng)弧門開至指定開度大小后，反濾料摻配可以直接通過2號(hào)配電室(中控室)PLC遠(yuǎn)程操作。整個(gè)配料控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集、輸出控制、串行數(shù)據(jù)通信及人機(jī)界面管理4大部分。①數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)變頻器的頻率給定和反饋。②輸出控制部分通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析和判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器頻率的修正以及對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制功能。③數(shù)據(jù)通信部分實(shí)現(xiàn)PLC與電腦之間的信息交換。④人機(jī)界面部分利用漢字顯示屏完成提示、參數(shù)設(shè)定和報(bào)警顯示，實(shí)現(xiàn)配方的輸入、調(diào)用等功能，實(shí)現(xiàn)配料稱量值的實(shí)時(shí)監(jiān)控及配料過程的仿真。

表4 變頻器設(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.4 系統(tǒng)調(diào)試

反濾料的PCL控制摻配系統(tǒng)設(shè)備安裝完成后，需通過工藝性試驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確定變頻器的頻率和給料流量的關(guān)系。通過多次工藝性試驗(yàn)監(jiān)測以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋采集和實(shí)時(shí)調(diào)整，最終得出相對(duì)穩(wěn)定的流量-頻率值。調(diào)試過程分3步：摻配比例確定、下料總流量及各種原料流量確定、給料機(jī)頻率及電動(dòng)弧門開度確定。

(1)摻配比例。根據(jù)反濾料設(shè)計(jì)級(jí)配指標(biāo)，結(jié)合加工系統(tǒng)成品骨料實(shí)際級(jí)配及超遜徑等具體情況，通過室內(nèi)試驗(yàn)，最終確定反濾料不同骨料摻配比例(見表2)。

(2)變頻器及弧門開度調(diào)試。E3膠帶運(yùn)輸機(jī)輸送量Q按300 t/h計(jì)，根據(jù)摻配比例和膠帶機(jī)輸送能力計(jì)算4種反濾料的各摻配骨料下料速度。以反濾料1為例：Q=300 t/h，摻配反濾料1需要小石和砂，摻配比例見表2，則小石下料量為18 t/h，即5 kg/s；砂下料量為282 t/h，即78.3 kg/s。其他反濾料相關(guān)下料速度依上述方法確定，具體指標(biāo)見表3。根據(jù)實(shí)測下料流量，對(duì)主要控制設(shè)備變頻器及電動(dòng)弧門開口進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試后具體參數(shù)見表4。

表2 不同骨料摻配比例 %

表3 不同骨料粒徑下料速度 kg/s

1.5 系統(tǒng)評(píng)價(jià)

(1)誤差評(píng)價(jià)。利用電子皮帶秤對(duì)4種反濾料不同卸料口在指定頻率下的下料速度的穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，抽檢10組，測試成果見表5。傳統(tǒng)平鋪立采工藝的不合格率在3%～5%以上，而從表5可以看出，給料機(jī)變頻技術(shù)的不合格率僅為1%～3%，有利于保證工程質(zhì)量和增加經(jīng)濟(jì)效益。

表5 給料機(jī)變頻精度 %

(2)質(zhì)量評(píng)價(jià)。反濾料累計(jì)生產(chǎn)將近350萬t，生產(chǎn)過程中各方聯(lián)合對(duì)4種反濾料累計(jì)抽樣檢測7 376 組，抽樣檢測結(jié)果見表6。從表6可以看出，反濾料不合格率在3%以內(nèi)，小于傳統(tǒng)平鋪立采的不合格率(3%～5%)。不合格料進(jìn)入骨料加工系統(tǒng)后還可以重新篩分摻配。從反濾料自動(dòng)化生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的反濾料1～4的典型級(jí)配曲線可以看出，自動(dòng)化摻配工藝生產(chǎn)的反濾料級(jí)配良好，均處在設(shè)計(jì)上、下包線之間，能夠滿足各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，并且生產(chǎn)的反濾料質(zhì)量狀況穩(wěn)定，整體處于受控狀態(tài)。

表6 反濾料質(zhì)量檢測統(tǒng)計(jì)

2 反濾料精細(xì)施工

2.1 工藝設(shè)計(jì)原理

在研制的推進(jìn)式及牽引式2種反濾料攤鋪器的基礎(chǔ)上，最終研制出1種雙料攤鋪器。施工時(shí)以推土機(jī)作為動(dòng)力，牽引攤鋪器沿土石壩心墻區(qū)土-砂分界面前行，液壓反鏟或裝載機(jī)跟進(jìn)向雙料攤鋪的料箱內(nèi)補(bǔ)充上料，從而完成心墻區(qū)土-砂分界面上土、砂各一定寬度范圍的料物一次性平齊同步攤鋪。通過平齊同步施工，解決了原施工工藝存在的不足。

雙料攤鋪器為無底箱式結(jié)構(gòu)，采用型鋼和鋼板加工而成。設(shè)計(jì)尺寸為高1 m、寬3 m、長4 m。攤鋪器中間設(shè)置料倉分隔鋼板，且料倉分隔板在出料口以下的傾角與心墻設(shè)計(jì)坡比一致。為保障碾壓施工質(zhì)量，在制作兩側(cè)料倉出料口高度時(shí)參考了對(duì)應(yīng)料種生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)確定的沉降率，出料口高度即為2種料的攤鋪成形厚度。同時(shí)，考慮分隔鋼板部位脫空造成分界部位料物坍陷，在攤鋪器料倉分隔板兩側(cè)料倉出料口頂部各留有梯形缺口(補(bǔ)償料口)，以保證料種分縫部位的碾壓效果。雙料攤鋪器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 雙料攤鋪器制作加工結(jié)構(gòu)

2.2 工藝操作要點(diǎn)

通過不斷改進(jìn)和提高，形成了一套適用于土石壩土-砂分界面的施工方法。主要施工操作要點(diǎn)如下：

(1)層面處理及驗(yàn)收。每層分界面鋪筑前，人工將層面上的雜物清理干凈，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下道工序施工。

(2)測量放線。層面驗(yàn)收合格后，測量人員使用手持式GPS測量儀按設(shè)計(jì)圖紙放出心墻土料及反濾料的鋪料邊界點(diǎn)，采用自制的自測方位光束引導(dǎo)放線器進(jìn)行放線，白灰標(biāo)記。同時(shí)，施工人員在距離料種分縫線1.85 m(推土機(jī)中線至履帶板邊緣距離)處平行放線并白灰灑線，畫出推土機(jī)行走軌跡引導(dǎo)線，以保證推土機(jī)行走路線順直。

(3)雙料攤鋪器就位。用反鏟挖掘機(jī)將雙料攤鋪器吊運(yùn)至分界區(qū)左、右岸一側(cè)對(duì)應(yīng)攤鋪位置，使雙料攤鋪器的料種分割板與料種分界線重合，雙料攤鋪器方鋼連接架方向朝向鋪料方向，并連接在推土機(jī)機(jī)身后面的連接插銷上。

(4)卸料。裝有反濾料及礫石土料的自卸汽車采用后退法將礫石土料及反濾料分別卸在分界區(qū)各自準(zhǔn)備攤鋪的位置。反濾料采用單車分堆卸料的方式卸料，以保證卸料堆占地尺寸滿足攤鋪?zhàn)鳂I(yè)要求，便于后續(xù)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)施工。

(5)攤鋪。由推土機(jī)沿分界線牽引雙料攤鋪器一次性完成鋪料。攤鋪過程中，裝載機(jī)或液壓反鏟及時(shí)跟進(jìn)給料；鋪料箱偏離白灰線距離超過5 cm時(shí)應(yīng)及時(shí)用挖機(jī)調(diào)整。如此連續(xù)作業(yè)，將分界面鋪筑完成。在靠近岸坡處，攤鋪器難以鋪筑的局部地方，用反鏟進(jìn)行攤鋪。砂-土分界面完成攤鋪后，進(jìn)行心墻區(qū)剩余部位的填筑施工。采用進(jìn)占法填筑心墻土料，后退法填筑上、下游側(cè)反濾料。

(6)碾壓。整段分界面(3 m寬)鋪筑完成后，采用26 t自行式振動(dòng)平碾(碾寬2.2 m)沿鋪筑方向(振動(dòng)輪中線對(duì)準(zhǔn)分縫線)碾壓，靜碾2遍+振碾12遍(按礫石土的碾壓參數(shù)碾壓，碾壓完成后不再進(jìn)行跨縫碾壓)，振動(dòng)碾行走速度(2.5±0.2)km/h。

(7)檢測[3]。分界面全部填筑碾壓完成后，試驗(yàn)人員采用試坑灌水法檢測壓實(shí)度、相對(duì)密度及其顆粒級(jí)配。取樣頻次為1次/500 m3，每層至少1次。

2.3 質(zhì)量控制措施

(1)土-砂分界面應(yīng)作為心墻填筑區(qū)的單元工程進(jìn)行專項(xiàng)驗(yàn)收，層面處理干凈、刨毛，含水率滿足要求，并經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下道工序施工。

(2)土-砂分界面攤鋪施工前，應(yīng)對(duì)其結(jié)合邊線測量放線，同時(shí)在距離料種分縫線1.85 m(推土機(jī)中線至履帶板邊緣距離)處平行放線并白灰灑線，畫出推土機(jī)行走軌跡引導(dǎo)線，以保證推土機(jī)行走路線順直。

(3)采用后退法[4]進(jìn)行分界區(qū)土料卸料時(shí)，上料路線必須進(jìn)行專項(xiàng)規(guī)劃，盡量避免重車在心墻土料上行走對(duì)土料造成剪力破壞。攤鋪?zhàn)鳂I(yè)完成后，及時(shí)用凸塊碾對(duì)車輛行駛及裝載機(jī)上料壓光土料面重新刨毛。

(4)液壓反鏟及裝載機(jī)對(duì)料倉進(jìn)行喂料過程中，應(yīng)控制上料速度，保證上料精度，避免上料過程中出現(xiàn)混倉現(xiàn)象。

(5)心墻區(qū)土-砂分界面碾壓過程應(yīng)嚴(yán)格按照選定的碾壓施工參數(shù)碾壓，并采取數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)[5]進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)，在進(jìn)行壩體心墻土料及反濾料壓實(shí)度試驗(yàn)檢測時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選取土-砂結(jié)合面部位進(jìn)行試坑檢測，確保填筑施工質(zhì)量。

3 結(jié) 語

反濾料自動(dòng)摻配及精細(xì)攤鋪工藝技術(shù)適用水利水電工程土石壩施工中的反濾料加工生產(chǎn)及攤鋪施工，長河壩水電站應(yīng)用效果表明，反濾料自動(dòng)摻配精確度高，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量效果好，實(shí)現(xiàn)了土-砂分界部位一次攤鋪成形，滿足體形規(guī)則、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、界線清晰的要求，避免了料種相互侵占，減少了浪費(fèi)，具有較好的工程應(yīng)用及推廣價(jià)值。

鑒于數(shù)字信息化的不斷發(fā)展，后續(xù)反濾料的摻配與攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過程數(shù)據(jù)及主要參數(shù)，若能通過信息技術(shù)進(jìn)行過程自動(dòng)控制與信息顯示集成，將會(huì)更加有效提高施工控制精度，確保施工質(zhì)量。

[1] 水利電力部水利水電建設(shè)總局. 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2003．

[2] DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] DL/T 5129—2013 水電水利工程礫石土心墻堆石壩施工規(guī)范[S]．

[4] DL/T 5269—2012 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S]．

[5] 吳高見. 高土石壩施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水利水電施工, 2013, 139(4)： 1- 7．