砂石料綜合加工技術(shù)助推工程降本增效淺析

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(jì)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(jì)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(chǎng)至施工現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)二次加工使用，距施工現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)量約150萬m3，料場(chǎng)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(chǎng)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(jì)劃安排，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(gè)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(duì)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(shí)灰?guī)r骨料運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)范圍內(nèi)，經(jīng)協(xié)商短時(shí)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(jì)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(jì)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(chǔ)備，在大壩下游填筑或?yàn)r青混凝土開始施工時(shí)才能使用，因此，前期生產(chǎn)儲(chǔ)存量大，生產(chǎn)中要有一定的儲(chǔ)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(xiàng)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(shí)烘干困難。需要修建儲(chǔ)量空間足夠的倉庫，且要靠近瀝青混凝土站，否則會(huì)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(chǎng)實(shí)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(duì)規(guī)劃的砂礫石料開采加工料場(chǎng)要小，河床表層3m含泥量為8%，3m以下含泥量為11%，河床料儲(chǔ)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(chǎng)特點(diǎn)，施工階段邀請(qǐng)專業(yè)試驗(yàn)單位和瀝青混凝土科研機(jī)構(gòu)人員現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(jiān)硬。經(jīng)試驗(yàn)研究分析：

(1)礫石平均含量約67.8%，砂平均含量約32.2%，料場(chǎng)蠻石(>150mm)含量小于25%。粗骨料中150mm～80mm級(jí)約占6.7%，80mm～40mm級(jí)約占33.5%，40mm～20mm級(jí)約占30.2%，20mm～5mm級(jí)約占29.6%，級(jí)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(jì)開采料場(chǎng)含泥量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開采加工，取樣試驗(yàn)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(xiàng)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(píng)價(jià)

(2)研究分析細(xì)骨料中5mm～2.5mm級(jí)約占4.7%，2.5mm～1.2mm級(jí)約占12.8%，1.25mm～0.63mm級(jí)約占16.3%，0.63mm～0.315mm級(jí)約占24.5%，0.3mm～0.15mm級(jí)約占16.7%，<0.16mm級(jí)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(xiàng)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(píng)價(jià)

2.3 瀝青心墻混凝土骨料研究分析

由于灰?guī)r骨料料場(chǎng)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(yàn)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)河床料情況，經(jīng)行業(yè)專家和專業(yè)科研機(jī)構(gòu)對(duì)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(chǎng)壩址區(qū)河床加工砂礫石料總體呈堿性，其質(zhì)地堅(jiān)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(jiān)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(jì)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(xiàng)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(jí)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)成果分析，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)壩址區(qū)河床砂礫石料各項(xiàng)指標(biāo)研究分析表明，壩址區(qū)河床料可同時(shí)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(chǎng)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(chǔ)量可達(dá)到81萬m3，按綜合開采利用率75%計(jì)算，可達(dá)到60.8萬m3，本工程累計(jì)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(chǎng)實(shí)際條件、總平面布置及施工進(jìn)度計(jì)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(duì)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(chǎng)多種骨料的應(yīng)用、存儲(chǔ)與加工等綜合設(shè)計(jì)，將骨料分為六個(gè)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(chǔ)倉庫、瀝青心墻混凝土儲(chǔ)存?zhèn)}庫和混合料儲(chǔ)存地，將加工檢測(cè)合格的產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)到倉庫內(nèi)儲(chǔ)存，待檢產(chǎn)品則在砂石加工骨料倉內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)檢測(cè)不合格時(shí)，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(tái)、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(chǎng)地從上游到下游平整形成4個(gè)平臺(tái)：第一平臺(tái)為汽車受料平臺(tái)；第二平臺(tái)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(tái)為第一篩分、第二篩分、第三篩分和生產(chǎn)用房；第四平臺(tái)布置成品料堆倉。成品料倉堆高均為10m，制砂料倉堆高6m，場(chǎng)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(jì)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(jì)6種，需求數(shù)量達(dá)35.6萬m3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件和砂礫石的加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)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(jì)

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(jí)，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(jí)(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(duì)各級(jí)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(chǎng)地形條件，修建時(shí)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(jì)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(tái)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(tái)寬度15m，長15m，受料平臺(tái)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(chǔ)

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(duì)河床的影響，結(jié)合生產(chǎn)時(shí)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(shí)堆存，作為在汛期或者截流后加工所需的砂石料。成品料儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)料點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存，待瀝青混凝土心墻施工時(shí)，通過運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

4 經(jīng)濟(jì)效果分析

通過對(duì)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(chǎng)實(shí)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(duì)比分析成果見表7。

表7 外購砂石料與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)砂石料經(jīng)濟(jì)效益對(duì)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(duì)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(duì)在下游建砂石加工系統(tǒng)，除排水褥墊層料相對(duì)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(chǔ)，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(duì)工程整體施工有利。同時(shí)，通過研究砂礫石原料與工程需用料的技術(shù)特性，設(shè)計(jì)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。