東莊水利樞紐圍堰膠結(jié)洞渣骨料摻配工藝研究

王云濤，王 健,，李曙光

(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

膠結(jié)砂石作為一種新型筑壩材料，基于其就地取材、水泥用量少、溫控簡化、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年在我國水利水電工程得到快速發(fā)展。東莊水利樞紐附近缺乏天然砂礫石，而開挖洞渣料較多，為充分利用開挖洞渣料、就地取材節(jié)約工程投資，設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)根據(jù)洞渣料級配及膠結(jié)砂石圍堰設(shè)計(jì)配合比研究確定了骨料摻配方案。

2 研究項(xiàng)目概況

涇河?xùn)|莊水利樞紐位于陜西省咸陽市境內(nèi)，壩址位于涇河干流下游峽谷段，為渭河流域防洪減淤體系重要控制性工程，也是黃河水沙調(diào)控體系中的重要支流水庫。樞紐上游圍堰采用膠結(jié)人工骨料圍堰，堰頂高程639.20m，建基面高程584.00m，最大堰高55.2m。圍堰堰頂寬7m，上游面邊坡634.2m以上垂直，以下1∶0.5，下游坡坡比634.20以上垂直，以下1∶0.6。堰體內(nèi)部采用C4W2膠結(jié)人工砂石料，上游防滲層采用C9015W6富漿膠結(jié)人工砂石料，下游保護(hù)層采用C9015W2富漿膠結(jié)人工砂石料，厚度1m，基礎(chǔ)墊層采用1m厚C9015W2富漿膠結(jié)人工砂石料，膠結(jié)砂石總量約7萬m3。

3 方案研究

3.1 膠結(jié)砂石圍堰級配要求

設(shè)計(jì)階段依據(jù)SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》按照不同級配、不同膠凝材料用量進(jìn)行了配合比試驗(yàn)。最細(xì)級配取砂率35%，特大石用量8.3%，大石用量21.7%，中石用量28.3%，小石用量41.7%；平均級配取砂率25%，特大石用量14.7%，大石用量31.1%，中石用量25.1%，小石用量29.1%；最粗級配取砂率18%，特大石用量27.9%，大石用量40.8%，中石用量18.3%，小石用量13%。針對最粗、最細(xì)、平均級配，分別取膠材用量為80kg/m3、100kg/m3和110kg/m3進(jìn)行試驗(yàn)，其中水泥和粉煤灰各一半。經(jīng)過配合比試驗(yàn)，研究得出針對以上不同的砂石級配，膠材用量80kg時(shí)，強(qiáng)度均滿足要求，VC值也滿足導(dǎo)則規(guī)定的2～25s。因此可按照試驗(yàn)級配包絡(luò)線進(jìn)行膠結(jié)顆粒級配控制。膠結(jié)洞渣料試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 膠結(jié)洞渣料試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 膠結(jié)砂石圍堰料源

東莊水利樞紐工程區(qū)缺乏天然砂礫石料，而洞挖石方量滿足工程需要，因此選擇洞渣料作為圍堰料源。膠凝顆粒料設(shè)計(jì)用量約7萬m3，根據(jù)樞紐上游區(qū)施工支洞布置，利用上游基坑出渣線6#路-1、圍堰混凝土入倉支線6#路-2及導(dǎo)流洞下閘支線6#路-3三條支洞的洞身開挖洞渣料作為圍堰膠結(jié)顆粒料。該3條隧洞總長約1220m，開挖渣料約12萬m3，洞身巖性為(O2m4-1)巨厚層灰?guī)r、(O2m4-2)厚層灰?guī)r及(O2m3)白云巖夾薄層泥質(zhì)白云巖。設(shè)計(jì)階段對洞渣料進(jìn)行室內(nèi)顆分試驗(yàn)，試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表2。根據(jù)SL 678—2014對洞渣料進(jìn)行評價(jià)見表3。

表2 膠凝顆粒料試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表3 膠凝顆粒料質(zhì)量指標(biāo)評價(jià)表

根據(jù)顆分試驗(yàn)成果分析，洞渣料超徑石(>150mm)粒徑含量為20.9%～47.9%，超徑石含量較高；小于5mm的砂料含量為1.6%～2.7%，砂料含量偏低；粒徑5～40mm范圍內(nèi)的含量為18.5～26.3%，部分樣本中小石量略低?；?guī)r洞渣料需要篩除150mm以上石塊，并摻配中石、小石及砂才能滿足膠凝顆粒料的級配要求。

3.3 膠結(jié)砂石圍堰渣料級配方案研究

根據(jù)現(xiàn)場篩分試驗(yàn)及膠結(jié)砂石配合比試驗(yàn)，采用兩種工藝路線進(jìn)行膠結(jié)顆粒料級配調(diào)整。

3.3.1方案一：摻砂工藝

對膠結(jié)顆粒料中大于150mm的部分采用篦條篩篩除，篩除部分作為棄渣進(jìn)入渣場，同時(shí)通過摻入一定量的砂子，滿足試驗(yàn)級配需要，摻砂工藝流程圖如圖1所示。設(shè)計(jì)分別以有用料比例最大和有用料比例最小的樣本作為典型級配進(jìn)行摻砂分析。有用料比例最大的情況下，摻入處理量的15.28%～29.8%后相應(yīng)的砂率為0.18～0.30。有用料比例最小的情況下，摻入處理量的12.71%～25.07%后相應(yīng)的砂率為0.18～0.30。由于洞渣料級配為一定范圍的級配，因此要保證摻配后的砂率及級配滿足要求，摻砂量應(yīng)為處理量的15.28%～25.07%方可滿足級配要求。見表4。由表4可以看出砂率隨摻砂量增大而變大，相應(yīng)洞渣料篩分處理量隨摻砂量增大而減小，相應(yīng)的砂率越高成本越高。為滿足膠結(jié)砂石加工過程中砂子摻配的可操作性，宜取篩分量固定比例摻配，本次研究選擇摻配量為處理量的20%進(jìn)行研究。該工藝情況下特大石含量為11.9%～19.0%，大石含量為32.1%～32.7%，中石含量為16.5%～17.1%，小石含量為10.9%～12.2%，砂率為19.8%～27.3%，級配曲線如圖2所示。由圖2可以看出，針對固定比例摻量下四個(gè)試驗(yàn)的級配曲線均位于試驗(yàn)級配包絡(luò)線范圍。摻砂方案工藝簡單，但是超徑石剔除量達(dá)21%～47%，不僅篩分量大，而且對有用料儲(chǔ)量要求高。

圖1 摻砂工藝流程圖

圖2 摻砂方案級配曲線

3.3.2方案二：超徑石軋制摻配工藝

對膠結(jié)顆粒料中大于150mm的部分采用砂石系統(tǒng)進(jìn)行破碎，小于150mm的部分通過篦條篩過篩后由皮帶機(jī)直接運(yùn)至成品料倉。砂石系統(tǒng)采用3段破碎，初碎采用PE750×1060顎式破碎機(jī)，初碎后半成品料通過皮帶機(jī)進(jìn)入第一篩分車間。篩分車間設(shè)單層篩對部分粒徑大于80mm的骨料經(jīng)皮帶機(jī)進(jìn)入中碎車間，粒徑小于80mm的骨料和部分粒徑為80～150mm的骨料進(jìn)入成品料堆。中細(xì)碎車間采用HPT300型圓錐破對粒徑80～150mm的骨料進(jìn)行破碎，然后經(jīng)皮帶機(jī)進(jìn)入超細(xì)碎車間。超細(xì)碎車間采用VS9532立式?jīng)_擊破制砂，細(xì)骨料經(jīng)皮帶機(jī)進(jìn)入成品砂倉。通過該工藝生產(chǎn)的混合砂石骨料可滿足試驗(yàn)確定的級配范圍。

設(shè)計(jì)分別以有用料比例最大和有用料比例最小的樣本作為典型級配進(jìn)行摻砂分析。有用料比例最大的情況下，超徑石砂子成品率為60%～100%相應(yīng)的砂率為18%～30%。有用料比例最小的情況下，超徑石砂子成品率為43%～72%相應(yīng)的砂率為18%～30%。由于洞渣料級配為一定范圍的級配，因此要保證摻配后的砂率及級配滿足要求，砂子成品率應(yīng)為60～72%，方可滿足級配要求。見表5。由表5可以看出砂率隨超徑石制砂成品率增大而變大，相應(yīng)的砂率越高成本越高。為滿足膠結(jié)砂石加工過程中超徑石處理的可操作性，同時(shí)減小砂石制備成本，宜取固定砂石加工工藝(即固定砂子成品率)進(jìn)行制備摻配，本次研究選擇60%砂子成品率進(jìn)行研究。該工藝情況下特大石含量為7.9%～17.3%，大石含量為25.8%～32.3%，中石含量為17.2%～21.4%，小石含量為13.0%～17.3%，砂率為20.2%～27.6%，級配曲線見圖4。由圖4可以看出，超徑石制砂成品率為60%時(shí)，不同4個(gè)篩分試樣的級配曲線均位于試驗(yàn)級配包絡(luò)線范圍。該工藝方案通過調(diào)整已有砂石系統(tǒng)工藝加工骨料，能夠充分利用洞渣料，減少棄渣。

表4 不同砂率洞渣料制備工藝表

表5 不同砂子成品率洞渣料制備工藝表

圖3 超徑石軋制摻配工藝流程圖

圖4 超徑石加工工藝級配曲線

3.3.3工藝對比

根據(jù)以上分析，兩種方案砂石料配置工藝都可以滿足試驗(yàn)確定的級配范圍。天然洞渣料中可利用料量最大的情況下，砂率小于20%時(shí)超徑石加工工藝較摻砂工藝費(fèi)用高15萬元，砂率大于20%時(shí)超徑石加工工藝較摻砂工藝費(fèi)用略小，且隨砂率增大費(fèi)用差呈增長趨勢。天然洞渣料中利用料量最小的情況下，砂率小于25%時(shí)超徑石加工工藝較摻砂工藝費(fèi)用略高，砂率大于25%時(shí)超徑石加工工藝較摻砂工藝費(fèi)用略小。兩種砂石料配置工藝雖然費(fèi)用略有差異，但是相差較小，考慮盡量利用洞渣料，保證圍堰膠結(jié)洞渣料儲(chǔ)量，設(shè)計(jì)階段考慮采用對超徑石進(jìn)行加工的工藝。施工過程中還需通過對現(xiàn)場砂石加工系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化骨料制備工藝，以達(dá)到工藝可行，節(jié)約費(fèi)用的目的。

4 結(jié)論

通過對東莊水利樞紐膠結(jié)砂石圍堰洞渣料摻配工藝進(jìn)行分析可以看出，洞渣料采用摻砂工藝時(shí)，摻砂量宜為處理量的20%，相應(yīng)砂率為0.18～0.25，可滿足膠結(jié)砂石對原材料級配的要求，工藝上也相對易控制；洞渣料采用超徑石加工工藝時(shí)，控制砂子成品率為60%，相應(yīng)砂率為0.18～0.25，可以滿足膠結(jié)砂石對原材料級配的要求。摻砂工藝與超徑石加工工藝技術(shù)上都是可行的，兩者投資相當(dāng)，在洞渣料料源儲(chǔ)量緊張的情況下采用超徑石加工工藝更合理。本工程洞渣料摻配工藝可以為缺乏天然砂礫石地區(qū)膠凝砂礫石壩骨料制備提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，也為膠結(jié)砂石壩的應(yīng)用推廣提供了技術(shù)支撐。