錦屏一級水電站石粉堆存方式研究

秦光輝，柏仲生

（中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院， 成都 610072）

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣交界的雅礱江干流上，是雅礱江水能資源最富集的中下游河段五級開發(fā)中的第一級。電站位于高山峽谷地區(qū)，岸坡陡峻，工程區(qū)內(nèi)可供利用的平緩山坡與灘地較少。電站以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等作用。水庫正常蓄水位1880m，總庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，為年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機容量3600MW。錦屏一級水電站屬于一等大(1)型工程，樞紐由擋水、泄水及消能、引水發(fā)電等永久性建筑物組成，擋水建筑物采用混凝土拋物線雙曲拱壩，最大壩高305m，壩頂高程1885m。

工程混凝土細骨料料源為三灘右岸大理巖，砂石加工系統(tǒng)布置在壩上游右岸5km左右的緩坡地。加工系統(tǒng)人工砂生產(chǎn)能力約400t/h。

1 問題的提出

1.1 大量廢棄石粉的產(chǎn)生

細骨料料源大理巖以灰色中細晶大理巖、淺灰～灰白色細晶大理巖為主，夾白色中晶大理巖，約占料場總量的20%～30%。其呈條帶狀或透鏡體狀分布于料場巖體中，開采時無法將其剔除。白色中晶大理巖強度偏低，錘擊易成粉末，在砂石骨料加工過程中產(chǎn)生大量的石粉。

在三灘砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，大理巖破碎后原狀砂中石粉含量達55%～65%。即每生產(chǎn)1t成品砂，即產(chǎn)生1t石粉需廢棄。經(jīng)測算每小時將產(chǎn)生約300m3，工程期共約產(chǎn)生134萬m3石粉。如此巨大的石粉棄料，在水電工程中尚屬首例。

1.2 石粉的堆存難題

石粉是在本工程混凝土大量澆筑時產(chǎn)生，此時工程開挖已基本完成，各渣場堆渣已結(jié)束。根據(jù)本工程特點，廢棄石粉只能運到最近的且渣場容量有富余的三灘溝渣場堆存。三灘溝渣場規(guī)劃堆渣容量約2100萬m3，目前在溝口以內(nèi)600m范圍內(nèi)堆存了約1000萬m3石渣，渣頂平臺面積約8.5萬m2，堆渣坡腳向溝內(nèi)還有約600m長范圍可供堆渣，還可堆存約1000萬m3石渣。

1.2.1 渣場頂部平臺堆存困難

石粉采用自卸汽車運到三灘溝渣場頂部平臺堆存，在堆存過程中時，由于石粉顆粒較細，汽車無法在石粉上行走，因而，石粉只能在平臺上堆一層，堆料高度僅約1m，不能再向上堆高，頂部平臺最多只能堆存約9萬m3石粉，遠遠不能容納134萬m3石粉。

1.2.2 無法直接向溝內(nèi)堆存

如在渣頂平臺無法堆存時考慮在平臺邊緣沿渣坡向溝內(nèi)堆存，但因石粉松軟，汽車不能堆遠，只能在平臺邊緣向下傾倒，故堆存量也有限。而且三灘渣場溝水處理為透水壩型式，靠堆渣體自行滲透過流，為避免石粉堵塞滲流通道，不能將石粉直接堆在溝底，致使本工程石粉堆存非常困難。

溝內(nèi)堆存石粉，必需先在溝底墊石渣，形成透水體，將溝水滲透到雅礱江內(nèi)。采取墊渣措施后，可形成約6萬m2的平臺，根據(jù)前面渣頂平臺堆存經(jīng)驗，若無可行的堆存方案，仍無法堆存134萬m3石粉。

大量石粉堆存在水電工程中實例缺乏，無相關(guān)實施經(jīng)驗借鑒，需對石粉堆存方案開展可行性方案比較。

2 石粉堆存方案設(shè)計

石粉堆存困難的原因主要是松軟的石粉不能承受機械行車的壓力。根據(jù)本工程的特點，可從以下兩方面進行方案設(shè)計：

（1）混合堆存方案。即通過摻入某種材料，改變石粉松軟的特性，來提高石粉的承載力，達到行車的承載要求。

①在石粉中摻入水泥，通過水泥使石粉膠結(jié)。若采用1∶3～1∶5的水泥砂漿方式，水泥用量巨大。三灘溝渣場石粉堆存量180萬t，需水泥約15萬t，單水泥費用將達7000多萬元，方案不可行。

②在石粉中摻入土壤固化劑之類的外加劑。美國在伊拉克戰(zhàn)爭中采用了一種沙漠固化劑，即在沙中摻入少量的固化劑，與砂混合幾小時后即可滿足直升飛機起降和行車要求。但該種材料國內(nèi)尚未引進。

③就近取材，在石粉中摻入一定比例的石渣，石渣作為骨架，石粉填充其空隙，達到提高承載力的目的。

（2）采用其他堆存方式，不需汽車等機械在石粉上行走作業(yè)

①膠帶運輸機。將膠帶運輸機安裝好后，直接在空中卸料堆存，可避免直接在石粉上行走作業(yè)。

②混凝土布料機，在溝兩岸適當位置布置布料機，利用其較長的懸臂膠帶機將石粉堆存到溝中。

③混凝土泵輸送，即把石粉加水攪拌后用泵送到溝內(nèi)。由于沒有試驗資料，在輸送過程中易發(fā)生石粉和水產(chǎn)生離析而堵塞管道，同時工藝相對復雜。

根據(jù)以上分析，結(jié)合三灘大理巖石粉的特性、堆存量及強度等情況，初步擬定三個相對可行的方案：混合堆存方案、布料機堆存方案，以及膠帶運輸機堆存方案。

2.1 方案一（混合堆存方案）

采取將石粉與石渣混合，讓石粉填充石渣空隙，石渣作為混合渣的骨架，達到提高其承載力、降低沉降量的目的。

根據(jù)現(xiàn)場通行實驗表明，當石粉與石渣混合比例體積比為1∶1.2時，可滿足25t汽車和履帶式車行走要求。因此134萬m3石粉需混合石渣料約161萬m3，混合后體積約290萬m3，堆存在三灘溝渣場內(nèi)。

堆存混合渣料前需在溝底墊30m厚的石渣透水體。根據(jù)剖面計算，本方案墊底大塊石料約3.8萬m3，回填石渣約68萬m3。在墊渣工作完成后，鋪土工布，再填50cm厚的砂礫石保護層，土工布面積約4.1萬m2，砂礫石1.0萬m3。為防止上游側(cè)石粉滑落到溝底，在墊渣平臺前端設(shè)置5～10m高的鋼筋石籠擋墻，并覆土工布。

石粉用20t自卸汽車從三灘砂石系統(tǒng)運來后，沿墊渣平臺上游側(cè)堆存。堆一車石粉，堆一車石渣，按體積比1∶1.2堆料，用推土機將其簡單混合。分層堆筑，每層高度不宜超過1m。堆存示意見圖1。

2.2 方案二（布料機堆存方案）

由于石粉松散，汽車不能在石粉上行走，考慮利用混凝土布料機較長的懸臂膠帶機來堆存石粉，同樣先在溝底墊渣后，將石粉用汽車卸到布料機上料膠帶機的受料倉內(nèi)，再通過其懸臂膠帶機來堆存，可避免在石粉上行車作業(yè)的困難。

墊渣方案基本同方案一。石粉堆存采用BLJ-600-40自行履帶式布料機堆存石粉。其外形見圖2。

石粉從三灘砂石加工廠用汽車運到墊渣平臺后，卸料到布料機上料膠帶機的料倉內(nèi)，再通過40m長的懸臂膠帶機將石粉堆存在溝內(nèi)。為盡可能的堆存石粉，布料機向溝內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并將懸臂在18m～40m范圍內(nèi)伸縮。所有膠帶機下料處均采用噴水除塵措施。經(jīng)計算高峰期需布置2臺布料機。布料機堆存示意見圖3。

2.3 方案三 （膠帶機堆存方案）

本方案采用膠帶機在渣場內(nèi)運輸堆存石粉，在溝底墊渣工作完成后，在渣場內(nèi)安裝膠帶機，石粉運到渣場的受料坑后，用膠帶機運輸堆存。

墊渣方案與同方案一。汽車將石粉運到三灘溝渣場受料倉，再下料到膠帶機上，通過三條膠帶機堆存到溝內(nèi)。膠帶機堆存示意見圖4。

3 石粉堆存方案比較

3.1 技術(shù)比較

（1）技術(shù)難度方面

方案一的難點在于如何使石粉和石渣混合均勻，石粉和石渣運到堆存平臺后，可采用推土機進行混合、平整，使其混合均勻?？傮w而言該方案實施技術(shù)難度較小。

方案二中布料機需布置在溝邊道路上，布料機布置位置和回車平臺處需12m～15m寬，布置較為困難，采用石渣靠路邊回填可形成回采平臺，施工實施難度不大。

方案三需在1760m高程平臺上布置膠帶機棧橋，棧橋高程1830m，排架高度約70m，鋼結(jié)構(gòu)工程量大，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，高排架、大跨度的鋼結(jié)構(gòu)制作安裝要求高。由于膠帶機桁排架基礎(chǔ)位于石渣上，基礎(chǔ)存在不均勻沉降的問題，桁排架及膠帶機安裝施工難度較大。因此，該方案存在較大的技術(shù)難度。

（2）工程量及運輸強度方面

方案一溝底墊渣71萬m3，工程量較小。三灘溝渣場堆存石粉134萬m3，需混合用石渣160萬m3，從渣場就近翻運，高峰時段石粉與石渣運輸強度約900t/h，用20t汽車運輸，單向小時行車密度約50輛/h，道路運輸強度較高。

方案二墊渣82萬m3，工程量較大。道路運輸石粉強度為400t/h，采用20t汽車，單向小時行車密度約30輛/h。道路運輸強度較小。

方案三，墊渣82萬m3，鋼結(jié)構(gòu)約850t，混凝土3000m3，工程量巨大。石粉采用膠帶機運輸，膠帶機運輸強度400t/h，道路運輸強度幾乎為零。

（3）準備工程工期方面

方案一墊渣總量約71萬m3，從墊渣開始到堆存石粉至少需2個月。

方案二墊渣總量約83萬m3，需3個月完成，布料機制造運輸需2個月，因此從墊渣開始到堆存石粉至少需3個月。

方案三墊渣總量約82萬m3，需3個月完成，膠帶機制作3～4個月，安裝調(diào)試2個月，從墊渣開始到堆存石粉至少需5～6個月。

（4） 運行管理方面

方案一，石粉、石渣運輸、混合管理相對較簡單。

方案二，布料機每隔30m左右需移動一次，需重新安裝上料膠帶機及受料倉，較繁雜。

方案三，利用膠帶機堆存石粉，機械化程度高，減少了石粉的運輸距離，石粉堆存強度可以得到保證。但膠帶機設(shè)備的維護、零件的更換，受高膠帶機棧橋的制約，不甚方便；無法更換大型設(shè)備和器材，石粉堆存的保障性較差。三個方案實施可行性比較見表1。

從表1可以看出，方案一具有實施難度小、土建工程量小、準備工期最短、運行管理簡單等優(yōu)點，故在技術(shù)上最優(yōu)；方案二具有實施難度相對較小、土建工程量較小、準備工期相對較短的優(yōu)點，故在技術(shù)上較優(yōu)。方案三有實施難度較大，而且土建工程量大、準備工期長、運行管理難度大等缺點，在技術(shù)上難度最大。

3.2 經(jīng)濟比較

從墊渣工程、設(shè)備土建安裝、運行維護等方面對三個方案進行經(jīng)濟性比較。各方案石粉從三灘砂石系統(tǒng)運到三灘溝渣場過程相同，其費用不參與比較。從運到三灘渣場后開始計算石粉運輸費。

各種費用計算參照《錦屏一級水電站前期施工輔助工程有關(guān)專項設(shè)計復核概算》中的人工、材料基價和設(shè)備臺班費，按水電建筑工程概算定額（2007年版）計算各項單價。三個方案費用只計算工程直接費。三個方案的相對經(jīng)濟比較見表2。

表2 各方案相對經(jīng)濟比較表（單位：萬元）

從表2可看出，由于方案一需摻入161萬m3石渣，其運輸費約1578萬元，且混合石渣需采用推土機推運約10m，費用約560萬元，故在三個方案中費用最高；方案三膠帶機桁排架鋼結(jié)構(gòu)工程量大，費用也較高。方案二墊渣完成后就采用布料機鋪料，不需大的土建工作，費用最低。

3.3 推薦方案

綜上，方案一技術(shù)上最優(yōu)，但經(jīng)濟性最差；方案二技術(shù)上次之，經(jīng)濟性最優(yōu)；方案三技術(shù)和經(jīng)濟上都劣于其他兩個方案。方案二卸料時可調(diào)整懸臂膠帶機角度，石粉卸料高度可以控制，同時在卸料點噴水霧，使揚塵得到控制，并且卸料點處無需人工作業(yè)。

考慮技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟合理性，同時兼顧本工程施工進度、環(huán)境保護、水土保持等方面的要求，最終選擇方案二（布料機堆存方案）作為本工程石粉堆存方案。

4 結(jié)語

在水利水電工程建設(shè)中，工程棄渣一般為土石方渣料，采用汽車運至渣場堆存，不存在技術(shù)難題。但本工程砂石系統(tǒng)產(chǎn)生大量的棄渣為石粉，汽車堆存困難。本文研究了三種堆存方案，通過技術(shù)經(jīng)濟比較選定采用布料機堆存方案。實施時利用現(xiàn)場已有的一臺布料機立即投入使用，滿足了石粉堆存緊迫的需要，高峰期又新購的一臺新布料機，滿足石粉堆存強度的需要，運行效果良好。該方案既滿足了工程建設(shè)工期要求，又節(jié)約了工程投資，受到了業(yè)主好評。其他工程若開挖石渣時間與石粉產(chǎn)生時間一致，選擇石粉與石渣混合堆存方案更經(jīng)濟、環(huán)保。本文對其他工程中出現(xiàn)類似情況具有一定借鑒意義。

[1]DL/T5397-2007 水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范[S].

[2]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)計手冊[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1997.

[3]全國水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng).水利水電工程施工手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2002.