淺談丹江口大壩加高工程砂石料水下開(kāi)采

□丁 偉 □劉琴文(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司)

1.概述

南水北調(diào)中線水源工程丹江口大壩加高工程右岸土建施工及金結(jié)設(shè)備安裝標(biāo)段中混凝土骨料、壩殼砂礫料、反濾料等原材料主要利用當(dāng)?shù)睾拥捞烊簧暗[石料，總計(jì)開(kāi)采量約282萬(wàn)m3。水下天然砂料開(kāi)采設(shè)備、開(kāi)采工藝和技術(shù)水平，經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用與發(fā)展，已具有各種先進(jìn)的設(shè)備和成熟的施工工藝技術(shù)，但同陸上設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步和工藝相比較，它既要受市場(chǎng)情況、開(kāi)采地點(diǎn)、料源和料場(chǎng)情況的變化的影響，又受節(jié)能、環(huán)境保護(hù)等約束條件的限制。

2.水下開(kāi)采料的難題及解決辦法

砂礫石料料源位于長(zhǎng)江最大的支流之一漢江，由于水下開(kāi)采供料主要用于混凝土骨料、壩殼料、反濾料，開(kāi)采料分類較多以及砂礫料開(kāi)采施工工藝較為復(fù)雜，使得在水下開(kāi)采施工過(guò)程中面臨種種難題。

2.1 外部難題

一是料源距離水庫(kù)較近，受水電站發(fā)電、泄洪影響大，庫(kù)區(qū)下游水位變化較為敏感，開(kāi)采施工風(fēng)險(xiǎn)大。二是由于目前國(guó)家對(duì)相關(guān)砂石料開(kāi)采規(guī)定較多，加上地方區(qū)域不同，政策有所不同，施工協(xié)調(diào)難度較大。三是由于在城市中施工，與當(dāng)?shù)貪O民作業(yè)交叉，施工干擾頻繁。

2.2 內(nèi)部難題

2.2.1 料源規(guī)劃情況較為復(fù)雜

在工程開(kāi)工初期，右岸土石壩壩殼料在羊皮灘砂礫石料場(chǎng)（壩殼料原規(guī)劃區(qū)域）開(kāi)采，發(fā)現(xiàn)料源情況與招標(biāo)文件提供的料源情況不符，且在開(kāi)采過(guò)程中料源級(jí)配變化較大，開(kāi)采上岸的毛料不能滿足壩殼料控制指標(biāo)，此情況經(jīng)確認(rèn)后，設(shè)計(jì)單位對(duì)原有料源進(jìn)行了重新勘探、設(shè)計(jì)規(guī)劃。

2.2.2 料源種類多，設(shè)備配置難度大

由于供應(yīng)混凝土、土石壩用砂礫料含砂率、級(jí)配、用量的不同，開(kāi)采設(shè)備選型、布置、料源平衡的難度較大。

2.3 解決辦法

一是料源位于大壩下游距離水庫(kù)較近，受水電站發(fā)電、泄洪水流影響大，水位變化較為敏感，開(kāi)采施工風(fēng)險(xiǎn)大。

通過(guò)業(yè)主與水電站運(yùn)行方取得溝通，雙方達(dá)成協(xié)議，在臨時(shí)增加發(fā)電量、泄洪時(shí)，提前2h，通知轉(zhuǎn)移船只，有效地避免施工風(fēng)險(xiǎn)。二是由于目前國(guó)家對(duì)相關(guān)砂石料開(kāi)采規(guī)定較多，加上地方區(qū)域不同，政策有所不同，施工協(xié)調(diào)難度較大。

通過(guò)向地方政府咨詢、網(wǎng)絡(luò)信息查詢，對(duì)當(dāng)?shù)厣笆祥_(kāi)采政策進(jìn)行了深入了解，并有針對(duì)性的進(jìn)行了研究、分析，及時(shí)辦理了相關(guān)水上開(kāi)采手續(xù)，主要包括水上、水下作業(yè)許可證，船只檢驗(yàn)證書(shū)等。并按照規(guī)定積極繳納了地方規(guī)費(fèi)。為開(kāi)采施工奠定了良好的基礎(chǔ)。三是由于在城市中施工，與當(dāng)?shù)貪O民作業(yè)交叉，施工干擾頻繁。在了解地方政府相關(guān)政策的同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，我方積極的向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門(mén)反映了干擾施工的因素，并要求當(dāng)?shù)卣o予支持、協(xié)調(diào)。四是料源種類多，設(shè)備配置難度大。施工前，詳細(xì)研究分析料源資料，對(duì)砂礫石料開(kāi)采，結(jié)合生產(chǎn)強(qiáng)度和開(kāi)采強(qiáng)度具體分析，進(jìn)行砂石料水下開(kāi)采設(shè)備的具體選型、配置，做好相應(yīng)開(kāi)采方案。

3.水下開(kāi)采施工方案

3.1 施工順序

分析研究初設(shè)料源資料→開(kāi)采工程量分析→砂礫石料開(kāi)采規(guī)劃→設(shè)備選型→設(shè)備安裝與調(diào)試→施工開(kāi)采。

3.2 施工方法

3.2.1 分析研究初設(shè)料源資料

在施工前，認(rèn)真分析、研究設(shè)計(jì)規(guī)劃的料源情況，包括料源位置、開(kāi)采界限、施工區(qū)內(nèi)有無(wú)施工干擾及規(guī)劃料場(chǎng)內(nèi)的原材料質(zhì)量情況。

3.2.2 開(kāi)采工程量分析

3.2.2.1 砂礫石料總需要量

根據(jù)《南水北調(diào)中線水源工程丹江口大壩加高工程砂礫石料調(diào)整規(guī)劃》資料，丹江口大壩加高工程共需要砂礫石凈料571.8萬(wàn)m3，開(kāi)采量693萬(wàn)m3（自然方），各工程部位需求量見(jiàn)表1。

表1 大壩加高工程砂礫石料需求量表

項(xiàng)目部主要負(fù)責(zé)大壩加高工程右岸土建施工及金結(jié)設(shè)備安裝標(biāo)段中混凝土骨料、壩殼砂礫料、反濾料等河道天然砂礫石料開(kāi)采。

3.2.2.2 砂礫石料可開(kāi)采量計(jì)算

根據(jù)《南水北調(diào)中線水源工程丹江口大壩加高工程砂礫石料源調(diào)整規(guī)劃》中砂礫石料場(chǎng)地質(zhì)剖面圖判斷，當(dāng)水位到達(dá)EL89.5 m時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的開(kāi)采深度（水下7 m），可開(kāi)采砂礫石料的厚度平均約為4 m。按照各開(kāi)采區(qū)的面積進(jìn)行計(jì)算，右岸標(biāo)段各開(kāi)采區(qū)的砂礫石料可開(kāi)采量分別為：

羊皮灘（混凝土骨料區(qū)）砂礫石料場(chǎng)可開(kāi)采量＝（26.5萬(wàn)m2＋9萬(wàn) m2）×4 m＝142萬(wàn) m3；

羊皮灘（壩殼料區(qū)）砂礫石料可開(kāi)采量＝（29.7萬(wàn)m2＋40.8萬(wàn) m2）×4 m＝282萬(wàn) m3；

七里崖（混凝土骨料區(qū)）砂礫石料可開(kāi)采量＝13.9萬(wàn)m2×4 m＝55.6萬(wàn) m3；

七里崖（壩殼料區(qū)）砂礫石料可開(kāi)采量＝19.6萬(wàn)m2×4 m＝78.4萬(wàn) m3。

3.2.3 砂礫石料開(kāi)采規(guī)劃

3.2.3.1 混凝土骨料、反濾料開(kāi)采規(guī)劃

羊皮灘料場(chǎng)一區(qū)、七里崖料場(chǎng)中區(qū)及傅家寨（混凝土骨料區(qū)）料場(chǎng)砂礫料的技術(shù)指標(biāo)均能滿足混凝土生產(chǎn)的要求，三料場(chǎng)都可作混凝土骨料的料源，羊皮灘料場(chǎng)一區(qū)質(zhì)量較好，厚度均勻，開(kāi)挖效率高，距壩區(qū)近，但含砂率較低；七里崖料場(chǎng)中區(qū)含砂率較高，但大石含量較少。綜合考慮兩區(qū)各級(jí)料含量及儲(chǔ)量，羊一區(qū)與七里崖中區(qū)按一定比例開(kāi)采較優(yōu)，即在羊一區(qū)開(kāi)采一段時(shí)間后再在七里崖中區(qū)開(kāi)采一段時(shí)間，然后又到羊一區(qū)開(kāi)采，初步考慮兩區(qū)開(kāi)采比例約為70:30，根據(jù)開(kāi)采料實(shí)測(cè)各級(jí)骨料含量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以減少棄料量。

羊皮灘料場(chǎng)羊一區(qū)砂礫料天然儲(chǔ)量357萬(wàn)m3，左、右岸混凝土骨料毛料按混凝土量所占比例分別從羊一區(qū)開(kāi)采60%和40%，考慮開(kāi)采獲得率取75%～70%，羊一區(qū)左、右岸混凝土骨料毛料開(kāi)采區(qū)可開(kāi)采量分別為161萬(wàn)m3和99萬(wàn)m3，合計(jì)260萬(wàn)m3。

七里崖料場(chǎng)中區(qū)天然儲(chǔ)量135萬(wàn)m3，左、右岸混凝土骨料毛料分別從七里崖料場(chǎng)中區(qū)開(kāi)采60%和40%，按現(xiàn)有開(kāi)采設(shè)備開(kāi)采獲得率取77%～81%，七里崖料場(chǎng)中區(qū)左、右岸混凝土骨料毛料開(kāi)采區(qū)可開(kāi)采量分別為66萬(wàn)m3和42萬(wàn)m3。

右岸混凝土骨料毛料在羊一區(qū)和七里崖北區(qū)左岸開(kāi)采區(qū)共可開(kāi)采108萬(wàn)m3。

羊一區(qū)具備可開(kāi)采儲(chǔ)量260萬(wàn)m3，可開(kāi)采系數(shù)取1.2，則混凝土骨料及土石壩反濾料所需毛料可從羊皮灘料場(chǎng)羊一區(qū)開(kāi)采217萬(wàn)m3，另需從七里崖料場(chǎng)中區(qū)開(kāi)采79萬(wàn)m3，料場(chǎng)可開(kāi)采系數(shù)取1.2時(shí)，需規(guī)劃95萬(wàn)m3的可開(kāi)采儲(chǔ)量，按現(xiàn)有開(kāi)采設(shè)備開(kāi)采獲得率計(jì)算七里崖料場(chǎng)中區(qū)的可開(kāi)采儲(chǔ)量為108萬(wàn)m3，可滿足要求。

3.2.3.2 壩殼料開(kāi)采規(guī)劃

右岸土石壩壩殼料開(kāi)采，考慮現(xiàn)有設(shè)備情況，羊二區(qū)和羊三區(qū)開(kāi)采獲得率分別為62%和77%，羊二區(qū)和羊三區(qū)開(kāi)采上岸量分別為：66萬(wàn)m3和184萬(wàn)m3。以羊二區(qū)66萬(wàn)m3為控制量、羊三區(qū)與羊二區(qū)砂礫石料按2﹕1的比例確定羊三區(qū)的開(kāi)采量為132萬(wàn)m3，混合后綜合方量折減率約為90%，最終混合為177萬(wàn)m3壩殼料，右岸土石壩需要量為222萬(wàn)m3，按開(kāi)采量與需要量之比取1.2的要求，需要在七里崖北區(qū)儲(chǔ)備89萬(wàn)m3，作為右岸土石壩壩殼料料源。

在七里崖北區(qū)料場(chǎng)，考慮現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)能力，左、右岸標(biāo)在相應(yīng)開(kāi)采區(qū)開(kāi)采獲得率分別為85%～76%，七里崖北區(qū)（不包括魚(yú)塘區(qū)和魚(yú)塘保護(hù)區(qū)）可采量為323萬(wàn)m3，左、右岸土石壩壩殼料在七里崖北區(qū)需要量為249萬(wàn)m3，不包括魚(yú)塘區(qū)和魚(yú)塘右側(cè)及下游保護(hù)區(qū)的七里崖北區(qū)儲(chǔ)量與需要開(kāi)采上岸量的比值為1.30。

右岸土石壩壩殼料從羊三區(qū)與羊二區(qū)開(kāi)采，羊三區(qū)與羊二區(qū)砂礫石料按2﹕1的比例混合后，綜合方量為178萬(wàn)m3，需要在七里崖北區(qū)規(guī)劃89萬(wàn)m3的開(kāi)采區(qū)。

左、右岸土石壩壩殼料在七里崖北區(qū)（不包括魚(yú)塘區(qū)和魚(yú)塘保護(hù)區(qū)料場(chǎng)）開(kāi)采249萬(wàn)m3，按1.2的系數(shù)，需要規(guī)劃299萬(wàn)m3開(kāi)采區(qū)。七里崖北區(qū)料場(chǎng)（不包括魚(yú)塘區(qū)和魚(yú)塘保護(hù)區(qū)料場(chǎng)）可開(kāi)采儲(chǔ)量323萬(wàn)m3。

3.2.4 開(kāi)采設(shè)備選型配置

目前，國(guó)內(nèi)同等規(guī)模工程水下開(kāi)采深度控制在2～3 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為保證開(kāi)采用量，開(kāi)采設(shè)備最大開(kāi)采深度要求達(dá)到8～9 m，另設(shè)計(jì)要求，水下開(kāi)采遇到泥團(tuán)、淤泥質(zhì)壤土?xí)r應(yīng)予以剔除，這對(duì)開(kāi)采設(shè)備選型方面提出了更高的要求。

開(kāi)采設(shè)備選型主要考慮的因素為開(kāi)采深度、土石壩填筑施工進(jìn)度要求、河道實(shí)際狀況。

首先，依據(jù)大壩加高工程砂礫石料源調(diào)整規(guī)劃要求，通過(guò)對(duì)羊皮灘料場(chǎng)的羊一區(qū)、羊二區(qū)、羊三區(qū)及其它4個(gè)區(qū)域以及七里崖料場(chǎng)內(nèi)混凝土骨料質(zhì)量評(píng)價(jià)、壩殼料質(zhì)量評(píng)價(jià)，采用挖掘機(jī)取樣砂和鏈斗式采砂船取樣砂的細(xì)度模數(shù)、平均粒徑、含泥量的比較，可見(jiàn)，采用鏈斗式采砂船進(jìn)行水下開(kāi)采，可提高砂的平均粒徑和細(xì)度模數(shù)，降低砂的含泥量。因此，鏈斗式采砂船為水下砂石料開(kāi)采的首選設(shè)備。

根據(jù)對(duì)生產(chǎn)強(qiáng)度和開(kāi)采強(qiáng)度的具體分析，進(jìn)行砂石料水下開(kāi)采設(shè)備的具體選型、配置。

一是生產(chǎn)強(qiáng)度分析；每年水下開(kāi)采施工受汛期影響較大，需儲(chǔ)備壩殼料，根據(jù)總進(jìn)度要求，儲(chǔ)備量為12萬(wàn)m3。按照開(kāi)采船只配備及保證平均每月6萬(wàn)m3壩殼料填筑，需在右岸羊二、三開(kāi)采區(qū)布置120 m3/h采砂船和260 m3/h采砂船及相應(yīng)的運(yùn)輸編隊(duì)開(kāi)采。

二是開(kāi)采強(qiáng)度分析；高峰期每月需要開(kāi)采壩殼料6萬(wàn)m3。在羊二、三區(qū)分別布置120 m3/h采砂船和260 m3/h采砂船組成各自編隊(duì)的月開(kāi)采強(qiáng)度取利用系數(shù)取0.7，約為6.3萬(wàn)m3，滿足土石壩填筑需要。單獨(dú)布置一條150 m3/h采砂船在混凝土骨料及反濾料開(kāi)采區(qū)，開(kāi)采毛料供應(yīng)混凝土骨料篩分、反濾料加工。

3.2.5 水下開(kāi)采施工作業(yè)均使用鏈斗式采砂船，砂駁運(yùn)輸。

3.2.5.1 開(kāi)采順序

采砂船開(kāi)采（羊二、三區(qū)）→砂駁運(yùn)輸→1#、2#碼頭躉船轉(zhuǎn)運(yùn)→經(jīng)岸上皮帶機(jī)系統(tǒng)運(yùn)輸至毛料堆場(chǎng)分區(qū)堆放。

3.2.5.2 明確開(kāi)采區(qū)域

根據(jù)料場(chǎng)劃分情況對(duì)開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行了測(cè)量放線，明確右岸壩殼料的開(kāi)采區(qū)域，壩殼料開(kāi)采區(qū)域以羊二、三為主，七里崖料場(chǎng)補(bǔ)充，放置有浮標(biāo)開(kāi)采區(qū)域明確，便于施工船只進(jìn)行開(kāi)采。

3.2.5.3 采砂船開(kāi)采

采砂船開(kāi)采時(shí)，必須一次開(kāi)挖至采砂船的最深開(kāi)采限度，避免二次開(kāi)采，以提高開(kāi)采效率和充分利用料場(chǎng)資源。開(kāi)挖采取逆水流方向開(kāi)采，開(kāi)挖時(shí)，采用錨攬固定采砂船，調(diào)整水下開(kāi)采鏈斗位置，運(yùn)輸砂駁就位后，由船長(zhǎng)統(tǒng)一指揮開(kāi)始開(kāi)采施工。

3.2.5.4 運(yùn)輸

水下開(kāi)采砂石料運(yùn)輸采用砂駁運(yùn)輸，目前的砂駁有自航式砂駁和非自航式砂駁，非自航式砂駁由拖輪牽引進(jìn)行水上運(yùn)輸，為保證運(yùn)輸砂駁將砂礫料卸至岸上，砂駁上需配置足夠長(zhǎng)的運(yùn)輸皮帶系統(tǒng)，保證砂礫料上岸。

岸上的運(yùn)輸設(shè)備主要是皮帶機(jī)運(yùn)輸，毛料運(yùn)輸至篩分系統(tǒng)廊道位置，皮帶寬1 m，輸送速度為2 m/s，岸上輸送距離約112 m。

3.2.5.5 堆放

毛料運(yùn)輸上岸后在已規(guī)劃毛料堆場(chǎng)分區(qū)堆放。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)丹江口大壩加高工程右岸新建土石壩所需混凝土骨料、壩殼砂礫料、反濾料等原材料的水下開(kāi)采的實(shí)施過(guò)程，分析、研究在水下開(kāi)采施工過(guò)程中遇到的難題，并制定出了最佳的解決方案，同時(shí)在砂石料水下開(kāi)采料源復(fù)勘、開(kāi)采設(shè)備選型、開(kāi)采施工方法、安全生產(chǎn)管理等方面積累了經(jīng)驗(yàn)，為水下砂石料開(kāi)采施工借鑒參考。