砂石骨料长距离运输线的优化设计研究

冯 钧　兰 芳

（葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北　宜昌　443002）

摘 要：水电站，特别是大型、巨型水电站工程，混凝土工程量大，料源选择首要是质量; 为保证质量，舍近就质; 目前国内开发流域的大型、巨型水电站的规划料源，距离主体混凝土浇筑的直线距离都在几公里以上，引之而来的是成品、半成品长距离输送的普及; 本文从三峡工程、龙滩工程、向家坝工程、溪洛渡工程、锦屏一级的长距离运输实例，具体就锦屏一级三滩的成品细骨料运输线投标设计规划，谈一下砂石系统长距离运输线设计，针对汽车运输、长距离带式胶带机、管带机运输方式，结合工程的具体特点，从技术经济综合分析的基础上，努力选取安全可靠、经济节约、施工便利、进度快捷的方案，以资参考。

关键词：砂石系统　骨料长距离运输线　管带机　锦屏一级

1 概述

水电站，特别是大型、巨型水电站工程，混凝土工程量大，料源选择首要是质量；为保证质量，舍近就质；目前国内开发流域的大型、巨型水电站的规划料源，距离主体混凝土浇筑的直线距离都在几公里以上，引之而来的是长距离成品、半成品运输的普及，三峡工程、龙滩工程、向家坝工程、溪洛渡工程、锦屏一级的骨料长距离运输，针对工程的具体特点，长距离运输方式各有不同。

三峡工程的一期砂石系统高家冲砂石系统距85高程拌和系统约1km，长距离输送采用3条胶带机组成，胶带机长1.27km （最大单机长度858.5m），带宽1.0m，带速2.5 m/s，设计运输能力1200t/h。古树岭人工碎石系统的料源是主体开挖利用料，距离左岸坝址约2km，采用的常规胶带机运输；下岸溪人工骨料系统距离坝址约14km，成品骨料采用汽车运输方式。

龙滩水电站大法坪砂石加工系统与大坝右岸混凝土生产系统直线距离约4km，采用带式输送机输送成品骨料，是长距离带式输送机在国内水电史上的首次应用。成品砂石料采用单洞单机皮带运输至右岸混凝土生产系统骨料罐储存，胶带机长4km，带宽1.2m，带速4.0m/s，设计运输能力3000t/h。同时混凝土拌和系统设成品砂石料汽车运输受料坑作为备用。

向家坝水电站的太平料场骨料输送线 （从太平料场到坝区马延坡砂石加工系统之间）采用长距离带式输送机输送半成品骨料 （0～200mm含泥灰岩碎石）。输送线由5条长距离带式输送机组成，总长约31.1km （最大单机长度8.298km），主要布置在隧洞内 （洞线穿越高山、溪沟），设计输送能力3000t/h。

溪洛渡水电站马家河坝细骨料运输中也采用胶带机运输方式，锦屏一级水电站印把子沟粗骨料系统成品运输中采用了管带机方式。

下面介绍一下锦屏一级水电站三滩砂石系统的成品细骨料运输方式的选择。

2 锦屏一级水电站三滩砂石系统的成品细骨料输送线的选择

锦屏一级三滩右岸人工骨料生产系统细骨料运输线主要承担大坝高线混凝土拌和系统细骨料供应任务，输送能力不低于350t/h，供料接口在细骨料储料井，直线距离约2km。

考虑到系统检修、闲置和骨料井的调节作用，输送线的输送能力按500t/h进行规划设计，输送总量316万t。

2.1 方案提出

根据现场查勘情况，借鉴已建运行的其他工程的成功经验，综合分析，在技术上可行的有如下4种方案选择。

（1） 第一种方案

运输方式：胶带机运输Y1～Y6，B=800，5条。

运输线路：三滩右岸人工骨料生产系统成品细骨料堆场——大坝缆机平台——右岸高线混凝土系统砂竖井顶平洞。

细骨料从成品堆场廊道胶带机Y1给料，接胶带机Y2运至缆机平台，缆机平台上设Y3、Y4胶带机，经右岸高线混凝土生产系统5#隧洞，由Y5胶带机送入右岸高线混凝土系统砂竖井上平洞，经胶带机Y6给料至竖井上的S1皮带机。

Y2由成品堆场口接料，线路途经解放沟，设一中桥 （跨径70m，跨高138m，桥面高程1897m），掘隧洞［隧洞共分为1段，总长约1400m，主洞断面净空尺寸为：3.5m （宽） ×3m （高），倾角2.8°，隧洞底板高程由1897m至高程1966m） ］，出隧洞后架胶带机栈桥过普斯罗沟至缆机平台，胶带机栈桥立柱最高达75m以上。Y3、Y4设为地面胶带机，设在缆机平台上靠山侧。Y5胶带机布置于5#隧洞内。Y6胶带机布置于混凝土系统砂竖井上的平洞。

解放沟桥，因跨度较大，在沿桥方向50m处架设一桥墩，墩高近50m，桥为钢结构双向斜拉桥。

（2） 第二种方案

运输方式：胶带机运输Y1、Y2、Y3，B=800，2条。

运输线路：三滩右岸人工骨料生产系统成品细骨料堆场——解放沟——普斯罗沟——高线混凝土系统砂竖井顶平洞。

细骨料从成品堆场下廊道胶带机Y1给料，接胶带机Y2运至高线混凝土系统竖井上平洞，经胶带机Y3给料至竖井上的S1皮带机。

Y2由成品堆场口接料，线路途经解放沟，设一中桥 （跨径70m，跨高138m，桥面高程1897m）；后掘隧洞［隧洞共分为2段，总长约1787m，主洞断面净空尺寸为：3.5m （宽） ×3m （高），倾角2.5°，隧洞底板高程由1897m至高程1975m） ］；途经普斯罗沟，设一小桥 （跨径24m，跨高50m，桥面高程1903m）。Y3胶带机布置于混凝土系统砂竖井上的平洞。

解放沟桥，因跨度较大，在沿桥方向50m处架设一桥墩，墩高近50m，桥为钢结构双向斜拉桥。

主要建安工程量，构筑物为两条隧洞、两座胶带机钢栈桥。主要设备均为DTⅡ型标准胶带机。

（3） 第三种方案

运输方式：胶带机运输Y1、Y2、Y3、Y5，B=800，4条DTⅡ型标准胶带机；Y4为管带机，1条。

运输线路：三滩右岸人工骨料生产系统成品细骨料堆场——5#公路6#隧洞—5#公路5#隧洞—普斯罗沟排水洞口附近——胶带机隧洞——高线混凝土系统砂竖井顶平洞。

细骨料从成品堆场下廊道胶带机给料，接胶带机Y1、Y2、Y3运至5#公路6#隧洞口，利用5#公路5#、6#隧洞设管带机Y4运至普斯罗沟排水洞口附近，掘隧洞至高线混凝土系统竖井上平洞，内设Y5胶带机，给料至竖井上平洞胶带机。

Y4胶带机头部平段隧洞，总长约47.8m，主洞断面净空尺寸为：3.5m （宽） ×3.5m （高），隧洞底板高程1892.46m；Y5胶带机隧洞，总长约409m，主洞断面净空尺寸为：3.5m （宽） ×3.5m （高），倾角11.7°，隧洞底板高程由1892.46m至高程1975m。

主要建安工程量为两条隧洞。主要设备是4条DTⅡ型标准胶带机，1条管带机。

（4） 第四种方案

利用5#公路5#、6#隧洞采用汽车运输；由三滩人工骨料系统装车台装料，通过5#公路5#、6#隧路，汽车运输至5#公路4#隧洞出口。此处根据现场查勘情况，目前为右坝肩开挖弃渣场，渣料已回填形成开阔平台。在此外设一回转平台，布置汽车受料坑，沟右侧开挖一条胶带机洞布置一条B800mm的胶带机运输至右岸高线混凝土系统砂竖井。

2.2 方案技术比较

（1） 方案一

优点：①胶带机隧洞线路较短，设备均为DTⅡ型标准胶带机。

②在缆机平台上布胶带机，土建工程量较小。

缺点：在缆机平台上装设备会造成对缆机检修的干扰，且明确规定了本标不能占用。”

（2） 方案二

优点：①胶带机均为DTⅡ型标准胶带机，常规胶带机安装熟练。

②胶带机运输线自成一体，运行不造成对其他承包商的施工干扰。

缺点：①将分别在解放沟、普斯罗沟架桥，施工难度增加。

②胶带机隧洞施工需分别在9#公路隧洞及5#公路隧洞破洞打施工便道，工程量增大，占用工期；1789m隧洞工期长，不能保证按时供料。

③胶带机隧洞断面较小，出渣进度受到影响。

（3） 方案三

优点：大部分输送线沿5#公路5#、6#隧洞布置，土建工程量减小，大大节约了施工时间，提高施工进度。

缺点：①由于管状胶带在交通隧洞内通过，若管理不善，将对过往车辆交通有一定的影响。

②由于管状胶带机在洞上部安装，胶带机安装支承结构较多。

（3） 方案四

优点：由于利用5#公路5#、6#隧洞汽车运输，土建工程量最小，大大节约了施工时间，提高施工进度。(www.xing528.com)

缺点：①普斯罗沟下游施工场地目前由其他标段使用，施工干扰较大且后期场地用途不明。

②弃渣场的施工与运输线供料形成干扰，施工协调工程量大。

2.3 方案经济比较

四种方案的经济比较见表1。

表1 三种方案经济比较

2.4 方案确定

方案一、方案二由于胶带机隧道施工工程量较大，加之隧道施工的辅助道路施工，且两个方案都要架桥，增加施工难度，不安全因素增加，提高工程风险。影响供料线运行维护的可靠性；方案一还涉及了缆机平台的本标禁用问题，方案二施工工期难以保证。方案三采用管带机隧洞顶布置，需安装支撑及吊挂钢结构，但整体建安工程量少，施工干扰相对少，经济上具有优势。方案四在经济上具有优势，然此方案相关问题不明，与其他工程施工干扰大，故不采用。

本工程选用方案三，利用5#公路5#、6#隧洞设置管带机输送细骨料的运输线形式。

2.5 细骨料运输线的方案设计

细骨料运输线总长2704m，总功率641kW，输送能力500t/h，输送总量316万t。由三滩人工骨料系统成品砂堆场，利用5#公路5#、6#隧洞，设置吊挂管带机配合普通胶带机运输的细骨料运输线。由Y1～Y5五条胶带机组成，Y4为吊挂管带机，在Y5胶带机上设置电子皮带秤计量。

2.6 管带机 (Y4胶带机) 设计

Y4胶带机利用5#公路5#、6#隧洞，采用隧洞顶吊挂方式。考虑隧洞的平曲线因素，选择管状胶带机。

Y4胶带机单机长度为1.9563km，该机除尾部为洞外，其余均为设置于隧洞；洞外胶带机上设遮阳防雨棚。管带机管径300mm，带速3.0m/s，提升高度－5m，输送量500t/h。管状胶带机顺5#公路隧道曲线布置。

2.6.1 管状胶带机基本性能特点

管状胶带机是由呈六边形布置的辊子强制胶带裹成边缘互相搭接成圆管状来输送物料的一种新型带式输送机。具有密封环保性好、输送线可沿空间曲线灵活布置、输送倾角大，复杂地形条件下单机运输距离长等特点，同时与普通带式输送机比还具有建设成本低、安装维护方便、使用可靠等优点。管带机的头部、尾部、受料点、卸料点、拉紧装置等位置在结构上与普通带式输送机基本相同。输送带在尾部过渡段受料后，逐渐将其卷成圆管状进行物料密闭输送，到头部过渡段再逐渐展开直至卸料。

其基本性能特点如下：

①输送物料被包围在圆状胶带内输送，因此，物料不会散落及飞扬；反之，物料也不会受外部环境的影响。即避免了因物料的洒落而污染环境，也避免了外部环境对物料的污染。

②胶带被六只托辊强制卷成圆管状，无输送带跑偏的情况，管带机可实现立体螺旋状弯曲布置，一条管状带式输送机取代一个由多条普通胶带机组成的输送系统。可节省土建（转运站）、设备投资 （减少驱动装置数量），并减少了故障点，及设备维护和运行费用。

③管状带式输送机自带走廊和防止了雨水对物料的影响，因此，选用管状带式输送机后，可不再建栈桥，节省了栈桥费用。

④输送带形成圆管状而增大了物料与胶带间的摩擦系数，故管状带式输送机的输送倾角可达30度，可减少胶带机的输送长度，节省了空间位置和降低了设备成本，可实现大倾角 （提升） 输送。

⑤输送带形成管状，桁架宽度较相同输送量的普通带式输送机栈桥窄，减少占地和费用。

主要表现在以下几方面：

a. 可减少物料运输损耗；

b. 在运输过程中不污染环境；

c. 制造及安装成本低 （与加罩的普通带式输送机相比）；

d. 布置灵活，特别适合地形复杂、障碍物多的环境；

e. 结构紧凑，断面小能节省空间；

f. 运输距离长、运量大 （每小时运量可达7000吨）；

g. 可选用普通托辊，又不会发生普通带式输送机常见的胶带跑偏现象。

2.6.2 管径选择

细骨料输送能力不低于350t/h，选用管径D=250mm、v=2.5m/h的管带机即可满足要求，考虑设备检修和瞬时供料强度增加因素，输送线在设计时对整体输送按500t/h进行考虑，管带机采用D=300mm，v=2.5m/s的输送机。

2.6.3 胶带选择

管带机常用胶带一般采用普通尼龙输送带和钢丝芯胶带两种规格，但从目前使用情况来看，普通尼龙输送带由于刚度低，在转弯出容易出现起褶、落料现象，影响胶带的正常运行；钢丝芯胶带具有强度高、使用时间长，变形低的优点，但价格较昂贵，维修保养费用高等特点。

为保证输送线的正常进行，管带机在胶带配置选用钢丝芯胶带。

2.6.4 最小转弯半径及过渡段长度

最小转弯半径及过渡段长度水平布置见图1。

图1 最小转弯半径及过渡段长度示意图

最小转弯半径及过渡段长度 （钢绳芯输送带） 按下式进行计算：

（1） 转弯半径R

水平转弯半径R≥管径×600

垂直转弯半径R≥管径×600

（2） 过渡段长度Lg

Lg≥管径×50

本方案中，管带机水平和垂直最小转弯半径不低于180m，头尾过渡段长度不低于15m。输送线拟通过路线纵曲线基本处于微下坡方式，满足垂直转弯半径的要求，水平段最小转弯半径位于5#路6#隧洞和5#隧洞之间，转弯半径为400m，满足管带机水平转弯的技术要求。

2.6.5 头部驱动方式

根据胶带机工艺线路布置要求及经济实用性要求，采用头部驱动方式驱动，可大幅度减少胶带机最大张力 （较头尾驱动形式减小25%），降低设备总投资；由于胶带机拉紧行程及拉紧力大，采用了液压绞车自动张紧装置，布置在胶带机头部低张力处，自动调整胶带机各种运行工况所需要的胶带张力。

3 结语

目前，应用在水电行业骨料运输线的胶带机技术，单机长度已从858.5m （三峡高家冲系统） ——3.945km （龙滩大法坪系统） ——8.298km （向家坝太平料场及马延坡砂石加工系统），带速由2.5m/s至4.0m/s，由直线布置到管带机的沿空间曲线灵活布置，发展迅速。

胶带机技术的不断发展，在骨料运输线设计中，汽车运输逐渐由主导运输方式转化为配合、辅助、补充方式。胶带机运输的可靠性、成本优势、环保清洁的特点，逐渐被越来越多的水电站采用，应用在成品、半成品料的运输中。

具体到运输线设计，在综合考虑技术经济的基础上，不一而定，择优选择。

◎作者简介：

冯 钧，男，葛洲坝五公司副总经理，高级工程师。

兰 芳，女，葛洲坝五公司砂石科学研究所高级工程师，副所长。