锦屏水电站砂石加工系统的规划与优化

赵小青　罗作仟

（葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北　宜昌　443002）

摘 要：本文重点介绍了锦屏水电站砂石加工系统受现场施工地形地质条件限制，料源不得不选用加工性能较差的变质石英砂岩加工粗骨料，选强度较低及易成粉的大理岩制细骨料，为保证为305米世界第一高混凝土拱坝提供满足混凝土温控等设计要求的四级配人工砂石骨料，葛洲坝五公司针对该工程特点，在业主、监理等有关单位的支持下，经研究比较选择了对料场有用料采用溜井和溜槽运输、半成品料采用长距离胶带机运输、特大石采用粗级反击破整形、人工砂采用选粉机风力分级控制石粉含量等新技术和新工艺，满足了锦屏水电站施工需要，对类似工程人工砂石骨料生产有借鉴作用。

关键词：砂石加工系统　有用料　溜井和溜槽运输　半成品料　长距离胶带机运输特大石　粗级反击破整形　风力分级控制石粉

1 引言

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站，其下游梯级为锦屏二级、官地、二滩和桐子林水电站。锦屏一级水电站规模巨大，枢纽建筑物主要由混凝土双曲拱坝 （坝身设4个表孔和5个深孔）、水垫塘和二道坝、右岸一条有压接无压泄洪洞、右岸岸塔式进水口、引水系统、中部地下厂房及开关站等组成。大坝坝顶高程1885.0m，建基高程1580.0m，最大坝高305m，电站装机容量3600MW。水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，正常蓄水位以下库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库，对下游梯级电站的补偿效益显著。枢纽建筑物混凝土总量约680万m3，共需生产成品骨料约1650万t，其中粗骨料约1155万t，细骨料约495万t。本工程设置了印把子沟砂石系统和三滩右岸砂石系统，其中印把子沟砂石系统主要生产粗骨料，料源为印把子沟下游约3km的大奔流沟变质石英砂岩料场，砂石系统毛料处理能力2000t/h，成品料生产能力1600t/h。三滩右岸砂石系统主要生产细骨料，料源为坝址上游约3km的三滩右岸大理岩料场。

大奔流沟料场和三滩右岸大理岩料场地形陡峻，开挖高度大，料场开采存在毛料运输困难和施工布置难度大；大奔流沟料场砂岩变质后，结晶定向排列而呈各向异性，变质砂岩加工的粗骨料易产生针片状，尤其是特大石的针片状含量不易控制；三滩右岸大理岩料场的大理岩加工性能较差，通过破碎设备破碎后原状砂颗粒级配不好，原状砂石粉含量达35%～50%，人工砂多余石粉的剔除难度大，由于现有的常规工艺和施工技术很难从根本上解决该工程砂石料生产中存在的问题，因此有必要研究采用新技术和新工艺。

2 料场有用料采用溜井和溜槽运输

2.1 大奔流沟料场有用料运输方案选择

大奔流沟料场位于坝址左岸下游9km的雅砻江左岸临江岸坡，距上游锦屏二级电站闸坝0.3～1km。料场区自然岸坡为倾角55°～65°的顺向边坡，坡脚河床高程1620m，坡顶高程2400m，最大坡高780m。设计边坡开口线最大高程为2183m，规划开挖最低高程为1670m，设计边坡开挖高度513m。料场规划开采总量1263万m3，其中有用料储量为1090.3万m3。

由于大奔流沟料场有用料层呈长条带状展布于高程1670～2183m，山顶与山脚高差达到500m以上，而料场区域地形陡峭，无法形成明线道路，料场运输通道主要以隧洞交通为主，因此料场有用料运输主要有全汽车运输、溜槽运输、溜井运输等几种备选方案。

（1） 全汽车运输方案

料场运输通道主要以隧洞交通为主，全汽车运输需从开采区后面的山体内修建约6.0km的较高等级交通洞，从而存在运距长、土建工程量大，建设费用和运行费用都较高，高峰期运输强度难以保证，且汽车长距离在螺旋形洞内重车下坡行驶，安全性难以得到保证，运行条件差，道路维护工程量大。

（2） 溜槽运输方案

利用料场内冲沟作溜槽运输方案经济性较好，但由于毛料粒径大，最大落差500多米，滚石、飞石多、冲击力大，在沟底料堆取料困难，且上部溜料与下部取料无法同时进行。若在沟底靠山侧挖洞室取料，要满足高强度挖装，需配多台挖装设备和足够的回车场地，因此洞室跨度大，洞内装车时安全性和装车强度难以得到保障。若采用溜槽接短溜井的方式，由于冲沟两侧岩体陡峭和破碎，受石料冲击和磨损后易塌方造成超径进入溜井而堵井，影响溜井的正常运行，且溜槽附近的覆盖层和无用料极易进入溜井造成有用料污染，因此溜槽运输方案也不可靠。

（3） 溜井运输方案

采用溜井垂直运输的方案，具有运距短，运输费用低，投入设备少，运行管理方便，能适应高强度的运输要求。因此，从可靠性、安全性与经济性等诸多方面来评价，溜井运输方案比全汽车运输和溜槽运输方案更合理、更具优越性。

井深小于200m的溜井运输有用料方案已在多个水电工程成功应用，但对于开挖高达500多米的大奔流沟料场，已有的经验尚无法满足该料场200米以上开挖高差有用料的运输，是采用超深的单段溜井还是采用中间增加一次放矿机转运的多段溜井运输方案，对所选方案的运行成本和可靠性均有较大影响，也需要比较考虑。

根据以上方案比选，结合料场有用料开采强度计划和混凝土浇筑强度计划，料场开采至高程1940m左右，混凝土浇筑强度达到次高峰强度，料场开采至高程1865m左右，混凝土浇筑强度达到最大高峰强度，考虑供料可靠性和运行的经济性，最终选定的有用料运输方案是：在开采区布置2个溜井，其中1#溜井井口高程为1940m，井深275m，角度77°；2#溜井井口高程为1865m，井深200m，角度90°。开采的有用料由自卸汽车运输到溜井口卸入溜井的运输方案。

（4） 采场水平运输方案

料场开采的有用料水平运输方案是将料场有用料运输分为三部分处理，即EL1940m以上、EL1940m～EL1865m之间和LE1865m以下三部分。EL1940m以上部分有用料全部采用汽车运输至1#溜井1940m高程卸料平台或2#溜井1865m高程卸料平台；EL1940m～EL1865m之间大部分有用料通过1#溜井转运，少部分有用料用汽车转运至2#溜井1865m高程卸料平台；EL1865m以下有用料水平运输则由自卸汽车跟随料场降段，自各开采平台直接运输至溜井口卸料入井。

2.2 三滩右岸大理岩料场有用料运输方案选择

三滩右岸大理岩料场位于坝址上游约3km处雅砻江右岸1950～2370m高程的山坡上。料场山体呈N45°E的方向沿雅砻江右岸延伸分布，地形坡度35°～40°，局部达70°。料场规划宽约300m，长400m，设计边坡开口线最大高程为2250m，初采平台2175m，规划开挖最低高程为1950m，设计边坡开挖高度300m。料场规划开采总量820万m3，其中有用料储量为718万m3。

该料场范围狭长，开采深度较大，但开采运输条件较好，可以采用多种开采运输方式，如公路汽车运输方案、溜槽运输方案、斜溜井加皮带运输方案和溜槽加直溜井运输方案等。

考虑料场中部有一条约20m深的冲沟，沟底平均纵坡约38°，地质条件较好，因此三滩右岸大理岩料场采用溜槽加直溜井运输方案，即将溜井布置在料场中部20m深的冲沟内，溜井深100m，井口高程2100m，并在井口部位采用半挖半填的形式形成一个较大的缓冲平台，并在平台上设置拦石坎，防止卸料时产生飞石，2100m高程以上有用料利用天然的冲沟稍加修整后做成一段75m长的溜槽，然后利用溜槽将有用料溜至竖井中，此方案是较优的，降低了料场道路和溜井的施工难度，保证了工期和节约了施工成本。

3 半成品料采用长距离胶带机运输

大奔流沟骨料料场到印把子沟人工骨料生产系统距离约3km，受场地条件限制，料场区仅布置了粗碎车间，粗碎加工的半成品料若采用自卸汽车运输，需增加装车和卸料场地，场地布置困难，运输距离较长，成本高，若采用长距离胶带机运输，运行成本较低，但半成品料中含达900mm以上的超长石将远超胶带机允许的350mm最大块度要求，增加了胶带机的安全运行风险，经研究采取整形工艺解决超长石问题后才可采用。

综合考虑现场实际场地条件，大奔流沟料场粗碎加工的半成品料采用长距离胶带机运输，输送线由6条带式输送机组成，其中两条胶带机布置在平洞内，总长约2500m，胶带机洞断面净空尺寸为：5m （宽） ×4m （高），其余4条根据现场地形布置，长约500m。长距离胶带机设计输送能力为2500t/h。(www.xing528.com)

4 特大石采用粗级反击破整形

大奔流沟料场砂岩系变质砂岩，砂岩变质后，结晶定向排列而呈明显各向异性。受大奔流沟料场岩性的影响，致使印把子沟砂石加工系统生产的各级成品骨料针片状含量超标，且粒形差，尤其是特大石针片状颗粒严重超长，拌和楼多次发生料仓卡料和吊罐卡罐等情况。

由于料场岩石加工性能，破碎设备和筛分设备选型已定型，影响成品砂质量最关键工序是保证破碎和筛分设备在最佳的工况下运行。采用变质砂岩加工粗骨料在国内没有成熟的经验可借鉴，投产初期存在问题主要有以下几方面：

（1） 特大石超长石较多，针片状含量大

由于受旋回破开口限制，加工的半成品料中长条石多，最大长条石，宽度、厚度10cm左右，但长度可达1.2m，生产的特大石中单边长大于150mm的颗粒含量占65%以上，最大边长达350～450mm。

（2） 粗骨料中类针片状较多，粒形差，筛分效率低

由此可见，特大石全部由旋回破生产获得，但旋回破不能完全解决特大石针片状含量和特大石中超长石的问题，特大石获得率低，产量无法满足混凝土施工高峰期供料要求。

为保证粗骨料质量满足该工程混凝土温控等设计四级配人工砂石骨料供应要求，经研究、试验，通过采取稳定各破碎机和筛分机运行工况，并增加了反击破特大石整形车间，特大石产量、针片状含量明显减少，特大石粒形指标有明显提高，大石、中石、小石粒形明显改善。其主要采取的措施如下：

①调整一筛分车间上层筛网网孔为130mm，下层筛网网孔为90mm，减少一筛车间生产的特大石中大于250mm超长石进入成品堆场和减少特大石的逊径量。

②增加特大石整形车间，采用低转速、大排料口径的反击破对超径石破碎和特大石整形，以改善特大石粒形和增加特大石产量。

③采用混合料进入破碎机，并用变频给料机对旋回破和圆锥破给料，确保破碎机满腔给料，以改善粗骨料粒形。

④减少筛分机进料量，以保证筛分后超逊径满足要求。

5 人工砂采用选粉机风力分级控制石粉含量

三滩右岸砂石系统大理岩制砂生产性试验情况表明，大理岩制砂过程中由于立轴破及反击破的转速和进料粒径不同，破碎机破碎后小于5mm原状砂中各粒径级配有所差异，但总体趋势基本一致，其中原状砂的石粉含量平均约为40%，破碎机生产出来的原状砂细度模数很小，原状砂中粒径0.315mm以下的颗粒所占比例大，约58%，中间级配（0.315～2.5mm） 颗粒含量偏少，约22%左右，粗砂 （0.5～2.5mm） 含量偏多，约20%。

受岩石加工性能的影响，三滩右岸大理岩生产的原状砂具体石粉含量高，中间级配含量严重偏少，细度模数低和砂的成品率低的特点，而加工设备的类型和各种工况对原状砂的质量影响较小，如何选择有效剔除原状砂中多余的石粉，保证砂的石粉含量和细度模数满足规范要求是大理岩制砂质量控制的难点。原状砂中多余石粉剔除主要有洗砂机水力分级法、高频筛机械筛分法和选粉机风力分级法。

（1） 洗砂机水力分级法

在传统的方法中，砂中多余石粉剔除主要是利用加水冲洗部分石粉，然后用螺旋洗砂机回收有用料，直线振动筛脱水的方法来生产成品砂，从水洗法生产性试验可看出，由于原状砂中的细料占大部分，用传统的水洗方法根本无法剔除原状砂中大量的石粉，也易造成细砂大量流失。

（2） 高频筛机械筛分法

高频筛机械筛分筛粉法筛除原状砂中多余的石粉没有成功的经验借鉴，要剔除0.16mm以下的石粉，筛网网孔过大，易造成有用料损失，网孔过小，又无法有效剔除，容易堵孔，且该筛对原状砂含水率影响敏感。

（3） 选粉机风力分级法

选粉机风力分级法理论上在保证石粉不成团的条件就可剔除原状砂中多余的石粉，且选分机广泛用于水泥生产来选石粉或水泥，有一定的使用经验可参考，对原状砂含水率影响敏感度也较低。

为确保大坝混凝土浇筑有充足可靠的细骨料料源及能利用现场大理岩生产质量稳定的成品砂，提高产品获得率，经研究试验，三滩右岸砂石系统采用了风力选粉机来剔除去原状砂中的多余石粉的工艺方案，满足了工程施工需要。

6 结语

受现场施工地形地质条件限制，锦屏水电站砂石加工系统料源不得不选用加工性能较差的变质石英砂岩加工粗骨料，选强度较低及易成粉的大理岩制细骨料，目前印把子沟砂石系统已供料达1000万t，料场开挖降段363m，三滩右岸砂石系统供料达550万t，料场开挖降段240m，生产骨料质量满足设计和规范要求，满足了锦屏水电站大坝混凝土施工需要，大坝混凝土质量达到优秀等级，葛洲坝五公司为满足该工程混凝土人工砂石骨料供应，研究采取的上述新技术、新工艺希望对类似工程有参考和借鉴作用。

◎作者简介：

赵小青，男，高级工程师，葛洲坝五公司法人代表，总经理。

罗作仟，男，高级工程师，葛洲坝五公司副总工程师，葛洲坝集团锦屏砂石项目部总工程师。