浅析水利水电工程砂石料场的优化选择

蒋际勇

1 砂石料场优选的意义

砂石料场的规划选择是混凝土坝施工组织设计中的重要环节,工程造价在很大程度上取决于骨料成本,而骨料成本又取决于料场选择及相应的加工方案的优劣。在混凝土坝为主体工程的水利水电工程中,砂石骨料的用量通常都是比较大的,大坝的造价在很大程度上取决于骨料的成本,并直接影响整个工程的投资,而骨料的成本又取决于料场的选择及相应的采、运、加工等施工方案。在混凝土坝工程中,由于砂石骨料用量大,如果每吨砂石料成本能节约1元～2元,将节省工程投资数千万,经济效益十分显著。

混凝土坝施工的工期较长,在施工过程中各期对骨料的需求量,级配要求和质量要求也各不相同,骨料产地实际开采的情况与勘测设计阶段预期的情况也会存在着某些差异,如何在施工实践中修改与调整,也需要一个快速准确的计算方法。基于以上两种情况,需要给出一套较为适合大中型水利水电建设工程中对砂石料场进行优选设计的方法,为施工组织设计中确定料场规划找到一个较好的、行之有效的方法。

2 天然砂砾石料场的优选

一般工程所在地附近大多有天然砂石料场可以利用。天然砂砾石料场在进行优选时主要目的是选定具体料场并确定其开采量,一般在料场优选系统中作为工程的主要备选料场。按其产地位置的相对高低,可分为陆上料场、河滩料场、河心水下料场三类,通常多数为河滩和水下料场。陆上料场一般覆盖层较厚,杂质含量较高,开采不受河水影响;河滩料场占天然砂石料场的大多数,地处河流上游的河滩料场,常因河道坡陡流急,粒径偏粗,含砂量偏低,料场贮量少而分散,中、下游地区的河滩料场,粒径相对较小,常可找到大片集中的料场,河滩料场上部在枯水期出露,洪水期淹没,一部分砂石料经常位于河水位以下,表面覆盖层相对较薄;水下料场系指常年处于河水面以下的砂砾料场,有时与河滩料场连成一片。天然砂砾石料场的优选主要目的是选定开采料场并确定其开采量。因此在料场优选系统中必然要包括可供工程考虑采用的主要料场。

以广西全州县柳铺水电站工程为例:柳铺水电站工程位于全州县庙头镇湘江上,电站装机容量3×5 000 kW,多年平均年发电量7 319万kWh。本工程需要的建筑材料有块石、砂、卵砾石及土料,其需求量分别为:块石料约4.5×104m3,砂料约2×104m3,砾石料5×104m3,粒度2 cm～5 cm 卵石料约 3×104m3,土料约12×104m3。坝址下游沿江1 km,坝址上游沿江40 km范围内,经勘探共分布有天然砂砾石产地大的 10多处,每处储量均在100万m3以上。坝址下游以白果料场、兆村料场为主,砂砾(卵)石层厚5 m～13 m,大部分储量位于水下。成分以石英为主,岩屑、长石、云母次之。砂的成分以石英为主,砂石质量良好。坝址上游有巷马渡、深福、庙头、壁山桥、黄沙河等几处料场,质量与白果料场、兆村料场相同。在优选设计中同样应对天然料场进行筛选,把那些条件明显不好的料场去掉。经过筛选后择优选定白果料场。白果料场的最大优势是运距短,若装船水运仅1 km,装车公路运也只有8 km;场地宽,约有500亩;储量大,约为100万m3,为柳铺水电站工程骨料总需求量的5倍。

3 天然料场优化选用、开采与筛洗单价的确定

在本次优选设计中采用了动态规划的最短途径法,对各个料场可供选择的施工方案进行综合比较,具体做法如下:

每个天然料场的开采与筛洗工作,大致可划分为6个施工过程:1)料场的集料与采料;2)装载;3)向临时堆场或加工厂的运输;4)毛料贮存或转运;5)筛洗与分级;6)成品的贮存脱水及其因质量差异所增加的附加费用。

在上述工艺流程中,并未包括破碎工艺,而是将破碎工艺作为一个独立的工艺加以考虑。在上述6个工艺过程中,每一过程可以有多种施工方法供选择,例如在采料与集料这一施工过程中,可以考虑采用不排水施工方案,利用多斗式采砂船或索式挖土机进行水下采料。也可以考虑采用排水施工方案,用推土机集料,或用多种斗容的挖土机采料。场内运输这一施工过程同样可有多种施工方法与设备供选择,有轨运输、自卸汽车、皮带运输机等运输方式常为各工地所采用。各施工过程间的多种施工方案又必须相互配合,组成料场开采的综合机械化施工方案。以单项施工工序为基础,将施工过程组合成综合机械化开采施工方案网络图,把错综复杂的工艺配合问题,清楚地概括起来,通过图上作业或借助动态规划最短途径法的电算程序,可以很快地选出最优的施工综合方案。这一方法的突出优点如下:

1)直观,所有可供选择的施工方案均表示在一张网络图上。

2)便于进行单价分析,各施工工序比较单一,易于给出单价。

3)计算工作量小,方法简便,易于掌握。

4 人工制备砂石料的方案

湿抗压强度在400 kgf/cm2以上的致密块状岩石一般均可作为人工骨料的原料。在大中型工程中,如果主要骨料用料点附近无规模相当的天然砂石料场时,应考虑人工骨料方案,人工骨料方案在料场优选中一般是作为独立分系统考虑的。料场优选系统建立时,将人工骨料方案与天然骨料为主的方案作为平行独立的方案分别予以考虑,最后再加以比较,这样可以简化工作的一般程序,可得到几组方案的经济指标,为决策提供论据。

利用山灰岩人工机制混凝土骨料方案在砂石料源的优选中是作为独立的分系统加以考虑的,这是由石料场的岩性所确定的。石料场的石质为白云岩,储量丰富,石质好,但由于灰岩的物理力学指标与火成岩或混合岩性的骨料差异较大,两种骨料不宜混杂使用,故在料场优选系统的建立时,可将人工机制骨料方案与天然骨料为主的方案作为平行独立的两组方案分别予以考虑,最后再加以比较,择其优者。

5 石碴的利用问题

水电工程坝基或地下工程开挖时,常有大量石碴要弃置。其中往往有相当一部分是质量符合要求的新鲜块石,可用作人工骨料的原料。利用弃碴加工成人工骨料,一般成本较低,还可避免占用大片弃碴场地,因此在料场选择时,弃碴应作为一个重要的料源加以研究。

以柳铺水电站工程为例:石碴的作用主要是调整特大石与大石的需求量,坝前碎石厂只需进行初碎,由于石碴的利用量限为5万m3。石碴的调剂作用尚不能最充分的发挥,致使料场仍有弃料。如石碴的使用量再大一些,会更经济一些。石碴的利用量目前约为整个骨料需求量的1/3,可以大大降低远距离运输骨料数量,减轻运输量的压力。故如以天然料源为主研究柳铺水电站工程的骨料供应方案,石碴的利用方式,应以利用石碴调整级配的方式较为经济。由此引起的施工质量控制、施工管理及施工工艺上的一些问题应进一步采取措施加以改进。

[1]林延强,陆昌甫,朱光熙,等.水利土木工程系统分析方法[M].北京:水利电力出版社,2003.

[2]周世明,张平新,傅万绪.混凝土工程施工[M].北京:水利电力出版社,2002.

[3][原苏联]E.A.达尼列维奇.露天开采的组织与计划[M].冠湘,译.北京:冶金工业出版社,2002.