向家坝水电站人工砂石系统生产工艺选择及后期调整

刘国平 周 海

（1.长江三峡技术经济发展有限公司向家坝水电站监理部，四川 宜宾 644000；2.中国水利水电第八工程局有限公司 向家坝砂石项目部，四川 宜宾 644000）

1 工程概况

向家坝水电站是金沙江梯级开发中的最后一个梯级，位于四川省与云南省交界处的金沙江下游河段，坝址左岸下距四川省宜宾县的安边镇4km、宜宾市33km，右岸下距云南省的水富县城1.5km.工程开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等综合作用.向家坝水电站为一等大（1）型工程，工程枢纽建筑物主要由混凝土重力挡水坝、左岸坝后厂房、右岸地下引水发电系统及左岸河中垂直升船机等组成.大坝最大坝高162m，总装机容量6400MW.主体工程混凝土施工期为2007年7月至2014年3月，其总工期约6年9个月.其中2010年1月～2012年3月为混凝土高峰浇筑期，共浇筑混凝土825.65万m3，占主体工程混凝土浇筑总量约68%，平均浇筑强度为30.58万m3／月；2010年7月～2011年6月为混凝土高峰浇筑年，共浇筑混凝土408.81万m3，占主体工程混凝土浇筑总量约34%，平均浇筑强度为34.07万m3／月，计入月不均衡系数1.2后，混凝土高峰月浇筑强度为40.88万m3／月.

太平料场及马延坡砂石加工系统，主要承担向家坝水电站左岸主体及导流工程标、二期土建及金属结构安装工程3个标（二期Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ标）、右岸地下厂房工程标等主体工程约1220万m3混凝土所需骨料的供应任务，共需生产混凝土骨料约2680万t，其中粗骨料约1820万t、细骨料约860万t.砂石系统由太平料场开采区、大湾口半成品加工区、马延坡成品加工区以及长距离带式输送机输送线（从太平料场附近大湾口半成品加工区到坝区马延坡成品加工区之间）4部分组成.

2 料场岩性

太平料场拟开采岩层为二叠系下统茅口组（P1m）灰岩.岩性以灰白、深灰色中厚层致密块状细晶至微晶灰岩为主，夹有少量生物碎屑灰岩.沿裂隙可见方解石、石英细脉充填，局部夹有少量炭泥质团块.物理力学试验成果表明，灰岩的平均干密度2.690 g／cm3，饱和抗压强度范围值62.50～149.00MPa，平均值95.60MPa；干抗压强度范围值95.90～176.00 MPa，平均值135.00MPa.岩石孔隙率平均值0.49%，吸水率平均值0.22%，岩石物理性质较好.

3 工艺流程选择及主要设备配置

3.1 工艺流程选择

针对高峰期四、三、二级配混凝土骨料需要量相对较大等特点，砂石系统按生产四、三、二级配混凝土骨料进行工艺流程设计，并结合目前我国已建（在建）水电工程大型人工砂石加工系统的生产运行状况，决定采用粗碎、中碎开路，细碎与第三筛分构成闭路，超细碎与第五筛分构成闭路生产人工砂，辅以棒磨机制砂的工艺流程.根据砂石系统料源岩性为灰岩，局部含泥量可能较大，设置洗石工序专门对含泥量较多的半成品料（≤40mm）进行清洗.

砂石加工系统由粗碎、第一筛分、中碎、第二筛分、洗石、细碎、第三筛分、第四筛分、超细碎、第五筛分、棒磨机、细砂回收等车间组成.具体流程过程为:毛料经粗碎车间破碎加工后输送至Ⅰ号半成品堆场堆存；Ⅰ号半成品堆场的物料输送至第一筛分车间，经筛分分级后，大于150mm（和部分80～150mm）的骨料进入中碎车间，中碎破碎后的产品连同一筛筛分分级后小于150mm的块石输送至Ⅱ号半成品堆场堆存；Ⅱ号半成品堆场的物料经长距离带式输送机输送线输送至Ⅲ号半成品堆场堆存，然后输送至第二筛分、洗石车间，筛分后满足砼用量要求的80～150 mm、40～80mm物料进入成品骨料堆场；级配平衡后多余的特大石和大石输送至细碎车间，小于40mm的物料由洗石机清洗后输送至第四筛分调节料仓；级配平衡后多余的特大石和大石经细碎车间破碎后进入第三筛分车间分级；第三筛分车间分级后大于40 mm的物料返回至细碎车间破碎，小于40mm的物料输送至第四筛分车间调节料仓；第四筛分车间分级后小于3mm的物料经螺旋分级机脱水后和一部分3～5mm的物料送至成品砂堆场堆存，剩余部分3～5 mm物料输送到制砂原料仓，5～20mm的物料一部分输送到成品堆场堆存，其余部分经ZKR1445振动筛脱水后输送到超细碎调节料仓或制砂原料仓堆存，20～40mm的物料一部分输送到成品骨料堆场堆存，其余部分经ZKR1445振动筛脱水后输送到超细碎调节料仓堆存；超细碎车间调节料仓的物料经破碎后进入第五筛分车间筛分分级；第五筛分车间分级后小于3mm和一部分3～5mm的物料进入成品砂堆场堆存，剩下部分的3～5mm的物料输送到制砂原料仓，5～20mm的物料一部分返回超细碎调节料仓，其余部分输送到制砂原料仓堆存；大于20mm的物料返回超细碎车间调节料仓；棒磨车间制砂经分级脱水后的成品砂经胶带机输送至成品砂堆场堆存.具体流程过程如图1所示.

图1 工艺流程简图

3.2 系统生产规模的确定及设备配置

3.2.1 生产规模的确定

根据施工总进度安排，混凝土高峰浇筑强度为40.88万m3／月，高峰月成品砂石需要量:Qc＝40.88×2.2＝89.936万t／月（注:系数2.2为每 m3混凝土中的砂石料用量），其中:特大石:Q1＝89.936×9.384%＝8.440（万t／月）；大石:Q2＝89.936×16.456%＝14.800（万t／月）；中石:Q3＝89.936×21.080%＝18.960（万t／月）；小石:Q4＝89.936×21.080%＝18.960（万t／月）；成品砂:Q5＝89.936×32.000%＝28.782（万t／月）.

按照成品砂石的生产要求，考虑加工、运输等损耗，高峰时段月毛料处理能力为:Qmd＝Q1／0.90＋Q2／0.90＋Q3／0.85＋Q4／0.85＋Q5／0.70＝111.554（万t／月）

高峰时段每月工作25d，每天工作14h，系统设计小时毛料处理量为:Qh＝Qmd／MN＝1115540／（25×14）≈3200t／h.

成品小时生产能力为:Q＝Qc／MN＝899360／（25×14）≈2600t／h.

砂石系统生产规模，毛料处理能力按3200t／h设计，成品砂石生产能力2600t／h，其中成品粗骨料生产能力1760t／h，成品砂840t／h.

3.2.2 主要生产设备配置

根据砂石系统工艺流程和系统设计处理能力，各车间配置主要设备型号、规格数量等见表1.

表1 砂石系统主要设备配置表

4 存在的问题

太平料场和马延坡砂石系统于2007年6月投入生产运行，2008年该系统生产供应砂石料384万t，系统的运行情况和生产复核试验表明砂石系统生产能力和成品质量均能满足设计要求，运行安全、可靠.但通过运行总结和试验成果表明，该系统主要存在以下两点问题:（1）成品砂脱水周期太长，试验表明砂的含水率从11%左右脱到6%以下需要40d以上；（2）半成品中粒径40mm以下物料偏多（料源原因），导致洗石车间负荷过大，洗石机设备完好率低.

另外，在2009年年初，建设单位通过专家咨询论证后，将电站大坝部分坝段高程203～280m由常态混凝土改为碾压混凝土，导致混凝土高峰月浇筑强度由原来的40.88万m3／月提高50万m3／月，成品砂石粉含量从10%～15%提高到16%～18%.

5 解决问题的思路及方向探索

（1）混凝土高峰月浇筑强度的提高，则砂石料系统生产强度需要相应提高.从系统原有生产能力来看，粗骨料的生产能力完全能满足混凝土浇筑强度提高后的要求，只需要提高成品砂生产能力，要增加成品砂的生产能力只有两个途径，一是提高设备的效率，二是增加设备数量.

（2）需要提高成品砂的石粉含量，就本生产系统而言，提高石粉含量有两种途径，一是避免物料经水洗从而避免石粉的流失，二是从废水中回收石粉.

（3）成品砂脱水周期长，再加上供料强度提高使砂在仓内堆存的时间缩短，要使含水率满足要求，可以从两方面考虑，一是降低成品砂入仓含水率，二是增大砂仓容积以延长成品砂的脱水时间.

（4）要降低洗石车间的负荷率，可以从增加设备数量或将二筛下层筛网孔径减小两个方面考虑.

6 工艺调整的主要措施及效果［1］

6.1 二筛、洗石车间

从系统运行总结和试验检测数据分析来看，半成品物料通过二筛洗石机之后，质量损失达5%，说明半成品中的原状砂流失严重，通过把二筛双层筛改为三层筛，下层筛网孔径4mm，再增加一条B＝1200 mm的皮带输送4～40mm的物料.在三筛高程525m平台增设4台XL－914螺旋分级机（含4台ZSJ1233脱水筛）和2台2SG48－120W－4A德瑞克石粉回收装置，回收二筛车间废水中的细砂和石粉.

调整后效果:彻底解决了洗石机负荷过大的问题，使二筛、洗石车间的处理能力可达到4200t／h（设计处理能力3200t／h），调整后从该车间能回收人工砂45t／h，石粉约20t／h.

6.2 三筛车间

根据工艺性试验细碎车间反击破破碎后的物料砂的含量达23%，但前期的设计工艺是细碎车间破碎后的物料进四筛车间进行筛分，四筛是湿式筛分，导致砂料流失严重.

通过把三筛单层筛改为双层筛，增加一层4～4.5mm孔径的筛网，再增加3条B＝650mm的砂皮带，把成品砂送往四筛砂皮带D13的尾部.三筛换成双层筛后按18°安装，将进料胶带机头部抬高900 mm.

调整后效果:该措施提前回收了反击破制的部分砂，从该车间能回收人工砂约20t／h，由于三筛是干筛，这样不仅增大了成品砂的产量，又增大了干砂的入仓比例，一定程度地降低了入仓含水率和提高了石粉含量.

6.3 五筛车间

RP109破碎后的物料进五筛车间，试验发现筛透率比较低:D14上物料（四台机118t／h）＜5mm占52.3%，D20上物料（四台机306t／h）＜5mm 占45.2%.

通过把三筛原来的两台单层筛（YKR2060）安装在高程528m平台E15胶带机上，筛网孔径4～4.5 mm，将D14的物料和D20的部分物料进行再次筛分.

调整后效果:该措施增大五筛的筛透率，保证了立轴破制砂的产量，有效地降低了入仓含水率，但筛透率的增大，也使得细度模数升高.

6.4 棒磨车间

在棒磨车间高程528m平台增设两台链式捞料机（含两台ZSJ1233脱水筛）对回收棒磨车间的细砂和石粉，提高了成品砂的石粉含量，同时也一定程度地降低了成品砂的细度模数.细砂回收车间设置3台2SG48－120W－4A高效强力脱水装置（美国DERRICK公司产品）.来自第三筛分车间和制砂车间的废水集中进入料浆池，由砂泵抽至高效强力脱水装置的水力旋流器中，经旋流脱水装置处理后，石粉与成品砂混合后由胶带机输送至成品砂堆场堆存，废水自流进入水回收车间进行回收.

调整后效果:调整后从该车间能回收细砂15t／h，石粉约10t／h.

7 结 论

通过上述工艺调整之后，使整个系统的处理能力得到保障甚至超过设计处理能力；人工砂的生产能力增大约100t／h；人工砂的入仓含水率小于10%；人工砂的细度模数稳定在2.6±0.1范围内，石粉含量由原来的14%左右提高到17%以上.不论是产量还是质量均满足电站混凝土用骨料的要求.且增强了系统生产工艺的调节性，特别是对成品砂的3个主要质量指标（细度模数、石粉含量、含水率）可在一定范围内灵活调节，也降低了制砂成本.

［1］杨小东，李德伟.对“预处理＋单级混凝沉淀＋机械脱水”工艺的研究［J］.三峡大学学报:自然科学版，2011（增刊1）:4－6.