高速皮带机在碾压混凝土高拱坝中的规划布置研究

刘红玉

（中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810000）

1 绪论

1.1 研究背景及目的

三河口水利枢纽是引汉济渭工程的重要水源之一，也是整个引汉济渭工程中具有较大水量调节能力的核心项目。枢纽大坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，坝顶高程为646m，坝底高程504.5m，最大坝高141.5m，坝顶宽9m，拱冠坝底厚36.604m；坝顶上游弧长472.153m；大坝宽高比2.87，厚高比0.26，上游面最大倒悬度0.16，下游面最大倒悬度0.19，坝体混凝土方量99.0万m3；坝内共布置三层纵向廊道：分布高程为515m、565m和610m；三河口拱坝是目前世界上已建和在建碾压混凝土拱坝中坝顶弧长最长、河谷宽高比最大的一座高拱坝，同时坝体方量和水推力也排在世界前一、二位。

三河口水利枢纽大坝碾压混凝土施工时，因坝址河谷狭窄，两岸山体陡峭，无法采用常规的自卸车直接入仓方式，如何解决碾压混凝土高强度连续施工，选择合理的混凝土入仓手段是关键，其中跨廊道和孔口施工是保证碾压混凝土整体同步升层的重点和难点。通过多个方案的反复对比，最终决定采用皮带机入仓作为混凝土垂直运输手段，该方案虽在施工强度方面比自卸车直接入仓稍有降低，但就本工程现场实际条件而言，具有较高的经济性和便捷性，并有效的解决了特殊部位混凝土入仓难度较大的问题。

经研究确定，在上游围堰高程538m平台左右岸各布置两条皮带机，覆盖高程范围高程510.8～538m。高程504.8～510.8m高程碾压混凝土浇筑从坝后入仓。左岸原路面高程528m，在下游侧码放钢筋石笼，回填至高程538m高程。左岸受料平台高程531.8m，右岸受料平台高程530.7m，皮带机上倾12°可抬高至538m高程。混凝土入仓方式采用自卸车运输至高程538m平台，受料斗接料，再由皮带机+皮筒输送至仓面内，仓内自卸车转料，不设料斗。

大坝高程508.00～538.00m最大仓面面积为4010m2，最大入仓强度为：4010×0.3/6=200.5m3/h，单条皮带机的设计强度300m3/h，实际强度150m3/h，两条皮带机入仓强度为150×2=300m3/h＞200.5m3/h，满足入仓强度需求。

1.2 研究方法

根据大坝各区的最大仓面面积和胚层覆盖时间，确定混凝土入仓强度，通过混凝土最大入仓强度，从而设计出皮带机运输强度，此过程仅是确定皮带机运行工况的基本计算原则，而皮带机的布置、设计、制作及安装是本次研究的重点。

采用CAD软件建立大坝和周边地形模型，通过对大坝结构和地形之间相互关系的分析，规划出皮带机的布置形式，最终采用PKPM软件设计出皮带机桁架和立柱制安图，至此完成了皮带机的初步设计。为验证皮带机的实用性和经济性，还需要进行第二阶段的讨论论证和经济性计算，该过程主要依据以往的施工经验和国内外的先进技术，结合本工程实际情况，组织相关专业人士进行方案讨论和论证，并形成最终定稿意见。最后阶段为组织实施阶段，在该阶段中还需根据现场实际情况，对局部进行优化和调整，以求达到最佳。

1.3 国内外研究水平

随着科技水平的不断提高，皮带机的应用范围也越发广泛，在水利工程建设中发挥着巨大的作用，国家生产制造的带式输送机的品种、类型较多。在“八五”期间，通过国家一条龙“日产万吨综采设备”项目的实施，带式输送机的技术水平有了很大提高，煤矿井下用大功率、长距离带式输送机的关键技术研究和新产品开发都取得了很大的进步。如大倾角长距离带式输送机成套设备、高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机等均填补了国内空白，并对带式输送机的减低关键技术及其主要元部件进行了理论研究和产品开发，研制成功了多种软起动和制动装置以及以PLC为核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力偶合器和行星齿轮减速器。

2 皮带机规划研究

2.1 皮带机规划布置的可行性分析论证

由于碾压混凝土物理特性不同于常态混凝土，其入仓方式选择更为灵活和多样，本工程采用皮带机入仓，主要因其跨越能力和对复杂地形的适应性较强，三河口水利枢纽大坝坝前至混凝土生产系统的运输道路施工完成，扩宽后采用混凝土对路面硬化即可满足大坝浇筑时的碾压混凝土运输，坝前高程538m平台满足混凝土卸料及回车要求。

2.2 规划皮带机位置及初步选型

综合上游围堰地形情况及浇筑强度要求，在高程538m平台左侧及右侧各布置两条皮带机，皮带机布置如图1。

图1 皮带机布置图

2.3 基本结构组成

三河口水利枢纽大坝坝前4条皮带机结构形式基本相同，主要由驱动部分、张紧部分、卸载部分、中间部分、机尾、物料输送带、磁力开关、保护装置等组成。

2.3.1 驱动部分

按照单条皮带150m3/h的混凝土输送量，对皮带输送张力进行计算后，由于现场无场地布置地面式驱动电机，综合考虑简化布置，确定选择外装电动滚筒，搭配φ800菱形胶面带逆止器，驱动电机的规格型号为WD-37-4.0-10080N，单机功率为37kW。

2.3.2 制动器

制动器安装要求为：下运皮带机一定要安装；平运皮带机不安装；上运皮带机根据要求安装，一般情况下不安装。三河口坝前皮带机均为平运皮带机，不需要安装制动器，紧急时刻采用拉线开关停机。

2.3.3 中间栈桥部分及栈桥支架

皮带机栈桥主要承担输送物料、托辊、输送带的静荷载及运行时的动荷载，一般采用角钢等型钢焊接而成；初步设计时，皮带机桁架刚度按长度50m计算，带速3.5m/s考虑，由于右岸边坡地形过陡，不具备设立中间支架的条件，左岸皮带机栈桥设立中间支架及仓内支架；坝前高程538m皮带机栈桥采用两种截面尺寸，左岸1#、2#皮带机桁架截面尺寸为1.73×1.1m，经核算，桁架刚度满足要求；为安全起见，1#、2#皮带机在桁架中部分别设置8.8m和10m高的单片支架，仓内设置17m高的双片支架，截面尺寸为3.45×1.4m，该支架经核算后，满足受力条件及正常浇筑要求，并且支架周围浇筑完一仓混凝土后会更加稳固，能够保证皮带机安全顺利的运行。

2.3.4 拉紧装置

输送带是橡胶和纤维织品两者复合而成的织品，在应用中的重锤拉紧装置，在运行一段时间后，重锤后自动下降一段距离，使输送带变长。这说明输送带发生了蠕变，在启动、制动过程中也会发生蠕变现象。此时拉紧装置就必须进一步收紧才不会发生打滑现象。

因此拉紧装置是保证带式输送机正常运转必不可缺少的重要部件，它的功能有：

（1）使输送带在传动滚筒上形成正压力，靠摩擦力将传动滚筒的圆周力传递出来。

（2）保证输送带最小张力点的张力，限制输送带在托辊间的垂度，防止输送带在托辊间距内过分松弛而散失槽型，保证输送机正常平稳地运行。

（3）补偿输送带的永久伸长。

（4）为输送带接头提供必要的行程。

（5）在长距离带式输送机中，为达到输送机带的动力张紧引起的弹性伸长所要求的拉紧行程起到一定的作用。

固定式带式皮带机拉紧装置一般有螺旋拉紧装置、垂直重锤拉紧装置、车式拉紧装置、蜗轮蜗杆张紧装置等。根据现场施工要求，皮带输送距离较小，螺旋拉紧装置行程较小、结构形式简单，坝前皮带配置4台加强型螺旋拉紧装置，型号为DTⅡ04D63S=1000。

2.3.5 清扫器

清扫器分为头部清扫器及空段清扫器，头部清扫器装设于输送机头部滚筒处，用以清扫输送带工作面上粘附的物料，三河口坝前皮带采用聚氨脂高分子清扫器，根据皮带机选型手册选用DT4EJP5型，相比金属清扫器，能有效延长使用寿命；空段清扫器用于清除落在输送带下分支非工作面上的杂物以保护机尾滚筒和输送带，机尾清扫器常用空段清扫器，空段清扫器安装在机尾滚筒前，空段清扫器也采用高分子聚氨酯清扫器。

2.4 选定皮带机规格尺寸，验证皮带机浇筑强度满足需求

2.4.1 初选皮带机参数

三河口水利枢纽大坝坝前皮带机根据其他施工项目的施工经验以及初步计算，主要选型依据如下：

（1）运输长度：L=50m；

（2）运输角度：α=0°；

（3）混凝土松散密度：γ=2.5t/m3；

（4）堆积角：ρ=41°；

（5）最大块度：a=80mm；

（6）胶带宽度：B=1200mm；

（7）胶带速度：V=3.5m/s；

（8）运输能力：A=500T/h；

（9）上托辊间距：Lg’=1.2m；

（10）下托辊间距：Lg”=3m；

（11）上托辊摩擦系数：W’=0.04；

（12）下托辊摩擦系数：W”=0.035；

2.4.2 皮带机输送能力计算

根据以上参数对皮带机输送量能力进行计算。

理论可用宽度b=0.9B-0.05=0.9×1.2-0.05=1.03m，考虑到实际放料情况，取b=940mm，皮带机边缘留出130mm，如图2所示，此时堆料厚度约为82mm。

图2 皮带机剖面图

中间托辊长：l3=690mm，槽角λ=41°

不考虑运行堆积角，则：

式中：S2为理论堆积面积；l3为中间托辊长；b为胶带理论可用宽度；λ为槽角。

带速V=3.5m/s，小时输送方量Qv=3600×S2×v=600m3/h，考虑实际运行情况，皮带机输送量理论量为300m3/h，满足大坝浇筑要求。

2.5 皮带机桁架及支架受力计算

（1）桁架受力核算

在初步选定皮带及运行参数后，对皮带机运行的设备进行配型，在确定选用的设备后，皮带机桁架及支架承受的荷载基本确定，本次钢结构设计采用经验法结合PKPM受力软件验算选定，按照以往施工经验，用于输送混凝土的皮带运输机不同于骨料、粉料输送机，对桁架结构稳定性要求更高，因此在参照骨料输送皮带的基础上扩大了桁架截面宽度及高度，同时采用规格型号较大的材料，采用L180×12的角钢作为弦杆，采用L125×8的角钢作为立面斜杆，采用L100×8的角钢作为上下平联的连接杆。以50m桁架为计算单元，两端采用固定铰制作作为约束，按照极限状态设计法，混凝土满铺50m带面，为均布荷载，按1.2和1.4的附加系数考虑静荷载及动荷载，同时加入托辊、输送带、滚筒等设备自重荷载，经PKPM软件核算后，桁架各杆件承受的拉应力或压应力均小于235N/mm2，且整体挠度在5cm以下，满足正常使用要求。

桁架PKPM软件计算简图部分如图3。

图3 计算简图

（2）栈桥支架结构设计

在对桁架进行受力核算，选定桁架结构形式后，经过计算，桁架自重能够确定，则栈桥支架承受的荷载基本确定，三河口水利枢纽坝前高程538m皮带机栈桥布置形式如图4所示。

支架1为仓内支架，根据实际施工经验，初选支架1及支架2采用结构形式为“四管柱”，截面形式如图5。

截面尺寸为1.2m×1.5m，利用PKPM受力核算软件进行机构受力分析，主要过程如下：

①画出受力图，简化受力模型，根据力学平衡公式计算出支架1和支架2顶部集中荷载；

②将集中荷载分解到纵向和横向两个截面；

③用PKPM钢结构计算中的PK交互输入与优化计算功能，将纵向及横向两个截面建模，并添加拟采用的型钢材料，加入荷载后进行优化计算。PKPM软件自动将支架划分为柱及梁单元，结构铰接点均为受力节点，同时，PKPM软件自动考虑风荷载及地震荷载，对每个节点荷载进行组合核算后，最后结果显示为结构形式及材料选型满足使用要求，各节点计算结果也均满足规范要求。

图4 皮带机栈桥布置图

图5 支架截面图

2.6 皮带机的布置及安装

2.6.1 施工强度分析

大坝高程508.00～538.00m最大仓面面积为4010m2，最大入仓强度为：4010×0.3/6=200.5m3/h，单条皮带机的设计强度300m3/h，实际强度150m3/h，两条皮带机入仓强度为150×2=300m3/h＞200.5m3/h，满足入仓强度需求。

2.6.2 皮带机布置

上游围堰高程538m平台左右岸各布置两条皮带机，左岸1#、2#皮带机布置高程为531.8m；右岸3#、4#皮带机布置高程为530.7m。大坝升层至高程530m高程后，向上倾角12°布置，可抬高至高程538m。皮带机输送能力为150m3/h，设计带速为3.8m/s，设计带宽为1000mm。1#皮带机长46.8m，桁架宽度为1.73m，高度为1.1m；2#皮带机长39m，桁架宽度为1.73m，高度为1.1m；3#皮带机长33m，桁架宽度为1.73m，高度为2.2m；4#皮带机长44.8m，桁架宽度为1.73m，高度为2.2m。

2.6.3 皮带机制作安装

皮带机必须严格按有关规范要求制作，在综合加工厂制作完成后，用12m平板拖车运至现场进行上吊装。皮带机安装首先吊装桁架，再在桁架上安装托辊，滚筒，皮带等。左岸皮带机桁架分两段，从单片支架靠下游分一段，在仓面内用25t汽车起重机和50t汽车起重机抬吊完成，剩下一段在高程538m平台用25t汽车起重机吊装。右岸皮带机桁架直接在仓面内用25t汽车起重机和50t汽车起重机抬吊完成。

（1）测量、放线

胶带基础中心线的测量是一项十分重要的工作，中心线的偏差直接影响皮带机的整体安装精度，因此在测量时至少进行三次重复测量，确保基础中心线的直线度符合安装要求。基础中心线直线度与机长的关系见表1。

（2）头尾架、中间架、支腿、托辊组安装：

①应根据预埋铁，预留漏斗孔等位置确定头、尾架安装位置，头尾架中心线与基础中心线的左右位置偏差不得大于2mm。滚筒安装平面的水平度用水平仪测量。

②每个支腿的中心线与基础中心线的安装偏差不得大于2mm。

③中间架安装的水平度，在任意位置上，用水平尺测量，水泡均应居中，偏差不得超过0.5刻度格。

④托辊组在中间架上安装时，应按工艺图要求，正确安装，每个托辊均应检查其灵活度，发现不合格托辊应立即更换。托辊横梁固定螺栓必须紧固，不得有松动现象。

（3）传动滚筒、改向滚筒、电动滚筒安装：

每个滚筒在安装时，均应用水平尺检查滚筒外缘的水平度，必须保证水平尺水泡居中并检查滚筒轴线与基础中心线的垂直度，轴承座紧固螺栓必须符合安装求，不得过长或过短，螺栓头部露出螺母2～3扣螺纹。轴承座安装不歪斜，检查轴承座透盖与轴周间隙应一致，用手转动滚筒，转动应灵活，不得有异常声音或转动不灵活现象。在安装传动滚筒，尾部改向滚筒及两头托辊时应检查是否符合理论带面安装高度，发生偏差应根据现场情况可分别对头尾架或中间架的安装高度进行调整。

表1 基础中心线直线度

（4）拉装皮带：

拉装皮带时必须注意皮带的上下面不得装反，不得将皮带拉伤，不得损伤包胶滚筒胶面。皮带全部拉入皮带机后，尾部无论是拉紧小车或螺旋拉紧，装置均应将改向滚筒处于最前端，垂直张紧滚筒提升至最上端2m以内，此时将皮带拉紧，确定皮带粘接后的总长度。

（5）对现场焊接的基本要求：

现场焊接是一项十分重要的安装工作内容，其质量的好坏，直接影响到皮带机的整体质量。

①埋件焊接部位：

在焊接前必须将焊接面清理干净方可施焊，需要加垫铁的部位，每处垫铁数量不准超过2块。在重载试车前，各焊接部位均采用点焊方式将部件固定，经空载试车对需调整的部件进行二次调整，确认各部件位置无误后，再进行加固焊接。（头架与驱动装置架尤其应注意！）

②部件之间焊接：

有些部件需现场焊接组装，焊接前必须了解相关部件的功能以及焊接时应注意的事项（如：防止变形，防止烧伤，皮带作好防护措施等）将需焊接部件正确定位后方可施焊。对仰焊、立焊形式必须严格控制焊接质量，不准出现过大的焊瘤、气泡、夹渣等焊接缺陷。所有焊接完成部位必须将焊渣、飞沫等杂物清理干净，并按规定进行防腐处理。

2.7 皮带机支架制作安装

皮带机支架的制作必须严格按设计图纸和有关规范要求制作，在综合加工厂制作完成后，运至现场进行吊装。

2.7.1 下料

（1）钢材在加工厂按设计图纸及规范要求制定下料展开图，钢板下料采用半自动切割机切割下料。

（2）在加工厂进行焊接、组装，组装好的钢结构允许偏差严格按加工制作技术要求执行。

2.7.2 焊接

焊接工艺的制定必须以能满足现场施工条件、方便操作、保证质量为前提，在焊接前应将所有焊缝表面和距离焊缝边缘至少15mm以内的氧化皮、铁锈、油污和其他杂质清理干净。焊接时，对每一层焊接的金属飞溅和焊渣都应认真清除。当焊接根部缝隙时焊件边缘应固定，以便使间隙保持在允许公差内。主要纵向焊缝上不准有定位焊。

（1）焊接程序

焊接用的焊条应按规定保管、存放和烘焙。焊接前，应根据焊接规范进行试焊，并根据实际情况进行修正，以确保焊接质量。各管段点对、组装合格后，方可焊接。焊接前的试电流、引弧、收弧均应在助弧板上进行，焊接过程中严格执行焊接工艺。每条焊缝均应连续焊接，不宜中断。焊接时，应采用俯焊以保证焊接质量。对焊接时先焊的一侧，其底部的金属应研磨、整平或用电弧气刨予以清除。对于双面焊，背面应清除干净，以防焊接缺陷。

（2）焊接

对焊接设备进行焊接操作性能试验，操作按标准的焊接工艺和程序进行，对性能达不到要求的不能使用。焊接严格按焊接工艺和程序进行。

2.7.3 支架安装

4条皮带机在仓号内各布置一条支架，支架长21m，底部高程为510.8m，基础预埋件直接埋在碾压仓内。1#皮带机、2#皮带机桁架高度为1.1m，刚度较低，为了保证皮带机稳定运行，除了仓面内支架，需在上游围堰原521m高程马道上再设置一条单片支架。支架在综合加工厂加工完成后用12m平板拖车从坝后拉运至消力塘，再用门机吊运至仓面内，在仓内采用50t汽车起重机吊装完成，支架与支座焊接连接牢固。

3 结论

本次皮带机布置研究充分表明了皮带机在碾压混凝土浇筑中是一种实用经济的入仓手段，可以适应地形条件差的高边坡混凝土浇筑，同时输送能力较强，满负荷工况下完全能达到混凝土浇筑强度要求，结构简单灵活，现场安装方便；本次研究改进了其他工程上的皮带机结构形式，采用大截面桁架，克服了高边坡无法浇筑支架基础的问题，为其他同类工程上的碾压混凝土等物料运输提供参考。