锦屏一级水电站石粉堆存方式研究

秦光辉，柏仲生

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院， 成都 610072）

锦屏一级水电站位于四川省盐源县和木里县交界的雅砻江干流上，是雅砻江水能资源最富集的中下游河段五级开发中的第一级。电站位于高山峡谷地区，岸坡陡峻，工程区内可供利用的平缓山坡与滩地较少。电站以发电为主，兼有防洪、拦沙等作用。水库正常蓄水位1880m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库。电站装机容量3600MW。锦屏一级水电站属于一等大(1)型工程，枢纽由挡水、泄水及消能、引水发电等永久性建筑物组成，挡水建筑物采用混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高305m，坝顶高程1885m。

工程混凝土细骨料料源为三滩右岸大理岩，砂石加工系统布置在坝上游右岸5km左右的缓坡地。加工系统人工砂生产能力约400t/h。

1 问题的提出

1.1 大量废弃石粉的产生

细骨料料源大理岩以灰色中细晶大理岩、浅灰～灰白色细晶大理岩为主，夹白色中晶大理岩，约占料场总量的20%～30%。其呈条带状或透镜体状分布于料场岩体中，开采时无法将其剔除。白色中晶大理岩强度偏低，锤击易成粉末，在砂石骨料加工过程中产生大量的石粉。

在三滩砂石加工系统生产过程中，大理岩破碎后原状砂中石粉含量达55%～65%。即每生产1t成品砂，即产生1t石粉需废弃。经测算每小时将产生约300m3，工程期共约产生134万m3石粉。如此巨大的石粉弃料，在水电工程中尚属首例。

1.2 石粉的堆存难题

石粉是在本工程混凝土大量浇筑时产生，此时工程开挖已基本完成，各渣场堆渣已结束。根据本工程特点，废弃石粉只能运到最近的且渣场容量有富余的三滩沟渣场堆存。三滩沟渣场规划堆渣容量约2100万m3，目前在沟口以内600m范围内堆存了约1000万m3石渣，渣顶平台面积约8.5万m2，堆渣坡脚向沟内还有约600m长范围可供堆渣，还可堆存约1000万m3石渣。

1.2.1 渣场顶部平台堆存困难

石粉采用自卸汽车运到三滩沟渣场顶部平台堆存，在堆存过程中时，由于石粉颗粒较细，汽车无法在石粉上行走，因而，石粉只能在平台上堆一层，堆料高度仅约1m，不能再向上堆高，顶部平台最多只能堆存约9万m3石粉，远远不能容纳134万m3石粉。

1.2.2 无法直接向沟内堆存

如在渣顶平台无法堆存时考虑在平台边缘沿渣坡向沟内堆存，但因石粉松软，汽车不能堆远，只能在平台边缘向下倾倒，故堆存量也有限。而且三滩渣场沟水处理为透水坝型式，靠堆渣体自行渗透过流，为避免石粉堵塞渗流通道，不能将石粉直接堆在沟底，致使本工程石粉堆存非常困难。

沟内堆存石粉，必需先在沟底垫石渣，形成透水体，将沟水渗透到雅砻江内。采取垫渣措施后，可形成约6万m2的平台，根据前面渣顶平台堆存经验，若无可行的堆存方案，仍无法堆存134万m3石粉。

大量石粉堆存在水电工程中实例缺乏，无相关实施经验借鉴，需对石粉堆存方案开展可行性方案比较。

2 石粉堆存方案设计

石粉堆存困难的原因主要是松软的石粉不能承受机械行车的压力。根据本工程的特点，可从以下两方面进行方案设计：

（1）混合堆存方案。即通过掺入某种材料，改变石粉松软的特性，来提高石粉的承载力，达到行车的承载要求。

①在石粉中掺入水泥，通过水泥使石粉胶结。若采用1∶3～1∶5的水泥砂浆方式，水泥用量巨大。三滩沟渣场石粉堆存量180万t，需水泥约15万t，单水泥费用将达7000多万元，方案不可行。

②在石粉中掺入土壤固化剂之类的外加剂。美国在伊拉克战争中采用了一种沙漠固化剂，即在沙中掺入少量的固化剂，与砂混合几小时后即可满足直升飞机起降和行车要求。但该种材料国内尚未引进。

③就近取材，在石粉中掺入一定比例的石渣，石渣作为骨架，石粉填充其空隙，达到提高承载力的目的。

（2）采用其他堆存方式，不需汽车等机械在石粉上行走作业

①胶带运输机。将胶带运输机安装好后，直接在空中卸料堆存，可避免直接在石粉上行走作业。

②混凝土布料机，在沟两岸适当位置布置布料机，利用其较长的悬臂胶带机将石粉堆存到沟中。

③混凝土泵输送，即把石粉加水搅拌后用泵送到沟内。由于没有试验资料，在输送过程中易发生石粉和水产生离析而堵塞管道，同时工艺相对复杂。

根据以上分析，结合三滩大理岩石粉的特性、堆存量及强度等情况，初步拟定三个相对可行的方案：混合堆存方案、布料机堆存方案，以及胶带运输机堆存方案。

2.1 方案一（混合堆存方案）

采取将石粉与石渣混合，让石粉填充石渣空隙，石渣作为混合渣的骨架，达到提高其承载力、降低沉降量的目的。

根据现场通行实验表明，当石粉与石渣混合比例体积比为1∶1.2时，可满足25t汽车和履带式车行走要求。因此134万m3石粉需混合石渣料约161万m3，混合后体积约290万m3，堆存在三滩沟渣场内。

堆存混合渣料前需在沟底垫30m厚的石渣透水体。根据剖面计算，本方案垫底大块石料约3.8万m3，回填石渣约68万m3。在垫渣工作完成后，铺土工布，再填50cm厚的砂砾石保护层，土工布面积约4.1万m2，砂砾石1.0万m3。为防止上游侧石粉滑落到沟底，在垫渣平台前端设置5～10m高的钢筋石笼挡墙，并覆土工布。

石粉用20t自卸汽车从三滩砂石系统运来后，沿垫渣平台上游侧堆存。堆一车石粉，堆一车石渣，按体积比1∶1.2堆料，用推土机将其简单混合。分层堆筑，每层高度不宜超过1m。堆存示意见图1。

2.2 方案二（布料机堆存方案）

由于石粉松散，汽车不能在石粉上行走，考虑利用混凝土布料机较长的悬臂胶带机来堆存石粉，同样先在沟底垫渣后，将石粉用汽车卸到布料机上料胶带机的受料仓内，再通过其悬臂胶带机来堆存，可避免在石粉上行车作业的困难。

垫渣方案基本同方案一。石粉堆存采用BLJ-600-40自行履带式布料机堆存石粉。其外形见图2。

石粉从三滩砂石加工厂用汽车运到垫渣平台后，卸料到布料机上料胶带机的料仓内，再通过40m长的悬臂胶带机将石粉堆存在沟内。为尽可能的堆存石粉，布料机向沟内旋转，并将悬臂在18m～40m范围内伸缩。所有胶带机下料处均采用喷水除尘措施。经计算高峰期需布置2台布料机。布料机堆存示意见图3。

2.3 方案三 （胶带机堆存方案）

本方案采用胶带机在渣场内运输堆存石粉，在沟底垫渣工作完成后，在渣场内安装胶带机，石粉运到渣场的受料坑后，用胶带机运输堆存。

垫渣方案与同方案一。汽车将石粉运到三滩沟渣场受料仓，再下料到胶带机上，通过三条胶带机堆存到沟内。胶带机堆存示意见图4。

3 石粉堆存方案比较

3.1 技术比较

（1）技术难度方面

方案一的难点在于如何使石粉和石渣混合均匀，石粉和石渣运到堆存平台后，可采用推土机进行混合、平整，使其混合均匀。总体而言该方案实施技术难度较小。

方案二中布料机需布置在沟边道路上，布料机布置位置和回车平台处需12m～15m宽，布置较为困难，采用石渣靠路边回填可形成回采平台，施工实施难度不大。

方案三需在1760m高程平台上布置胶带机栈桥，栈桥高程1830m，排架高度约70m，钢结构工程量大，对钢结构设计要求高，高排架、大跨度的钢结构制作安装要求高。由于胶带机桁排架基础位于石渣上，基础存在不均匀沉降的问题，桁排架及胶带机安装施工难度较大。因此，该方案存在较大的技术难度。

（2）工程量及运输强度方面

方案一沟底垫渣71万m3，工程量较小。三滩沟渣场堆存石粉134万m3，需混合用石渣160万m3，从渣场就近翻运，高峰时段石粉与石渣运输强度约900t/h，用20t汽车运输，单向小时行车密度约50辆/h，道路运输强度较高。

方案二垫渣82万m3，工程量较大。道路运输石粉强度为400t/h，采用20t汽车，单向小时行车密度约30辆/h。道路运输强度较小。

方案三，垫渣82万m3，钢结构约850t，混凝土3000m3，工程量巨大。石粉采用胶带机运输，胶带机运输强度400t/h，道路运输强度几乎为零。

（3）准备工程工期方面

方案一垫渣总量约71万m3，从垫渣开始到堆存石粉至少需2个月。

方案二垫渣总量约83万m3，需3个月完成，布料机制造运输需2个月，因此从垫渣开始到堆存石粉至少需3个月。

方案三垫渣总量约82万m3，需3个月完成，胶带机制作3～4个月，安装调试2个月，从垫渣开始到堆存石粉至少需5～6个月。

（4） 运行管理方面

方案一，石粉、石渣运输、混合管理相对较简单。

方案二，布料机每隔30m左右需移动一次，需重新安装上料胶带机及受料仓，较繁杂。

方案三，利用胶带机堆存石粉，机械化程度高，减少了石粉的运输距离，石粉堆存强度可以得到保证。但胶带机设备的维护、零件的更换，受高胶带机栈桥的制约，不甚方便；无法更换大型设备和器材，石粉堆存的保障性较差。三个方案实施可行性比较见表1。

从表1可以看出，方案一具有实施难度小、土建工程量小、准备工期最短、运行管理简单等优点，故在技术上最优；方案二具有实施难度相对较小、土建工程量较小、准备工期相对较短的优点，故在技术上较优。方案三有实施难度较大，而且土建工程量大、准备工期长、运行管理难度大等缺点，在技术上难度最大。

3.2 经济比较

从垫渣工程、设备土建安装、运行维护等方面对三个方案进行经济性比较。各方案石粉从三滩砂石系统运到三滩沟渣场过程相同，其费用不参与比较。从运到三滩渣场后开始计算石粉运输费。

各种费用计算参照《锦屏一级水电站前期施工辅助工程有关专项设计复核概算》中的人工、材料基价和设备台班费，按水电建筑工程概算定额（2007年版）计算各项单价。三个方案费用只计算工程直接费。三个方案的相对经济比较见表2。

表2 各方案相对经济比较表（单位：万元）

从表2可看出，由于方案一需掺入161万m3石渣，其运输费约1578万元，且混合石渣需采用推土机推运约10m，费用约560万元，故在三个方案中费用最高；方案三胶带机桁排架钢结构工程量大，费用也较高。方案二垫渣完成后就采用布料机铺料，不需大的土建工作，费用最低。

3.3 推荐方案

综上，方案一技术上最优，但经济性最差；方案二技术上次之，经济性最优；方案三技术和经济上都劣于其他两个方案。方案二卸料时可调整悬臂胶带机角度，石粉卸料高度可以控制，同时在卸料点喷水雾，使扬尘得到控制，并且卸料点处无需人工作业。

考虑技术的可靠性和经济合理性，同时兼顾本工程施工进度、环境保护、水土保持等方面的要求，最终选择方案二（布料机堆存方案）作为本工程石粉堆存方案。

4 结语

在水利水电工程建设中，工程弃渣一般为土石方渣料，采用汽车运至渣场堆存，不存在技术难题。但本工程砂石系统产生大量的弃渣为石粉，汽车堆存困难。本文研究了三种堆存方案，通过技术经济比较选定采用布料机堆存方案。实施时利用现场已有的一台布料机立即投入使用，满足了石粉堆存紧迫的需要，高峰期又新购的一台新布料机，满足石粉堆存强度的需要，运行效果良好。该方案既满足了工程建设工期要求，又节约了工程投资，受到了业主好评。其他工程若开挖石渣时间与石粉产生时间一致，选择石粉与石渣混合堆存方案更经济、环保。本文对其他工程中出现类似情况具有一定借鉴意义。

[1]DL/T5397-2007 水电工程施工组织设计规范[S].

[2]水利电力部水利水电建设总局. 水利水电工程施工组织设计手册[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1997.

[3]全国水利水电施工技术信息网.水利水电工程施工手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002.