中国水利水电第十六工程局有限公司 福建省福州市 350003
摘要：人工砂石加工系统设计的好坏直接影响整个系统运行，它不仅与整个砂石加工系统的生产能力、产品质量息息相关，而且与生产成本也密不可分。本文介绍了喀麦隆曼维莱水电站人工砂石加工系统的工艺流程设计、设备选型与配置、平面布置、通用型拼装带式输送机设计、污水处理等，供类似工程参考。
关键词：人工砂石加工系统、工艺流程、设备选型、喀麦隆曼维莱水电站工程
1.工程概述
曼维莱水电站工程位于喀麦隆共和国南部大省的恩特姆河上，坝址以上流域面积26350km2，采用引水式开发，装机容量211MW，该电站主要由拦河坝及溢洪道、渠道进水口、输水明渠、压力前池、二道坝、电站进水口、压力管道、地面式发电厂房、尾水渠以及开关站等建筑物组成。工程所需混凝土总量约33万m3，反滤料填筑约10万m3。
系统料场岩石为下元古界恩特姆组（Pt1N）花岗片麻岩以及少量后期侵入的辉绿岩，天然干密度不小于2.7g/cm3，其单轴饱和抗压强度均大于40MPa。料源主要为厂房开挖料，覆盖层较薄，一般厚度小于2m。曼维莱水电站工程于2012年12月28日开工，工期54个月，人工砂石系统建设期为11个月。
2.工艺流程设计
2.1设计原则
1、为确保主体工程的施工进度和工程质量，系统设计遵循加工工艺先进可靠，成品砂石质量符合合同和规范要求，砂石生产能力满足工程需要的原则，适当考虑10～15%裕度；
2、在保证砂石生产质量和数量的前提下，选择砂石单价相对较低，总投资相对较小的设计方案；
3、为灵活调整砂石生产级配，降低工艺流程循环负荷量，砂石加工采用分段闭路工艺流程；
4、充分利用地形地貌特点，使总体布置紧凑、合理、降低工程造价。
2.2设计规模
本工程混凝土总量约33万m3，反滤料填筑约10万m3。系统按混凝土最高峰月浇筑强度2.1万m3和反滤料填筑强度3300m3进行工艺设计，混凝土用料的比例按大石：中石：小石：砂=10.5%：31.5%:24%:34%取值，反滤料按照级配包线（中国标准）按粗骨料：砂=20:80取值并考虑反滤料填筑时的超量及损耗（按20%计入）。经计算后的各档骨料产量分别为：大石/中石/小石/砂(17/51.91/44/76.55t)。故取本系统的粗碎处理能力为230t/h，系统成品骨料生产能力189.29t/h。
2.3破碎段数
系统加工的料源为花岗片麻岩以及少量后期侵入的辉绿岩，硬度为10～15，属中硬岩石，破碎该岩石的破碎比较大。系统生产的成品骨料最大粒径为80mm，成品小石的最大粒径为20mm，系统的总破碎比为n=700/20=35。根据各类破碎机在粗碎、中碎或细碎等的破碎比，为达到35的总破碎比，确定本系统设置三段破碎。
2.4工艺流程
由于系统生产人工砂，采用湿法生产工艺可以减少了生产过程中粉尘对环境的影响，因而系统采用湿法生产工艺。经过几种方案的比较，本加工系统采用三段破碎，三道制砂，高速立轴破进行粗碎整形，调整砂的细度模数，生产工艺详见图表1。
图表1 工艺流程图
3.设备选型与配置
3.1选型原则
1、为提高系统长期运行的可靠性，砂石系统加工关键设备采用技术领先、质量可靠、单机生产能力大、使用经验成熟的先进设备；
2、设备选型时根据石料场岩石特性，生产能力、产品粒度满足工艺和质量要求，并能适应粒径级配的变化；
3、尽量选用便于操作，工作可靠，节省投资、能耗及其它消耗低，以及能降低运行管理费用的设备。
3.2设备选型
1、破碎设备
粗碎车间：粗碎车间选用1台美卓矿机VMHC-60/12型棒条式给料机、1台山特维克JM-1211HD型颚式破碎机；该套设备的自重较轻，安装方便，维修容易。
中碎车间：中碎设备选用1台山特维克S4000C圆锥破碎机。
细碎车间：中碎设备选用1台山特维克H4000M圆锥破碎机。
制砂车间：本系统的制砂设备选用一台B9100型立轴式破碎机（石打石），二台PL8500型立轴式破碎机（石打铁）。
2、筛分设备
本系统共设置3座筛分楼，其中1#筛分楼安装1台3YA2460型圆振动筛；2#筛分楼安装1台3YA2460型圆振动筛；3#筛分楼安装1台2YA2460型圆振动筛。并为满足工艺需要，还布置了2处脱水筛，采用ZKR1852和ZKR1022型直线筛。
3.3设备配置
根据系统工艺流程和各车间的处理量，系统主要机械设备、型号、规格和数量见图表2。
图表2 砂石加工系统主要设备表
4.通用型拼装带式输送机设计
喀麦隆共和国处非洲中部，许多的基础设施、工业极其不完善，无法满足现场的诸多生产需要。为此将皮带机等金属构件在国内批量化加工后，采用集装箱等方式运输到国外，直接利用螺栓进行构件连接的施工工艺，这不但最大限度的减少现场设备安装工作量，并减少基础、构筑物设计和施工工作量，从而达到降低建造成本的目的，并且实现了结构件重复利用，极大的节约资源。另外由于使用模块化的生产、安装工艺，大幅度的缩短施工工期。通用型拼装带式输送机设计理念是将传统带式输送机的金属结构件（中间架、立柱、绞支座、走道及栏杆等）作为通用标准模块化设计。
1、中间架模块化设计原理
中间架的设计原理为在场内分左右两半边对称制作桁架拼接块，中间用槽钢螺栓相连，由于在场内制作不但可以减少现场制作出现质量问题的可能性，并且确保桁架的质量。另外由于采用片状结构的桁架拼接块，中间用螺栓相连的结构，每次运输时将桁架拆分成桁架拼接块运输即可，这不但减少了运输体积，增加运输效率，同时减少了现场拼接的工作量。其结构设计如下：
图表3 中间架结构图
2、立柱模块化设计原理
拼装式桁架系统中立柱分为单柱式立柱及桁架式立柱两类，由于桁架式立柱的结构类似单柱式立柱及标准中间架结合的情形，故在本文中主要介绍单柱式桁架的结构。单柱式立柱主要根据设计需要采用相应的钢管作为立柱的受力主体，并在立柱上设置角劲板，最后利用螺栓立柱与拉撑构件联成一个整体。另外为了便于拆装，立柱采用底部小圆钢管柱埋件与立柱连接。其结构设计如下：
图表4 立柱结构图
3、绞支座模块化设计原理
绞支座的设计原理为制作两个弧球形的上下绞支座，利用绞座销轴将上下支座连接成一体，最后利用螺栓将绞支座与其余钢构件连接，如图3所示。绞支座如此设计方式，确保了现场随意的调整皮带机的安装角度。其结构设计如下：
图表5 绞支座结构图
4、走道及栏杆模块化设计原理
栏杆的设计原理与中间架拼接块的原理比较类似，都是在场内将钢管直接焊接成型，在钢管地脚的位置压平与小钢板焊接成一体（小栏杆的位置直接将钢管地脚冲孔，螺栓固定）。现场安装时直接用螺栓固定。走道的设计原理与常规的设计一致，但考虑到本项目多雨的特性，走道板设计时采用网格板，减少了雨季工人检修时滑到的可能性。其结构设计如下：
图表6 走道及栏杆结构图
5.污水处理
砂石系统采用湿法生产，成品料生产过程中及入料仓前均采用水洗，会产生大量的废水，需对这些废水沉淀处理达标后才能排放。
在本系统场地边上有一条坡度较缓大冲沟、长约600m（从起点至恩特姆河），利用冲沟改造成天然沉淀池，在冲沟上填筑三道挡水坝，形成三级沉淀池，砂石系统洗骨料废水通过一条主沟排至一级沉淀池进行沉淀，然后再依次排至二级沉淀池和三级沉淀池，三级沉淀池为清水池，三级沉淀池的水可排放或经回收再次利用。
一级沉淀池水面高程为EL377.5，有效容量约为19200m3，二级沉淀池水面高程为EL376.5，有效容量约为11000m3。三级沉淀池水面高程为EL375.5，有效容量约为9000m3。
一级坝377.5以下部分采用粘土填筑，以上部分采用石渣填筑，以便于过水，坝顶设计高程为383.0；二级坝全部采用粘土填筑，坝顶高程为377.5，边上设有导流明渠，导流明渠底部高程为376.5，当水面高程高于376.5时，水从导流明渠排至三级沉淀池。三级坝与二级坝类似，坝顶高程为376.5，导流明渠底部高程为375.5，当水面高程高于375.5时，水从导流明渠排至恩特姆河。
经过多次对三级沉淀后的水取样检测，结果均能达到排放及回收利用标准。
6.系统平面布置
砂石系统主要由粗碎车间、半成品平台、中细碎及制砂、筛分平台、成品料仓组成，系统布置在R14道路与冲沟之间的场地。粗碎车间布置在EL397-EL387高程处，距砂石生产原料在100-200m左右，进料方便；半成品平台布置在粗碎车间下端的EL387.5平台处，该处场地按半成品堆料半径19.07m平整成一块平地。
中细碎及制砂、筛分平台均布置在半成品地弄出口处的EL383.5平台处，其中1#筛分楼、中细碎、细碎地弄及制砂（一）地弄布置在R14道路内侧，两台脱水筛、高速立轴破、钢料仓及制砂（二）地弄布置在大冲沟外侧；在1#筛分楼与2#筛分楼之间设一条通道，从R14道路引入，作为安装及运行期间检修道路使用。
成品料仓包括成品骨料仓及砂料仓，因成品料仓范围大，受场地限制，布置成L型，使拌和楼配料站装载机进料距离缩短；为排水便利，成品料仓场地平整成靠近R14道路侧高、冲沟侧低的场地。成品料仓内整平碾压密实，防止成品料污染。
发电厂布置在EL383.5平台上侧的斜坡上，在斜坡上平整一块场地作为发电厂用地；工具检修房、现场办公室布置在R14道路外侧。
在成品料仓与EL383.5平台之间设一主排水沟，砂石系统生产污水均引至该主排水沟，主排水沟通至大冲沟，并在冲沟下游侧用石渣填两道小挡水坝，利用冲沟进行污水沉淀；污水处理后的沉淀物将安排专门的机械设备用于及时清理，并运往渣场。
7.系统特点
1、砂石加工系统关键设备采用技术领先、质量可靠、单机生产能力大的国外先进设备，保证了系统长期运行的可靠性和运行调度的灵活性。
2、砂石生产采用了较为先进的工艺流程，即粗碎开路，中碎开路，细碎闭路。该流程能灵活调整砂石生产级配，使之与混凝土需用级配相适应；系统循环负荷相对较小。
3、在设备选型和配置时，考虑了工程高峰时段的不均匀性、持续性，考虑了不均衡系数，每个车间配置设备的生产能力均有节余；另外，系统设计计算按二班考虑，还具备一班生产的余地，因此系统在高峰月实际产量比设计产量大。
4、通用型拼装带式输送机的设计大限度减少现场安装工作，从而达到减短建设周期和降低建设成本。对于海外项目而言，标准的桁架设计给海上集装箱运输带来方便。
5、天然沉淀池的设计充分利用了天然地形条件，无需建设钢筋混凝土沉淀池，原理简单，减少系统建设投入。
8.结语
喀麦隆维莱水电站位于非洲中部，工程所在地属于典型的热带雨林气候，全年有两个旱季和两个雨季，降雨量较大。系统建设具有建设工期紧、雨季施工难度大、风险因素较大等特点。整个人工砂石料加工系统工艺流程设计中，除了着重考虑主体工程混凝土的月供强度外，还充分考虑料源条件，采用最新且成熟的工艺，做到了优化工艺流程和设备配置，在布置上充分考虑利用加工场地的地形条件，做到紧凑合理；设备配置做到了操作简便，工作可靠，性价比合理，能耗及其它消耗低，较好地降低了产品生产运行成本。因此，该加工系统对于类似条件的海外大中型水利水电工程具有一定的代表性。曼维莱水电站砂石料加工系统建设完成至今已经三年，系统各方面运行正常，各车间的生产能力均满足进度要求，系统生产的成品砂石骨料完全满足质量和技术要求。
参考文献：
[1]楚活力,三板溪水电站砂石加工系统工艺调整及布置[J].云南水力发电,2009年S1期.
[2]张玉彬,天花板水电站人工砂石加工系统综述[J].云南水力发电，2009年03期.
论文作者:曹,铖
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/16
标签：砂石论文; 系统论文; 立柱论文; 高程论文; 桁架论文; 设备论文; 加工论文; 《防护工程》2017年第24期论文;