小湾水电站竖井式结构砂仓含水情况分析与研究

摘要：小湾水电站大坝浇筑混凝土所需砂含水率要求达到6%以下，但由于受成品砂仓结构形式、地下输送等因素影响，含水率控制一直非常困难。本文重点介绍了竖井式结构砂仓脱水机理及为保证砂含水率所采取的措施。

关键词：竖井砂含水率

中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编号：

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干流河段与支流黑惠江交汇处下游1.5km处，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级。电站为混凝土双曲拱坝，坝高294.5m[1]，大坝混凝土总量约851万m3。

1．砂石系统设计简况

小湾水电站左岸砂石加工系统根据规划布置在左岸8#山梁至瓦斜路沟支沟地段，介于高线公路EL.1380m和上坝公路EL.1220m之间山坡上。系统生产规模大，车间组成较多，而受场地狭小和地质条件制约，本系统10个成品料仓(其中6个砂仓)全部采用半埋式竖井结构，呈反“F”型布置，在瓦斜路沟沟心两侧形成地下洞井群。竖井群结构的运用，使得成品仓活容积大大增加且起到抗滑桩作用，有利于山体稳定。系统总布置成功运用了向空中要平台和向地下要空间手段，较好解决了场地不足和地质条件复杂的难题[2]。

根据系统生产规模、料源特性及产品质量要求，本系统主要生产工艺为：破碎工艺采用粗碎、中碎、细碎三段破碎，其中细碎与筛分车间形成闭路生产，用于灵活调整砂石料级配；制砂采用立轴式冲击破碎机和棒磨机联合制砂工艺；筛分工艺按分级要求，采用预筛分、筛分和检查筛分三级筛分分级工艺及脱水筛分工艺[3]。系统制砂最初是采用巴马克干法生产，棒磨机和筛分车间湿法生产，但由于巴马克生产砂石粉含量一直偏高，超过20％，无法采取措施降至满足要求，后经研究将巴马克干法生产改为湿法生产，回收石粉[4]，使成品砂石粉含量满足设计要求。

系统生产规模按满足高峰月混凝土浇筑23万m3强度设计，毛料小时处理能力为2050t/h，成品砂石料小时生产能力为1750t/h，其中成品碎石生产能力为1190t/h，成品砂为560t/h。

2．砂仓结构布置及砂料输送布置

2.1 砂仓结构布置

砂石系统共设置半埋式竖井砂仓6个，分两排平行布置，上游三竖井井口高程为1293m，井底高程1229m，高差64m，其中明井高度22m；下游三竖井井口高程1287m，井底高程1227m，高差60m，其中明井高度30.5m。料仓竖井明井直径17m～20m，暗井直径13.4m，总容量可达到10万余t。

砂仓竖井明井部分采用钢筋混凝土浇筑，暗井开挖到位后采用钢筋混凝土衬砌。衬砌前在井壁按3m高差打¢42排水孔，孔深3m，插入¢30软式排水管，埋深115cm，外露5cm，软式透水管按环向间距3m布置，通过与竖向排水钢管连接，将水排至竖井底部，最后通过底部预埋排水钢管排至胶带机廊道。竖井底部为漏斗形式结构，底部中心顺胶带机方向设置三个下料口，下料口周边4m条带内设置了20cm～40cm碎石反滤层，反滤层底部埋设排水钢管。

原设计系统制砂分为粗砂和细砂，相应砂仓分为三个粗砂仓和三个细砂仓，后经巴马克制砂工艺调整为湿法生产后，制砂为混合制砂，为满足砂脱水时间要求，将六个砂仓全部串联起来，依次轮流进、放料。

2.2 供料布置

砂石系统砂通过砂仓底部放料口，经长约800m胶带机洞通过底部胶带机输送至拌和系统地下储存料仓。拌和系统砂储存料仓共有四个，直径9m，深度13.0m～16.0m不等。竖井采用钢筋混凝土衬砌，衬砌前同样埋设了排水管。竖井底部为平底结构，成“品”字型分布四个下料口，最终砂料通过这四个下料口底部的两条胶带机输送至4座4×3m3拌合楼上。

3．砂含水分析

3.1 砂含水状况

（1）自大坝开始浇筑以来，系统砂含水一直偏高，采取了众多措施，但砂含水仍然无法控制在6％以下。2007年3月～2008年3月监理取样砂含水检测情况统计如下：

（2）在从砂石系统砂仓放料时，开始供料的8～10min内砂含水率偏大，严重时砂子呈饱和状态，和水一起喷出，在皮带上形成明水。

（3）从砂石系统料仓通过胶带机放料至拌和系统调节料仓后供至拌和楼的砂，经检测，含水率经常会高于砂石系统料仓正常放料时的含水率。

（4）从2007年至2008年大坝每月20万m3浇筑强度情况下，砂石系统6个砂仓循环进放料，砂脱水时间可以达到11～14天。

3.2 现场采取的措施

为确保砂含水率满足设计要求，现场采取了一系列措施：

（1）对输送廊道胶带机顶部洞壁滴水进行了引排，防止明水进入皮带。

（2）在砂石系统成品砂仓和拌和系统调节砂仓底部下料弧门处增设截流槽，将砂仓脱水及时引排至输送胶带机外。

（3）供料前将胶带机空转，排除皮带上的明水。

（4）增加砂石系统砂生产量，确保六个砂仓满井生产，进一步延长砂脱水时间。

（5）对砂石系统和拌和系统砂仓采用先进先出，后进后出的原则依次循环放料。

（6）对砂石系统成品砂仓底部反滤层进行改造，原设计反滤层仅铺设在中部4m条带处，为增大滤水面积，将两边斜坡上也铺设碎石反滤层，同时对原有反滤层进行清理，对砂仓底部排水管进行疏通。

（7）在每次放空砂仓后，利用空气炮将板结在砂仓周壁的砂震松后排放出来，尽量保证砂仓堆料容积。

尽管采取了上述众多措施，但由于受砂竖井结构存料、地下输送等客观条件限制，砂含水仍然无法达到要求。

3.3 竖井内成品砂的脱水机理分析

（1）砂粒表面水的离析

进入竖井砂仓的成品砂，颗粒与颗粒之间空隙内的自由水已基本被机械脱水除去，其含水主要是砂颗粒表面的吸附水或粘附水。因竖井内环境温度较低，通风性能较差，水分蒸发量极少，粘附水或吸附水只有通过重力作用渐渐离析与沙粒分离，形成自由水，再加上竖井本身较深，脱水过程较长。

（2）离析水的渗流与引排

离析水形成后的自由水通过颗粒之间的空隙渗流至竖井底部，通过底部碎石反滤层后经排水钢管引排出竖井。

（3）砂仓脱水规律

为进一步掌握竖井结构砂仓内部脱水规律，对其中一个砂仓从一开始放料起就进行砂含水检测，每半个小时检测一次，直至放料完毕。该砂仓放料历时三天，其中第一天放料5604t，占总放料量的35.22％，处于放料口与局部暗井部位的砂有404t，砂含水率为8.2％，占放料总量的2.54％，第一天平均含水为5.99％，最小含水率为5.4％；第二天放料5436t，占总放料量的34.17％，最大含水率6.9％，最小含水率5.4％，平均含水率6.07％；第三天放料4464t，占总放料量的28.07％，最大含水率8.9％，最小含水率6.7％，平均含水率7.77％。含水率分布见下表：

3.4 影响竖井内成品砂脱水的原因分析

由上述脱水机理分析，影响竖井内成品砂脱水效果的主要因素有以下几个方面：

（1）竖井内环境温度低，通风条件差，砂粒表面的水分难以蒸发。

（2）由于竖井深度高达60余米，竖向脱水路径较长，需要较长的脱水时间。

（3）进料时落料高差大，较大的冲击力对已堆存的砂造成一种压实作用，砂粒间孔隙变小，堆积密度增大，表面水的渗流速度减缓。

（4）竖井底部的碎石反滤层使用一段时间后易形成板结或堵塞，透水性差。

（5）竖井底部料堆自卸角外的砂在长期放料过程中不能产生松动而逐渐板结，透水性差，水流向中部汇流集中，造成竖井底部中间有100m3～150m3左右的砂含水严重。

（6）按设计要求小湾砂石粉含量控制在12％～17％，由于砂的石粉含量较高，不易于脱水，脱水速度较慢。

4．结论及建议

4.1进行砂石系统设计时，条件允许的情况下，尽可能采取露天方式堆存砂，若确实受布置场地等因素的限制，无法进行露天布置而需采用竖井堆料时，竖井数量及容量应至少满足12天以上的脱水时间要求。但竖井深度尽量不要太深。

4.2砂石系统采用竖井形式堆存砂时，在向拌和系统供料过程中，需布置调节料仓，最好是露天布置，若受条件限制也可采取竖井形式，在供料过程中将底部砂含水较大部分进行另行堆存，进一步脱水后使用。

4.3采用竖井形式堆存砂时，暗井井壁必须采用混凝土进行衬砌，并埋设排水管，以防止地下水渗入，造成砂含水偏大和波动。

4.4竖井底部设置的反滤层，经过一段时间后，很容易板结，不易脱水，因此必须隔一段时间对其进行清理或更换，建议在反滤层内部设置反冲洗水管，定期对其进行清理和冲洗。

4.5采用竖井结构堆存砂时，在石粉含量及细度模数满足要求的前提下，尽量采用干、湿法搭配生产，以利于脱水。

4.6采用竖井结构堆存砂时，应提前考虑砂石粉含量控制指标定的不应太高，建议按照国标6～17％的中下限控制，以利于脱水。

4.7采用竖井形式堆存砂时，可进一步研究进料方式对成品砂的脱水速率的影响，将原竖井中部进料改为靠近竖井明井壁单点落料方式进料，其余位置的堆料依靠自然堆积，以减少冲击压实的范围，增加离析水的渗透速率。

4.8采用竖井形式堆存砂时，可考虑在竖井底部中间积水较严重的部位布置透水钢管，利用负压抽吸中间部位较为严重的积水，采用虹吸管结构或采用真空泵形成管内负压。

4.9采用竖井形式堆存砂时，可进一步研究底部反滤层的设置形式和布置范围等，以取得最好的透水效果。

作者简介：

王恒贤（1981- ）男，青海乐都人，工程师、经济师、注册造价工程师，从事水电工程管理工作。