碾压混凝土坝浇筑入仓方式及设备综述.docx
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碾压混凝土坝浇筑入仓方式及设备综述
碾压混凝土坝浇筑中入仓手段综述
[摘要]本文阐述了碾压混凝土浇筑入仓手段及设备,在我国二十多年碾压混凝土筑坝技术研究中的科研探索和工程实践。
结合直接入仓方式和组合入仓方式及设备在不同条件下的应用,论证了汽车、深槽高速皮带布料机、塔式皮带布料机、悬臂式布料机、埋柱格构、吊罐、缆机、负压溜槽等入仓设备的单独或组合使用对提高碾压混凝土大坝浇筑机械化施工水平起到了重要的作用,提出了依托在建和待建大型水利水电工程,大力开展碾压混凝土入仓手段和设备研发及应用,实现大型工程入仓设备国产化的思路和途径。
[关键词]碾压混凝土坝入仓手段设备研究
1、概述
我国的碾压混凝土筑坝技术研究,自1979年材料研究开始,至今已跨越了27个年头。
百米级的碾压混凝土坝已建9座、在建13座、拟建11座。
经过20多年探索研究和筑坝实践,在坝工设计、材料研究、施工装备和技术等方面都取得了突破性的进展。
其中,浇筑入仓手段及设备的进步尤为突出,已经形成了一系列的适应不同坝型、不同坝高、不同坝址地形条件、不同入仓强度指标要求的碾压混凝土坝浇筑入仓手段及设备。
2、直接入仓方式及设备
直接入仓方式有两种:
汽车直接入仓、皮带布料机直接入仓。
2.1汽车直接入仓
汽车运输碾压混凝土直接入仓,是最简单、最直接的入仓方式。
一般适应于低碾压混凝土坝或中高碾压混凝土坝的低部位混凝土浇筑。
国内许多碾压混凝土坝施工都采用了这种入仓方式。
岩滩碾压混凝土坝施工中,使用了葛洲坝集团公司施工科学研究所(简称:
葛洲坝科研所。
下同)QT20型汽车碾压混凝土摊铺机。
在车箱顶部设置遮阳防晒装置,在车箱尾部设卸料抗分离装置,在车箱尾部及尾侧部设液控挡板和铺料装置,有效地解决了汽车运输过程中的混凝土辐射温升问题、汽车卸料过程中的骨料分离问题、汽车卸料摊铺过程中铺筑层厚不匀问题,汽车式碾压混凝土摊铺机基本满足了快速入仓、均匀摊铺的要求,简化或省去了平仓作业平仓设备。
在仓面用这种摊铺自卸车运输和布料是很经济的方法。
QT20型汽车式碾压混凝土摊铺机技术参数:
自重:
16.5t
斗容:
6.4m3
运输行驶速度:
60km/h
摊铺行驶速度:
3~6km/h
摊铺速度:
60~90s/车
摊铺厚度:
0.25~0.65m
摊铺宽度:
3.0m
摊铺精度:
±3cm
图1岩滩电站QT20汽车式摊铺机
在优势明显的同时,汽车直接入仓方式的采用也受到很多制约因素影响。
其中,坝址地形条件、道路成本、坝高和技术观念的不同,对是否采用汽车直接入仓方式影响较大。
2.2皮带布料机直接入仓
皮带布料机是各种形式的混凝土输送皮带机、布料机的简称。
与汽车直接入仓相比,皮带布料机直接入仓无疑是更为快速、连续、优质的碾压混凝土入仓方式。
美国的ROTEC公司最早提供了多种适用于不同浇筑需要的解决方案和设备组合,最典型的是塔带机和供料线,它将混凝土水平运输、垂直运输及仓面布料功能融为一体,具有很强的混凝土浇筑能力。
1994年三峡一期工程纵向碾压混凝土围堰施工,使用TC2400塔带机进行了生产性试验。
三峡三期工程碾压混凝土围堰施工,使用了各种大型皮带式布料机7台(套),单机单线最高班产达到1602m3,最高日产达到4054m3。
以美国ROTEC公司的塔带机、供料线为代表的皮带布料机,价格较高、系统庞大,国内大多数中小型水电工程难以采用。
针对这种状况,国内的一些施工科研设计单位,从二十世纪90年代,就开始了皮带布料机的应用研究。
其中,葛洲坝集团施工科研所结合河南石漫滩、湖南江垭、清江高坝洲等工程,完成了深槽高速混凝土浇筑皮带布料机及其相关技术的研究设计和应用。
2.2.1塔式皮带布料机(塔带机)
塔带机有移动和固定式两种。
移动式的不易解决向布料皮带机供料问题,一般为小型的而且一般不设爬升机构。
葛洲坝集团有限公司施工科研所设计的450tm塔带机的结构布置和技术性能参数见附图表。
图2450tm塔式布料机
表1450tm塔带机技术性能参数
最大回转半径(工作范围)
48.0m
纵向工作范围
依行走轨道长度而定
最大工作高度(轨顶以上)
46.5m
最低工作高度(轨顶以下)
20.0m
生产率
200~240m3/h
皮带机带宽
650mm
皮带机槽角
60°
皮带机带速
3.5m/s
皮带机最大仰角
30°
皮带机最大俯角
20°
物料种类
常态、碾压混凝土
最大粒径
150mm
2.2.2龙滩电站大坝拌和楼出料皮带机和系统连接皮带机
2004年,龙滩电站大坝碾压混凝土施工中,采用了葛洲坝科研所研制的系统连接高速皮带机和拌和楼出料皮带机,配三峡使用经结构完善和技术改造的爬升供料线和塔带机,作为碾压混凝土浇筑的入仓手段,实现了设计制造使用国产大型高速混凝土皮带输送机的重大突破。
龙滩电站大坝拌和楼出料皮带机为可伸缩的移动式皮带机共3条,各自承担3座拌和楼的混凝土出料任务,分别向3条高速连接皮带机供料,通过3条高速连接皮带机再分别向3条爬升供料线供料。
主要技术参数:
生产率≥330m3/h
出料皮带机条数:
3条(J1、J2、J3)
连接皮带机条数:
4条(L1、L3、L5、L6)
出料皮带机带速:
1.8m/s
连接皮带机带速:
3.5~3.8m/s
出料皮带机带宽:
1200mm
连接皮带机带宽:
800mm
皮带机总驱动功率:
230kw
皮带机槽角:
45°
皮带机倾角:
2条倾角-11.5°,5条倾角0°
立柱最大自由高度43m
立柱最大间距55m
图3龙滩电站供料线出料皮带机、连接皮带机平面布置图
3组合入仓方式及设备
根据碾压混凝土坝地形条件、枢纽布置特点、运输成本、承包商的设备装备能力等各种不同情况,直接入仓方式更多地被组合入仓方式所替代。
3.1汽车+吊罐+缆机
选择汽车+缆机组合入仓方式适用于狭窄陡深河谷地形及部分高坝施工。
如:
龙首水电站大坝主河床上的双曲薄拱坝等部位,采用了拌和站→汽车→缆机→仓内的入仓方式。
普定拱坝左岸高程1130.2m以上和右岸高程1143m以上碾压混凝土,由自卸汽车从拌和楼接料后,经600m运距至坝前高程1150m公路起吊处,卸入3m3卧罐,由缆机吊运入仓。
蔺河口电站双曲拱坝部分碾压混凝土采用汽车+缆机的组合入仓方式浇筑。
大朝山电站,采用该方式输送碾压混凝土7.88万m3,龙滩电站也采用了汽车+缆机的组合入仓方式做为其他入仓方式的补充。
由于碾压混凝土坝一般都具有较高的入仓强度要求,而缆机的输送强度又较低。
所以,汽车+缆机组合入仓方式很少作为碾压混凝土坝浇筑的主要入仓方式。
值得注意的是,缆机未具有较高的混凝土输送强度,与缆机的吊罐快速定位有较大的关系。
同时,做为其他入仓方式的补充,在碾压混凝土坝施工中缆机浇筑的仓位多为边角或顶部,因而料罐快速定位更具有积极意义。
葛洲坝施工科研所在东风电站拱坝施工中,提供了一种缆机微机自动控制技术ZK-1系统。
该系统采用微机实时控制缆机自动快速的垂直、水平运输,准确定点卸料,实时全遥控操作、遥控卸料和遥控回程起步,成功地解决了缆机在运行中的料罐摆动问题,使缆机起吊实现快速、准确、平稳、运行安全可靠。
图4贵州东风电站高拱坝缆机入仓自动控制系统应用
3.2汽车+皮带机
皮带机布料机直接入仓虽然具有布置单一、设备效率高等优点,但系统设计和设备采购成本较高,对场地布置也有一定要求。
所以,结合现场施工道路条件和永久道路的布置,更多的工程采用汽车+皮带机等组合入仓方式。
高坝洲二期工程碾压混凝土施工中,葛洲坝科研所,为其提供了汽车+伸缩悬臂式布料机入仓方案。
在右坝肩22#坝段高程60m平台布置一套皮带机入仓系统,该系统由一台长30m的皮带机和一条长25m的负压溜槽组成,混凝土输送能力300m3/h,自卸汽车在仓内接料转运。
伸缩悬臂式布料机布置情况见图5。
图5高坝洲工程皮带机系统布置
表2高坝洲皮带机系统技术性能
生产率
300m3/h
锥形料斗
9m3×2
出料皮带机长度
12m
悬臂布料机长度(基本段)
22m
悬臂布料机长度(伸缩段)
8.0m
带宽
800mm
带速
4.0m/s
最大仰俯角
+25°
-15°
回转摆角
±21°
卷扬机(慢动)
5T
软管溜筒长度
内径
18m
420mm
伸缩悬臂式布料机技术不仅为碾压混凝土坝浇筑提供了入仓手段,也适用于常态混凝土的浇筑入仓要求。
2001年,三峡左非9坝段,2003年,重庆青莲溪工程,2002年汉坪咀的混凝土浇筑工程,都采用了葛洲坝科研所研制的埋柱格构式布料机。
该系统主要由基本框架、伸缩桁架、回转支撑、回转盘、格构立柱、受料斗、挡料槽、混凝土刮刀、象鼻溜管、空段清扫器安全防护装置等组成。
如果施工需要,该系统可实际双向布料。
主要技术参数:
布料范围:
以塔柱为中心,半径1.2~1.65m
额定生产率:
125m3/h
带宽:
580mm
带速:
2.5m/s
回转:
360°
伸缩:
7.5m
仰俯角:
-6~+10°
受料斗斗容:
1.0m3
系统总功率:
13.0kw
安全防护装置:
600kg—报警
800kg—自动停机
图6三峡埋柱格构混凝土浇筑布料机
图7重庆青莲溪皮带布料机供料线系统
3.3汽车+负压溜槽
由于地形的限制,使得采用皮带布料机入仓方式难以满足在垂直高差较大、水平距离较短的条件下输送碾压混凝土的需求,或者成本较高。
作为狭窄河谷的混凝土垂直运输手段,葛洲坝科研所首次在广西荣地碾压混凝土坝施工中使用拥有自主知识产权的负压溜槽技术,采用密闭的筒状槽体和柔性盖带,产生负压并借以限制混凝土的下行速度,不加剧骨料分离,具有简单、安装方便,运行可靠,节省施工费用等显著的经济效益。
汽车+负压溜槽入仓方式,在荣地大坝施工中,输送碾压混凝土3.3万m3;在水东大坝碾压混凝土施工中,垂直高差45m,输送碾压混凝土6.4万m3;在普定电站施工中,垂直高差40m,输送碾压混凝土5.31万m3;在大朝山电站施工中,垂直高差57.6~86.6m,输送碾压混凝土21.1万m3;在龙首电站施工中,垂直高差48.5m;在石门子电站施工中,垂直高差54m,倾角52°;在蔺河口电站施工中,垂直高差62m,输送碾压混凝土11.76万m3;在招徕河电站施工中,垂直高差60m,输送碾压混凝土6.0万m3。
负压溜槽技术参数:
集料斗容量:
4~8m3;
溜槽长度:
50~120m;
溜槽倾角:
42°~53°
槽体半径:
260~320mm
输送能力:
200~320m3/h
3.4皮带机+负压溜槽
负压溜槽虽然具有简单、经济的特点,但其生产能力,主要取决于送料强度和仓面受料强度。
因此,与汽车组合独立使用,其系统输送能力受到较大制约,一般仅为负压溜槽输送能力的25%~50%,因此,在大中型工程,较多地采用皮带机+负压溜槽的组合方式。
最早使用皮带机+负压溜槽输送碾压混凝土的工程,当属湖南江垭工程。
由葛洲坝科研所开发的PFSS系列深槽高速皮带机和负压溜槽联合输送系统,使拌和楼出口的混凝土经深槽高速皮带机+负压溜槽直接输送入仓,由仓内汽车转料摊铺。
主要技术参数:
皮带机带速:
3.4m/s
皮带机带宽:
650mm
皮带机上行角度:
13°
皮带机额输送能力:
240m3/h
溜槽额定输送能力:
300m3/h
系统垂直输送高度:
83m
溜槽倾角:
47°
溜槽数量:
2级四条
图8江垭工程皮带机+负压溜槽系统布置图
图9系统立面布置图
江垭工程采用皮带机+负压溜槽系统,输送混凝土100万m3,其中碾压混凝土80余万方,最高月产12.01万m3,最高日产0.71万m3,最高小时产量319m3,取得了显著的经济效益,为碾压混凝土浇筑的入仓手段提供了一个全新的解决方案。
龙滩碾压混凝土大坝是目前世界上在建的最高碾压混凝土坝。
在入仓浇筑方案的设计上,十分重视皮带机+负压溜槽的布置。
采用一条供料线组合3条Φ600mm的负压溜槽(其中一条备用),担负大坝右岸非溢流坝的部分碾压混凝土浇筑。
由葛洲坝科研所参与设计制造的缅甸耶娃碾压混凝土坝皮带布料机系统,也充分考虑到在爬升皮带机和布料机合理布料高度以下,采用皮带机+负压溜槽组合方式输送碾压混凝土,总量将超过30万m3。
目前,由葛洲坝科研所设计制造的负压溜槽系统已经在工地安装完毕。
4碾压混凝土入仓手段的研究开发和国产化方向
4.1混凝土皮带机系统
输送混凝土的皮带机系统主要由供料装置、输送皮带机、布料机三部分组成。
4.1.1供料装置
供料装置分为由拌和楼供料的受料装置和由汽车供料的转料装置。
ROTEC公司的供料装置为双螺旋给料机,该设备最大问题为当用普通自卸汽车供料时,需要高约3.0m的卸料平台,这就限制了它的机动性,无论双螺旋给料机或锥形料斗,由于可控料门俱为弧门,加上混凝土的特性,在满足生产率3.5m3/min的条件下,难以同时满足均匀给料的要求。
根据上述情况,供料装置应着重在以下几方面做工作:
4.1.1.1双斗翻转式给料
该设备由储料和翻转两个料斗组成,翻转料斗可放至地面由普通自卸汽车直接卸入,举升翻转料斗倾卸于储料斗中,物料由储料斗向出料皮带机给料。
该设备省却了上料平台,具有更大的机动性,最适宜在频繁更换给料点的场合使用;两个料斗仍保证了给料的连续性,系统生产率不变。
缺点是结构较复杂,价格偏高。
4.1.1.2单斗翻转式给料机
将双斗翻转式给料机的储料斗取消,在翻转料斗的下部加设可控门,物料从翻转料斗直接卸在出料皮带机上,就成为单斗翻转式给料机。
单斗翻转式给料机结构简单,价格低,但在料斗翻转及复位进料时,将停止向皮带机给料,降低了系统生产率20~50%。
4.1.1.3对生产率<3.5m3/min斗门结构的研究
4.1.2混凝土输送皮带机
葛洲坝科研所对混凝土输送皮带机进行了长期的科研设计和工程实践,在满足混凝土输送质量、满足施工强度要求方面,已不存在不可逾越的难题,尚需对下述三种皮带机进一步研究。
4.1.2.1通用混凝土皮带机的研究
这种通用耐用标准化的皮带机,应具有带宽小、带速高、重量轻、采用轻金属材料的特点,广泛适用于多种中小型混凝土坝,其结构还用于汽车皮带机布料机中伸缩皮带机的末节结构和摇臂式皮带布料机的梭式皮带机结构。
4.1.2.2长皮带机的研究
混凝土输送时尽量采用长皮带机,以减少环节,保证混凝土质量,减少事故率。
长皮带机主要是驱动滚筒、减速装置、制动装置的研究。
4.1.2.3大跨度皮带机及高支柱的研究
由于坝体处的地形复杂,又受多种因素的限制,皮带机的卸料点又随着坝体的升高而逐渐抬高,不可避免的会出现跨度60~100m的大跨度皮带机及高支柱。
甚至高支柱的研究重点应该是格构式桁架柱的设计与抗风技术的研究。
4.1.2.4自爬升皮带机的研究
对于大中型碾压混凝土坝而言,随着坝体上升而自爬升的皮带机和布料机还是大有用武之地。
研究运行简单、安全可靠的爬升机构,满足大型工程入仓设备国产化的需要。
4.1.2.5高支柱及皮带机自提升能力的研究
大型皮带机系统的安装拆卸,十分依赖于其他的起重设备。
研究不需要大型起重设备,就可以完成支柱“生长”、单跨皮带桁架架设的技术是有现实意义的。
4.1.3混凝土皮带布料机
混凝土皮带布料机按其布料工作原理分三种基本类型:
塔式、车载、摇臂皮带布料机,分别为五连杆机构、多带伸缩机构和梭式机构。
4.1.3.1塔式皮带布料机(塔带机)
塔带机有移动和固定式两种。
移动式的塔带机一般不设爬升机构且多为小型。
如葛洲坝科研所设计的450tm塔带机。
固定的塔带机为大型设备、提升能力已达到2500tm,布料范围已逾100m。
对塔带机的开发主要是将其国产化。
全部国产化的塔带机,其造价约为ROTEC塔带机的三分之一或POTAIW顶带机的二分之一,目前的难题是缺乏可选购的国产2000tm的塔式起重机。
采用进口塔式起重机配以国产的布料皮带机系统,其造价约为进口设备的1/2~3/4。
4.1.3.2车载皮带布料机
车载皮带布料机按其使用的底盘分汽车式、履带式、轮胎式皮带布料机,它们分别使用汽车起重机、履带液压起重机、轮胎起重机底盘,后两者各只有一种规格的产品,即布料范围为50m的履带式皮带布料机和61m的轮胎式皮带布料机;后者采用75t轮胎起重机底盘,国内尚不能生产。
汽车式皮带布料机机动性、通用性最好,用途最广泛,用其装备我国的水利水电施工队伍,将提高机械化施工水平,提高混凝土浇筑质量,是应该重点开发的方向。
汽车式皮带布料机的布料伸缩皮带机技术难度最大,在皮带机轻型化方面己达到无所不用其极,在结构方面采用轻合金结构。
4.1.3.3摇臂布料机
摇臂布料机是最轻型的皮带布料机,最大布料范围仅20m,价格较低,ROTEC公司已将其系列化,主要用于大型布料机的延续布料、坝体基础混凝土和低坝的浇筑。
摇臂布料机开发的主要技术问题是结构轻型化。
4.1.4混凝土垂直输送设备
负压溜槽的输送倾角已成功地突破了53°的限制。
更陡输送倾角的溜槽系统甚至是垂直输送设备的研究显得非常必要。
研究方向应该是:
高耐磨材料的选型研究,垂直落料缓降器的研究,多种垂直输送技术联合应用的研究。
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