浅谈丹江口大坝加高工程砂石料水下开采

2012-08-31刘琴文中国水利水电第十一工程局有限公司

河南水利与南水北调 2012年22期

□丁伟 □刘琴文(中国水利水电第十一工程局有限公司)

1.概述

南水北调中线水源工程丹江口大坝加高工程右岸土建施工及金结设备安装标段中混凝土骨料、坝壳砂砾料、反滤料等原材料主要利用当地河道天然砂砾石料，总计开采量约282万m3。水下天然砂料开采设备、开采工艺和技术水平，经过几十年的应用与发展，已具有各种先进的设备和成熟的施工工艺技术，但同陆上设备的技术进步和工艺相比较，它既要受市场情况、开采地点、料源和料场情况的变化的影响，又受节能、环境保护等约束条件的限制。

2.水下开采料的难题及解决办法

砂砾石料料源位于长江最大的支流之一汉江，由于水下开采供料主要用于混凝土骨料、坝壳料、反滤料，开采料分类较多以及砂砾料开采施工工艺较为复杂，使得在水下开采施工过程中面临种种难题。

2.1 外部难题

一是料源距离水库较近，受水电站发电、泄洪影响大，库区下游水位变化较为敏感，开采施工风险大。二是由于目前国家对相关砂石料开采规定较多，加上地方区域不同，政策有所不同，施工协调难度较大。三是由于在城市中施工，与当地渔民作业交叉，施工干扰频繁。

2.2 内部难题

2.2.1 料源规划情况较为复杂

在工程开工初期，右岸土石坝坝壳料在羊皮滩砂砾石料场（坝壳料原规划区域）开采，发现料源情况与招标文件提供的料源情况不符，且在开采过程中料源级配变化较大，开采上岸的毛料不能满足坝壳料控制指标，此情况经确认后，设计单位对原有料源进行了重新勘探、设计规划。

2.2.2 料源种类多，设备配置难度大

由于供应混凝土、土石坝用砂砾料含砂率、级配、用量的不同，开采设备选型、布置、料源平衡的难度较大。

2.3 解决办法

一是料源位于大坝下游距离水库较近，受水电站发电、泄洪水流影响大，水位变化较为敏感，开采施工风险大。

通过业主与水电站运行方取得沟通，双方达成协议，在临时增加发电量、泄洪时，提前2h，通知转移船只，有效地避免施工风险。二是由于目前国家对相关砂石料开采规定较多，加上地方区域不同，政策有所不同，施工协调难度较大。

通过向地方政府咨询、网络信息查询，对当地砂石料开采政策进行了深入了解，并有针对性的进行了研究、分析，及时办理了相关水上开采手续，主要包括水上、水下作业许可证，船只检验证书等。并按照规定积极缴纳了地方规费。为开采施工奠定了良好的基础。三是由于在城市中施工，与当地渔民作业交叉，施工干扰频繁。在了解地方政府相关政策的同时，结合现场实际情况，我方积极的向当地相关部门反映了干扰施工的因素，并要求当地政府给予支持、协调。四是料源种类多，设备配置难度大。施工前，详细研究分析料源资料，对砂砾石料开采，结合生产强度和开采强度具体分析，进行砂石料水下开采设备的具体选型、配置，做好相应开采方案。

3.水下开采施工方案

3.1 施工顺序

分析研究初设料源资料→开采工程量分析→砂砾石料开采规划→设备选型→设备安装与调试→施工开采。

3.2 施工方法

3.2.1 分析研究初设料源资料

在施工前，认真分析、研究设计规划的料源情况，包括料源位置、开采界限、施工区内有无施工干扰及规划料场内的原材料质量情况。

3.2.2 开采工程量分析

3.2.2.1 砂砾石料总需要量

根据《南水北调中线水源工程丹江口大坝加高工程砂砾石料调整规划》资料，丹江口大坝加高工程共需要砂砾石净料571.8万m3，开采量693万m3（自然方），各工程部位需求量见表1。

表1 大坝加高工程砂砾石料需求量表

项目部主要负责大坝加高工程右岸土建施工及金结设备安装标段中混凝土骨料、坝壳砂砾料、反滤料等河道天然砂砾石料开采。

3.2.2.2 砂砾石料可开采量计算

根据《南水北调中线水源工程丹江口大坝加高工程砂砾石料源调整规划》中砂砾石料场地质剖面图判断，当水位到达EL89.5 m时，根据现有设备的开采深度（水下7 m），可开采砂砾石料的厚度平均约为4 m。按照各开采区的面积进行计算，右岸标段各开采区的砂砾石料可开采量分别为：

羊皮滩（混凝土骨料区）砂砾石料场可开采量＝（26.5万m2＋9万 m2）×4 m＝142万 m3；

羊皮滩（坝壳料区）砂砾石料可开采量＝（29.7万m2＋40.8万 m2）×4 m＝282万 m3；

七里崖（混凝土骨料区）砂砾石料可开采量＝13.9万m2×4 m＝55.6万 m3；

七里崖（坝壳料区）砂砾石料可开采量＝19.6万m2×4 m＝78.4万 m3。

3.2.3 砂砾石料开采规划

3.2.3.1 混凝土骨料、反滤料开采规划

羊皮滩料场一区、七里崖料场中区及傅家寨（混凝土骨料区）料场砂砾料的技术指标均能满足混凝土生产的要求，三料场都可作混凝土骨料的料源，羊皮滩料场一区质量较好，厚度均匀，开挖效率高，距坝区近，但含砂率较低；七里崖料场中区含砂率较高，但大石含量较少。综合考虑两区各级料含量及储量，羊一区与七里崖中区按一定比例开采较优，即在羊一区开采一段时间后再在七里崖中区开采一段时间，然后又到羊一区开采，初步考虑两区开采比例约为70:30，根据开采料实测各级骨料含量进行适当调整，以减少弃料量。

羊皮滩料场羊一区砂砾料天然储量357万m3，左、右岸混凝土骨料毛料按混凝土量所占比例分别从羊一区开采60%和40%，考虑开采获得率取75%～70%，羊一区左、右岸混凝土骨料毛料开采区可开采量分别为161万m3和99万m3，合计260万m3。

七里崖料场中区天然储量135万m3，左、右岸混凝土骨料毛料分别从七里崖料场中区开采60%和40%，按现有开采设备开采获得率取77%～81%，七里崖料场中区左、右岸混凝土骨料毛料开采区可开采量分别为66万m3和42万m3。

右岸混凝土骨料毛料在羊一区和七里崖北区左岸开采区共可开采108万m3。

羊一区具备可开采储量260万m3，可开采系数取1.2，则混凝土骨料及土石坝反滤料所需毛料可从羊皮滩料场羊一区开采217万m3，另需从七里崖料场中区开采79万m3，料场可开采系数取1.2时，需规划95万m3的可开采储量，按现有开采设备开采获得率计算七里崖料场中区的可开采储量为108万m3，可满足要求。

3.2.3.2 坝壳料开采规划

右岸土石坝坝壳料开采，考虑现有设备情况，羊二区和羊三区开采获得率分别为62%和77%，羊二区和羊三区开采上岸量分别为：66万m3和184万m3。以羊二区66万m3为控制量、羊三区与羊二区砂砾石料按2﹕1的比例确定羊三区的开采量为132万m3，混合后综合方量折减率约为90%，最终混合为177万m3坝壳料，右岸土石坝需要量为222万m3，按开采量与需要量之比取1.2的要求，需要在七里崖北区储备89万m3，作为右岸土石坝坝壳料料源。

在七里崖北区料场，考虑现场现有设备生产能力，左、右岸标在相应开采区开采获得率分别为85%～76%，七里崖北区（不包括鱼塘区和鱼塘保护区）可采量为323万m3，左、右岸土石坝坝壳料在七里崖北区需要量为249万m3，不包括鱼塘区和鱼塘右侧及下游保护区的七里崖北区储量与需要开采上岸量的比值为1.30。

右岸土石坝坝壳料从羊三区与羊二区开采，羊三区与羊二区砂砾石料按2﹕1的比例混合后，综合方量为178万m3，需要在七里崖北区规划89万m3的开采区。

左、右岸土石坝坝壳料在七里崖北区（不包括鱼塘区和鱼塘保护区料场）开采249万m3，按1.2的系数，需要规划299万m3开采区。七里崖北区料场（不包括鱼塘区和鱼塘保护区料场）可开采储量323万m3。

3.2.4 开采设备选型配置

目前，国内同等规模工程水下开采深度控制在2～3 m。根据现场实际情况，为保证开采用量，开采设备最大开采深度要求达到8～9 m，另设计要求，水下开采遇到泥团、淤泥质壤土时应予以剔除，这对开采设备选型方面提出了更高的要求。

开采设备选型主要考虑的因素为开采深度、土石坝填筑施工进度要求、河道实际状况。

首先，依据大坝加高工程砂砾石料源调整规划要求，通过对羊皮滩料场的羊一区、羊二区、羊三区及其它4个区域以及七里崖料场内混凝土骨料质量评价、坝壳料质量评价，采用挖掘机取样砂和链斗式采砂船取样砂的细度模数、平均粒径、含泥量的比较，可见，采用链斗式采砂船进行水下开采，可提高砂的平均粒径和细度模数，降低砂的含泥量。因此，链斗式采砂船为水下砂石料开采的首选设备。

根据对生产强度和开采强度的具体分析，进行砂石料水下开采设备的具体选型、配置。

一是生产强度分析；每年水下开采施工受汛期影响较大，需储备坝壳料，根据总进度要求，储备量为12万m3。按照开采船只配备及保证平均每月6万m3坝壳料填筑，需在右岸羊二、三开采区布置120 m3/h采砂船和260 m3/h采砂船及相应的运输编队开采。

二是开采强度分析；高峰期每月需要开采坝壳料6万m3。在羊二、三区分别布置120 m3/h采砂船和260 m3/h采砂船组成各自编队的月开采强度取利用系数取0.7，约为6.3万m3，满足土石坝填筑需要。单独布置一条150 m3/h采砂船在混凝土骨料及反滤料开采区，开采毛料供应混凝土骨料筛分、反滤料加工。

3.2.5 水下开采施工作业均使用链斗式采砂船，砂驳运输。

3.2.5.1 开采顺序

采砂船开采（羊二、三区）→砂驳运输→1#、2#码头趸船转运→经岸上皮带机系统运输至毛料堆场分区堆放。

3.2.5.2 明确开采区域

根据料场划分情况对开采区域进行了测量放线，明确右岸坝壳料的开采区域，坝壳料开采区域以羊二、三为主，七里崖料场补充，放置有浮标开采区域明确，便于施工船只进行开采。

3.2.5.3 采砂船开采

采砂船开采时，必须一次开挖至采砂船的最深开采限度，避免二次开采，以提高开采效率和充分利用料场资源。开挖采取逆水流方向开采，开挖时，采用锚揽固定采砂船，调整水下开采链斗位置，运输砂驳就位后，由船长统一指挥开始开采施工。

3.2.5.4 运输

水下开采砂石料运输采用砂驳运输，目前的砂驳有自航式砂驳和非自航式砂驳，非自航式砂驳由拖轮牵引进行水上运输，为保证运输砂驳将砂砾料卸至岸上，砂驳上需配置足够长的运输皮带系统，保证砂砾料上岸。

岸上的运输设备主要是皮带机运输，毛料运输至筛分系统廊道位置，皮带宽1 m，输送速度为2 m/s，岸上输送距离约112 m。

3.2.5.5 堆放

毛料运输上岸后在已规划毛料堆场分区堆放。