西藏某水电站大型混凝土生产系统布置与设计

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 工程概况

西藏某水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，工程区距桑日县城公路里程约43km，距山南地区行署泽当镇约78km，距拉萨市约219km；为二等大(2)型工程，电站枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电系统及升压站等组成。

该水电站混凝土生产系统规划布置于坝址左岸下游1.2km处，系统承担大坝及厂房等主体工程约280.0万m3混凝土生产任务。大坝及厂房等主体工程施工期间，混凝土生产系统需满足混凝土高峰月强度16.0万m3/月。

大坝及厂房等主体工程施工期间，混凝土生产系统具备生产各种级配(一～三级配)、各种类(常态、碾压)常温、预热(11月～3月)、预冷(5月～9月)混凝土，满足预冷混凝土高峰浇筑强度16万m3/月，预热混凝土高峰浇筑强度10万m3/月，预冷混凝土出机口温度按≤9℃设计，预热混凝土出机口温度按≥10℃设计。

预冷混凝土浇筑高峰当月，碾压混凝土强度约为11.5万m3/月，常态混凝土强度约为4.5万m3/月；另外，本工程预冷常态混凝土高峰强度约为7.5万m3/月(碾压混凝土高峰浇筑月与常态混凝土高峰浇筑月不重叠)。

2 地形地质条件及气候环境

2.1 工程区地质条件

工程区属高山峡谷地貌，河流以N15°E流经坝址，坝址段河道顺直，河谷狭窄，呈较对称的“Ⅴ”型，枯水期水位高程3371.9m，水面宽92.4m～123.8m。坝址区出露地层岩性为喜山期黑云母花岗闪长岩，局部夹黑云母角闪石英闪长岩条带状岩脉，厚30cm～50cm，局部3m～5m，两者多呈裂隙接触，局部呈熔融接触。第四系由冲洪积、崩坡积、冰水堆积、泥石流堆积组成。

2.2 混凝土生产系统地质条件

混凝土系统场地位于坝址左岸下游1.2km，天然地面高程3360.0m～3410.0m，地形坡度13°～26°。场地下游发育大古沟，大古沟为小型、低频泥石流沟，近50年未爆发过泥石流。

大古沟流域面积2.62km2，沟长2.9km，沟谷纵坡624‰，大致将沟域划分为三个区，高程4150m以上为物源区，高程4150m～3470m为流通区，高程3470m以下为堆积区。沟内松散固体物源96.98万m3，可参与泥石流活动的不稳定物源为11.49万m3。

3 混凝土系统生产工艺及布置选择

该水电站工程混凝土系统布置在下游永久交通桥与砂石系统之间，混凝土系统与砂石系统采用胶带机无缝连接，砂石系统成品料仓、也是混凝土生产系统的砂石骨料调节料仓。砂石系统与混凝土系统处于同一平台上，高差小，且场地狭窄，整个混凝土系统的布置场地仅为200m×70m，要布置三座拌和楼或拌和站、以及相应的粉灰系统、预冷系统、预热系统、拆包系统、配电系统及供风系统等。

根据工程区环境条件和混凝土设计要求，混凝土在生产过程中，不同的时段需采取预冷或预热才能满足生产要求，而且预冷混凝土出机口温度不大于9℃，采用拌和楼楼上风冷不能满足制冷要求(根据预冷混凝土设计规范要求，采用拌和楼楼上风冷，冷却时间应不小于2.0h)，只有采用“一次风冷+冷水+冰”才能满足制冷要求。另外，为了控制骨料由温控料仓输送到拌和机过程中的温度回升，需最大限度地缩短温控料仓至拌和站的物料输送距离。

基于以上原因，为保证混凝土系统的功能和场地布置，采用拌和楼时，由于上料高度比较高，又需要采用一次风冷，上料系统需经过多次胶带机导运才能上到楼顶，需要占用的场地较宽。所以混凝土拌和系统在生产工艺上选用拌和站，以减少上料系统占用场地，另外将一次风冷与制冷系统采用复合型布置，将制冷系统布置在一次风冷料仓的底部层，抬高风冷料仓的出料高度，同时缩短了一次风冷料仓与拌和站之间的距离，提高场地利用率。此外，将三座拌和站并排布置，运输通道进出口分开，形成环道，提高出料能力。混凝土系统详细布置见图1。

图1 混凝土系统布置

4 混凝土系统工艺设计

4.1 混凝土系统产能设计计算

根据上述混凝土系统设计标准要求，拌和系统设计按预冷混凝土高峰月强度满足16.0万m3/月进行设计，三班制生产。按设计规范计算混凝土的小时生产强度为：

Qh1=Kh×Qm÷20÷25=1.5×160000÷20÷25

=480m3/h

式中：Qh1——小时生产能力，m3/h；

Kh——小时不均匀系数，取1.5；

Qm——混凝土高峰月浇筑强度，Qm=160000m3。

取混凝土生产系统的小时需求生产强度Qh2=480m3/h，其中碾压混凝土小时需求生产强度为345m3/h(按11.5万m3/月计算)，常态混凝土小时需求生产强度为135m3/h(按4.5万m3/月计算)。

4.2 混凝土生产系统拌和站设备选型

根据本工程拌和系统采用拌和站的结构形式，共配置三座型号为HZ300-2S4500L的拌和站，混凝土的生产能力为300m3/h，预冷水工混凝土和预冷碾压混凝土的生产能力为250m3/h。考虑到水工混凝土密度大、配比中有大骨料及生产碾压混凝土等因素，强制式搅拌机降档使用，单机每盘生产4.5m3混凝土(捣实)，本拌和站配置两台德国BHS公司的DKX6.00水工型双卧轴强制式搅拌机。DKX6.00水工型搅拌机拌制混凝土质量优良，生产效率高。混凝土出料采用双斗双线出料，可以同时生产两种不同标号的混凝土。

4.3 拌和站混凝土生产系统生产能力复核计算

Qh2=60×V×N×K÷(t1+t2+t3)=60×4.5×2×0.85÷(0.33+0.33+1.75)=190.46m3/h

式中：Qh2——拌和站设计小时生产能力，m3/h；

V——搅拌机容量，m3，按出料计；

N——搅拌机台数；

K——时间利用系数；

t1——装料时间，可取0.25min～0.33min；

t2——卸料时间，可取0.17min～0.33min；

t3——静搅拌时间，可取1.5min～1.75min。

综上所述，单台HZ300-2S4500L拌和站的生产能力约为190m3/h，则3座拌和站设计生产能力为：190×3=570m3/h≥Qh1=480m3/h，选用3座HZ300-2S4500L强制式拌和站，满足大坝及厂房工程施工预冷混凝土高峰月浇筑强度16万m3的要求。可以同时生产多种混凝土，满足电站多种混凝土的生产要求。

4.4 水泥及掺和料粉灰罐系统设计

根据主体工程混凝土用量计算，得出月高峰强度日平均所需水泥用量约为850t，所需掺和料用量约为620t。根据《水利水电工程施工组织设计手册》规范要求，水泥的必要储备天数取7d，掺和料的必要储备天数取10d，经计算得出水泥的必要储备量为5950t。另外根据掺和料与粉煤灰在碾压混凝土的用量计算，应为水泥用量的1.5倍左右，由于本工程所在地500km公路范围内没有发电厂，所用粉煤灰和掺和料需采用火车从外地运来，应加大储备量，保证系统生产，设计储备量为12000t。结合实际情况，设1500t粉灰罐共12座，其中水泥灰罐4座，可储备水泥共6000t，满足高峰强度7d用量；掺和料粉灰罐8座，可储备掺和料总量为12000t，满足高峰混凝土强度15d用量。

4.5 外加剂系统设计

外加剂车间工艺设计：1#、2#、3#拌和站的外加剂全部由外加剂车间集中拌制后分别供应，主要由外加剂库房、搅拌池、储液池和泵房组成。根据本工程特点，外加剂车间主要配置1套引气剂搅拌池，3套减水剂搅拌池，2座储液池(底板面上设计气管路均匀搅拌)，每座拌和站均设计有2套外加剂泵一对一分别供应2种外加剂。

4.6 供风系统设计

空压机车间系统工艺设计：本系统采取集中供风方式为粉灰输送系统和混凝土生产系统3座拌和站供风，分别在主要用风点1#、2#、3#拌和站、预冷预热料仓、成品料仓出口等设置1m3的储气罐，以确保供风平稳。粉料输送系统和混凝土生产系统设计成2套独立运行的供风管网，同时，将粉灰输送的用风管路与生产系统用风管路串联，以满足紧急情况下生产系统用风需要。

5 温控系统设计

5.1 自然出机口温度计算

根据招标文件给出的自然条件及混凝土参考配合比，结合我公司类似工程的经验，对碾压混凝土(平均配合比)及常态混凝土(平均配合比)分别在高温季节及低温季节自然状态下的出机口温度，及其需降(升)温的幅度进行计算，其计算公式如下：

T01=(ΣTiGiCi+Q)/ΣGiCi

式中：T01——混凝土自然拌和出机口温度，℃；

Ti——第i种材料的温度，℃；

Gi——每立方米混凝土中第i种材料的质量，kg/m3；

Ci——第i种材料的比热容，kJ/(kg·℃)；

Q——每立方米混凝土拌和时产生的机械热，kJ/m3，Q=42Pt/V+δ；

P——搅拌机的电动机功率，kW；

t——搅拌时间，min；

V——搅拌机容量，m3，按有效出料容积计；

δ——运输和二次筛分增加的机械热。

计算结果如表1所示。

5.2 混凝土温控措施

根据计算结果，结合我公司在混凝土温度控制方面的施工经验，拟对预冷混凝土采取加冷水、加片冰、对粗骨料在风冷料仓(兼作一次加热料仓)以及拌和站料仓进行两次风冷的组合温控措施；对预热混凝土采取在成品料仓预热小石及砂、在一次加热料仓及拌和站料仓对粗骨料进行两次加热，以及加热水拌和的温控组合措施。不同月份、不同种类的混凝土温控措施组合及采取组合措施后出机口温度见表2。

表1混凝土自然出机口温度及需升(降)温幅度

表2混凝土温控措施组合

注： A——加4℃制冷水拌制混凝土；

B——加片冰拌和，常态混凝土每方加30kg，碾压混凝土每方加20kg～25kg；

C——粗骨料一次风冷，常态混凝土冷至3℃～4℃，碾压混凝土冷至3℃～4℃；

D——加60℃热水拌制混凝土。

5.3 温控系统参数设计

根据水工混凝土设计的相关规范，制冷系统按混凝土系统高峰期平均产能的1.5倍进行设计，制冷系统各项参数如下：

(1)骨料冷却采用一次风冷方式，骨料仓的储量按4.0h设计，将骨料G2、G3从16.6℃降至3℃，G4从16.6℃降至4℃，预留1℃的传送温升，一次风冷总耗冷量为4078kW；

(2)拌和站内用5℃冰水，考虑到输水系统温升，实际冰水出水温度按4℃考虑，实际冰水使用量约为8m3/h，考虑到高原能量损耗大等原因，冰水生产能力按35m3/h，冰水系统总耗制冷量590kW；

(3)通过计算，片冰最大用量为140t/d，片冰生产能力按150t/d配置设备，同时配置60t库，调节日间高低温时段。片冰机出口温度-5℃，考虑冷损，制冷量860kW(因冰库是24h不间断开机，冰库需自带冷源)；

(4)根据本工程所在地的气候特性，冬季不施工碾压混凝土。通过计算，在最低气温时段，只需将水加热至55℃，就能保证常态混凝土出机口温度不低于10℃。根据用水量和损耗，系统配置两台功率为720kW、容量为12m3的电热水锅炉，向拌和站供60℃的热水，保证混凝土出机口温度不低于10℃。

6 结语

西藏某水电站混凝土系统位于峡谷地区，场地狭窄，在充分考虑系统生产能力、温控要求(预冷预热)的基础上，选择合理的生产工艺和设备配置，既解决了场地狭窄问题，同时缩短了物料输送距离，减少了预冷骨料在输送过程中的能量损失，提高温控效果。通过提高制冰机的生产能力和配置大库容的片冰冷库，保证系统昼夜温度较大的峰值调节能力，保证了混凝土的预冷质量。通过本拌和系统的设计，为特殊工程环境的类似工程提供参考。