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大型带式输送机在土石坝工程施工中的运用研究
发布时间：2013-06-20 08:01 来源：未知
1、前言
在水电行业土石坝建设中，运输填筑料上坝是土石坝施工中的主要环节，该工序成本约占整个坝体施工成本的50～60%。从20世纪50年代起，随着高强度远程带式输送机的发展，在国内外土石坝施工中开始采用大型带式输送机代替汽车、铁路进行长距离运输。自60年代起又比较广泛地采用带式输送机运输上坝，特别是在填筑量大的高土石坝施工中采用较多。国外工程实践经验表明，采用带式输送机运输的土石坝工程造价可比汽车运输的土石坝工程造价降低40～50%，并可显著提高施工强度，大量节约燃油，减少劳动力，少建施工道路及运输附属设施等。但由于国内利用带式输送机运输土石料上坝的工程规模均不大，且多采用的是中、小型施工机械设备，自动化控制技术及施工管理水平较低。为了研究和论证带式输送机运输土石料上坝的优势，本文结合土石坝的施工特性，借鉴国内外已建类似工程（不局限于水电土石坝工程）的施工经验，从技术可行性的角度对这种施工方式进行了初步的研究。
2、大型带式输送机的发展方向与运用
近年来，随着国内外电力、矿山、冶金、港口和建材等行业的发展以及机电技术的进步，促使带式输送机正向着大型化、大倾角和可弯曲方向发展。
2.1越来越向着大型化方向发展
就水电行业而言，例如，采用带宽为1600mm的带式输送机，当带速达到6m/s时，最大运输量可达12000t/h;就运输粒径而言，国外带式输送机己发展成可运输400～800mm的大块石。就矿山行业而言，由于综合化采矿设备的发展、工作面生产能力的大幅度提高和大巷运输连续化促使带式输送机向大型化方向发展。
国内外土石坝工程和矿山、港口、建材行业有关工程带式输送机主要技术参数见表1。
2.2由于受作业场面的限制，带式输送机越来越向大倾角方向发展
a) 24°～28°上运带式输送机的结构与普通带式输送机相似，但增加了上托辊的槽深，以增加胶带对物料的压力，不使物料下滑，同时要求这类运输机启动和停车更加平稳，故设计了慢速启动和功率平衡装置。
b) 28°以上上运带式输送机有以下几种型式：管状带式输送机，这种输送机是对大倾角和可弯曲同时有要求的用得最多的一种，其优点是运量大，变角度，转弯方便，不宜撒料，但不能中间装载且造价昂贵。另外还有波纹挡边带式输送机和压带式输送机，这两种带式输送机虽然提升高度大，提升角度可达90°，但是其运输能力和输送粒径目前均较小。
2.3越来越向着可弯曲方向发展
可弯曲远程带式输送机具有以下优点：能越障碍，取消了令人头痛的转运站；能适应地形变化，即可在竖直面内弯曲，同时还可在水平面内弯曲，故土石方量大为减少；简化了沿线高压供电系统和监控设施，因此可降低基建投资和生产费用；与有转运站的多条直线带式输送机系统相比，生产的可靠性相对较高；可避免因转料而经常发生的撒料和环境污染问题。
3、带式输送机运输石料粒径的选择
带式输送机运输石料的粒径不仅关系到大坝填筑料的颗粒级配、料场开采的控制爆破水平和带式输送机运输的可靠性，而且关系到运输的技术经济指标，由此应首先从技术可行性的角度确定较为合适的带式输送机运输石料的粒径。
3.1 确定带式输送机运输石料粒径的主要原则
a)应满足土石坝坝体分区对筑坝材料的最大粒径及其含量的要求。
b)既要技术先进又要切实可行，应与目前国内外较为先进的理论研究、设计开发、制造、安装和运行管理水平相一致。
c)遵循应留有余地的原则，即带式输送机运输石料的最大粒径不宜过大。
3.2带式输送机运输石料粒径的选择
带式输送机允许输送的石料粒径取决于带宽、带速、槽角和倾角，也取决于物料比重、硬度和含有大块物料的比率，还与大坝填筑料的级配有关。
a)运输粒径与带宽、大块物料硬度及其含有比率的关系
一般来讲，带式输送机的带宽越大，其所能输送的物料粒径就越大；物料越硬，其所能输送的物料粒径就越�。淮罂槲锪虾械谋嚷试降�，其所能输送的物料粒径就越大。
根据有关标准，当输送已筛分硬岩石料时，带宽超过1200mm后，石料的最大粒径一般应限制在350mm，而不能随带宽的增加而进一步加大；当输送未筛分石料且未筛分石料中最大粒径含量不超过15%时，根据国内外的经验公式，输送带宽度按不小于2.7～3.2倍的最大物料粒度尺寸计，据此计算，石料的最大粒径可达800mm。
b)运输粒径与带速、槽角、倾角、物料比重及胶带横向刚度的关系
一般来讲，带速越高、物料比重越大，输送物料粒径就越小。这是因为当物料粒径和物料比重越大时，单块石料的重量就越大，其对胶带表面的冲击荷载就越大，此时若带速较高，就会造成单块石料与带面之间形成较大的速度差，从而加速带面的磨损。
托辊的槽角越大，带面承载石料的有效宽度就越小，从而造成输送物料粒径越小。
输送物料的粒径越大，物料与带面的接触面积以及自身的内摩擦角就越小，造成物料输送过程中的稳定性较差，物料易沿着带面往下翻滚和滑移，因此，带式输送机倾角应小一些。
输送物料粒径越大，带式输送机的带宽也就越大，输送带的横向刚度即成槽性就越小，因此其最大粒径应限制在一定范围之内。
c)运输的可靠性
当输送物料的最大粒径大到一定程度时(≥400mm)，带式输送机运输的可靠性将会降低，这主要体现在两个方面：1）运输过程中带式输送机本身的安全性。它主要取决于带速、受料点的对中性和带式输送机运行的跑偏程度。解决的办法为采用较低带速的带式输送机；每个转料环节应配置转料设备以提高卸料的对中性；提高安装和调试的精度并安装槽形前倾托滚和摩擦上调心托滚以降低其跑偏程度。2)转料环节的可靠性。转料环节越多，系统运行的可靠性就越差，应尽量减少转料环节的数量。
d)运输的经济性
首先根据设计运输强度确定带宽值，然后用物料粒径来校核，如果带宽不能满足粒径要求，则可将带宽提高一级，但是，考虑到运输的经济性，不能单从粒径的角度将带宽提高两级或两级以上，否则造成浪费。
e)工程实例
国外带式输送机运输土石料上坝的工程实例见表2。综合以上5个方面的分析可知：土石坝工程筑坝材料的最大粒径取为600mm，尽管国内水电工程中没有应用过，但是，理论研究及国内外有关工程实践经验表明，通过采取一定的技术措施，将最大运输石料粒径定为600mm是可行的。
4、带式输送机主参数的确定
带式输送机的主要技术参数包括运输强度、带宽、带速、带式输送机倾斜角度（向上运输和向下运输）、水平输送长度、提升高度等。
4.1 带式输送机运输强度
a)各种填筑料小时最大填筑强度
根据大坝填筑进度及坝面填筑施工分析所确定的坝壳料、碎石土料、过渡料和反滤料的月最大填筑强度，按实际有效施工工日分析，在考虑了坝体填筑小时不均衡系数后，按每天三班制共计20小时进行计算。
b)带式输送机设计需要运输强度
根据上述小时最大填筑强度，在考虑了坝料运输的损耗系数、带式输送机综合时间利用系数以及带式输送机运行时的维护、检修等影响因素后，确定带式输送机的运输强度。
4.2带式输送机宽度
带宽取决于运输强度、物料粒度及其分布状况，并与胶带的横向刚度有关。运输强度越高、物料最大粒径及其所占比例越大，则所需带宽越大，当带宽超过一定宽度后，需采取增加胶带横向刚度的措施。
土石坝工程带式输送机运输的石料最大粒径不宜超过600mm(300～600mm的含量小于15%)，根据胶带宽度应是运输物料最大粒径的三倍关系，确定运输坝壳料带式输送机的最小宽度是1800mm，然后根据带速校核带式输送机的额定运输能力是否能够满足设计运输强度要求；对于碎石土料运输线、反滤料及过渡料运输线的带式输送机，其运输粒径均属常规粒径，其带宽主要取决于设计运输强度。
4.3带式输送机速度
带速不仅受到运输强度的限制，而且还受到带宽、输送物料特性、具体装料条件以及托辊承载平稳性和承载能力的限制。目前，国内带式输送机最高带速达到5m/s。对于远程带式输送机，小带宽、高带速最为经济，而大带宽、低带速最便于输送机工作，带速越高对加料的要求也越高。当带宽一定时，设计运输强度越大，选择的带速就越高，当带速超过该带宽所对应的最大带速时，就要选择更高一级的带宽；当装料条件一定时，输送物料的粒径越大、磨蚀性越高，选择的带速就越低，因为大粒径、高磨蚀性、高带速更容易加剧受料处胶带表面的磨损以及物料从输送槽中溢出。
根据以上分析，坝壳料的粒径较大、磨蚀性较高，从运输的安全性和可靠性角度出发，2.0～2.5m/s的带速较为合适；对于运输其它填筑材料，由于均属于常规粒径，主要从运输的经济性角度出发，可采用2.5～4.Om/s的较高带速。
4.4倾斜角度
带式输送机沿着运行方向的最大倾斜角度主要取决于被运输的散状物料的特性（特别是安息角）和粒度分布状况、散状物料与胶带带面之间的动摩擦角、带速、托辊的槽角等。被运输物料的安息角越大、粒径越小且分布得越不均匀，则带式输送机可有更大的倾角；物料与带面之间的动摩擦角越大，则带式输送机的倾角越大，一般来讲，向上输送时的允许倾角比其动摩擦角要小10°～15°；较低带速运行或较短的带式输送机可用较大的倾角。
根据理论研究和实际工程经验，结合土石坝工程所运填筑材料的特性，确定倾斜向上输送时，石料允许最大倾角为15°，土料允许最大倾角为18°；倾斜向下输送时，允许最大倾角为向上输送时允许最大倾角的80%。
4.5带式输送机长度
根据目前国内生产的输送带的强度等级和质量状况，结合土石坝施工对带式输送机的运输要求，经分析研究后确定：带式输送机水平运输时模拟长度一般在3000～4000m之间，倾斜运输时模拟水平长度一般在1000～1500m之间，提升高度在40～100m之间。
5、带式输送机直接运输上坝方式
5.1 影响带式输送机上坝方式的因素和选择原则
影响带式输送机上坝方式的因素主要有水工枢纽建筑物的布置及坝体设计、导流建筑物的布置、坝区地形及地质条件、施工分期及上游水位变化情况、施工现场的具体布置条件、上坝运输强度等。
根据土石坝施工的一般规律和影响带式输送机上坝方式的诸因素，确定原则如下：
a)上坝带式输送机运输线路的规划与布置应与坝体填筑过程中的施工分期、分区以及上游水位的上升过程相适应，并且能够与来自料场的主运输带式输送机相衔接。
b)上坝带式输送机运输线路的平面布置应尽量顺直，以较少数量的带式输送机和转折点将填筑材料运送上坝。
c)上坝运输系统中的岸坡带式输送机应尽量避免穿过大坝防渗体深槽，尽量避免与坝区主体建筑物的施工发生干扰。
d)上坝带式输送机运输线路终端的卸料装置应能够随着坝面的上升而连续自动提升，当提升了一定高度后，还能够整体移置。
e)应尽量减少上坝带式输送机对坝面作业的施工干扰，带式输送机的支撑结构应稳定可靠，注意施工安全。
5.2带式输送机上坝方式的拟定
带式输送机上坝方式一般有沿岸坡布置带式输送机上坝、沿坝坡布置带式输送机上坝、岸坡与坝坡相结合布置带式输送机上坝等形式�？纱笾履舛�3种上坝方式，它们分别为：a）沿坝坡呈“之”字形架设可伸缩栈桥式带式输送机上坝方式（简称“方式1”）；b)移动式斜坡带式输送机沿坝坡回转上坝方式（简称“方式2”）；c）溜井接带式输送机运输平洞再接塔带机转料上坝方式（简称“方式3”）。
5.3带式输送机上坝方式的比选
各种上坝方式主要特点及适用条件比较见表3。
从表中可以看出，“方式1”除了设备投资偏大、施工运行费用稍高外，其余各个方面均较其它几种方式为优。
5.4上坝带式输送机终端卸料（堆料）方式的选择
a)终端卸料（堆料）方式
土石料经上坝带式输送机运输上坝后，为了使坝坡的带式输送机运输（连续输送）与坝面的汽车运输（间断输送）相配套，需在坝面的某个位置设一终端卸料（堆料）装置，通过该装置，自卸汽车可将土石料转运至坝面各个填筑区段。本工程共拟定了以下三种终端卸料（堆料）方式：
1)方式1：上坝带式输送机→定点臂架升降式堆料机→移动式转料仓-+自卸汽车
2)方式2：上坝带式输送机→定点臂架升降式堆料机→坝面双翼移动式胶带装卸机→自卸汽车
3)方式3：上坝带式输送机→定点臂架升降式堆料机→摇臂式堆料机→调节料堆→装载机+自卸汽车
b)终端卸料（堆料）方式的选择各种终端卸料（堆料）方式的转运特点及适用条件比较见表4。
从表中可以看出，“方式2”不适合于带式输送机从低处进入坝面的高土石坝施工，尤其不适合于大粒径堆石料转运；“方式3”不适合于高强度的土石坝施工；只有“方式1”较为适合于高填筑强度、高土石坝工程的施工。
5.5国内外工程类比分析
根据目前所收集掌握的资料表明，国外高土石坝工程采用带式输送机运输上坝时，较多采用了在坝面（或坝前）设置移动式转料仓（斗），再由汽车运至填筑工作面的方式。例如墨西哥的奇科森心墙土石坝工程就是如此，它采用了“上坝带式输送机一移动式带式输送机一移动式转料仓一自卸汽车”的循环流水作业方式。国外部分高土石坝工程施工的相关资料见表5。从工程实践经验看，“方式1”的上坝方式及终端卸料方式尽管在国内没有被应用过，但在国外已有成功应用的实例，并积累了丰富的工程经验，依我国目前的机械制造及施工管理水平，该方式应是现实可行的。
6、带式输送机运输线的工艺流程
根据上述推荐的上坝方式和终端卸料方式，大坝各种填筑料的带式输送机运输工艺流程如下：a)坝壳料主干带式输送机运输线路一般为2条，起到互为备用的作用。其运输工艺流程为“料场→主干远程带式输送机→上坝带式输送机→定点臂架升降式带式输送机一移动式转料仓一自卸汽车”。b）碎石土料主干带式输送机运输线路为l条，为确保主干远程带式输送机检修时不间断向坝上供料，在主干带式输送机运输线头部设置一定堆存容量的土料堆场。其运输工艺流程为“自卸汽车→料场内带式输送机→主干远程带式输送机→土料堆场→上坝带式输送机→定点臂架升降式带式输送机→移动式转料仓→自卸汽车”。c）过渡料与反滤料主干带式输送机运输线路合为1条。其运输工艺流程为“自卸汽车（或溜井）→主干远程带式输送机→上坝带式输送机→定点臂架升降式带式输送机→移动式转料仓→自卸汽车”。
7、结束语
通过对大型带式输送机在国内外土石坝工程中运用的初步研究，得出如下体会：
a)在高山峡谷地区，随着高土石坝筑坝技术的发展，对如何将土石料连续，高效、大运量和经济地运输上坝提出了更高要求。带式输送机的大跨度技术进步，为其在土石坝施工运输中的运用提供了技术保障。
b)大型带式输送机最大运输粒径和主要技术参数是对其进行设计计算、工艺布置、正常使用的基础。理论研究及国内外工程实践经验表明，通过采取一定的技术措施，将最大运输石料粒径定为600mm是可行的。
c)带式输送机直接运输上坝方式是土石坝施工中的另一关键技术难题，经初步研究，认为沿坝坡呈“之”字形架设可伸缩栈桥式带式输送机上坝方式较为可行。
d)上坝带式输送机终端卸料装置是带式输送机直接运输上坝方式中必不可少的组成部分，也是土石坝施工中的又一关键技术难题，经初步研究，认为在坝面（或坝前）设置移动式转料仓（斗），再由汽车运至填筑工作面的方式较为可行。
e)本文仅仅根据国内外土石坝工程施工的发展趋势，在利用大型带式输送机输送大粒径石料直接上坝方面，进行了初步的尝试。研究中发现的问题和不足：1）当石料粒径为≥400mm的超常规粒径时，在较高的带速下，带式输送机的可靠性会受多大影响，怎样减少这种影响；2）转料环节转料方式的选择和转载站的结构形式设计；3）上坝带式输送机及其终端卸料装置的单体设计等。这些将在以后和同行们共同研究解决。
