淺談丹江口大壩加高工程砂石料水下開采

□丁 偉 □劉琴文(中國水利水電第十一工程局有限公司)

1.概述

南水北調中線水源工程丹江口大壩加高工程右岸土建施工及金結設備安裝標段中混凝土骨料、壩殼砂礫料、反濾料等原材料主要利用當地河道天然砂礫石料，總計開采量約282萬m3。水下天然砂料開采設備、開采工藝和技術水平，經過幾十年的應用與發展，已具有各種先進的設備和成熟的施工工藝技術，但同陸上設備的技術進步和工藝相比較，它既要受市場情況、開采地點、料源和料場情況的變化的影響，又受節能、環境保護等約束條件的限制。

2.水下開采料的難題及解決辦法

砂礫石料料源位于長江最大的支流之一漢江，由于水下開采供料主要用于混凝土骨料、壩殼料、反濾料，開采料分類較多以及砂礫料開采施工工藝較為復雜，使得在水下開采施工過程中面臨種種難題。

2.1 外部難題

一是料源距離水庫較近，受水電站發電、泄洪影響大，庫區下游水位變化較為敏感，開采施工風險大。二是由于目前國家對相關砂石料開采規定較多，加上地方區域不同，政策有所不同，施工協調難度較大。三是由于在城市中施工，與當地漁民作業交叉，施工干擾頻繁。

2.2 內部難題

2.2.1 料源規劃情況較為復雜

在工程開工初期，右岸土石壩壩殼料在羊皮灘砂礫石料場（壩殼料原規劃區域）開采，發現料源情況與招標文件提供的料源情況不符，且在開采過程中料源級配變化較大，開采上岸的毛料不能滿足壩殼料控制指標，此情況經確認后，設計單位對原有料源進行了重新勘探、設計規劃。

2.2.2 料源種類多，設備配置難度大

由于供應混凝土、土石壩用砂礫料含砂率、級配、用量的不同，開采設備選型、布置、料源平衡的難度較大。

2.3 解決辦法

一是料源位于大壩下游距離水庫較近，受水電站發電、泄洪水流影響大，水位變化較為敏感，開采施工風險大。

通過業主與水電站運行方取得溝通，雙方達成協議，在臨時增加發電量、泄洪時，提前2h，通知轉移船只，有效地避免施工風險。二是由于目前國家對相關砂石料開采規定較多，加上地方區域不同，政策有所不同，施工協調難度較大。

通過向地方政府咨詢、網絡信息查詢，對當地砂石料開采政策進行了深入了解，并有針對性的進行了研究、分析，及時辦理了相關水上開采手續，主要包括水上、水下作業許可證，船只檢驗證書等。并按照規定積極繳納了地方規費。為開采施工奠定了良好的基礎。三是由于在城市中施工，與當地漁民作業交叉，施工干擾頻繁。在了解地方政府相關政策的同時，結合現場實際情況，我方積極的向當地相關部門反映了干擾施工的因素，并要求當地政府給予支持、協調。四是料源種類多，設備配置難度大。施工前，詳細研究分析料源資料，對砂礫石料開采，結合生產強度和開采強度具體分析，進行砂石料水下開采設備的具體選型、配置，做好相應開采方案。

3.水下開采施工方案

3.1 施工順序

分析研究初設料源資料→開采工程量分析→砂礫石料開采規劃→設備選型→設備安裝與調試→施工開采。

3.2 施工方法

3.2.1 分析研究初設料源資料

在施工前，認真分析、研究設計規劃的料源情況，包括料源位置、開采界限、施工區內有無施工干擾及規劃料場內的原材料質量情況。

3.2.2 開采工程量分析

3.2.2.1 砂礫石料總需要量

根據《南水北調中線水源工程丹江口大壩加高工程砂礫石料調整規劃》資料，丹江口大壩加高工程共需要砂礫石凈料571.8萬m3，開采量693萬m3（自然方），各工程部位需求量見表1。

表1 大壩加高工程砂礫石料需求量表

項目部主要負責大壩加高工程右岸土建施工及金結設備安裝標段中混凝土骨料、壩殼砂礫料、反濾料等河道天然砂礫石料開采。

3.2.2.2 砂礫石料可開采量計算

根據《南水北調中線水源工程丹江口大壩加高工程砂礫石料源調整規劃》中砂礫石料場地質剖面圖判斷，當水位到達EL89.5 m時，根據現有設備的開采深度（水下7 m），可開采砂礫石料的厚度平均約為4 m。按照各開采區的面積進行計算，右岸標段各開采區的砂礫石料可開采量分別為：

羊皮灘（混凝土骨料區）砂礫石料場可開采量＝（26.5萬m2＋9萬 m2）×4 m＝142萬 m3；

羊皮灘（壩殼料區）砂礫石料可開采量＝（29.7萬m2＋40.8萬 m2）×4 m＝282萬 m3；

七里崖（混凝土骨料區）砂礫石料可開采量＝13.9萬m2×4 m＝55.6萬 m3；

七里崖（壩殼料區）砂礫石料可開采量＝19.6萬m2×4 m＝78.4萬 m3。

3.2.3 砂礫石料開采規劃

3.2.3.1 混凝土骨料、反濾料開采規劃

羊皮灘料場一區、七里崖料場中區及傅家寨（混凝土骨料區）料場砂礫料的技術指標均能滿足混凝土生產的要求，三料場都可作混凝土骨料的料源，羊皮灘料場一區質量較好，厚度均勻，開挖效率高，距壩區近，但含砂率較低；七里崖料場中區含砂率較高，但大石含量較少。綜合考慮兩區各級料含量及儲量，羊一區與七里崖中區按一定比例開采較優，即在羊一區開采一段時間后再在七里崖中區開采一段時間，然后又到羊一區開采，初步考慮兩區開采比例約為70:30，根據開采料實測各級骨料含量進行適當調整，以減少棄料量。

羊皮灘料場羊一區砂礫料天然儲量357萬m3，左、右岸混凝土骨料毛料按混凝土量所占比例分別從羊一區開采60%和40%，考慮開采獲得率取75%～70%，羊一區左、右岸混凝土骨料毛料開采區可開采量分別為161萬m3和99萬m3，合計260萬m3。

七里崖料場中區天然儲量135萬m3，左、右岸混凝土骨料毛料分別從七里崖料場中區開采60%和40%，按現有開采設備開采獲得率取77%～81%，七里崖料場中區左、右岸混凝土骨料毛料開采區可開采量分別為66萬m3和42萬m3。

右岸混凝土骨料毛料在羊一區和七里崖北區左岸開采區共可開采108萬m3。

羊一區具備可開采儲量260萬m3，可開采系數取1.2，則混凝土骨料及土石壩反濾料所需毛料可從羊皮灘料場羊一區開采217萬m3，另需從七里崖料場中區開采79萬m3，料場可開采系數取1.2時，需規劃95萬m3的可開采儲量，按現有開采設備開采獲得率計算七里崖料場中區的可開采儲量為108萬m3，可滿足要求。

3.2.3.2 壩殼料開采規劃

右岸土石壩壩殼料開采，考慮現有設備情況，羊二區和羊三區開采獲得率分別為62%和77%，羊二區和羊三區開采上岸量分別為：66萬m3和184萬m3。以羊二區66萬m3為控制量、羊三區與羊二區砂礫石料按2﹕1的比例確定羊三區的開采量為132萬m3，混合后綜合方量折減率約為90%，最終混合為177萬m3壩殼料，右岸土石壩需要量為222萬m3，按開采量與需要量之比取1.2的要求，需要在七里崖北區儲備89萬m3，作為右岸土石壩壩殼料料源。

在七里崖北區料場，考慮現場現有設備生產能力，左、右岸標在相應開采區開采獲得率分別為85%～76%，七里崖北區（不包括魚塘區和魚塘保護區）可采量為323萬m3，左、右岸土石壩壩殼料在七里崖北區需要量為249萬m3，不包括魚塘區和魚塘右側及下游保護區的七里崖北區儲量與需要開采上岸量的比值為1.30。

右岸土石壩壩殼料從羊三區與羊二區開采，羊三區與羊二區砂礫石料按2﹕1的比例混合后，綜合方量為178萬m3，需要在七里崖北區規劃89萬m3的開采區。

左、右岸土石壩壩殼料在七里崖北區（不包括魚塘區和魚塘保護區料場）開采249萬m3，按1.2的系數，需要規劃299萬m3開采區。七里崖北區料場（不包括魚塘區和魚塘保護區料場）可開采儲量323萬m3。

3.2.4 開采設備選型配置

目前，國內同等規模工程水下開采深度控制在2～3 m。根據現場實際情況，為保證開采用量，開采設備最大開采深度要求達到8～9 m，另設計要求，水下開采遇到泥團、淤泥質壤土時應予以剔除，這對開采設備選型方面提出了更高的要求。

開采設備選型主要考慮的因素為開采深度、土石壩填筑施工進度要求、河道實際狀況。

首先，依據大壩加高工程砂礫石料源調整規劃要求，通過對羊皮灘料場的羊一區、羊二區、羊三區及其它4個區域以及七里崖料場內混凝土骨料質量評價、壩殼料質量評價，采用挖掘機取樣砂和鏈斗式采砂船取樣砂的細度模數、平均粒徑、含泥量的比較，可見，采用鏈斗式采砂船進行水下開采，可提高砂的平均粒徑和細度模數，降低砂的含泥量。因此，鏈斗式采砂船為水下砂石料開采的首選設備。

根據對生產強度和開采強度的具體分析，進行砂石料水下開采設備的具體選型、配置。

一是生產強度分析；每年水下開采施工受汛期影響較大，需儲備壩殼料，根據總進度要求，儲備量為12萬m3。按照開采船只配備及保證平均每月6萬m3壩殼料填筑，需在右岸羊二、三開采區布置120 m3/h采砂船和260 m3/h采砂船及相應的運輸編隊開采。

二是開采強度分析；高峰期每月需要開采壩殼料6萬m3。在羊二、三區分別布置120 m3/h采砂船和260 m3/h采砂船組成各自編隊的月開采強度取利用系數取0.7，約為6.3萬m3，滿足土石壩填筑需要。單獨布置一條150 m3/h采砂船在混凝土骨料及反濾料開采區，開采毛料供應混凝土骨料篩分、反濾料加工。

3.2.5 水下開采施工作業均使用鏈斗式采砂船，砂駁運輸。

3.2.5.1 開采順序

采砂船開采（羊二、三區）→砂駁運輸→1#、2#碼頭躉船轉運→經岸上皮帶機系統運輸至毛料堆場分區堆放。

3.2.5.2 明確開采區域

根據料場劃分情況對開采區域進行了測量放線，明確右岸壩殼料的開采區域，壩殼料開采區域以羊二、三為主，七里崖料場補充，放置有浮標開采區域明確，便于施工船只進行開采。

3.2.5.3 采砂船開采

采砂船開采時，必須一次開挖至采砂船的最深開采限度，避免二次開采，以提高開采效率和充分利用料場資源。開挖采取逆水流方向開采，開挖時，采用錨攬固定采砂船，調整水下開采鏈斗位置，運輸砂駁就位后，由船長統一指揮開始開采施工。

3.2.5.4 運輸

水下開采砂石料運輸采用砂駁運輸，目前的砂駁有自航式砂駁和非自航式砂駁，非自航式砂駁由拖輪牽引進行水上運輸，為保證運輸砂駁將砂礫料卸至岸上，砂駁上需配置足夠長的運輸皮帶系統，保證砂礫料上岸。

岸上的運輸設備主要是皮帶機運輸，毛料運輸至篩分系統廊道位置，皮帶寬1 m，輸送速度為2 m/s，岸上輸送距離約112 m。

3.2.5.5 堆放

毛料運輸上岸后在已規劃毛料堆場分區堆放。

4.結語

通過丹江口大壩加高工程右岸新建土石壩所需混凝土骨料、壩殼砂礫料、反濾料等原材料的水下開采的實施過程，分析、研究在水下開采施工過程中遇到的難題，并制定出了最佳的解決方案，同時在砂石料水下開采料源復勘、開采設備選型、開采施工方法、安全生產管理等方面積累了經驗，為水下砂石料開采施工借鑒參考。