2.2 砂石骨料加工系统
砂石骨料加工分为天然砂石骨料加工及人工砂石骨料加工。其系统由砂石开采、加工、堆存等部分组成。多数河流上都有天然砂石骨料，只要将采集的砂砾石进行筛选和加工，便可作为混凝土的粗、细骨料。人工骨料采用机械的方法将岩石破碎加工成人工砂石料作为混凝土的粗、细骨料。
在水利水电工程中，粒径大于5mm的为粗骨料，小于5mm的为细骨料，国内现行规范将粗骨料分成150～80mm、80～40mm、40～20mm、20～5mm四级，分别称特大石、大石、中石和小石。细骨料按其细度模数F.M可分为粗砂（F.M=3.7～3.1）、中砂（F.M=3.0～2.3）、细砂（F.M=2.2～1.6）和特细砂（F.M=1.5～0.7）四种。
砂石骨料加工系统规划的一般要求及原则：①砂石骨料加工系统应根据各种成品需求比例和结合系统试运行报告，固化砂石系统的生产运行工况，编制生产作业指导书；②依据骨料需求计划，结合工程施工控制性进度编制年、季、月生产计划；③砂石系统运行应在综合考虑节能降耗，降低系统运行成本的前提下，按设计生产能力均衡生产；④砂石骨料系统车间宜按加工环节并有利系统运行管理的原则划分布置。
砂石骨料系统运行应制定统一的生产联络信号，不应随意调整。开机前必须确认人员、设备安全，运行、维护结束后应做到工完场清。砂石骨料系统遭遇六级及以上强风、大雨、大雪、低能见度等天气情况下应限制或停止运行。
2.2.1 料源规划
砂石骨料料源分为天然砂石骨料和人工砂石骨料两类。天然砂石骨料料源按其地理位置分为陆上料源、河滩料源、河心料源。人工砂石骨料料源分为岩石开采料和开挖利用料两种，混凝土工程砂石骨料料源可选择建筑物开挖料或天然砂砾料或石料场开采料，也可选择三种不同料的组合。料源规划的主要内容有：原料开采量计算、料场的评估、料场的选择等。
（1）料源选择的原则。料源选择应根据混凝土工程建设对砂石骨料的数量、质量和供应强度等要求，在地质勘察和试验的基础上，通过对料源的分布、储量、质量及开采运输条件的综合分析和料物平衡规划，按优质、经济、就近取材和不占用或少占用耕地的基本原则，经经济比较选定料源。
天然料源选择应遵循以下原则：①储量、质量满足工程建设需要，开采运输条件好；②位于坝址上游的料场，需研究围堰或坝体挡水前先行开采的可行性和经济性。位于坝址下游附近的料场，需考虑建设期间河道水流条件的变化，以及料场储量、砂石级配和开采运输条件变化的情况；③对于有航运要求的河段或水域，河滩料场、水下料场开采应向当地交通、海事、水利等部门备案，并获得相关许可。作业时应设置航道浮标，水域较窄的河段，还应与当地相关部门配合，采取定时通航等措施予以解决；汛后应对航道进行复查，重新标记；④天然砂砾料场应在每年汛后重新编制开采运输规划，并结合开采运输规划对在汛期被淹没且毁坏的开采运输道路进行恢复，汛后应对汛期淤积的覆盖层重新剥离。
人工砂石料场选择应遵循以下原则：①储量、质量满足设计要求及工程建设需要，开采运输条件好，剥采比小，弃料少；②避开自然、文物、重要水源等保护区，不占或少占耕地；③优先利用开挖料。
（2）原料开采量计算。砂石原料开采量主要与混凝土工程量、料源的性质及加工运输条件等有关，其用量可按式（2-1）计算。对于天然砂石骨料，由于级配不平衡，还应考虑弃料影响，其开采量可按式（2-2）计算。
式中 Qd——原料开采量，t；
Qmc——全工程混凝土总量，m3；
A——混凝土骨料用量，无试验资料时一般取2.15～2.2t/m3；
γ———平均砂率，一般大体积混凝土取0.25～0.3，薄壁和地下工程取0.3～0.35；
η 1———毛料加工成粗骨料的成品率，根据原料和加工工艺选定，一般取0.85～0.95；
η 2———毛料加工成细骨料的成品率，根据原料和加工工艺选定，一般取0.55～0.75；
θ——弃料量占原料量的百分比。
（3）料场评价。料场评价主要从储量、质量、级配、剥采比、有用层厚度、开采运输条件、环境条件及设置加工厂的场地条件等方面进行综合分析评价。
1）料场的储量。料场的储量有勘探储量、可采储量、选定料场的可采储量和需要储量四类。
A.勘探储量。按我国现行水利水电工程天然建筑材料勘探规程，勘探储量为圈定范围内有用层的埋藏量，即已扣除无用层、有害夹层、风化层、上覆无用层，以及边缘带厚度为0.2～0.3m的有用层储量。初查阶段，料场勘探储量应大于设计需要量的3.0倍；详查阶段，料场勘探储量应大于设计需要量的2.0倍。
B.可采储量。按可开采条件和设备的技术性能可能开采的储量。
根据地形图和现场查勘估算时，其可采储量按式（2-3）计算：
式中 Qp——可采储量，t；
Vs——包括无用层在内的料场总容量，m3；
Vf——无用层容量，m3；
e———计算误差，地形图比例尺寸为1/1000～1/20000时取0.90～0.95；小于上述比例尺时为0.80～0.85；
ρn———天然密度，无实测资料时，岩石取2.50～2.70t/m3，砂砾料取1.90～2.0t/m3，纯砂取1.40～1.45t/m3；
P———可采率，采石场和陆上砂砾料场取0.75～0.85，河滩和水下料场取0.6～0.7。
C.选定料场的可采储量。除满足工程需要储量外，还应留一定的裕度备用，包括勘探的可能误差和需要用量的增加。
初查阶段，选定料场的可采储量应大于设计需要量的2.0倍；详查阶段，应大于设计需要量的1.5倍。可行性研究阶段，应不小于需要量的1.5倍，初设阶段，应不小于1.25倍。
D.需要储量。需要储量按式（2-4）计算：
式中 Qn——需要储量，t；
Qd——砂石原料的总开采量，t；
KL——开采损耗补偿系数，见表2-3。
表2-3 开采损耗补偿系数KL
2）质量。料场砂石料源的质量情况主要考虑物理性能、化学稳定性、有害物质的含量等指标。一般应符合下列要求：①应符合《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144）和《水工碾压混凝土施工规范》（DL/T 5112）对砂石质量的有关规定。当原料中某些质量指标不符合规定，但经过适当加工处理后可满足要求时亦可选用。②有碱活性的骨料应尽量避免使用。但采用低碱水泥或掺粉煤灰等掺合料，经试验证明对混凝土不导致产生有害影响时，亦可选用。③对于风化岩体，当风化不影响单颗石料的物理力学性能和化学稳定性，并满足质量要求时，亦可选用。④当采用节理裂隙发育，特别是节理发育的岩体作骨料，应进行有关试验，验证骨料能否满足质量和粒径的要求。⑤破碎后骨料针片状含量超过规范规定的石料不宜采用，必须使用时，应采取改善骨料粒形的工艺措施。⑥人工骨料原料的质量要求应满足《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》（DL/T 5388）。
3）级配。砂石骨料的级配直接影响混凝土的性能及水泥用量。人工骨料经试验论证后选用最优级配组合生产；天然砂石骨料因料场的形成条件及位置不同，其粒度差别较大，但由于级配的不均衡常有大量弃料产生。为了兼顾减少弃料和节约水泥用量，可采取工艺措施调整级配。
4）剥采比。剥采比是判断一个料场开采价值的重要指标。一般天然砂石骨料的剥采比控制在0.2以下，人工砂石骨料的剥采比控制在0.4以内。剥采比指标可供粗略判断料场优劣时参考，见表2-4。
表2-4 剥采比ηe的范围
5）有用层厚度。有用层厚度也是评定一个料场开采价值的重要指标。好的料场一般有用层厚度大、料区集中、相对占地少、剥采比小、开采设备的作业效率高。天然砂石料场的有效料层厚度一般应大于3.0m以上，人工砂石料场的有用层厚度一般应大于12m以上。对于有用层厚度较小的料场，经过技术经济论证后，方可考虑是否开采利用。
6）开采运输条件。采料场内部运输，运距较短的采装工作面，以采装和运输相结为宜。根据经验：运距在30～40m以内以推土机兼作采运为宜；100～120m以内以装载机兼作采（装）运为宜；超过120m要考虑采用其他运输方式。
7）设置骨料加工厂的场地条件。骨料加工厂的场地条件对料场的规划有重大影响。如果料场和混凝土生产系统的距离较近，场地条件允许，砂石加工和混凝土生产系统宜布置在一起。大中型工程的天然砂石料场常距混凝土生产系统较远，为提高采运设备的效率，减少弃料运输，加工系统一般设在主料场。如主料场的砂石级配好，弃料少，辅助料场至混凝土生产系统的距离又较主料场近，且在同一运输线上，也可将加工系统设在辅助料场。
2.2.2 料场开采规划
（1）料场开采规划原则。合理规划使用料场，采取措施提高料场开采率。在满足施工强度要求的前提下，尽量采用机械化集中开采，配置采、挖、运设备。位于坝址上游的料场，应考虑施工期围堰或坝体挡水对料场开采和运输的影响。受洪水或冰冻影响的料场应有备料、防洪等措施。
天然砂砾料场开采应根据料场的水文特性、地形条件、天然级配分布状况、料场级配平衡要求等因素，确定料场开采时段、开采分层、开采程序和开采设备。汛期或封冻期停采时，应按停产期砂石需用量的1.2倍备料。有航运要求的河段应考虑料场开采对通航的影响，并应采取保证通航的措施。采用采砂船采集砂砾石需考虑设备进、退场方案，应合理选择开采水位、开采顺序和作业线路，创造静水和低流速开采条件，减少细砂与砾石的流失量。如开采过程中细砂流失导致砂料细度模数增大，应采取措施回收细砂。
石料场宜采用微差挤压梯段爆破法开采，开采石料最大粒度应与挖装和破碎设备相适应。利用工程开挖料时，其开挖方法应满足工程开挖和利用料开采的要求。料场开挖边坡应保持稳定，对边坡失事影响施工安全或永久建筑物运行和人身安全的料场，应采取保证边坡稳定的安全措施。料场开挖边坡的级别与抗滑稳定分析的最小安全系数标准，按《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180—2003）的规定执行。需进行开挖边坡支护的料场，宜分台阶开挖，及时支护。料场开采要符合施工安全、环境保护和水土保持要求。
（2）采用能力的计算。采用能力的计算是料场开采组织及选择采运设备的基本依据，采用能力取决于料场的工作制度和砂石骨料的需要量。料场开采的工作制度按表2-5选取。
表2-5 采料工作制度
年工作月数，应根据料场所在地区的水文、气象和施工条件，具体研究决定。①全年生产。人工砂石料场和不受洪水、冬季冰冻影响的陆上砂砾石料场，可按生产需要组织全年生产；②季节性生产。天然砂石料场因受洪水或冰冻影响不能全年开采，通过分析水文、气象资料结合开采措施确定。
（3）开采范围的确定。开采范围主要与砂石原料的开采量、料场的地形、地质条件、周围建筑物的情况、周边自然环境条件、水文气象条件等有关。确定料场的开采范围，其目的在于研究开采方法、确定开采运输方式、道路布置、弃渣场地、加工厂及其他附属设施的布置，以及标定征地范围。
开采范围的确定应遵循如下原则：①开采范围内的总开采储量，应根据不同的勘探精度和需要储量来确定，并考虑一定的备用量；②在开采范围内，避免布置生产和辅助建筑物。但备用范围内的场地，必要时可布置临时性建筑物；③开采范围与国家公路、铁路、工厂、居民区及重要建筑物之间应保持必要的安全距离；④采料场必须具有安全稳定的最终边坡，并满足环境保护的要求。对于河滩或河心料场，采挖后河床的水流条件，以不影响航运、岸坡稳定和下游安全为原则。
（4）覆盖层的剥离。在料场开采作业中，为保证有用层毛料的质量，必须先把覆盖层剥离干净，覆盖层的剥离作业应严格按“先覆盖，后毛料”的原则组织施工。
（5）分层与分区原则。①保证开采和运输线路的连续性；②将覆盖层薄、料层厚、易开采、运距近的料场安排在工程的高峰施工时段开采。备用料场应留在远处；③对于陆基水下开采的河滩料场，可将洪水位以上的料层留待汛期开采。枯水期集中开采洪水位以下天然料为原则；④河滩和河心水下料场的分区注意避免汛期冲走料层；⑤料区的开采计划宜做到各个时期的级配平衡；⑥分区一般按年度（或特定时段）的需要量和级配进行分区规划，一般只在天然料场进行分区。
2.2.3 骨料加工系统布置
2.2.3.1 骨料加工厂布置
（1）厂址选择原则。厂址选择应根据料场、混凝土生产系统所在位置，并结合选用厂址的地形、地质、水文、交通运输、供水、供电等条件。进行多方案技术经济比较后，确定合适的厂址。厂址选择主要原则：①厂址一般设在料场（包括开挖利用料）附近，多料场供料时，宜设在主料场附近，经论证亦可分设砂石加工系统；②厂址应避开爆破危险区，安全距离应符合有关标准规定；③砂石利用率高、运距近，且场地有条件布置时，砂石加工系统可设在混凝土生产系统附近，并与混凝土生产系统共用成品堆场；④充分利用地形地势，使之与加工流程相适应，使破碎后的物料能自流或半自流；⑤厂址应避开较大的断层、滑坡和泥石流区，重要的车间和设施的基础应稳定并有足够的承载能力；⑥大中型砂石加工厂，厂址应设在20年一遇的洪水位上；⑦厂址宜靠近交通运输道路、水源和输电线路；⑧厂址远离城镇和居民生活区，必须在城镇和居民生活区附近设厂时，应布置在主导风向的下风侧，并保持必要的防护距离和采取防护措施，减少噪声和粉尘的影响。
（2）加工系统及各车间布置原则。
1）总平面布置应遵循的主要原则：①根据工艺流程特点，做到建设快、指标先进、投资省、运行可靠、生产安全并符合环境保护要求；②集中紧凑，并留有一定余地，以利于运行与维护。应合理利用地形地势，为物料自流运输创造条件，并尽量简化内部物料运输环节；③各车间和附属设施应结合对外和厂内运输道路进行布置。粗碎车间靠近料场来料方向，成品料场宜靠近混凝土生产系统布置；④辅助车间应尽量靠近服务对象，水电设施宜靠近主要用户布置。
2）各车间布置应遵循的基本原则：①有一定的灵活性，既能提前形成生产能力，满足施工前期砂石料需要，又可以及时调整生产方式，适应原料粒度变化及不同骨料级配要求；②设备配置根据流程要求，对砂石原料岩性波动有足够的适应性，避免骨料级配失调，减少超逊径；同一作业的多台相同规格的设备，尽量对称或同轴线布置在同一高程，设备间距满足安装、操作、维修等要求；③除寒冷地区外，破碎、筛分、制砂车间可露天设置，但电器设备应做适当保护。成品砂堆料场有脱水要求，需增设防雨棚。
3）粗碎车间布置。①一般宜靠近主料场布置，但须留有足够的安全距离。大、中型旋回破碎机，可直接采用入仓挤满给料方式，机下设缓冲料仓，其活容积不宜小于两个车厢的卸料量。小型旋回或颚式破碎机，采用连续给料方式，配置重型板式给料机、振动给料机或槽式给料机；②破碎机受料仓的大小应根据卸料方式、每次卸料量、来料间隙时间等因素确定，一般可考虑相当于15～30min的处理量或50～100t的储存量。大型破碎机可采用15～20min的处理量，但不得小于两个车厢的卸料量；小型破碎机是否设置受料仓，其容量多少，视具体情况确定；③粗碎车间的超径石处理可配置必要的起吊、挖掘设备，或配置破碎锤；④粗碎车间的配置高差根据具体选定的设备确定，粗碎车间设备配置高差见表2-6。
表2-6 粗碎车间设备配置高差
4）中细碎车间布置。①粗碎、预筛分和中碎开路生产时，可将预筛分机组和中碎机按阶梯配置。如地形高差允许，还可与粗碎车间或其调节料仓布置在一起；②中、细碎与筛分楼构成闭路生产，宜将中、细碎设备并列布置在一个车间内；③中、细碎车间一般不设调节料仓，当破碎机多于2台，或中细碎机前后分两个系统单独运行时，需设调节料仓。调节料仓的容量在中碎机前为破碎机10～15min的用量，在细碎机前为破碎机15～20min的用量。调节料仓和中碎机组之间需设给料机，一般选惯性振动给料机、槽式给料机或胶带给料机；④不设调节料仓的情况下，一般用带式输送机直接供料；⑤车间一般不配固定式的起吊设备，检修可用移动式起吊设备。安装3台以上中、细碎机的车间可设梁式起重机，起重机规格根据检修时需要最大部件的重量确定；⑥中、细碎车间进料的带式输送机上需设置除铁装置，防止铁件进入破碎机；⑦车间配置高差根据具体选定的设备确定。
5）筛分车间的布置。筛分车间分为预筛分车间、分级筛分车间和检查筛分车间三类。
筛分机布置有混列式和复列式两种。前者系将筛子分设在两个或几个地方，后者则将所有筛子自上而下布置在一座多层楼房内，厂内运输完全靠物料自重自流，在国内水利水电工程应用最多。筛分结构可采用钢筋混凝土和钢结构。后者拆装方便，可重复使用，土建工程量少，缺点是钢材用量多，容易锈蚀，运转时振动和噪声较大。
筛分车间布置基本原则：①需设置地面调节料仓，仓下用振动给料机和槽式给料机给料。料仓的储量为4～8h的处理量。如筛分楼内设置三列以上筛分机时，可在楼顶设置分配仓，分配仓的储量至少满足10～20min的处理量，也可以由带式输送机直接进筛，需通过技术经济比较确定；②地面调节料仓一般用带式输送机直接向筛分机供料，最好一条带式输送机只供一台筛子用料。供两台时，常用分岔溜槽供料，溜槽末端宜尽量展宽（宽度较筛宽小150～200mm）。筛分机进料不能直接冲向筛网；③筛分机布置高度（进料带式输送机与地面的高差）应满足筛上产物重力自流排料的要求。单筛为7～8m，双筛为15～16m；④两台以上的筛分设备应对称布置。在传动系统一侧，人行道宽不小于1.2m。另一侧不小于0.8m，两台筛子中间通道宽一般不小于1.0～1.5m；⑤筛分车间应根据冲洗水量和螺旋洗砂机的溢流粒径确定是否配置浓缩设备。一般可不用配置浓缩设备。螺旋洗砂机既可布置在筛分楼内底层，亦可布置在筛分楼的外部；⑥筛分车间运行时噪声大，冲洗水溢流现象也很突出，每层需设置隔声的操作监视室，楼面应设有良好的防漏和排水措施。
6）制砂车间的布置。制砂车间布置原则：①制砂车间可单独采用棒磨机或超细碎圆盘破碎机、立轴式冲击破碎机，也可联合制砂；②应设中间料仓，并有8～16h的生产储备量，当制砂与破碎、筛分作业工作制度相同时取小值，反之取大值。料仓下配置给料机，常用圆盘、胶带和电磁振动给料机。如采用棒磨机制砂，车间布置应考虑加棒方便。采用超细碎圆盘破碎机或立轴式冲击破碎机制砂时，应与筛分设备构成闭路，并保持给料粒度、给料量的连续和稳定。多雨地区，料仓上方设防雨棚；③采用棒磨机制砂时，车间高差需11m，棒磨机两端进料和加水量应保持均衡稳定，在带式输送机出料口设分岔溜槽，并在分岔溜槽上设置格式或摆式分料器分料；在给水管上加装流量计，并设专用的恒压水池；④采用超细碎圆盘破碎机或立轴式冲击破碎机制砂时，高差需8～9m；⑤车间需配置相应的洗砂机，如采用超细碎圆盘破碎机或立轴式冲击破碎机制砂时，还需设检查筛，与制砂设备形成闭路。洗砂机设在检查筛下；⑥车间内一般不配置固定的检修用起吊设备。采用棒磨机制砂时，为清理断棒和补加钢棒，可设加棒装置，并设置备用钢棒和断棒的堆存池；⑦制砂车间的废水浑浊度高，排水沟的坡度应达到2%～5%。
2.2.3.2 生产规模
（1）砂石加工系统生产规模按毛料处理能力划分为大型、中型、小型，划分标准见表2-7。
表2-7 砂石加工系统生产规模划分标准
（2）规模计算。砂石骨料的生产规模一般以月设计处理能力和小时处理能力表示，应根据混凝土需用骨料量及砂石骨料加工、运输、储存损耗补偿系数进行计算。
人工砂石骨料加工厂的规模计算如下：
A.确定混凝土高峰月浇筑强度Qmc，当混凝土连续高峰时段不大于3个月，取混凝土高峰时段月平均强度；当混凝土连续高峰时段大于3个月时，还应计入相应的不均匀系数，对应取值范围为1.1～1.3。
B.成品砂石料月需用量Q1可按式（2-5）计算。
式中 Q1——成品骨料月需用量，t/月；
A——混凝土需用骨料用量，无资料时取2.15～2.20t/m3；
Qmc——混凝土高峰月浇筑强度，m3/月。
C.计算月设计处理能力Qm可按式（2-6）计算。
式中 Qm——月设计处理能力，t/月；
γ——砂率；
η 1——粗骨料加工成品率；
η 2——细骨料加工成品率。
D.计算小时设计处理能力Qh可按式（2-7）计算。
式中 Qh——小时设计处理能力，t/h；
Qm——月设计处理能力，t/月；
M——月工作日数，一般取25d；
N——日工作小时数，二班制14h，三班制20h。
砂石加工系统宜采用二班制，混凝土浇筑高峰月可按三班制工作。粗碎或超径处理工作班制应与石料场开采作业相一致。
（3）天然砂石骨料加工厂规模计算，天然砂石骨料加工规模参照人工砂石骨料计算方法，如有弃料，应计入弃料量，按式（2-8）计算：
式中 Qmu——天然砂石料加工厂有弃料时的月处理能力，t/月；
Qm——人工砂石骨料月处理能力；
θ——弃料量占原料量的百分数。
（4）各车间的设计处理能力。各车间的设计处理能力根据砂石加工厂的小时处理能力和选定的工艺流程计算得出。