4.2　大体积泥浆自动搅拌系统

4.2.1　概述

大规模防渗墙工程施工，一般工期紧、钻机数量多、泥浆用量大，特别是超深防渗墙墙深量大，复杂地质地层常常伴有漏浆，清孔换浆标准高，置换新浆量大，其用浆量更是呈量级增长，传统泥浆集中制备系统凸显出许多不适应和不足，如搅拌机容量小、自动化程度低、完全依靠人工上料、配合比误差大、泥浆质量差、制浆速度慢、需要较多的人工和设备占地面积大等，很难适应大规模生产造孔泥浆的需要[14]。

为了适应大规模生产造孔泥浆的实际需要，在西藏旁多水利枢纽坝基防渗墙施工中[13]，本书研制了大体积泥浆自动搅拌系统，该系统主要由大体积储料罐和大容量高速泥浆搅拌机组成，配以先进的电子称量和自动控制装置，实现了上料、配料、称重、搅拌、放浆全过程的自动化，日生产能力达到840m3，保证了旁多工程86台钻机和6台抓斗施工的需要，生产的正电胶泥浆性能满足工程要求，提高了装备化、集约化与自动化水平，泥浆自动搅拌系统总体布置如图4.7所示。

4.2.2　散装膨润土罐设计

罐体采用5mm普通钢板卷成直径3.3m的圆筒，经多段焊接使其连接成一个内部容积为125m3的容器。大容量是其主要特点，外部尺寸几乎到了当地公路运输条件的极限值。根据膨润土的堆积密度计算总的承载质量在110t左右。采用低净空落地式安装方式，降低了重心高度。圆筒部分用型钢加固，以减少膨胀变形。根据最大重力载荷和风载荷的计算结果确定机座深度和结构，较深的基座采用了整体开挖、整体浇筑的施工方法，使4个承重桩柱连成一体，增强了抗变形能力。罐体需要数量可根据现场膨润土的日需要量、供应能力及运输条件来确定。

4.2.3　搅拌机设计

大体积高速搅拌机主要由带有称重传感器的称量底座、搅拌机桶体、渣浆泵及附属管路组成。因桶内无运动部件，相比传统叶片式泥浆搅拌机故障率低且易于维护保养。搅拌机机架通过4个角上的称重传感器安放在稳固的混凝土地面上，调整传感器的空载受力均匀度在其允许的范围内。搅拌机由桶体、动力部分和机座3个部分组成，如图4.8所示。

（1）桶体设计。桶体用薄钢板焊接而成，结构简单；最大容量达到了6.26m3，大约是以往使用的搅拌机容量的4倍以上，容积效率为80％。由于在搅拌桶内壁上设置有水流平衡叶片，不至于使水流因离心作用甩出桶外，同时又增加了搅拌作用。桶内混合浆液经渣浆泵无数次吸排循环剪切，使膨润土得以充分溶解于水中。为增加有效容积，上口内缘焊有护圈，同时起到减少桶体变形的作用。口径150mm的射流管布置在直筒长度的中间位置，射入角为向下15°，这样更有利于水流的剪切作用。吸浆管和排浆管位于桶体的最低位置，可使浆液吸入率和排出率最高，桶内无剩余膨润土残留物。

（2）动力设计。采用普通大排量高功率离心式渣浆泵作为动力源，利用流体力学的原理由桶体底部吸入清水和膨润土粉料混合物经泵壳内的叶轮旋转剪切后形成高速射流从搅拌机中上部以切线方向射向桶壁，在搅拌桶内形成高速旋转涡流产生内摩擦来分散土体，循环往复使土粉均匀地溶于水中从而达到搅拌的目的。电机通过支架安装于泵的上方，以减少占地面积，并且通过可调节螺母来调节皮带的松紧。动力部分与桶体之间采用了刚性连接，连接部分用橡胶垫密封。离心式渣浆泵主要技术参数：型号为BZ100D-50，流量为220m3/h，扬程为26m，转速为850r/min，轴功率为23.3kW，效率为67％，配套功率为45kW。

（3）称量机架设计。称量机架是一个刚性载体，它要承载满载的桶体、动力部分的重力和用于安装称重传感器，使其上部的载荷通过称量机架作用到4个角上的传感器上；它由20号普通槽钢按一定尺寸焊接而成，4个角留有称重传感器的安装位置，整体结构要求平整、牢固、变形小、承载力足够。安装孔的尺寸及间距可按照供应商提供的泥浆搅拌机称量机架结构图加工，具体结构如图4.9所示。

（4）螺旋输送机设计。螺旋输送机是连接于膨润土罐体和搅拌机桶体之间的物料输送装置，它将散装罐放出的膨润土粉料投放到搅拌桶体内。这里采用了长城牌LSY系列直径219mm的输送机，输送能力为5t/h，电机功率为11kW，输送长度为6m。上料螺旋机出口位于搅拌机正上方，使物料直接进入搅拌机，摒弃了传统计量装置所需的称量储料斗。

（5）上水和放浆控制元件设计。上水和放浆控制元件被连接到管路上的适当位置。气缸通过气管和气泵连接。气缸的动作是通过接收来自控制器的电信号控制电动气阀的动作从而控制气缸动作；它的开关皆由气动阀门控制，动作可靠准确，具体结构如图4.10所示。上水管路口径及阀门的口径要匹配，阀门的口径与流量成正比，若要减少放水时间可将阀门口径设计大些。同样，放浆阀门也可大一些，以减少浆液流出时间。该系统用的是直径250mm的转叶式阀门。

（6）称量控制系统设计。称量控制系统由称重控制器、称重传感器组、控制执行机构等构成，选用重庆斌成FS3198-C41-007型称重配料控制器作为电气控制核心，它和搅拌机底座上装设的SB系列悬臂梁称重传感器一起构成电子称量系统，完成物料的称量、自动喂料、定时搅拌、自动卸料的过程控制。整个系统结构紧凑、控制精度高、性能稳定可靠、操作简便。具体结构如图4.11和图4.12所示。

FS3198-C41-007型称重配料控制器用于称重配料、多通道定量控制秤等系统的称重电脑控制，无需再使用可编程控制器（PLC）或工业计算机就可组成由简单到复杂的称重配料控制系统。通道进料口接称量控制系统；通道控制参数包含设定值（iC）、提前量（id）、允许误差（iE）、修正与补料命令（ic）、欠重补料时间（it），i=1～4。

连接好传感器至称重控制器的信号电缆和系统所需的动力电源、气路、水路以后，接下来进入整机调试阶段，调试步骤如下：

1）合上总电源开关QS1和控制电源开关QS2，按下控制电路启动按钮SB2，系统控制电源上电，控制器进入自检状态。

2）按下空压机启动按钮SB4，空压机开始运行，气源压力控制在0.8MPa。

3）按下称重控制器面板上的“模式”键，使控制器由自动状态切换到手动状态并依次按下面板上的数字键“1～4”和“左卸”键，从仪表面板上的指示灯可看到各通道的输出情况以及各控制执行机构的动作是否流畅。

4）进入“仪表内部参数”菜单，将其设置为开机连续运行、配料搅拌后自动左卸料的控制方式。

5）在保证搅拌机桶内和称量机架没有任何杂物的前提下，做空称零点标定，之后再放上4t砝码做质量标定。

6）进入修改配方菜单，输入各通道的物料控制值。该系统水的控制值为4950kg，膨润土的控制值为375kg。

7）进入高级菜单，设置空称门限、余料卸料的质量门限、搅拌时间等参数和各通道物料的补料提前量等参数。该系统搅拌时间设置为180s。

8）按下渣浆泵启动按钮SB6，观察其旋转方向是否正确。

以上步骤完成后使用“模式”键使控制器切换到自动模式，按下控制器面板上的“启动”键，启动自动配料运行，仪表运行灯亮，依次执行去皮、1号通道进料、2号通道进料、4号通道进料，配料完成后搅拌再延时180s自动启动左卸料，打开气动闸阀向浆池放浆，当达到“余料卸料的质量门限”延时的设定值后关闭气动阀门，下一过程重新开始。

4.2.4　工程应用

（1）经实际应用，该系统单机的日生产能力达到840m3。膨润土浆液密度为1.06g/cm3、1.07g/cm3，马氏漏斗黏度为44～48s，均能达到防渗墙施工用泥浆的性能指标，说明该泥浆自动搅拌系统的性能在数量和质量上完全满足大规模生产泥浆的要求。

（2）以往称量自动控制系统多用于混凝土拌和站，用于泥浆制备上却很少见。从使用效果看，只用1～2人现场值守即可完成不间断的制浆工作，制浆效率和制浆质量大幅提高，工人的劳动强度和环境污染也大大降低。

（3）西藏旁多水利枢纽坝基防渗墙工程规模大，施工强度高，在这种情况下首次设计、使用了大容量自动化泥浆搅拌系统。实践证明此系统的使用对于保证该防渗墙的施工质量和施工进度发挥了巨大的作用，产生了可观的经济效益，可在以后工程中规模推广应用[13]。