大型浓缩池设计方案优化及施工关键技术

冶金矿山工程大型浓缩池设计方案优化及施工关键技术目录二二三二设计方案优化一项目背景四五六优化后的实施效果主要施工方法及关键技术优化方案与常规方案的对比关于优化的几个问题项目背景一项目背景

4西澳SINO项目选矿厂2座90m直径落地式尾矿浓缩池，原设计方案为钢筋砼结构，单座浓缩池容量为3.7万m3；由底流泵室、出口通廊，及浓缩池池体构成，混凝土量3.45万m3。见图1、图2。图1两座90m直径钢筋混凝土浓缩池平面图

出口通廊底流泵室1)底流泵站，单座长67m×宽41m×高11.7m，底板厚2.0m，侧墙厚1.0m~1.5m，顶板厚0.7m~2.5m。砼量2.35万m32)出口通廊，单座长119m×宽9.4m×高7.3m。按照埋深分三段，一段长39m，底板、侧墙、顶板的结构厚300mm；二段长40m，结构厚400mm；三段长40m，结构厚700mm。砼量为4120m33)砼池壁，高度4.5m、壁厚0.5m~0.7m，基础环梁高0.7m、宽3.7m；内侧L型溢流槽高1.844m、宽1.77m，壁厚300mm，砼量为3800m34)砼池底，池底板厚为200mm，砼总量为3100m3项目背景

经过对原设计方案的评估，两座90m直径混凝土结构浓缩池在西澳现场的预计施工工期约为9～10个月，测算施工费用约7500万澳元，工期长、造价高。EPC总承包合同中该子项报价为3000万澳元。因此有必要对两座90m直径大型浓缩池进行设计方案的优化，在满足尾矿浓缩池使用功能的前提下，尽量降低现浇钢筋混凝土的使用量，最大限度地降低成本。图290m直径钢筋混凝土浓缩池剖面图

底流泵室设计方案优化二设计优化研究的主要方向现场地质条件设计优化后的方案1、设计优化研究的主要方向设计优化的重点和难点是使用适合的材料和设计结构形式代替90m直径落地式浓缩池常规的混凝土结构设计方案，即要减少混凝土的使用量，又要确保结构的强度和使用寿命，同时还要防止浓缩池池体和地下结构容易出现的渗漏问题。尤其是对底流泵室的设计优化，原设计中两座底流泵室的钢筋混凝土总量就达到了2.35万m3，约占全部设计混凝土总量3.45万m3的66%。设计优化研究的主要方向：1）减少混凝土的用量，同时要保证结构的强度和使用寿命，2）便于施工，有利于缩短施工工期；3）对设计优化后的结构连接节点采用合理的连接形式，防止渗漏。2、现场地质条件《塔器组对、焊接工艺措施优化技术》《空分塔三维吊装模拟技术》西澳SINO铁矿项目选矿厂选址在丘陵山坡上，地势较高，相对标高为RL+30m~60m，选矿工艺线依山坡高低走势，由西向东布置。两座90m直径浓缩池位于选矿厂东侧的公辅区域，平均自然地面标高约为RL+32m。区域地下水位标高为RL+6.3m~9.1m。地下土层分布主要为红褐色含砾石的粘性土和角砾岩，天然地基承载力较好。其中，红褐色含砾石的粘性土为红棕色，低塑性粘土，从细颗粒到粗砾、中粒砂，弱黏固性；砾石大小从碎石片到60mm直径，不规则，呈棱角状，来源于高度风化的铁硅质条带状岩石。角砾岩为黄棕色、浅棕色，为高度到中度风化岩石，从细颗粒至中粒砂，风化形成胶结砾石。由于地势高，地下水位低，地质条件较好，为浓缩池设计优化的多元化选择创造了条件。3、设计优化后的方案通过与澳洲当地设计公司结合，并对磁选工艺尾矿浓缩系统的生产工艺、生产设备进行研究论证，最终采用了“装配式混合结构”代替原设计混凝土结构。9底流泵室67×41×11.7Ø90m生产后的矿浆沉积区域两层HDPE防水衬垫，下层衬垫为1.0mm厚，上层衬垫为2.0mm厚，两层衬垫中间为排水层回填区域泵室及通廊底板为现浇砼底板回填区域边线出口通廊采用组装式铝合金波纹板拱形涵洞浓密机中心筒原设计方案优化后方案底流泵室Ø16.9×9浓缩池钢池壁3、设计优化后的方案1）底流泵室调整设备位置，采取紧凑布局，减小泵室尺寸，将箱形结构优化为圆筒形结构（直径16.9m×高9m），三台底流泵围绕中心筒按120度角分线均匀布置。泵室采用预制装配式混凝土墙板、现浇底板和顶板的混凝土结构。底板厚度为1.1m~1.45m，顶部厚度为0.47m~1.0m，侧墙由17片两侧带有连接密封槽的预制混凝土墙板现场装配成组成，其中12片标准件的墙板尺寸为高7.45m×宽3.063m×厚0.4m。优化后两座底流泵室钢筋混凝土施工总量由2.35万m3减少为1412m3。生产后的矿浆沉积区域两层HDPE防水衬垫，下层衬垫为1.0mm厚，上层衬垫为2.0mm厚，两层衬垫中间为排水层回填区域泵室及通廊底板为现浇砼底板回填区域边线出口通廊采用组装式铝合金波纹板拱形涵洞底流泵室浓密机中心筒底流泵室平面图预制墙板3、设计优化后的方案2）出口通廊将两条平行设计的出口通廊改为“V”形出口端交汇连接设计，减少出口通廊长度。用装配式铝合金波纹板拱形涵洞结构代替原有的钢筋混凝土矩形通廊结构，减少混凝土的用量。单条通廊涵洞尺寸为长64.4m×宽6.5m×高3.2m。涵洞的钢筋混凝土底板厚度为600mm。铝合金波纹板采用高强螺栓连接，单片重量约为310kg，每个通廊安装84片，合计26t。优化后两个出口通廊的钢筋混凝土工程量由4120m3减少为870m3，增加了52t铝合金拱形波纹板。生产后的矿浆沉积区域两层HDPE防水衬垫，下层衬垫为1.0mm厚，上层衬垫为2.0mm厚，两层衬垫中间为排水层回填区域泵室及通廊底板为现浇砼底板回填区域边线出口通廊采用组装式铝合金波纹板拱形涵洞底流泵室浓密机中心筒出口通廊断面图移动检修车铝合金波纹板3、设计优化后的方案3）浓缩池池壁地上的浓缩池池壁（直径90m×高4.5m）采用分片组合式弧形钢板结构代替原设计砼结构。钢池壁每片单重17~25t，高4.5m，长约19m，单座浓缩池共计15片钢池壁，总重263t，采用焊接连接。池壁下部为高度520mm、宽度1.2m的现浇钢筋混凝土环梁。优化后两座浓缩池池壁混凝土由3800m3减少为400m3，增加了钢结构池壁526t。生产后的矿浆沉积区域两层HDPE防水衬垫，下层衬垫为1.0mm厚，上层衬垫为2.0mm厚，两层衬垫中间为排水层回填区域泵室及通廊底板为现浇砼底板回填区域边线出口通廊采用组装式铝合金波纹板拱形涵洞底流泵室浓密机中心筒浓缩池钢池壁钢结构池壁断面示意图3、设计优化后的方案4）浓缩池池底浓缩池的90m直径池底采用了回填压实土方上铺双层HDPE防水衬垫的设计结构。回填压实度不低于95%的最大干密度。HDPE防水衬垫采用两层设计，下层为1.0mm厚HDPE防水衬垫，上层为2.0mm厚HDPE防水衬垫，两层衬垫中间为排水层。优化后两座浓缩池池底减少混凝土3100m3，增加1.3万m2HDPE防水衬垫。生产后的矿浆沉积区域两层HDPE防水衬垫，下层衬垫为1.0mm厚，上层衬垫为2.0mm厚，两层衬垫中间为排水层回填区域泵室及通廊底板为现浇砼底板回填区域边线出口通廊采用组装式铝合金波纹板拱形涵洞底流泵室浓密机中心筒浓缩池钢池壁HDPE衬垫排版图3、设计优化后的方案优化后的设计方案，单座浓缩池容量从3.7万m3增大为4.8万m3。两座90m尾矿浓缩池的混凝土量由原设计的3.45万m3，降为2700m3混凝土，526t钢结构，52t装配式铝合金波纹板，以及1.3万m2柔性HDPE防水衬垫。极大的减小了现场现浇混凝土的施工量，并可以提前在工厂进行结构预制作，既缩短了施工工期，又能降低现场施工强度，大幅降低施工费用，同时减少环境污染，符合节能环保的发展趋势。建成后现场实拍照片优化方案与常规方案的对比三优化方案与常规方案的照片对比常规砼设计的底流泵室预制装配式砼底流泵室常规砼设计的出口通廊装配式铝合金波纹板拱形涵洞结构出口通廊优化方案常规方案3、优化方案与常规方案的对比常规砼设计的混凝土池壁分片组合式弧形钢池壁常规砼设计的混凝土池底HDPE衬垫池底优化方案常规方案主要施工方法及关键技术四预制装配式混凝土底流泵室施工装配式铝合金波纹板出口通廊施工分片组合式弧形钢池壁施工HDPE衬垫池底施工本项目设计优化后所采用的“大型装配式混合结构浓缩池”虽然理论上可以极大的减少工程量，降低工程造价，缩短施工工期，但是必须在设计和施工过程中很好的解决各种装配材料之间的可靠连接和密封性能，才能保证尾矿浓缩池的使用功能和使用寿命。例如：出口通廊铝合金波纹板涵洞与底流泵室预制墙板的连接、钢结构池壁底板与基础环梁的连接、池底HDPE防水衬垫内圈与底流泵室外墙面的连接、衬垫外圈与钢池壁底板的连接等。本项目设计和施工关键技术要点就是要保证各种装配式结构之间的可靠连接，保证密封性能，防止出现渗漏。主要施工方法及关键技术HDPE衬垫内圈与底流泵室外墙面的连接HDPE衬垫外圈与钢池壁底板的连接1.预制装配式混凝土底流泵室施工1）在工厂加工制作底流泵站预制混凝土墙板，在墙板的上下边缘埋设预埋件和吊耳；2）现场分两次浇筑底流泵站的圆形筏板基础，第一层先浇筑0.5m厚底板，预埋

24mm墙板定位钢筋，方便墙板吊装施工及准确定位。3）将预制的17片混凝土墙板按顺序分片吊装就位(见图7)。每片墙板下边缘的2个预留定位孔与基础底板上预埋的

24mm定位钢筋对齐安装；相邻墙板的上边缘利用专用的连接构件插入墙板上边缘的预埋件内，将相邻墙板连接固定在一起(见图8)，最终形成圆筒形的封闭墙体。1.预制装配式混凝土底流泵室施工相邻墙板的专用连接构件的结构及连接形式如下：①相邻预制墙板的连接构件包括两个部分，一是预埋在预制混凝土墙板上边缘的埋设件(见图8A)，另一个是相邻墙板的连接构件（见图8B）。②相邻两块墙板吊装就位后，将连接件上的两个钢管分别插在相邻两个墙板上边缘埋设件DN80的套筒内，即完成连接安装。专用连接构件的设计使连接方便、快速、准确。③全部预制墙板安装完毕后，支模现浇泵室的钢筋混凝土顶板，将连接构件浇筑在顶板混凝土内，确保连接构件不会松动脱落。膨胀灌浆料墙板连接构件图8预制砼墙板连接示意图1.预制装配式混凝土底流泵室施工4）预制墙板安装就位后，浇筑圆形筏板基础的第二层剩余厚度为0.6m～0.95m的底板（见图6）。底板分两次浇筑可以保证预制墙板与现浇底板结合严密、受力合理。5）底部浇筑施工完毕后，使用微膨胀灌浆料对预制墙板接缝处进行灌浆处理。6）搭设满堂脚手架，现浇钢筋混凝土泵室顶板，顶板厚度为470mm~1000mm；7）顶板施工完毕后进行泵站周边土方回填施工，回填作业时应对称回填压实，确保筒形墙体受力均匀，保证整体结构的稳定性。2.装配式铝合金波纹板拱形涵洞出口通廊施工1）600mm厚通廊钢筋砼底板基础施工。在拱形涵洞两侧的底板基础中预埋与波纹板连接的L型固定埋件（如图10）。埋件下部锚钉浇筑在底板的混凝土内。2）安装铝合金拱形波纹板。半圆拱的截面由7片弧形波纹板装配而成，通廊长度方向由12片组成，每个通廊共安装波纹板84片，全部采用高强螺栓连接。3）铝合金波纹板拼装方向：从半圆拱两侧底脚向弧顶，从地下泵室向地面方向拼装。铝合金波纹板的连接高强螺栓必须100%查验扭矩值，保证达到设计要求。图10底板预埋L型埋件示意图图11装配式铝合金波纹板安装2.装配式铝合金波纹板拱形涵洞出口通廊施工4）出口通廊铝合金波纹板与泵室混凝土墙板之间的接缝处理，在连接处的外侧设置12mm厚L型圆弧橡胶板，并用M20螺栓进行固定（见图12）。5）回填拱形涵洞两侧及顶部土方。涵洞两侧应同时进行分层回填，避免单侧受力较大产生变形。6）施工涵洞通廊出口的钢筋混凝土地坪及挡土墙。铝合金波纹板泵室墙板12mm厚L型圆弧橡胶板，并用M20螺栓进行固定现场标记并在衬板上钻孔固定图12铝合金波纹板涵洞与墙板接缝节点详图图13通廊出口钢筋混凝土地坪及挡土墙3.分片组合弧形钢池壁施工1）工厂加工制作15片弧形钢结构池壁。钢池壁底板和间距300mm的锚固钢筋在工厂内焊接完再运输至现场。2）基础环梁施工由于钢池壁底板下部有锚固钢筋，基础环梁需要分两次浇筑。在钢池壁安装前先浇筑基础环梁下部约1/2高度的混凝土，并预埋DN165*5*370mm的钢管支撑短柱（见图17），预埋的钢管短柱按角分线每6°设置一个，共在基础环梁内埋设60个，作为弧形钢池壁安装时的支撑和底板焊接固定构件。埋设时要确保60个埋设钢管短柱顶部的水平标高一致，从而保证钢池壁的安装精度。3.分片组合弧形钢池壁施工3）安装弧形钢池壁。为确保池壁安装的准确定位，吊装从第一片与外部溢流管道接口的钢池壁开始。将弧形钢池壁分片吊装到基础环梁的预埋钢管支撑上，并将相邻的池壁依次调整、组装、焊接成整体。为保证单片池壁安装后的稳定性，首先将池壁底板与预埋在环梁内的钢管支撑进行焊接，并在池壁外侧的溢流槽底部设置垂直支撑，同时使用钢丝绳在池壁的外部进行牵拉，防止池壁倾倒（参见图18、19）。4）弧形钢池壁焊接。钢池壁的焊接是池壁施工的重点和难点。由于单片池壁高4.5m，长约19m，重约17~25t，安装后位置很难调整，因此在安装过程中必须严格控制每一道池壁间隙的宽度，避免最后一片池壁缝隙累积超差。5）根据钢池壁的安装进度，分段完成基础环梁上部剩余1/2高度的混凝土浇筑施工。图18单片钢结构池壁就位图片

图19池壁外侧溢流槽底部设置垂直支撑4.HDPE衬垫池底施工1）在全部钢池壁吊装封闭前，吊车同步进行浓密机中心筒进料管、进料井、45m桁架，以及主副耙架设备安装。2）按设计坡度要求完成土方回填压实作业，压实度不低于95%，并在外圈斜坡范围铺设15mm厚细砂，中心范围铺设20mm厚粒径小于7mm的碎石，见图20。3）HDPE衬垫宽7m，施工搭接100mm，有效宽度6.9m（见图21）。衬垫铺设共两层，底层厚1.0mm，上层2.0mm，两层衬垫之间为排水层，设置4道渗漏阻隔线（50mm宽，5mm厚的三元乙丙密封条）。4道阻隔线将浓缩池衬垫分成4个扇形区域，对应每个区域在底流泵室顶板预埋一根Ø50mm的PVC导管（见图22），导管端头埋设在两层防水衬垫之间，如导管流水说明该区域的衬垫可能发生渗漏，方便检修时查找漏点。同时，导管可以将渗漏水排入集水坑。铺设HDPE防水衬垫时，应考虑地基沉降影响，预留足够的伸缩长度。衬垫采用热熔焊接，T字型焊缝，不允许出现十字及交叉焊缝。铺设15mm厚细砂铺设20mm厚碎石图20HDPE防水衬垫下铺设细砂和碎石图21HDPE衬垫排版图4.HDPE衬垫池底施工HDPE防水衬垫施工的重点和难点主要是：①圆环形衬垫内圈与中心底流泵室砼外墙面的密封连接；②衬垫外圈与钢结构池壁底板的密封连接处理。①衬垫内圈与浓缩池中心底流泵室顶板砼外墙面的连接见图22。在底流泵室混凝土外墙面的同一水平位置上@150mm间距钻孔，植入M10×100的不锈钢化学螺栓。安装一圈50mm×6mm的橡胶板，在螺栓上穿入2层衬垫，再用50mm宽×6mm厚的钢带板将橡胶板和衬垫牢牢压紧固定在混凝土的外墙面上，最后用防水密封胶沿外墙面的连接处进行整圈密封。图22HDPE防水衬垫内圈与底流泵室外墙面的连接节点详图4.HDPE衬垫池底施工②衬垫外圈与钢池壁底板的连接见图23。钢结构池壁制作时在底板内侧按@150mm间距预焊M16螺栓。按照M16螺栓@150mm间距在3层50mm×2mm的通长橡胶垫和两层HDPE防水衬垫上钻孔，并交替安装在M16螺栓上，最上部安装预钻孔的6000mm×50mm×6mm钢带，用螺栓拧紧固定。相邻两根钢带的接缝处不能翘曲，防止变形渗水。图23衬垫外圈与钢池壁底板的连接节点详图钢池壁砼基础环梁间隔3层50*2通长橡胶垫最上面用50*6钢带压紧预焊M16螺栓2mm厚衬垫池壁钢底板1mm厚衬垫7）HDPE衬垫铺设完毕后，在未注浆或者注水之前，在衬垫上间隔放置足够的砂袋，防止衬垫被风刮起损坏；8）HDPE防水衬垫材料，在运输、装卸及铺设过程中要避免尖锐物品磕碰，后续设备安装施工中注意成品保护，避免高空坠物对衬垫造成破坏。发现有破损情况必须及时修补。5.蓄水试验装配式混合结构大型浓缩池全部施工完成后，为检验防水衬垫安装的防渗漏性能，以及测试浓缩池的钢结构池壁变形量和整体沉降是否满足设计要求，需要对浓缩池进行蓄水试验。根据试验结果，HDPE衬垫防渗漏性能、钢结构池壁的变形量和浓缩池整体沉降均满足设计要求。图2490m直径尾矿浓缩池蓄水试验优化后的实施效果五实施效果（1）极大减少了钢筋混凝土用量。原设计钢筋混凝土3.45万m3。优化以后仅需2700m3混凝土量，526t钢结构，