水電站大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井施工特點(diǎn)與難點(diǎn)淺析

李忠貴

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概 述

調(diào)壓井是水電站工程重要的水工建筑物之一。當(dāng)水電站在運(yùn)行過程中突然丟棄負(fù)荷而關(guān)閉導(dǎo)葉或者閥門時，由于水流的慣性，將產(chǎn)生瞬時的“水錘現(xiàn)象”，這種水錘壓力可以通過調(diào)壓井自由水面得到能量釋放，從而保護(hù)和減少對機(jī)組和調(diào)壓井上游引水道結(jié)構(gòu)的破壞和影響。國內(nèi)很多引水式電站調(diào)壓井一般采用敞口式地埋或半地埋鋼筋混凝土井筒結(jié)構(gòu)，施工時從上往下逐層進(jìn)行豎井開挖，井筒混凝土施工則從井口下料，從下往上分層進(jìn)行鋼筋綁扎和混凝土澆筑，這種施工程序相對簡單。

印尼阿薩漢一級水電站調(diào)壓井采用地面鋼結(jié)構(gòu)型式的原因，主要是由于調(diào)壓井選址處引水隧洞上覆巖層埋深較淺，不具備采用地埋式調(diào)壓井的自然條件，而地面調(diào)壓井如果采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，則其基礎(chǔ)必須進(jìn)行打樁處理等專門設(shè)計，也將會破壞原有地層結(jié)構(gòu)。

2 工程概況

阿薩漢一級水電站為引水式電站，以發(fā)電為主，設(shè)置2臺機(jī)組，單機(jī)容量90MW，總裝機(jī)180MW。主要樞杻建筑物包括擋水壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力斜井、地面發(fā)電廠房和升壓開關(guān)站。其中，調(diào)壓井阻抗孔以上采用地面鋼結(jié)構(gòu)型式，阻抗孔采用地下豎井型式，豎井底部與引水隧洞相連接。阻抗孔高度23m，內(nèi)徑3.4m，采用鋼襯+混凝土襯砌。地面以上鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井總高度67m，直徑18m，井壁鋼板厚度12～46mm，共30層，頂部設(shè)置抗風(fēng)圈。調(diào)壓井內(nèi)壁對稱均勻分布有8根“Ⅱ”形豎撐，每兩層設(shè)置一道“T”形環(huán)狀內(nèi)橫撐；底部基礎(chǔ)采用C20/C25大體積混凝土，底座224根長大直徑M100鋼地腳螺栓(單根長5m)嵌入基礎(chǔ)混凝土中；調(diào)壓井上部主體鋼結(jié)構(gòu)重量達(dá)1400t，為亞洲最高、最大的地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井。調(diào)壓井結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 調(diào)壓井剖面示意圖(單位：m)

3 調(diào)壓井施工特點(diǎn)和難點(diǎn)分析

3.1 施工復(fù)雜

調(diào)壓井需遵循從下往上的施工程序，很難組織上、下平行作業(yè)，需先開挖施工支洞，再開挖阻抗孔底部連接段引水隧洞，再開挖阻抗孔豎井；相關(guān)洞井開挖、鋼襯安裝、混凝土澆筑、回填灌漿完成后，才能進(jìn)行調(diào)壓井基礎(chǔ)底座施工以及后續(xù)調(diào)壓井本體安裝施工，任何一項(xiàng)緊前工序滯后都會對后續(xù)工期帶來較大影響。阻抗孔施工時，還需統(tǒng)籌考慮引水隧洞、阻抗孔、壓力斜井施工的相互干擾，應(yīng)盡可能減少其他工作面對阻抗孔施工的影響。

3.2 地下工程施工難度大

調(diào)壓井如同連通器一樣與底部引水隧洞相連接，引水隧洞施工需從施工支洞進(jìn)入，而施工支洞、引水隧洞和阻抗孔施工全部為地下工程施工，存在圍巖掉塊、洞頂塌方、井壁坍塌的風(fēng)險，遇到地下水時圍巖容易軟化，地下工程施工支護(hù)工作量大，安全風(fēng)險高；而且地下工程全部采用鉆爆法施工，境外火工材料的許可、采購、運(yùn)輸?shù)瘸绦蚬芾韲?yán)格，存在安全風(fēng)險。

3.3 安裝和焊接工作量大

調(diào)壓井基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)外形尺寸大，基礎(chǔ)涉及一期、二期大體積混凝土澆筑，底座結(jié)構(gòu)涉及多塊超厚鋼板和雙排長大錨固螺栓安裝，單塊環(huán)向厚鋼板周長達(dá)56.6m，單塊環(huán)形構(gòu)件無法現(xiàn)場整體吊裝，需多塊拼裝焊接，大大增加安裝和焊接工作量。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井井筒規(guī)格大

鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井井筒環(huán)向尺寸大，無法進(jìn)行單節(jié)整體吊裝，需要分片、分節(jié)、分段逐層安裝上升。而選擇適宜的構(gòu)件吊裝設(shè)備是主要難題之一，也是決定調(diào)壓井施工成敗的關(guān)鍵因素。經(jīng)對比分析，常規(guī)吊裝設(shè)備難以滿足要求，若選用大型汽車吊進(jìn)行構(gòu)件吊裝，則只能吊裝調(diào)壓井底部一定高度的部分構(gòu)件，施工場地也受限；若選用大型建筑塔吊，技術(shù)上雖可行，但很不經(jīng)濟(jì)，而且隨著調(diào)壓井井筒上升，塔吊塔身無法進(jìn)行扶墻加固，塔吊本身也存在安全隱患[1]。

3.5 施工操作平臺復(fù)雜

調(diào)壓井安裝涉及大量構(gòu)件高空吊裝就位、加固、焊接和檢驗(yàn)等工序，如何設(shè)計制作施工操作平臺是一個難題?？紤]場地、成本、安全等方面的因素，調(diào)壓井井壁外圍搭設(shè)腳手架方案是不可取的。調(diào)壓井內(nèi)搭設(shè)滿堂支撐架形成平臺方案也難以實(shí)施，因?yàn)殡S著調(diào)壓井的升高，需多次反復(fù)搭設(shè)加高支撐架，工序十分繁雜，不僅耗費(fèi)大量資源，而且占壓直線工期，將嚴(yán)重影響工程施工進(jìn)度，也存在極大的安全隱患。

3.6 防雷保護(hù)問題突出

調(diào)壓井為高聳鋼結(jié)構(gòu)建筑，施工區(qū)域?yàn)槎嗬子旮咴貐^(qū)，隨著調(diào)壓井安裝升高，如何妥善解決防雷保護(hù)問題也是難點(diǎn)之一。如果設(shè)置兩座高100m的塔式避雷針，不僅成本很高，也將占用較大的施工場地，影響構(gòu)件運(yùn)輸和吊裝作業(yè)。

3.7 焊接質(zhì)量要求高

調(diào)壓井井壁環(huán)縫和縱縫內(nèi)、外側(cè)都涉及大量焊接作業(yè)，部分超厚鋼板需要焊前加熱、焊后保溫，井壁內(nèi)、外側(cè)都需要設(shè)置操作平臺。地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井具有存水容器特性，需長期在高水位狀態(tài)運(yùn)行，井壁承受的內(nèi)水壓力較大，如果出現(xiàn)局部滲漏等質(zhì)量問題，后期很難進(jìn)行消缺處理，調(diào)壓井施工質(zhì)量要求高。

4 地下工程施工技術(shù)要點(diǎn)

調(diào)壓井基礎(chǔ)明挖盡可能安排在旱季施工，明挖結(jié)束后阻抗孔開挖前，首先要進(jìn)行下部連接段引水隧洞開挖，才能進(jìn)行阻抗孔豎井開挖，而隧洞開挖首先需要合理布置施工支洞。施工支洞是引水隧洞上游工作面、阻抗孔和下游壓力斜井三大工作面同時施工的交通要道，施工干擾、交通堵塞和通風(fēng)散煙問題突出，而每一個工作面都可能成為潛在的關(guān)鍵線路。為化解這一難題，在阻抗孔底部引水隧洞段上、下游相距約80～100m左右分別設(shè)置一條施工支洞，兩條施工支洞承擔(dān)三個工作面施工，可以大大減少施工干擾和交通堵塞，通風(fēng)散煙條件也可大大改善。

阻抗孔豎井開挖安全風(fēng)險高，需要采取合理施工方案和防護(hù)措施。在有條件的情況下，豎井開挖應(yīng)優(yōu)先采用反井鉆機(jī)開挖方案。阻抗孔底部連接段隧洞開挖完成約80～100m后，先用反井鉆機(jī)從調(diào)壓井基礎(chǔ)開挖面從上至下鉆直徑214mm導(dǎo)孔，鉆至底部后，在鉆桿頂上更換安裝直徑1.4m鉆頭，從下往上擴(kuò)孔開挖，擴(kuò)孔石渣自由落至引水隧洞，由底部出渣。擴(kuò)孔至地面后，再根據(jù)阻抗孔開挖直徑從上往下分層進(jìn)行人工鉆爆擴(kuò)挖，由底部引水隧洞出渣。開挖過程中井筒壁需逐層做好噴錨支護(hù)。

鋼襯安裝、混凝土澆筑和洞頂回填灌漿也需要先施工與阻抗孔連接的隧洞段部位，然后才能從下往上分節(jié)進(jìn)行阻抗孔鋼襯安裝和混凝土回填澆筑。為減少施工支洞運(yùn)輸相互干擾，隧洞段、壓力斜井和阻抗孔三個工作面鋼襯安裝應(yīng)盡量避免同期施工，因調(diào)壓井上部井筒安裝工期長，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行阻抗孔鋼襯安裝，再進(jìn)行上游面引水隧洞和下游面壓力斜井鋼襯安裝。

5 調(diào)壓井基礎(chǔ)安裝技術(shù)要點(diǎn)

5.1 基礎(chǔ)底座結(jié)構(gòu)

調(diào)壓井基礎(chǔ)采用C20和C25兩種等級的大體積鋼筋混凝土，分一期、二期進(jìn)行澆筑?；炷梁?m，底部設(shè)置224根M100超長大直徑地腳螺栓(單根長5m)，調(diào)壓井底座和螺栓錨固于大體積混凝土內(nèi)。調(diào)壓井底座材料為Q345C，底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼板厚，焊縫密集且數(shù)量多，總重量達(dá)250t。調(diào)壓井底座主要由錨固螺栓、基礎(chǔ)環(huán)1、基礎(chǔ)環(huán)2、內(nèi)環(huán)形蓋板、外環(huán)形蓋板、錨板、套管、圍板、止水板、止水環(huán)板、第一節(jié)井壁以及安裝于基礎(chǔ)環(huán)1與基礎(chǔ)環(huán)2之間的橡膠止水組成，所有部件均為厚度46mm厚鋼板。調(diào)壓井底座截面見圖2。

圖2 調(diào)壓井底座截面示意圖1，2-內(nèi)外錨固螺桿；3-錨板；4-基礎(chǔ)環(huán)板1；5-基礎(chǔ)環(huán)板2；6-套管；7-圍板1；8-圍板2；9，10-內(nèi)外環(huán)形蓋板；11，12-內(nèi)外肋板；13-井筒壁板；14-止水板；15-止水環(huán)板

5.2 基礎(chǔ)底座安裝程序

調(diào)壓井基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)外形尺寸大，基礎(chǔ)大體積混凝土需分一期、二期進(jìn)行澆筑。錨固于大體積混凝土內(nèi)的底座結(jié)構(gòu)涉及多塊超厚鋼板和長大直徑螺栓安裝，底座單塊環(huán)向厚鋼板周長達(dá)56.6m，單塊環(huán)形構(gòu)件無法現(xiàn)場整體吊裝，需分6塊進(jìn)行制作和現(xiàn)場組裝，大大增加安裝工作量和施工難度。同時，還需分析研究合理的安裝組裝程序，以保證安裝質(zhì)量。

安裝順序：基礎(chǔ)環(huán)2安裝→套管安裝→錨板安裝→止水板和止水環(huán)板安裝→基礎(chǔ)環(huán)1安裝→第一節(jié)井筒壁安裝→肋板安裝→錨固螺栓定位安裝→圍板2安裝→二期混凝土澆筑→環(huán)形蓋板安裝→螺栓初期緊固。

5.3 基礎(chǔ)底座安裝要點(diǎn)

將第一段基礎(chǔ)環(huán)板2吊到安裝好的托架，按測量安裝位置將環(huán)板調(diào)整并加固好。同樣方法安裝第2～6段環(huán)板，嚴(yán)格控制接頭間隙，對各接頭同時施焊，在焊接完成后進(jìn)行整體校正。

在基礎(chǔ)環(huán)2下面畫出套管定位線，將套管安裝焊接在基礎(chǔ)環(huán)2下面。安裝底部錨板，并與錨板圍管焊接，錨板由底部預(yù)埋支撐焊接固定。安裝止水板和止水環(huán)板并按設(shè)計位置焊接到基礎(chǔ)環(huán)2上。將第一段基礎(chǔ)環(huán)板1吊到基礎(chǔ)環(huán)2上，按安裝位置將環(huán)板調(diào)整并固定好，同樣方法安裝第2～6段環(huán)板?？紤]到基礎(chǔ)環(huán)1的焊接空間，采用臨時支架將基礎(chǔ)環(huán)1架起后進(jìn)行焊接(架起高度約900mm)。將調(diào)壓井第一節(jié)井壁各瓦片依次吊裝到位，按照設(shè)計要求進(jìn)行組裝焊接。在基礎(chǔ)環(huán)1和筒壁對應(yīng)的位置裝上肋板，并按順序?qū)甙辶⒖p和角縫進(jìn)行施焊。將錨固螺桿用吊車配合人工安裝到位，調(diào)整好垂直度符合要求后安裝圍板2。

對底座各安裝部件和鋼筋焊接進(jìn)行檢查，隱蔽工程驗(yàn)收合格后，進(jìn)行二期混凝土澆筑，二期混凝土保濕養(yǎng)護(hù)不少于14天。將內(nèi)、外環(huán)形蓋板分段依次放到肋板上，調(diào)整好與筒壁間隙并進(jìn)行壓頭對接焊。底座全部安裝完成驗(yàn)收合格后，緊固錨固螺栓，螺栓分兩次緊固，初擰緊固為設(shè)計緊固力的70%，擰固時需對稱進(jìn)行。所有焊縫焊完后進(jìn)行二次緊固。

6 調(diào)壓井筒體吊裝技術(shù)要點(diǎn)

6.1 方案設(shè)想

通過對調(diào)壓井施工特點(diǎn)和難點(diǎn)的綜合分析，結(jié)合調(diào)壓井筒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要從以下方面考慮：一是以調(diào)壓井井筒內(nèi)設(shè)置大型液壓舉升平臺、平臺上安裝卷揚(yáng)機(jī)配合扒桿作為吊裝手段，卷揚(yáng)機(jī)可以沿平臺旋轉(zhuǎn)進(jìn)行外側(cè)構(gòu)件吊裝[2]。二是采用井筒內(nèi)大型活動式平臺，隨調(diào)壓井上升而上升，采用液壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型活動式平臺的爬升，電焊機(jī)等施工設(shè)備布置在作業(yè)平臺上[3]。三是在調(diào)壓井井壁外設(shè)置簡易外掛棚形成操作平臺。四是避雷針用來保護(hù)調(diào)壓井井筒免受雷擊，保護(hù)工程和施工人員安全。避雷針結(jié)構(gòu)安裝在井筒內(nèi)大型作業(yè)平臺上，隨平臺上升而上升，使調(diào)壓井井筒始終處于避雷針保護(hù)之下。

6.2 方案制作

在調(diào)壓井井筒體內(nèi)設(shè)計了直徑18m的上、下兩層施工作業(yè)平臺，兩個平臺連接成整體，利用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該平臺隨著調(diào)壓井逐層安裝而同步上升。調(diào)壓井吊裝系統(tǒng)剖面見圖3。

圖3 調(diào)壓井吊裝系統(tǒng)剖面示意圖

調(diào)壓井內(nèi)壁對稱布置有8根豎撐，豎撐剛度強(qiáng)度高，通過在豎撐上開孔，將4支液壓頂升油缸對稱布置在4根豎撐上，另4根豎撐上設(shè)置附加支座。通過采用活動式插銷，豎撐與液壓系統(tǒng)的4支油缸連接，形成活動式平臺的支撐支座，巧妙、簡易、低成本、高效地解決了平臺支撐支座的難題。在上層施工平臺上設(shè)置回轉(zhuǎn)平臺和回轉(zhuǎn)軌道，回轉(zhuǎn)平臺上布置卷揚(yáng)機(jī)和扒桿體系實(shí)現(xiàn)構(gòu)件吊裝。其中，1臺3t卷揚(yáng)機(jī)使扒桿變幅可回轉(zhuǎn)，1臺5t卷揚(yáng)機(jī)實(shí)施構(gòu)件吊裝。卷揚(yáng)機(jī)和扒桿體系可沿回轉(zhuǎn)軌道回轉(zhuǎn)，沿調(diào)壓井內(nèi)四周實(shí)現(xiàn)構(gòu)件吊裝。在液壓舉升平臺上、下空間設(shè)置4個10t手拉葫蘆，達(dá)到安全雙保險的目的，確保了液壓舉升平臺穩(wěn)定安全。

將避雷針布置在回轉(zhuǎn)平臺上，其總高度16m，重約300kg，可隨著回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)而回轉(zhuǎn)，隨著調(diào)壓井的逐層安裝而同步上升，調(diào)壓井始終處于避雷針防護(hù)之下。在調(diào)壓井井筒頂部布置6個焊接外掛棚，解決了井壁外部活動施工平臺的問題。在工作平臺走道兩側(cè)設(shè)置欄桿，平臺底部和四周牢固設(shè)置安全網(wǎng)，確保施工安全。

6.3 液壓舉升平臺工作流程

對液壓爬升系統(tǒng)和卷揚(yáng)機(jī)扒桿聯(lián)合安全檢查→10t手拉葫蘆保險裝置布置→啟動液壓系統(tǒng)，自豎撐孔內(nèi)拔出液壓油缸上端銷軸→聯(lián)動或單動液壓油缸，確保四只油缸基本同步上升→同步操作10t手拉葫蘆，確保該四個角與其他四個角同步上升，將平臺頂升1m或1.25m→將液壓油缸上端用銷軸與豎撐孔連接，自豎撐孔內(nèi)拔出液壓油缸下端銷軸，單動液壓油缸收起，將液壓油缸下端用銷軸與豎撐孔連接，如此重復(fù)上述步驟，將平臺頂升1m或1.25m，完成一個頂升循環(huán)→檢查10t手拉葫蘆保險裝置，確保牢固可靠→將液壓舉升平臺每個設(shè)置導(dǎo)向裝置的角下部設(shè)置的鋼支撐，支撐在井筒內(nèi)壁的支座上。

6.4 調(diào)壓井安裝施工流程

井筒內(nèi)操作平臺整體頂升→外側(cè)焊接掛棚挪位→瓦片吊裝→整體調(diào)整加固→焊縫坡口清理(如需預(yù)熱，則焊前先預(yù)熱，下同)→內(nèi)縱縫焊接→背縫清根→外縱縫焊接→UT檢查→內(nèi)環(huán)縫焊接→環(huán)縫背縫清根→外環(huán)縫焊接→上一循環(huán)焊縫RT檢查及返修→豎撐吊裝及焊接→橫撐吊裝及焊接。完成后，平臺上升進(jìn)入下一循環(huán)施工。

6.5 液壓舉升平臺拆除

調(diào)壓井安裝到頂后，在調(diào)壓井底部外圍均勻布置2臺5t卷揚(yáng)機(jī)和2臺10t卷揚(yáng)機(jī)，通過在抗風(fēng)圈上設(shè)置滑輪導(dǎo)向及定滑輪、在液壓舉升平臺上設(shè)置動滑輪，將液壓舉升平臺安全下放到井筒底部，在底部氣割成小件，自調(diào)壓井進(jìn)人孔處搬動到井筒外。

7 結(jié) 語

本文分析了水電站地面大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井施工特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，闡述了調(diào)壓井施工由下往上施工工序銜接緊密、施工程序復(fù)雜的特點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)踐，對阻抗孔以下地下工程施工、調(diào)壓井基礎(chǔ)底座安裝、調(diào)壓井筒體吊裝技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

由于水電站鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井在國內(nèi)并不多見，且本工程調(diào)壓井規(guī)模尺寸較大，其基礎(chǔ)底座安裝和調(diào)壓井井筒吊裝技術(shù)具有較好的實(shí)用性和創(chuàng)新性，該調(diào)壓井的成功安裝實(shí)施，為類似超高、超大型鋼結(jié)構(gòu)工程安裝提供了一種新的解決方案和思路。