白鶴灘水電站左岸壓力管道豎井鋼襯回填施工關(guān)鍵技術(shù)研究

鐘 云 光

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二座梯級電站，左右岸各布置8臺、單機容量為100萬kW的水輪發(fā)電機組(目前世界上單機容量最大的水輪發(fā)電機組)，電站總裝機容量為1 600萬kW，為目前世界上在建最大、建成后世界第二大水電站。

白鶴灘水電站左岸引水壓力管道共計8條，單條引水壓力管道豎井深約176 m(含上下彎段及豎井段)，其中豎井直段長104.5 m，豎井開挖斷面為Φ12.2 m的圓形斷面，壓力鋼管內(nèi)徑為10.2 m。引水壓力管道上彎段的拐彎半徑為30 m，拐彎角度為90°；下彎段拐彎半徑亦為30 m，中心角為90°。白鶴灘水電站左岸壓力管道采用單洞單機豎井式布置，共設(shè)置8條引水隧洞。壓力管道自上平段末端起全部采用鋼板襯砌，包括上彎段、豎井段、下彎段及下平段。①～⑥號引水隧洞管單條壓力鋼管共88節(jié)，管線長度為232.654 m，⑦～⑧號引水隧洞管單條壓力鋼管共89節(jié)，管線長度為235.654 m，8條引水隧洞壓力鋼管總節(jié)數(shù)為706節(jié)，管線總長度為1 867.234 m，工程總重量為19 279.7 t。引水隧洞壓力鋼管回填段在壓力鋼管安裝完成后回填素混凝土,分段安裝、分段回填。

2 施工中存在的重難點問題

(1)壓力管道豎井直徑大、深度大，施工人員的上下主要依靠橋機載人吊籠，施工通道單一，對橋機設(shè)備完好率要求高。

(2)單節(jié)壓力鋼管重達(dá)30 t，鋼管外徑達(dá)10.5 m(含加勁環(huán))，橋機吊裝空間有限，吊裝效率低。

(3)井壁滲水且不平整，豎井及上彎段溜管系統(tǒng)安裝、加固困難。豎井內(nèi)澆筑作業(yè)空間相對較小，澆筑時卸料易造成飛石，安全風(fēng)險大。

(4)壓力鋼管直徑大(凈空為Ф10.2 m)，鋼襯回填混凝土下料點相對較多且需滿足對稱均勻下料，需要設(shè)置專門的分料系統(tǒng)。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 壓力管道豎井施工程序及分段分層

(1)施工程序。壓力鋼管安裝及混凝土回填施工程序：路線一為下彎段→豎井段→上彎段，分段安裝、分段澆筑混凝土；路線二為下彎段→下平段，下平鋼管安裝完成后統(tǒng)一從廠房側(cè)端頭向下彎段依次分段澆筑。壓力鋼管先安裝下彎段上游10節(jié)，每5節(jié)安裝后向土建交面并進(jìn)行混凝土回填澆筑。下彎上游10節(jié)鋼管安裝及澆筑完成后拆除內(nèi)支撐，同時安裝豎井升降施工平臺式內(nèi)支撐。豎井直段鋼管每安裝完成6節(jié)交面土建，回填混凝土，如此往復(fù)，完成全部豎井段壓力鋼管的安裝。

(2)施工分段分層。為確?，F(xiàn)場控制混凝土澆筑時的鋼管變形，根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(NB/T 35056-2015),參照附錄B(地下埋管結(jié)構(gòu)分析方法)中加勁環(huán)式鋼管的臨界外壓[1]計算相關(guān)內(nèi)容，對壓力鋼管臨界外壓值進(jìn)行計算；提高混凝土澆筑變形控制安全系數(shù)，將混凝土澆筑上升速度控制在0.5 m/h，壓力鋼管兩側(cè)均衡入料，兩側(cè)混凝土澆筑高差為0.5 m。同時，將壓力鋼管外支撐與系統(tǒng)錨桿焊接加固，采用內(nèi)支撐爬升施工平臺作為內(nèi)支撐，防止混凝土澆筑時出現(xiàn)嚴(yán)重變形。單節(jié)壓力管道豎井段壓力鋼管高3 m，通過壓力鋼管的安裝和混凝土分層優(yōu)化，豎井段壓力鋼管每安裝6節(jié)(高18 m)進(jìn)行一次混凝土回填，豎井直段共計6倉。

3.2 壓力鋼管安裝技術(shù)

(1)壓力鋼管的吊裝。下彎段上游10節(jié)鋼管安裝完成后進(jìn)行豎井段壓力鋼管的安裝。豎井段鋼管安裝按照6節(jié)一個循環(huán)，安裝時采用“豎井施工平臺式內(nèi)支撐[2]”。豎井及上彎段的壓力鋼管是從壓力鋼管加工廠采用40 t拖掛車運至引水上平施工支洞內(nèi)，再通過運輸軌道運至引水上彎段2×30 t臨時橋機下方，最后，通過2×30 t臨時橋機提升后水平運輸至豎井區(qū)域下放至豎井內(nèi)的施工面。單節(jié)鋼管重約30 t，采用雙吊鉤抬吊下放就位。每3節(jié)下放就位后進(jìn)行調(diào)校和臨時固定，每3節(jié)為一組進(jìn)行平行焊接作業(yè)，每6節(jié)安裝完成向土建交面后進(jìn)行混凝土回填。

(2)壓力鋼管氣體保護焊接。根據(jù)類似工程取得的施工經(jīng)驗，為推廣壓力鋼管安裝采用CO2氣體保護焊接技術(shù)[3]制定了相應(yīng)的焊接工藝評定規(guī)程(PWPS)。按照焊接工藝規(guī)程，對Q345R和N610CF進(jìn)行了試焊，其各項力學(xué)性能試驗和化學(xué)成分分析報告滿足要求，焊接質(zhì)量滿足規(guī)范要求，評定為合格。CO2氣體保護焊是以可熔化的金屬焊絲作電極并以CO2氣體作保護的電弧焊，是焊接黑色金屬的重要焊接方法之一。主要焊材選用Ф1.2 mm 的焊絲(XY-ER80YM型水電焊接材料)。

CO2氣體保護焊具有的優(yōu)點：①焊接成本低。其成本只有埋弧焊[4]、焊條電弧焊的40%～50%。②生產(chǎn)效率高。其生產(chǎn)效率是焊條電弧焊的1～4倍。③操作簡便。明弧，對工件厚度不限，可進(jìn)行全位置焊接且可以向下焊接。④焊縫抗裂性能高。焊縫低氫且含氮量較少。⑤焊后變形較小。角變形為5‰，不平度只有3‰。⑥焊接飛濺小。當(dāng)采用超低碳合金焊絲或藥芯焊絲或在CO2中加入Ar均可降低焊接飛濺。其缺點主要是污染環(huán)境。

(3)壓力鋼管內(nèi)支撐的優(yōu)化。針對該工程Ф10.2 m壓力鋼管豎井段安裝，通過技術(shù)創(chuàng)新并研發(fā)了一種豎井段壓力鋼管升降施工平臺式內(nèi)支撐，該施工平臺式內(nèi)支撐分為三層平臺，在三層平臺的外沿安裝了可伸縮的液壓支撐和螺桿支撐，從而同時起到內(nèi)支撐與操作平臺的功能。每3節(jié)壓力鋼管為1組，三層平臺對應(yīng)三條焊縫施焊，施工平臺式內(nèi)支撐隨著豎井段壓力鋼管從下向上依次安裝而跟進(jìn)上升。該施工平臺式內(nèi)支撐既滿足了壓力鋼管安裝施工平臺的需要和澆筑變形控制，又能減少傳統(tǒng)內(nèi)支撐大量的拆除工作，從而大大減少了施工成本，提高了施工效率。

3.3 混凝土澆筑施工技術(shù)

(1)混凝土入倉。在壓力管道上彎段布置了一臺2×30 t臨時橋機，臨時橋機配置有載人吊籠和兩臺30 t卷揚機提升系統(tǒng)以滿足壓力管道豎井開挖、安裝及混凝土施工綜合提升要求。施工人員從引水上平段乘坐橋機載人吊籠進(jìn)入豎井段施工面，施工人員上下豎井內(nèi)均采用載人吊籠。

在進(jìn)行壓力管道豎井段鋼襯混凝土澆筑時，其水平運輸為：從拌合站采用混凝土攪拌運輸罐車將其運輸至引水上平段。垂直運輸：在引水上彎段及豎井直段布置一趟DN300溜管，并在壓力鋼管口布置可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)，可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)至倉內(nèi)掛裝溜筒，混凝土從引水上平段經(jīng)溜管至移動分料系統(tǒng)及溜筒入倉。在豎井內(nèi)沿井壁布置一趟DN300溜管，單節(jié)溜管長度為6 m，溜管每18 m設(shè)置一個H型緩沖器。溜管的加固方式：在井壁采用兩根拉筋分別將系統(tǒng)錨桿和溜管焊接固定，插筋間隔15 m布置；利用Ф18.5 mm鋼繩間隔15 m與井壁上系統(tǒng)錨桿的吊耳采用繩卡固定；同時，兩趟Ф18.5 mm鋼繩將整個溜管利用繩卡固定串聯(lián)在一起。其固定連接點采用繩卡在溜管上焊接Φ25 mm鋼筋吊耳與鋼繩連接，以確保每節(jié)溜管與鋼繩有4個固定連接點。兩根鋼繩在引水上彎段與系統(tǒng)錨桿采用繩卡固定。

(2)可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。為解決深度大、直徑大的壓力管道豎井鋼襯回填混凝土入倉問題，對傳統(tǒng)固定式分料槽系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新、設(shè)計出可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)[5],該系統(tǒng)具有安全可靠，使用、操作及轉(zhuǎn)運簡便，適用性強，施工效率和周轉(zhuǎn)使用率高等優(yōu)點。

可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)在加工場內(nèi)制作，并將其底梁和旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)組裝完成。采用9 m長的平板汽車轉(zhuǎn)運至引水上彎橋機底部，再將接料平臺與底梁組裝完成。采用2×30 t橋機整體將移動分料系統(tǒng)吊運至豎井段鋼管口，并與溜管下料口對應(yīng)就位。為確保移動分料系統(tǒng)吊運安全，對該移動分料系統(tǒng)整體采用鋼繩與卡環(huán)臨時固定。安裝就位時，施工人員根據(jù)底梁的限位裝置將底梁與壓力鋼管管口嚴(yán)密接觸。安裝就位后，拆除臨時固定移動分料系統(tǒng)的鋼繩，將接料平臺與溜管下料口采用活動溜管順接固定，再將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)活動支撐置于壓力鋼管口，沿著管口將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)下料口移動至倉內(nèi)溜筒下料點做臨時固定，防止下料時旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)移動。

當(dāng)混凝土澆筑完成一倉后，清理移動分料系統(tǒng)溜槽、料斗中的混凝土雜物，將溜管下料口的活動溜管撤離接料平臺，將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)端頭移動至與底梁平行，采用鋼繩與卡環(huán)將旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)、接料平臺進(jìn)行臨時固定，再采用橋機將其吊離豎井段施工面至引水上彎段。在引水上彎段將接料平臺與底梁拆離，采用平板汽車將其分別轉(zhuǎn)運至接料平臺和底梁(旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng))至下一個豎井施工面。

(3)施工排污。壓力鋼管的安裝從下彎段開始分兩條施工路線：①從下彎段、豎井段至上彎段；②從下彎段、下平段至主廠房。豎井段安裝時，下平段平行施工，如果將豎井段混凝土倉內(nèi)排放的污水直接引至下平段、主廠房，將造成下平段和主廠房文明施工差，嚴(yán)重影響金屬結(jié)構(gòu)焊接的環(huán)境，同時，豎井段排放的污水很難向上彎段抽排。因此，如何解決好豎井段倉內(nèi)污水的引排問題是整個壓力鋼管安裝及主廠房一線施工的關(guān)鍵。經(jīng)過多次技術(shù)方案討論，最終將豎井直段倉內(nèi)排污問題予以解決：充分利用主廠房外圍的排水廊道，參照永久排水系統(tǒng)，從第六層廊道向豎井段斜向上打一個DN150排水孔，豎井段倉內(nèi)埋設(shè)DN80排水鋼管將污水引至DN150排水孔內(nèi)，隨著豎井段混凝土澆筑上升，DN80排水鋼管相應(yīng)向上延伸直至上彎段施工結(jié)束。最后，采用砂漿或水泥漿對DN80排水鋼管進(jìn)行封堵，從而有效地解決了豎井段倉內(nèi)排污對下平段壓力鋼管安裝及主廠房一線施工的影響。

(4)混凝土澆筑控制。壓力鋼管鋼襯回填混凝土澆筑總體而言相對簡單。該工程壓力鋼管的回填混凝土采用標(biāo)號為C20的混凝土，該混凝土膠凝材料含量相對較低，經(jīng)溜管入料時易造成離析和堵管現(xiàn)象且沖損溜管和緩沖器。另外，單倉層高達(dá)18 m且存在臨空面，施工中要確保施工安全和質(zhì)量要求，因此，必須注意以下幾個方面：①C20混凝土采用二級配，應(yīng)將其坍落度控制在180～200 mm；放料時注意卸料速度，按照10～15 m3/h的卸料速度控制。②保證各個溜管法蘭接頭處緊密連接，對溜管接頭、轉(zhuǎn)彎處及緩降器易磨損的部位設(shè)置耐磨鋼筋、加厚鋼板及橡塑，溜管與可移動式旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)順接處采用覆蓋鐵皮的方式(在倉內(nèi)溜筒高度不大于1.5 m)防止飛石和漏漿。③振搗時，注意對埋管、監(jiān)測線路排水槽、排水管等埋件進(jìn)行保護，不得觸及埋件?；炷潦諅}面不得高于排水管口，對排水管口做臨時封閉，防止混凝土進(jìn)入排水管造成排水管堵塞。④由于壓力鋼管鋼襯回填混凝土單倉高度達(dá)18 m，因此，在倉內(nèi)，按照層高3 m設(shè)置振搗平臺，每層振動平臺環(huán)向連通與豎向連通。在倉外，壓力鋼管口除旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)布置區(qū)域外均鋪設(shè)竹跳板和彩條布，做好安全防護，防止混凝土落入壓力鋼管內(nèi)，同時保證施工人員的作業(yè)安全。

4 結(jié) 語

鑒于該電站左岸壓力管道豎井段壓力鋼管安裝及混凝土回填施工難度大，安全風(fēng)險大，施工方經(jīng)仔細(xì)研究后引進(jìn)了機械化設(shè)備、電氣化設(shè)備與新技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品，改善了施工難度，降低了安全風(fēng)險，確保了施工質(zhì)量。所定制的2×30 t橋式起重機既提高了開挖支護階段的施工效率，又滿足了壓力鋼管吊裝要求。壓力鋼管的安裝成功地采用了CO2氣體保護焊接技術(shù)，提高了焊接效率，降低了施工成本。成功開發(fā)了壓力鋼管升降施工平臺式內(nèi)支撐和可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)并申請了實用新型專利。壓力鋼管升降施工平臺式內(nèi)支撐和可移動式混凝土旋轉(zhuǎn)分料系統(tǒng)的采用大大提高了施工作業(yè)人員的安全保障系數(shù)，降低了人力操作難度，提高了壓力鋼管安裝和混凝土澆筑效率，降低了傳統(tǒng)內(nèi)支撐拆除的成本和安全風(fēng)險。通過施工方技術(shù)人員不懈地研究，對壓力管道豎井混凝土施工進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

白鶴灘水電站左岸8條壓力管道豎井壓力鋼管的安裝及混凝土回填施工采用新工藝、新技術(shù)，開發(fā)出新產(chǎn)品，取得了科技成果，獲得了良好的效益，完全得益于施工方對技術(shù)創(chuàng)新的追求和對科技開發(fā)的重視與投入，所取得的經(jīng)驗對類似工程具有一定的推廣價值。