積石峽水電站超大型弧門安裝工藝與質(zhì)量控制

柳曉龍，薛偉偉，陳海龍

（1.中國水利水電第四工程局有限公司第一分局，青海 西寧 810006；2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000）

0 概述

積石峽水電站工程溢洪道工作弧門孔口尺寸（寬×高）為15 m×21.5 m，為黃河上游最大的弧形閘門。設(shè)計(jì)水頭21.20 m，水平水壓力33 708 kN，垂直水壓力10 621 kN，總水壓力35 342 kN，弧門半徑為22 m，支鉸高度為13.2 m，門葉結(jié)構(gòu)為主橫梁斜支臂焊接鋼結(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)間距為13.7 m?；￠T由8節(jié)門葉組成，總質(zhì)量281.65 t，操作方式為動(dòng)水啟閉，操作機(jī)械為2×3 600 kN液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)。

溢洪道弧門按照正常施工順序，應(yīng)在土建施工交面后利用大型起吊設(shè)備（2 200 kN汽車吊）在敞孔狀態(tài)下正常安裝，弧門安裝完畢后再進(jìn)行上部現(xiàn)澆混凝土板梁施工?；￠T安裝占?jí)赫麄€(gè)直線工期，將無法滿足進(jìn)度要求。為滿足堰閘段整體施工進(jìn)度要求，溢洪道弧門需在上部板梁澆筑完畢后進(jìn)行安裝。本項(xiàng)弧門安裝在復(fù)雜條件下有效利用有限的起吊手段實(shí)現(xiàn)弧門各部件安裝，同時(shí)通過制定合理的拼裝、焊接工藝，保證了超大型弧門安裝質(zhì)量。

1 測(cè)量控制

（1）平面控制網(wǎng)建立。根據(jù)業(yè)主提供的測(cè)量站點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，按照DL/T 5173—2003《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》四等邊角網(wǎng)的技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)，分別在溢流面弧門上、下游及弧門支鉸座閘墩牛腿處建點(diǎn)形成測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)，便于弧門各部件安裝放樣、驗(yàn)收，點(diǎn)位精度滿足規(guī)范要求。

（2）高程控制。利用按照業(yè)主提供的測(cè)量站點(diǎn)放至弧門底坎處的基準(zhǔn)點(diǎn)使用精密水準(zhǔn)儀結(jié)合鋼尺測(cè)高的方法進(jìn)行高程控制，尺長根據(jù)溫度和鋼尺的自重進(jìn)行修正。

（3）支鉸測(cè)量。作為弧門安裝關(guān)鍵點(diǎn)的支鉸中心測(cè)量控制，在支鉸中心位置兩側(cè)邊墻預(yù)埋鋼板，用方向線法放出支鉸中心線在兩側(cè)邊墻預(yù)埋鋼板上的位置，掛上鋼絲線，用來放樣、驗(yàn)收支鉸孔中心高程和方向的坐標(biāo)。

2 弧門吊、拼裝工藝

2.1 支鉸安裝工藝

由于支鉸正上方為混凝土板梁，支鉸無法直接吊裝就位。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，首先利用進(jìn)水口600 kN門機(jī)將支鉸垂直吊運(yùn)至溢流堰底坎附近運(yùn)輸臺(tái)車上，通過卷揚(yáng)機(jī)牽引下滑至支鉸安裝位置正下方；然后，通過掛在閘墩牛腿頂部的滑輪組提升至設(shè)計(jì)位置就位。為保證支鉸安裝精度，支鉸采用整體安裝。鉸座預(yù)埋件調(diào)整加固驗(yàn)收后澆筑一期混凝土，復(fù)測(cè)后精確調(diào)整至規(guī)范允許偏差范圍后澆筑二期混凝土。

2.1.1 支鉸起吊系統(tǒng)受力分析及結(jié)構(gòu)計(jì)算

支鉸吊裝單元質(zhì)量達(dá)26.6 t，又要經(jīng)過較復(fù)雜的倒運(yùn)、吊裝工序。為確保支鉸安全順利的吊裝，需對(duì)支鉸下滑臺(tái)車、下滑軌道、起吊三角架等構(gòu)件設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的受力分析及結(jié)構(gòu)計(jì)算（計(jì)算過程從略）。

2.1.2 支鉸吊裝方案及吊裝步驟

從溢洪道溢流面弧門底坎樁號(hào)溢0+015.708至溢0+034.618位置架設(shè)下滑臺(tái)車軌道，軌道支撐柱底部鋪墊麻袋片或保溫材料對(duì)溢流混凝土永久迎水表面進(jìn)行保護(hù)。臺(tái)車軌道上游段與弧門底坎樁號(hào)溢0+015.708部位進(jìn)行焊接，以保證下滑軌道整體穩(wěn)定。橫梁起吊系統(tǒng)的搭設(shè)采用1 856.5、1 852.28 m高程處的預(yù)埋工字鋼作支撐點(diǎn)進(jìn)行三角支撐架的制作與安裝。支鉸下滑臺(tái)車與支鉸吊裝均采用同一臺(tái)100 kN卷揚(yáng)機(jī)。

吊裝步驟：利用布置在進(jìn)水口的600 kN門機(jī)將臺(tái)車及支鉸吊裝至溢洪道堰閘段（溢0+015.708至溢0+034.618）臺(tái)車下滑軌道上游端部，作臨時(shí)固定；再利用擺放在溢洪道進(jìn)口檢修門底坎位置的100 kN卷揚(yáng)機(jī)及滑輪組，將支鉸臺(tái)車順軌道下放至支鉸起吊位置軌道車檔處；用卷揚(yáng)機(jī)起吊鋼絲繩通過弧門底坎設(shè)置的導(dǎo)向滑輪穿至支鉸安裝位置上方的橫梁起吊系統(tǒng)的滑輪組；利用起吊系統(tǒng)將支鉸吊至1 848.00 m安裝高程，利用前期預(yù)埋在閘墩頂部與底部的錨鉤做牽引點(diǎn)，將倒鏈與支鉸連接后精調(diào)至安裝位置；固定鉸座安裝牢靠后將活動(dòng)鉸座進(jìn)行臨時(shí)加固，確保支臂吊裝時(shí)可調(diào)整性。根據(jù)支鉸中心點(diǎn)連接的鋼絲線來檢查支鉸裝配的安裝偏差，保證兩支鉸的同軸度、鉸座中心對(duì)孔中心距離、樁號(hào)、高程是整個(gè)弧形閘門運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵。按照要求鉸座軸孔任何方向傾斜不大于L/1 000，L為支鉸墊板水平投影長度。

采用支架下滑式吊裝方案減少了與土建工程交叉作業(yè)，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約設(shè)備租用成本。

2.2 門葉安裝工藝

溢洪道弧門門葉共分8節(jié)，弧門寬度15 m，高度21.5 m，門葉上支臂以上部分呈懸臂狀態(tài)。為保證閘門拼裝精度，在曲線溢流堰面設(shè)計(jì)制作了門葉安裝支撐托架，不僅起支撐門葉結(jié)構(gòu)的作用，同時(shí)便于門葉調(diào)整、焊接。支臂預(yù)先在組拼平臺(tái)進(jìn)行預(yù)組拼，以保證安裝精度。

門葉在門槽內(nèi)豎式拼裝時(shí)，樁號(hào)向上游偏移10 mm，以便支臂安裝。底節(jié)門葉安裝調(diào)整合格與托架可靠連接后吊裝下支臂組件，調(diào)整到位后利用工裝螺栓將門葉拉至設(shè)計(jì)位置。調(diào)整底節(jié)及下支臂形體位置，按順序自下而上逐節(jié)吊裝、調(diào)整。8節(jié)門葉全部吊裝就位后，進(jìn)行整體調(diào)整：門葉對(duì)孔中心偏差、弧門迎水面的各節(jié)間弧度、直線度；弧門門葉整拼后門高、扭曲度；檢查弧門的曲率半徑及曲率半徑差；支臂開口跨度、左右支臂對(duì)角尺寸及連接系受力中心線。各項(xiàng)調(diào)整合格后進(jìn)行焊接。

采用門葉在門槽內(nèi)豎式拼裝方案便于門葉整體調(diào)整組拼，可對(duì)門葉制造過程中拼裝累計(jì)偏差進(jìn)行相應(yīng)分解。

2.3 焊接工藝的應(yīng)用

溢洪道超大型弧形閘門焊縫較多，高度方向呈懸臂結(jié)構(gòu)，焊接變形較難控制。閘門安裝中利用多種焊接變形控制技術(shù)，對(duì)閘門安裝全過程焊接進(jìn)行了跟蹤和研究。通過采用預(yù)留收縮余量和反變形量、鋼性加固、合理選擇焊接方法、調(diào)整焊接順序等措施保障超大型弧門安裝最終質(zhì)量。

2.3.1 焊接工藝評(píng)定及焊接注意事項(xiàng)

根據(jù)現(xiàn)行DL/T 5018—2004規(guī)范，并結(jié)合工程對(duì)質(zhì)量的要求，制定了弧形閘門焊接規(guī)范（焊接施工質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)）?；⌒伍l門焊接前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。結(jié)合評(píng)定結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，要求在施工中必須遵循：①采用同步對(duì)稱、分段、退步等焊接方法，采用小電流、短弧、多層多道焊接，以減少熱量的輸入。②對(duì)于大間隙的焊縫，要求在焊縫坡口兩側(cè)進(jìn)行堆焊（鑲邊焊），待間隙小于4 mm左右后再進(jìn)行正常焊接。③先焊拘束力較大的焊縫，后焊自由度較大的焊縫；先焊變形控制嚴(yán)格的焊縫，后焊變形控制不太嚴(yán)格的焊縫。④除第一層與蓋面層外，其余各層利用風(fēng)錘不斷錘擊以達(dá)到除渣、層間消應(yīng)的目的。⑤正式焊接前,須清除該部位的定位焊。⑥嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)熱、層間溫度、消應(yīng)措施。⑦為防止焊縫及母材的銹蝕，特別是未焊透并有過縫孔的焊縫，要求進(jìn)行繞角焊。⑧碳弧氣棒清根的雙面焊，非清根側(cè)焊接量不少于3層，清根后用砂輪磨光滲碳層。⑨待墊板的面板對(duì)接焊應(yīng)保證母材及襯板根部熔合良好。

2.3.2 焊接變形分析及縱向收縮變形

工件在熱源作用下產(chǎn)生沿焊縫長度方向的縱向膨脹，此膨脹受外部約束而被限制即產(chǎn)生縱向壓縮塑性變形，在冷卻過程中不能完全回復(fù)而產(chǎn)生縱向收縮變形。對(duì)于低合金鋼縱向單位收縮量與焊接線能量之間近似比例關(guān)系，可通過計(jì)算公式計(jì)算。

在實(shí)際施工中，由于縱向長焊縫主要是面板對(duì)接縫和貼角縫；下游面為空格結(jié)構(gòu)，縱向焊縫較少?，F(xiàn)場(chǎng)44條焊縫的收縮測(cè)量看，面板側(cè)平均每條焊縫沿門體長度方向收縮1.5 mm左右，而沿下游面收縮近似為零，因此縱向收縮變形不足以考慮。

2.3.3 橫向收縮變形及角變形

工件在熱源作用下產(chǎn)生垂直于焊縫方向的橫向膨脹，此膨脹受外部拘束而被限制即產(chǎn)生橫向壓縮塑性變形，在冷卻過程中不能完全回復(fù)而產(chǎn)生橫向收縮變形。低合金鋼對(duì)接、角焊縫每1 m引起的橫向收縮量ΔB。板厚12 mm時(shí)通過計(jì)算沿高度方向每條焊縫平均收縮2.0 mm，因弧門鋼板厚及結(jié)構(gòu)的變化,在實(shí)際施工中焊縫收縮量為1.8～2.3 mm。高度方向總收縮量為19～23 mm。

由于焊縫橫向收縮力大小及力到門體慣性中心距的不同，產(chǎn)生的力偶大小不同。這勢(shì)必使門體向上游或下游方向傾倒。通過理論公式初步計(jì)算出向上游傾斜率為0.3～0.5 mm/m。

2.3.4 節(jié)間組對(duì)及測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

（1）節(jié)間組對(duì)。構(gòu)成門體的板塊、單元在組對(duì)焊接、吊裝、運(yùn)輸、放置等過程中產(chǎn)生變形，加之焊接應(yīng)力自然失效，節(jié)間隙插口多等原因，難以復(fù)原制造時(shí)的組對(duì)情況。從現(xiàn)場(chǎng)拼裝情況看，間隙普遍過大：間隙由原設(shè)計(jì)的0～3 mm變?yōu)?～10 mm以上，特別是面板焊縫間隙變化更大，在0～12 mm間。這就要求在定位焊與正式焊接過程中，特別強(qiáng)調(diào)焊接順序、工位的安排以及焊接監(jiān)控。

（2）焊接監(jiān)控。焊接時(shí)要選好監(jiān)測(cè)門體偏移方向及大小的基準(zhǔn)點(diǎn)，并始終以這一基準(zhǔn)點(diǎn)為測(cè)量依據(jù)。門體由8個(gè)單元組成，施工中通過懸掛3條重錘的方法進(jìn)行測(cè)量：上下兩橫梁中心各掛1重錘，待焊縫冷卻后，測(cè)量每個(gè)焊接流程的相對(duì)偏移距離，并與拼裝及上一流程的測(cè)量結(jié)果作比較，若變形較大則適時(shí)調(diào)整工序。但焊縫未冷卻或加熱時(shí)，測(cè)量的結(jié)果往往與實(shí)際相反，不能以此測(cè)量數(shù)據(jù)作依據(jù)，以免影響后續(xù)焊接順序及工位安排。

2.3.5 焊接順序及工位安排

弧形閘門側(cè)向垂直度是焊接變形控制的重點(diǎn)。但從減小焊接應(yīng)力考慮，應(yīng)先焊橫向收縮較大的焊接接頭，此時(shí)門體自由度較大，不致于引起較大的焊接應(yīng)力。因此在焊接變形、焊接應(yīng)力這對(duì)矛盾統(tǒng)一體中要綜合考慮,具體遵循如下原則：①焊接應(yīng)按由兩端到中間、由內(nèi)到外的順序。由于門體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及安裝精度要求，先焊兩端柱，后焊門體中間部位，因門體中部上游焊縫多于下游面，先焊下游面待門體達(dá)到一定的剛度后，再焊上游面焊縫。②對(duì)稱焊接的同時(shí)，盡可能少地安排對(duì)影響門體變形的焊接順序、焊工工位，并盡可能先焊小的立焊。③加強(qiáng)每個(gè)焊接流程的監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果適時(shí)調(diào)整焊接順序，加強(qiáng)工序間的傳遞。

根據(jù)上述原則結(jié)合具體情況，制定了焊接流程及8名焊接工位的布置：端板→推力隔板→推力隔板加勁板及端隔板→中間豎隔板→后翼緣立焊→后翼緣→前翼緣立焊→面板帖角焊→面板對(duì)接焊及前翼緣板。

2.3.6 焊接殘余應(yīng)力

低合金鋼冷裂敏感性較大，約束強(qiáng)度也較大，致使焊后應(yīng)力較大。特別是板厚δ≥32 mm的端板、推力隔板和端柱后翼板，在冬季施工，溫度較低、濕度較大，再加之此類焊縫為I類焊，因此要求在焊前預(yù)熱、焊層加熱、焊后熱處理工藝措施。

2.3.7 工藝總結(jié)

支臂與支鉸安裝縫設(shè)計(jì)為單面焊雙面成形，施工難度大，焊接質(zhì)量及收縮量不易控制。經(jīng)與設(shè)計(jì)溝通將此處焊縫修改為雙面焊縫，焊接時(shí)在支臂長度方向預(yù)留收縮余量和焊接騎馬板，以及分層分道焊接等工藝，有效保證了焊縫焊接質(zhì)量及收縮量的控制。

門葉焊接時(shí)先焊門葉節(jié)間的縱梁和隔板焊縫，最后焊接門葉節(jié)間的面板對(duì)接縫。門葉調(diào)整合格后在節(jié)間的縱梁和隔板以及坡口焊縫上根據(jù)門葉結(jié)構(gòu)結(jié)合門葉拼裝檢測(cè)數(shù)據(jù)布置一定數(shù)量的騎馬板。焊接面板對(duì)接焊縫時(shí)，整扇門從下往上依次焊接。對(duì)每條對(duì)接焊縫而言，從中間向兩邊同時(shí)施焊。對(duì)稱焊法可以減少焊接應(yīng)力變形。

不同部位焊縫采用不同焊接方法。焊接時(shí)采用手工焊電弧焊與手工氣保焊兩種方法同時(shí)進(jìn)行。手工電弧焊適用于一類焊縫，對(duì)接間隙較大，焊接質(zhì)量要求較高，施工環(huán)境較差的部位。采用手工氣保焊焊接弧門面板對(duì)接焊縫，電弧在保護(hù)氣流的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池較小，熱影響區(qū)窄，焊件焊后變形小，損傷較低；手工氣保焊焊接提高了施工機(jī)械化和自動(dòng)化加快了施工進(jìn)度；手工氣保焊焊后很少有熔渣，基本上不需清渣，減少了施工強(qiáng)度。門體幾何形體尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，焊縫的外觀檢查、內(nèi)部超聲探傷，合格率達(dá)100%，無一處返修。

2.4 側(cè)軌及水封安裝工藝

側(cè)軌安裝具體步驟：首先操作啟閉機(jī)，使底節(jié)門葉的底緣離開底坎約500 mm停止，檢查門葉底緣兩邊與底坎的距離是否相等，如果不等，調(diào)整啟閉機(jī)的行程使其同步為止，并往復(fù)動(dòng)作數(shù)次進(jìn)行調(diào)整；再根據(jù)門葉的安裝實(shí)際位置精調(diào)兩邊側(cè)軌距孔口中心線的偏差值及門楣（包括轉(zhuǎn)鉸水封）的高程偏差值，并將其加固牢，正式進(jìn)行閘門的劃弧試驗(yàn)。每起落500 mm停止，測(cè)量門葉與側(cè)軌之間的距離。這樣往復(fù)全行程起落3次，做好記錄，根據(jù)測(cè)量結(jié)果最終一次調(diào)整側(cè)軌至合格后向土建交面進(jìn)行二期混凝土回填。澆筑過程中定時(shí)檢測(cè)確保軌道無變形趨向。

水封安裝具體步驟是：弧門經(jīng)過劃弧試驗(yàn)后，方可進(jìn)行水封的安裝。水封在安裝前利用啟閉機(jī)將弧門門葉逐步吊出孔口，用水封壓板對(duì)其進(jìn)行號(hào)孔，并用空心沖沖孔。止水橡皮及橡皮墊螺栓孔為φ15 mm，必須小于螺栓1 mm。先安裝側(cè)水封，最后安裝底水封。側(cè)水封與底水封的接頭采用熱膠粘合。側(cè)水封的安裝應(yīng)在閘門全開位置時(shí)從下往上逐步進(jìn)行安裝。落門時(shí)應(yīng)不停地向側(cè)軌和水封橡皮上注水保持潤滑?；￠T落底后用塞尺檢查水封的預(yù)壓程度。并進(jìn)行透光檢查。

采用門葉劃弧后安裝側(cè)軌確保門葉與側(cè)軌的相對(duì)位置，保證水縫壓縮量滿足設(shè)計(jì)要求，避免側(cè)軌對(duì)孔口中心距離與弧門門葉對(duì)孔中心距離偏差過大，造成兩側(cè)水封壓縮量不均勻。

3 結(jié)語

溢洪道工作弧形閘門目前已完成安裝調(diào)試工作，并通過無水啟閉及有水承壓試驗(yàn)，閘門全行程啟閉平穩(wěn)，無超常振動(dòng)，啟停無劇烈沖擊現(xiàn)象，無異常聲響，滲水量及其他各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。由此證明上述弧形閘門施工及優(yōu)化方案滿足超大型弧門安裝要求，其安裝與焊接工藝合理，具有一定的代表性和先進(jìn)性。在施工手段缺乏的條件下有效利用現(xiàn)場(chǎng)有限的起吊手段實(shí)現(xiàn)弧門各部件安裝，減少了土建與金結(jié)施工干擾，保證了整體施工進(jìn)度預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為同類工程特別在節(jié)約投資，節(jié)省工期、保證質(zhì)量方面有著重要作用。為以后類似工程施工，提供了良好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。