溧陽抽水蓄能電站進(jìn)出水塔高懸空重荷載整流錐施工技術(shù)

劉 聰, 劉 新 星, 劉 軍 國

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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溧陽抽水蓄能電站進(jìn)出水塔高懸空重荷載整流錐施工技術(shù)

劉 聰, 劉 新 星, 劉 軍 國

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

江蘇溧陽抽水蓄能電站上水庫進(jìn)出水口為帶八道檢修閘門的豎井式塔體結(jié)構(gòu)。帶蓋板的整流錐懸空高度高、跨度大、集中荷載重、工程體量大，施工中采用預(yù)應(yīng)力錨索吊拉底承式型鋼平臺+滿堂紅盤扣式鋼管架的支撐體系，并采取分階段張拉、分層澆筑、過程監(jiān)控的施工方案，快速、高效地完成了整流錐施工，對同類工程施工具有指導(dǎo)意義。

整流錐； 預(yù)應(yīng)力錨索； 鋼桁架平臺； 盤扣架；溧陽抽水蓄能電站

1 工程概況

江蘇溧陽抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關(guān)站等建筑物組成。地下廠房安裝6臺單機(jī)容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 500 MW，采用一洞三機(jī)布置。上水庫主要由1座主壩、2座副壩、庫岸及庫底防滲體系組成?？値烊? 423萬m3，死水位高程254 m，正常蓄水位高程291 m，主壩最大壩高165 m。

上水庫進(jìn)/出口水塔有2個，塔體高程為242～295 m，塔體上部框架主要由8個閘墩及連系板組成，8個閘墩沿塔體中心環(huán)向布置，連系板每隔6 m高布置一層，立柱及連系板中間預(yù)留閘門槽，在立柱閘門槽內(nèi)部設(shè)置直徑為0.8 m的通氣孔。連系板厚1 m，為外徑37 m、內(nèi)徑15 m的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)(圖1)。塔體242～251.5 m高程處布置有進(jìn)水口整流錐，錐體呈雙段異向圓弧錐體狀，上下段圓弧半徑分別為3.6 m、7.2 m，錐體部分高度為7.6 m，最大直徑為11.335 m，錐體上部為厚2.5 m的混凝土板，其直徑為37 m，懸空跨度達(dá)21 m(圖2)。單個塔體工程混 凝 土 工 程 量 為49 800 m3，鋼筋量為3 984 t；單個錐體混凝土工程量為123.6 m3，鋼筋量為7.5 t，錐體上部2.5 m厚混凝土板工程量為2 700 m3，鋼筋量為270 t。

2 主要施工難點

整流錐下部流道高約100 m，流道開口直徑為23.4 m，整流錐懸空荷載達(dá)2 600 t，錐體結(jié)構(gòu)又異常復(fù)雜，根據(jù)設(shè)計要求，整個整流錐不能豎向分縫，故其懸空部分的模板支撐是整個整流錐施工的重難點，也是整個進(jìn)出水口塔體施工的關(guān)鍵點。針對這些施工難點，經(jīng)多次討論分析，項目部提出了三種施工方案：(1)將整流錐下部的井座段及豎井段流道全部填滿砂，在高程242 m處形成滿堂紅盤扣架支撐平臺，并在彎肘段末端澆筑混凝土墻予以封堵；(2)在進(jìn)出水口上部合適位置形成環(huán)形平臺，在環(huán)形平臺上搭設(shè)型鋼平臺，利用型鋼平臺搭設(shè)滿堂紅盤扣架；(3)在閘墩上預(yù)埋鋼管，利用鋼管懸吊鋼桁架平臺，利用鋼桁架平臺吊拉模板。

圖1 進(jìn)出水口塔體結(jié)構(gòu)圖

圖2 整流錐三維圖

通過多次對比分析，從方案可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性考慮，結(jié)合工程工期緊的實際情況并經(jīng)過細(xì)化和專家論證，最終確定采用第(2)種方案，即采用預(yù)應(yīng)力錨索吊拉底承式型鋼平臺+滿堂紅盤扣式鋼管架支撐，在底座段上部合適位置預(yù)留混凝土平臺，采用張弦式鋼桁架平臺錨固在混凝土平臺上，然后在閘墩上用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索吊拉張弦式鋼桁架平臺，在平臺上搭設(shè)盤扣式鋼管架支撐，在盤扣架上安裝工字鋼、木方支撐模板；型鋼平臺采用目前常用的寬翼緣式HM型鋼在鋼結(jié)構(gòu)廠家訂制，廠家制造完成經(jīng)預(yù)拼裝合格后再拉到現(xiàn)場組裝，采用汽車吊吊裝。

3 整流錐施工方案

3.1 支撐體系設(shè)計方案

(1)吊拉鋼桁架平臺的預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計。

每個閘墩設(shè)置兩排、共4束無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力錨索采用4根1860級φ15.24無粘結(jié)鋼絞線，將其下端錨固于HM型鋼桁架平臺下弦節(jié)點，吊索上端穿過閘墩錨固于閘墩上(張拉調(diào)節(jié)端)，無粘結(jié)鋼絞線的受力特點為全長均勻受力(圖3)。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索示意圖

(2)預(yù)應(yīng)力錨索吊拉型鋼平臺施工全過程計算復(fù)核。

預(yù)應(yīng)力錨索吊拉型鋼平臺在施工過程中應(yīng)重點關(guān)注其桿件應(yīng)力和整體變形，其中桿件應(yīng)力根據(jù)相應(yīng)的材料要求確定。該工程選用的鋼材為Q345B，施工過程控制應(yīng)力為300 MPa。整流錐位置的控制要求依據(jù)模板的支撐變形作為控制指標(biāo)：最大豎向變形不超過跨度的1/1 000(20 mm)、水平位移不超過10 mm。實際施工時其水平位移通過錐尖下部設(shè)置的φ377×20 mm鋼管和直徑1 m的HW300 mm×300 mm鋼環(huán)予以控制，重點控制的是錐尖豎向變形。

預(yù)應(yīng)力錨索吊拉型鋼平臺進(jìn)行設(shè)計復(fù)核時模擬了不同的施工階段、施工時相應(yīng)的恒荷載和活荷載，根據(jù)工程施工的特性和支撐平臺的剛度等，采用施工階段狀態(tài)變量疊加法進(jìn)行整個預(yù)應(yīng)力錨索吊拉型鋼支承平臺的復(fù)核驗算。經(jīng)各階段模擬計算得知：其豎向變形量、桿件應(yīng)力、支反力、吊索索力等均滿足施工安全要求。

3.2 總體施工方案

根據(jù)帶蓋板的整流錐懸空高度高、集中荷載重、跨度大、工程體量大的特點，結(jié)合現(xiàn)場施工設(shè)備及工藝，為減輕支撐體系的工程量及難度，整流錐采取分階段張拉、分層澆筑、過程監(jiān)控的總體施工方案。主要為：(1)分三層澆筑：第一層澆筑整流錐錐體，澆筑高度為7.595 m(高程241.405～249 m)；第二層澆筑整流錐中部1 m厚的蓋板，澆筑高度為1 m(高程249～250 m)；第三層澆筑整流錐上部厚1.5 m的蓋板，高度為1.5 m(高程250～251.5 m)，見圖4；(2)分兩階段張拉：在錐體澆筑前進(jìn)行第一次張拉，在澆筑整流錐中部厚1 m蓋板前進(jìn)行第二次張拉；(3)底承式預(yù)應(yīng)力錨索吊拉HM型鋼平臺+盤扣式鋼管支模架的組合支撐方案具體為：①在混凝土底座238.3 m高程處預(yù)留寬度1.7 m的混凝土結(jié)構(gòu)后澆，在預(yù)留平臺上安裝直徑20 m的張弦式鋼桁架，該鋼桁架由32束、4支、1860級φ15.24鋼絞線吊拉至8個閘墩柱上(圖3)。②在型鋼平臺上布置I16工字鋼，以便搭設(shè)間距為900 mm×900 mm的盤扣架，用于支撐混凝土澆筑期間的荷載(圖5)。③整流錐錐體部位混凝土+鋼板的重量約為350 t，為保證錐體部分的有效支承，在型鋼平臺中心分別設(shè)置φ377×20 mm的鋼管用以支撐整流錐尖部、直徑1 m的HW300 mm×300 mm鋼環(huán)作為第2道支撐、多道I14工字鋼制成的鋼環(huán)作為第3道支撐，環(huán)形工字鋼用盤扣架支撐，錐體部分采用φ60盤扣架，其余部分采用φ48盤扣架(圖6)；(4)過程監(jiān)控：在整個施工階段，對豎向支撐體系進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測項目有：鋼桁架的應(yīng)力和應(yīng)變、錨索索力、H型鋼的應(yīng)力和應(yīng)變、中心φ377鋼管的應(yīng)力和應(yīng)變、盤扣架的應(yīng)力和應(yīng)變等，監(jiān)測時機(jī)主要是每層混凝土澆筑前、澆筑后及澆筑過程中。

圖4 整流錐分層澆筑示意圖

圖5 鋼桁架平臺上的I16布置示意圖

4 整流錐施工方法

4.1 整流錐支撐體系施工

4.1.1 鋼桁架平臺施工

(1)預(yù)埋件施工。

在進(jìn)出水口塔體底座高程238.3 m澆筑前預(yù)埋鋼板，根據(jù)鋼桁架外側(cè)的主桁架確定位置，埋件用全站儀定位，用鋼管或鋼筋焊接牢固，避免澆筑時移位或下沉。澆筑時，避免混凝土灑落在其表面，振搗棒不直接碰觸埋件及其固定件。鋼桁架安裝前，檢測埋件是否滿足要求，并將其清理干凈。

(2)鋼桁架平臺的安裝。

圖6 整流錐錐體的豎向支撐體系示意圖

鋼桁架采用HW型鋼制作，在有資質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)廠家加工并進(jìn)行預(yù)拼裝，經(jīng)檢查合格后分片運(yùn)至現(xiàn)場。在平臺混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求、閘墩鋼筋施工前進(jìn)行鋼桁架平臺的安裝。根據(jù)現(xiàn)場實際情況并考慮到施工安全，將全部主桁梁和兩圈次桁梁在塔體附近拼裝完成，然后采用兩臺220 t汽車吊對稱站位、起吊，將其抬運(yùn)至井內(nèi)指定位置，最后采用25 t汽車吊將次梁分片吊至指定位置拼裝，形成整體鋼桁架平臺(圖7)。八榀主梁拼裝時，采用高強(qiáng)螺栓與中心連接裝置連接，拼裝位置與預(yù)埋鋼板相對應(yīng)，確保吊裝時鋼桁架平臺經(jīng)“垂直提升→水平移動→垂直下降”后能夠到達(dá)既定位置；主桁梁與預(yù)埋件和次桁梁間均通過焊接連接牢固，鋼結(jié)構(gòu)間的焊接均采用埋弧自動焊，焊縫按要求進(jìn)行探傷檢測，檢測合格后進(jìn)行I14工字鋼的鋪設(shè)。I14工字鋼采用25 t汽車吊吊裝，人工擺放就位，采用焊接方法適當(dāng)固定。

4.1.2 盤扣架的安裝

承插型盤扣架為塔式速接型鋼管施工架，是由可調(diào)底座、立桿、橫桿、斜桿、上調(diào)托座組成的一套穩(wěn)定、安全的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)支撐架，其立桿材質(zhì)為Q345，其余部件材質(zhì)為Q235。根據(jù)整流錐荷載分布情況，在其直徑10 m范圍內(nèi)采用φ60型立桿，其余部位采用φ48型立桿，另在錐尖部位采用φ377鋼管現(xiàn)澆混凝土支撐，在直徑2 m的圓弧上采用HW300×300 mm型鋼進(jìn)行環(huán)向支撐。

圖7 鋼桁架安裝圖

盤扣架施工流程：施工準(zhǔn)備及放樣→排放可調(diào)底座→安裝第一步距架體(立桿、橫桿)→調(diào)整可調(diào)底座標(biāo)高和架體水平度→安裝第一步距架體(斜桿)→安裝第二步距架體→……→安裝最后一步距架體→安裝可調(diào)托座→調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)支撐高度→安裝模板體系。盤扣架采用25 t汽車吊吊至作業(yè)面由人工搭設(shè)，確保插銷卡入卡槽內(nèi)。盤扣架安裝完畢，待閘墩混凝土達(dá)到設(shè)計要求的強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索安裝。

4.2 整流錐鋼襯的制作與安裝

整流錐錐體中心至閘墩內(nèi)側(cè)邊緣部分為鋼板外包混凝土，其中錐頭部分鋼板厚度為12 mm，其他部分為14 mm，直接作為混凝土澆筑過程中的支承模板，鋼模板內(nèi)側(cè)面設(shè)置加勁肋板，以確保混凝土澆筑過程中模板剛度滿足要求。整流錐在具有相應(yīng)資質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠制作，采取水平分段、環(huán)向分瓣的原則分塊，根據(jù)運(yùn)輸條件并確保組焊件不變形的情況下，盡量組焊成大件運(yùn)輸。

待盤扣架搭設(shè)完畢、利用25 t汽車吊進(jìn)行整流錐鋼襯板安裝。整流錐錐尖部分在進(jìn)出水塔附近焊成整體，利用鋼桁架平臺中心范圍內(nèi)的φ377鋼管和HM環(huán)向型鋼支撐，錐尖吊裝前適時在φ377鋼管內(nèi)灌滿混凝土，確保錐尖在混凝土初凝前吊裝就位。待混凝土終凝后，進(jìn)行其余鋼襯板的安裝，分塊吊裝、分塊焊接；對于面積較大的鋼襯板用手拉葫蘆臨時固定，在分段焊接鋼襯板的同時分段焊接環(huán)向加勁肋。整流錐鋼襯板安裝與閘墩242～249 m高程段混凝土施工穿插進(jìn)行，待整流錐鋼襯安裝完畢、調(diào)整盤扣架頂托，使其頂緊鋼襯。

4.3 整流錐混凝土施工

4.3.1 混凝土澆筑

整流錐鋼襯安裝完畢進(jìn)行整流錐混凝土施工，整流錐采取分層澆筑的方法進(jìn)行整流錐及其上部板的澆筑，鋼筋、模板等主要材料采用塔吊吊運(yùn)至作業(yè)面，混凝土采用10 m3混凝土罐車水平運(yùn)輸、47 m3混凝土汽車泵垂直運(yùn)輸入倉，插入式振搗器振搗。模板除外包鋼板(內(nèi)設(shè)加勁環(huán)和拉結(jié)筋)不用支模外，錐板外緣1 m高范圍內(nèi)在水平方向和豎直兩個方向均為圓弧形、采用訂制鋼模板，其余部分以鋼模為主、木模輔助。

整流錐錐板為圓形結(jié)構(gòu)。根據(jù)支撐體系受力計算，混凝土澆筑可以從圓面上任意一點開始鋪料。為了保證混凝土澆筑質(zhì)量，合理配置資源，錐板混凝土澆筑時，混凝土下料從圓形錐板外緣一點開始，分別沿順、逆時針兩個方向同時布料，采用斜層鋪筑法，上層振搗時，振搗棒插入下層5 cm，確保層間混凝土結(jié)合良好?；炷琉B(yǎng)護(hù)采用土工布覆蓋并經(jīng)常灑水，確保土工布長期處于濕潤狀態(tài)。

4.3.2 預(yù)應(yīng)力張拉

整流錐懸空部分支撐體系按錐體和1 m厚錐板的荷載設(shè)計，預(yù)應(yīng)力張拉在錐體澆筑前、整流錐中部厚1 m蓋板澆筑前進(jìn)行兩次張拉，第一次張拉力為80 kN，第二次張拉力為400 kN。為了操作方便，張拉采用單端、對稱張拉，張拉端設(shè)置在閘墩上。

5 實施過程監(jiān)測

為保證整流錐順利實施，在實施過程中，對整流錐支撐體系的變形和應(yīng)力進(jìn)行了安全監(jiān)控，通過實測桿件應(yīng)力、錨索索力和型鋼平臺變形等，與方案的計算分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析，確保了整個工程在實施過程中的安全性。實施過程中主要對錐尖混凝土澆筑前后、1 m和1.5 m厚錐板混凝土澆筑前后及實施過程中進(jìn)行監(jiān)測，并重點對1 m厚錐板混凝土澆筑期間進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。在支撐體系應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的同時，還對整流錐鋼襯板進(jìn)行了位移監(jiān)測，其時間點為：整流錐安裝完畢、第一次鋼絞線張拉完畢、整流錐第一次澆筑完畢、第二次鋼絞線張拉、1 m厚錐板澆筑完畢、1.5 m厚錐板澆筑完畢、鋼桁架拆除后等。通過有效監(jiān)測，為整流錐混凝土澆筑順利進(jìn)行提供了可靠依據(jù)，為整流錐支撐體系的安全運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支持。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：(1)整流錐鋼襯板上的監(jiān)測點沉降量與鋼桁架上的監(jiān)測點沉降量基本相符，說明施工過程中盤扣架基本無變形；(2)1.5 m厚錐板澆筑前后各測點的應(yīng)力和位移數(shù)值變化并不明顯，說明1 m厚錐板承受了1.5 m厚錐板的大部分荷載，同預(yù)期值基本一致；(3)整流錐鋼襯板和鋼桁架最大沉降量為12 mm，鋼桁架平臺在整個施工過程的變形監(jiān)測結(jié)果與計算分析結(jié)果基本相符，且滿足支撐體系豎向變形不超過跨度1/1 000的變形控制要求。

6 結(jié) 語

溧陽抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出口水塔整流錐由于其懸空高、跨度大、集中荷載重、工程體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，導(dǎo)致其施工難度十分巨大。通過精心設(shè)計支撐體系、準(zhǔn)確建模和分析計算、精心施工、適時監(jiān)測等科學(xué)的方法和措施，快速、高效地完成了整流錐施工任務(wù)。經(jīng)過總結(jié)，筆者有以下幾點體會：(1)類似工程施工采用底承式預(yù)應(yīng)力錨索吊拉鋼桁架平臺的支撐體系是適宜的；(2)重大、復(fù)雜的支撐體系設(shè)計時，需建立符合實際受力狀態(tài)的分析模型，確定相關(guān)參數(shù)；(3)在類似重大、復(fù)雜的支撐體系施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照施工詳圖施工，確保支撐體系施工質(zhì)量符合設(shè)計要求；(4)采用科學(xué)的監(jiān)控技術(shù)，適時了解支撐體系的受力情況，為施工的順利進(jìn)行提供科學(xué)的依據(jù)，對復(fù)雜、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的施工是必要的；(5)對于荷載大、結(jié)構(gòu)體量大的懸空結(jié)構(gòu)，采用分層澆筑時，其底層結(jié)構(gòu)和其支撐對于上層結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)情況值得研究，可為施工分層和采取合適的支撐結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV7;TV52；TV743

B

1001-2184(2017)03-0008-05

劉 聰(1972-)，男，重慶云陽人，項目總工程師，高級工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

劉新星(1987-)，男，湖南益陽人，項目副總工程師，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

劉軍國(1986-)，男，甘肅武威人，項目質(zhì)量部主任，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.