大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點及安裝工藝探討

李忠貴

（中國華電科工集團有限公司，北京，100070）

調(diào)壓井是水電站工程重要的水工建筑物，其作用是當機組甩負荷關(guān)閉導葉或閥門時用于調(diào)壓釋放能量，從而保護機組和上游水工建筑物的安全。國內(nèi)很多水電站調(diào)壓井一般采用鋼筋混凝土井筒結(jié)構(gòu)，井身全部或部分埋于地下，井口露出地面。這種結(jié)構(gòu)型式調(diào)壓井施工程序相對簡單。而地面大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井由于受力和邊界條件不同，基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)和底座需要進行專門設(shè)計。印尼阿薩漢一級水電站工程以發(fā)電為主，引水系統(tǒng)采用一洞兩機布置，設(shè)有2臺單機容量90MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量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)壓井根據(jù)選址處地形地質(zhì)條件，由于地層埋深較淺，阻抗孔以上調(diào)壓井本體設(shè)計采用地面鋼結(jié)構(gòu)型式，地面以上總高度67m，直徑18m，調(diào)壓井本體重量高達1 460t（調(diào)壓井結(jié)構(gòu)示意圖見圖1）。

圖1 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)示意圖

1 調(diào)壓井基礎(chǔ)底座結(jié)構(gòu)特點

該調(diào)壓井為目前亞洲最高、最大的地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井，由筒體和底座兩大部分組成，地面以上筒體高度67m，直徑18m，井壁鋼板厚度46～12mm，共30層，頂部 設(shè)置抗風圈。調(diào)壓井內(nèi)壁對稱分布有8根“Ⅱ”型豎撐，每兩層設(shè)置一道“T”型環(huán)狀橫撐。調(diào)壓井基礎(chǔ)采用C20大體積鋼筋混凝土，混凝土厚度6m，底部設(shè)置224根M100錨固螺栓，螺栓單根長5m，調(diào)壓井底座和螺栓埋置于基礎(chǔ)大體積混凝土內(nèi)。

調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)復雜、鋼板較厚，底座材料設(shè)計采用Q345C鋼板，底座焊縫數(shù)量多，總重量達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)壓井底座截面示意見圖2）。

圖2 調(diào)壓井底座截面示意圖

2 調(diào)壓井底座安裝技術(shù)難點分析

（1）底座整體結(jié)構(gòu)外形尺寸大，環(huán)向周長達56.6m，單塊環(huán)形構(gòu)件無法現(xiàn)場整體吊裝，需多塊組裝，大大增加安裝和焊接工作量。

（2）底座鋼板厚度大，制作難度大。鋼板需制作成環(huán)形構(gòu)件，由于環(huán)向尺寸大，結(jié)合現(xiàn)場吊裝條件，考慮把每塊環(huán)向鋼板分別制作成6節(jié)在現(xiàn)場拼組裝。制作過程中，需要精確控制好內(nèi)徑和外徑尺寸以及徑向角度。由于鋼板厚、尺寸大，制作精度要求高、難度大。

（3）厚鋼板構(gòu)件焊接時容易產(chǎn)生裂紋。由于焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱而產(chǎn)生不均勻壓縮塑性變形，從而產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；在冷卻過程中，已發(fā)生壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，又容易產(chǎn)生延遲裂紋[1]。

（4）底座錨固螺栓數(shù)量多達224根，螺栓直徑大（Φ100mm），螺栓及螺母配套制作困難，需委托國內(nèi)專業(yè)廠家生產(chǎn)。厚鋼板大直徑螺栓孔造孔困難；螺栓分內(nèi)外兩排徑向布置，鉆孔和安裝精度要求高。

（5）厚鋼板構(gòu)件焊后變形不易控制。厚鋼板構(gòu)件的主要焊縫形式為坡口焊，坡口深、焊縫熔覆金屬多、焊接熱輸入量大，從而導致鋼板焊接時焊接收縮量大，焊接應(yīng)力大，易產(chǎn)生構(gòu)件變形[2]。

（6）錨固螺栓安裝時豎向需同時穿過多塊厚鋼板，上下塊鋼板螺栓孔造孔需對齊，螺栓安裝垂直度控制困難。

（7）底座鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件重量大，安裝前需合理設(shè)計布置臨時支撐和預埋件。

（8）調(diào)壓井基礎(chǔ)一期、二期大體積混凝土部位鋼筋密集，施工空間狹窄，底座安裝困難。

3 調(diào)壓井底座與一般筒體鋼結(jié)構(gòu)底座安裝工藝對比

3.1 一般筒體鋼結(jié)構(gòu)底座安裝

在工程實踐中，常見的外形尺寸相對較大的直立筒體、罐體鋼結(jié)構(gòu)主要包括風機塔筒，以及火電廠和化工廠的工業(yè)用水、制水、煙氣脫硫等灰、水、油罐體，這些罐體一般高度和直徑都不大，但密閉性和防腐性能要求高，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工通常是在澆筑一期鋼筋混凝土時直接預埋地腳螺栓或先預留孔位，待上部結(jié)構(gòu)吊裝和螺栓安裝完后澆筑二期混凝土，上部鋼結(jié)構(gòu)本體也通常是用吊車整體或分節(jié)吊裝就位，安裝程序相對簡單，不存在大量的零散構(gòu)件吊裝焊接作業(yè)。風機塔筒是常見的大型筒體鋼結(jié)構(gòu)，高度一般達60～140m，塔筒通常采用大型吊車分節(jié)吊裝（塔筒直徑一般4～6m），風機基礎(chǔ)環(huán)是塔筒及上部荷載的主要受力部件，通常由專業(yè)廠家在廠內(nèi)整體加工制作，整體運輸、現(xiàn)場整體一次吊裝就位，現(xiàn)場無須進行大量的拼裝焊接工作[3，4]（風機基礎(chǔ)環(huán)吊裝示意圖見圖3）。

圖3 風機基礎(chǔ)環(huán)吊裝示意圖

3.2 調(diào)壓井底座安裝焊接工藝

本工程調(diào)壓井屬超高、超大型鋼結(jié)構(gòu)型式，基礎(chǔ)底座環(huán)向外形尺寸大（周長達56.6m），重量大，結(jié)構(gòu)復雜，空間豎向采用4層厚鋼板裝配，錨固螺栓直徑達100mm，單根長度達5m，所有構(gòu)件制作和安裝難度都很大，無法按常規(guī)方法進行底座安裝或整體吊裝，只能采用分段制作、現(xiàn)場拼裝方式，大大增加了構(gòu)件制作、現(xiàn)場安裝焊接工作量和整體施工難度，施工工期也較長。

同時，由于構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜，在基礎(chǔ)安裝前需合理設(shè)計布置輔助支撐和預埋件，合理劃分一期、二期大體積混凝土澆筑順序，并在澆筑一期混凝土時精確預埋輔助構(gòu)件。在底座安裝前，需對各構(gòu)件安裝程序、焊接工藝進行認真分析研究，確保安裝精度質(zhì)量滿足要求。

根據(jù)調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)特點，選擇合理的安裝順序如下：一期混凝土澆筑并預埋臨時支撐構(gòu)件→基礎(chǔ)環(huán)1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)2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1安裝→二期混凝土澆筑→環(huán)形蓋板安裝→螺栓初期緊固。

基礎(chǔ)環(huán)和內(nèi)外環(huán)形蓋板拼裝焊接后相鄰接節(jié)平面度≤0.5mm，整環(huán)平面度≤3mm；第一節(jié)井筒壁焊接后橢圓度要求±2/1 500，周長誤差要求±1/400，垂直度±1/1 000。

3.3 安裝工藝對比分析

大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井底座安裝與一般筒體鋼結(jié)構(gòu)底座安裝工藝和難度有很大不同，主要有以下幾方面的區(qū)別：

（1）吊裝方式不同。一般筒體鋼結(jié)構(gòu)底座尺寸相對較小，通常采用適宜噸位的吊車一次整體吊裝就位（比如風機基礎(chǔ)環(huán)），或直接采用預埋地腳錨栓連接，安裝工藝簡單。而調(diào)壓井底座環(huán)向尺寸大，重量大，無法整體吊裝，每圈基礎(chǔ)環(huán)板需分6段制作、現(xiàn)場分6段吊裝拼裝，安裝工藝復雜。

（2）焊接工作量不同。一般的筒體鋼結(jié)構(gòu)底座焊接工作量很少，而調(diào)壓井底座安裝涉及大量超厚鋼板拼裝焊接作業(yè)，鋼板之間接縫多，厚鋼板還需要焊前預熱、焊后保溫，焊縫檢測工作量大，焊接質(zhì)量控制成為保證底座安裝施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）安裝工藝復雜程度不同。一般筒體鋼結(jié)構(gòu)底座整體吊裝或安裝完成后調(diào)整加固即可，調(diào)壓井底座安裝涉及錨板、套管、基礎(chǔ)環(huán)1、基礎(chǔ)環(huán)2、內(nèi)外環(huán)形蓋板、肋板、大直徑長錨固螺栓安裝，所有鋼板均為46mm超厚鋼板，每段鋼板加工制作、吊裝難度大，拼裝平整度和焊接質(zhì)量要求高；底座不同構(gòu)件安裝還必須遵循一定的順序（程序）；大直徑長錨固螺栓需委托專業(yè)生產(chǎn)廠家加工制作，安裝精度要求高；底座整體安裝工藝復雜。

（4）底座混凝土澆筑工藝不同。一般筒體鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)混凝土工程量不大，通常澆筑不分期，涉及預埋地腳螺栓的基礎(chǔ)，二期混凝土量也很小。而調(diào)壓井基礎(chǔ)屬于大體積混凝土，需合理劃分一期、二期混凝土澆筑，需要采取溫控措施，混凝土澆筑后需加強養(yǎng)護[5]。

（5）底座安裝準備工作不同。一般筒體鋼結(jié)構(gòu)底座安裝準備工作單一，而調(diào)壓井底座安裝環(huán)向輔助支撐、鋼板等預埋件需合理設(shè)計布置（環(huán)向輔助支撐預埋見圖4），在澆筑一期混凝土時，預埋位置必須準確，底座安裝前所有支撐、預埋件需仔細檢查加固。

圖4 底座環(huán)向輔助支撐預埋示意圖

4 結(jié)束語

水電站鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井在國內(nèi)外并不多見，沒有現(xiàn)成的施工經(jīng)驗可以借鑒。通過對本工程調(diào)壓井底座結(jié)構(gòu)特點和施工難點分析，采取了合理的基礎(chǔ)和底座安裝施工方法、安裝流程和焊接工藝，保證了底座安裝整體質(zhì)量滿足設(shè)計和技術(shù)規(guī)范要求，為上部調(diào)壓井順利吊裝打下了基礎(chǔ)。無論從設(shè)計和施工安裝角度，本調(diào)壓井底座成功實例不僅為類似調(diào)壓井結(jié)構(gòu)、也可為其它類似超高超大型筒體鋼結(jié)構(gòu)施工提供有益的借鑒和參考。在國家大力提倡推廣裝配式建筑的大背景下，建筑制造業(yè)也在轉(zhuǎn)型升級，本案例的成功實施也將具有更重要的現(xiàn)實意義。