水電站大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井吊裝技術(shù)

李忠貴

(中國華電科工集團有限公司，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，其作用是當(dāng)水電站在運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)壓井自由水面得到釋放，從而保護和減少對機組和調(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、從下往上分層進行鋼筋綁扎和混凝土澆筑，這種施工程序相對簡單。而印尼某水電站調(diào)壓井則采用地面鋼結(jié)構(gòu)型式，其施工方法完全不同。

印尼某工程為引水式電站，以發(fā)電為主，設(shè)有2臺單機容量為90 MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量為180 MW。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。調(diào)壓井地層埋深較淺，阻抗孔以上采用地面鋼結(jié)構(gòu)型式，地面以上總高度為67 m，直徑為18 m，井壁鋼板厚度為46～12 mm，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”型豎撐，每兩層設(shè)置一道“T”環(huán)狀內(nèi)橫撐，底部設(shè)置224根M100地腳螺栓(單根長5 m)與混凝土基礎(chǔ)相連，主體鋼結(jié)構(gòu)重量1 400 t，為亞洲最高最大地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井(如圖1所示)。地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井在國內(nèi)并不多見，其施工方法需要進行針對性分析研究。

圖1 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

2 工程特點和難點

2.1 施工特點

1) 鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井井筒環(huán)向尺寸大，無法進行單節(jié)整體吊裝，需要分片、分節(jié)、分段逐層安裝上升。

2) 調(diào)壓井安裝涉及大量構(gòu)件高空吊裝就位、加固、焊接和檢驗等工序，施工中必須有1個安全、可靠的操作平臺和設(shè)備擺放平臺。

3) 調(diào)壓井為高聳鋼結(jié)構(gòu)建筑，施工區(qū)域為多雨、多雷高原區(qū)域，需要采取可靠的防雷措施。

4) 調(diào)壓井井壁外圍需同步安裝焊接螺旋上升的手扶式鋼梯及休息平臺。

2.2 質(zhì)量要求高

1) 按照EPC合同，一、二類焊縫質(zhì)量檢驗全部采用100%的UT及10%～25%的RT檢驗，遠(yuǎn)高于國內(nèi)同類工程項目的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

2) 地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井具有容器特性，需多年在高水位狀態(tài)運行，井壁承受的內(nèi)水壓力較大，如果出現(xiàn)滲漏等質(zhì)量問題，后期很難進行消缺處理。

2.3 施工難點

1) 調(diào)壓井安裝需要分片、分節(jié)、分段逐層安裝上升，常規(guī)吊裝設(shè)備難以滿足要求。汽車吊只能吊裝調(diào)壓井底部一定高度的部份構(gòu)件，施工場地也受限；塔吊技術(shù)上可行，但不經(jīng)濟，而且隨著調(diào)壓井井筒上升，塔吊塔身無法進行扶墻加固，施工安全存在隱患[1]。

2) 操作平臺和施工設(shè)備擺放困難?？紤]場地、成本、安全等方面的原因，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)采用滿堂腳手架方案也難以實施，其原因：隨著調(diào)壓井的升高，需多次反復(fù)搭設(shè)腳手架，工序十分繁雜，不僅耗費大量資源，而且占壓直線工期，將嚴(yán)重影響工程施工進度，也存在極大的安全隱患[2]。

3) 調(diào)壓井井壁環(huán)縫和縱縫內(nèi)外都需要焊接，部份鋼板厚度較厚需要焊前加熱、焊后保溫，井壁內(nèi)外都需要設(shè)置操作平臺。

4) 隨著調(diào)壓井升高，防雷避雷問題比較突出。如果設(shè)置2座高100 m的塔式避雷針，不僅成本高、占地大，也影響構(gòu)件運輸和吊裝作業(yè)。

3 調(diào)壓井吊裝方案

3.1 吊裝思路

通過對調(diào)壓井工程的綜合分析，吊裝方案主要從以下方面考慮：

1) 吊裝技術(shù)方面：以調(diào)壓井井筒內(nèi)設(shè)置大型液壓舉升平臺、平臺上安裝卷揚機配合扒桿作為吊裝手段，卷揚機可以沿平臺旋轉(zhuǎn)進行外側(cè)構(gòu)件吊裝[3]。

2) 井壁內(nèi)作業(yè)平臺：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)實現(xiàn)大型活動式平臺的爬升，電焊機等施工設(shè)備布置在作業(yè)平臺上[4]。

3) 井壁外作業(yè)平臺：在調(diào)壓井井壁外設(shè)置簡易外掛棚形成操作平臺。

4) 避雷針設(shè)置：避雷針用來保護調(diào)壓井井筒遭受雷擊，保護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之下[5]。

3.2 吊裝方案

1) 在調(diào)壓井井筒體內(nèi)設(shè)計直徑為18 m的上、下2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)平面示意見圖2、調(diào)壓井吊裝系統(tǒng)剖面示意見圖3。

圖2 調(diào)壓井吊裝系統(tǒng)平面示意

圖3 調(diào)壓井吊裝系統(tǒng)剖面示意

2) 調(diào)壓井內(nèi)壁對稱布置有8根豎撐，豎撐剛度強度高，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、高效的解決了平臺支撐支座的難題[6]。

3) 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)平臺上布置卷揚機和扒桿體系實現(xiàn)構(gòu)件吊裝。其中，1臺3 t卷揚機使扒桿變幅可回轉(zhuǎn)，1臺5 t卷揚機實施構(gòu)件吊裝。卷揚機和扒桿體系可沿回轉(zhuǎn)軌道回轉(zhuǎn)，可沿調(diào)壓井內(nèi)四周實現(xiàn)構(gòu)件吊裝[7]。

4) 在液壓舉升平臺上、下空間設(shè)置4個10 t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。

5) 將避雷針布置在回轉(zhuǎn)平臺上，其總高度為 16 m，重約為300 kg，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之下。

6) 在調(diào)壓井井筒頂部布置8個焊接外掛棚，解決了井壁外部活動施工平臺的問題。

7) 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。

4 調(diào)壓井吊裝施工

4.1 液壓舉升平臺工作流程

對液壓爬升系統(tǒng)和卷揚機扒桿聯(lián)合安全檢查→10 t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4只油缸基本同步上升→同步操作10 t手拉葫蘆，確保該4個角與其他4個角同步上升，將平臺頂升1 m或1.25 m→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1 m或1.25 m，完成1個頂升循環(huán)→檢查10 t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[8]。

4.2 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，平臺上升進入下一循環(huán)施工[9-10]。

4.3 液壓舉升平臺拆除

調(diào)壓井安裝到頂后，需要拆除液壓工作平臺及相關(guān)設(shè)施。首先在抗風(fēng)圈上布置一簡易土扒桿，配置1臺3 t卷揚機，將液壓舉升平臺上面的設(shè)備、扒桿拆除，吊到地面。根據(jù)現(xiàn)場卷揚機情況，在調(diào)壓井外圍底部均勻布置四臺卷揚機，其中2臺卷揚機起重量為5 t，2臺起重量為10 t，并在調(diào)壓井外圍底部附近設(shè)置滑輪導(dǎo)向，在抗風(fēng)圈上設(shè)置滑輪導(dǎo)向及定滑輪，在大型液壓舉升平臺相應(yīng)位置設(shè)置動滑輪，鋼絲繩采用2組配置，一次性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)壓井進人孔處搬動到井筒外[11]。

5 實施效果與問題探討

該方案的實施有效解決了工程中遇到的技術(shù)難題，為工程順利實施提供了技術(shù)保障。

5.1 實施效果

1) 采用液壓頂升式活動平臺作為調(diào)壓井施工內(nèi)平臺，將常規(guī)滿堂高排架轉(zhuǎn)換為活動式平臺，節(jié)省大量人力、物力和財力，有效解決了超高、超大鋼結(jié)構(gòu)筒體安裝中的施工作業(yè)平臺難題。

2) 將液壓頂升式活動平臺技術(shù)與卷揚機扒桿技術(shù)融為一體，探索超高、超大鋼結(jié)構(gòu)筒體安裝中構(gòu)件及材料吊裝新手段。通過在活動式平臺上設(shè)置回轉(zhuǎn)平臺和回轉(zhuǎn)軌道，使卷揚機和扒桿系統(tǒng)能夠沿井壁四周回轉(zhuǎn)，解決了井壁四周構(gòu)件吊裝就位難的問題。

3) 采用活動式平臺作為避雷針的平臺基礎(chǔ)，將地面超高超大的固定式避雷針轉(zhuǎn)換為一種簡易的、能夠隨著調(diào)壓井逐層安裝而同步上升的活動式避雷針，解決了避雷針方案的難題。

4) 通過分析調(diào)壓井結(jié)構(gòu)特點，直接利用調(diào)壓井豎撐作為活動式液壓舉升平臺的支撐支座，巧妙有效地解決了液壓舉升平臺的支撐支座難題。

5.2 問題分析與探討

1) 液壓油缸的同步

因考慮制作成本及活動式平臺(蛛網(wǎng)式八邊形鋼結(jié)構(gòu))為超大尺寸結(jié)構(gòu)，整體剛度小，整體彈性變形大，故在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，對同步?jīng)]有提出過高要求，平臺爬升時，蛛網(wǎng)式八邊形鋼結(jié)構(gòu)的8個角很難在同一個平面，平面變形幅度約 ±50 mm。因平臺整體結(jié)構(gòu)剛度小，少量變形未影響和破壞平臺框架結(jié)構(gòu)，但需要在頂升過程中加強觀測和調(diào)整。

2) 4個導(dǎo)向及4個與豎撐銷軸式活動連接座在爬升時常有卡阻現(xiàn)象，經(jīng)分析，主要原因有：

① 平臺在上升時存在回轉(zhuǎn)座與豎撐中心的偏差；

② 井筒安裝的垂直度和栯圓度：

③ 工作平臺制作過程中尺寸偏差。

所以，4個導(dǎo)向及4個豎撐銷軸式活動連接座與豎撐的間隙是變化的，且變化幅度較大，約為±45 mm。

3) 不能利用平臺設(shè)置工裝對筒壁安裝及焊接變形進行有效控制。由于平臺設(shè)計時沒有考慮該項功能及吊裝回轉(zhuǎn)的影響，設(shè)計的平臺較輕便，不能利用它設(shè)置工裝對筒壁安裝及焊接變形進行有效控制。如果平臺制作具有足夠鋼度，且各類構(gòu)件制作精度高，可設(shè)置工裝對筒壁安裝及焊接變形進行有效控制[12]。

4) 焊接外掛棚不能在筒壁上自行環(huán)向滑行移動。最初的方案是在掛棚上設(shè)置兩個滾輪，支撐在筒壁的瓦片上，在人力的推動下沿瓦片上沿滾動，在實施時，因忽略了瓦片栯圓度的影響，滾輪與瓦片側(cè)向間隙較小，人力推動不便，掛棚很難實現(xiàn)環(huán)向移動。

5) 在液壓舉升平臺拆除由卷揚機下放至井底過程中，4臺卷揚機應(yīng)盡可能同步下放，避免平臺不對稱下放引起阻卡情況；同時，應(yīng)認(rèn)真檢查井壁防腐工作是否到位，發(fā)現(xiàn)問題隨平臺下放一次處理完成。

6) 本吊裝方案在分析研究調(diào)壓井結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，利用在結(jié)構(gòu)豎撐上開孔插銷軸的方式解決了液壓舉升平臺的支撐支座難題，使方案更具可實施性。對于其他類似超高超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物，如果結(jié)構(gòu)本體沒有對稱的類似豎撐的構(gòu)件可利用，可提前與設(shè)計單位溝通擬采用的施工方案思路，以便進行設(shè)計優(yōu)化調(diào)整。必要時經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較，亦可采用增加臨時構(gòu)件的方式解決液壓舉升平臺的支撐支座問題。

6 結(jié)語

本文介紹了水電站地面大型鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井吊裝技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新實例，通過將液壓舉升平臺技術(shù)、卷揚機扒桿技術(shù)和活動式避雷針技術(shù)融為一體，解決了大型筒體鋼結(jié)構(gòu)吊裝、操作平臺和防雷保護等相關(guān)技術(shù)難題，方案設(shè)計巧妙、大膽，具有較好的創(chuàng)新性。施工實踐證明該方案很成功，縮短了施工工期約3個月，節(jié)約了施工成本約260萬元，為亞洲第一高地面鋼結(jié)構(gòu)調(diào)壓井的安全順利安裝提供了技術(shù)保障，為超高、超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物安裝提供了一種新的解決方案和思路。