塔式光熱電站大規(guī)模定日鏡立柱快速施工技術(shù)

馮子恒，孟維凱，張鋒凌，劉 波，張鳳舉，鄒麗文，陳維虎

(中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

塔式光熱發(fā)電為清潔能源新技術(shù)，是一種集中式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，采用數(shù)量龐大、可獨(dú)立追蹤太陽(yáng)的定日鏡，將陽(yáng)光反射至吸熱塔頂部的吸熱器上，通過(guò)加熱吸熱器中的熱工介質(zhì)實(shí)現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)化。鏡場(chǎng)定日鏡施工是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)施工的重點(diǎn)，其施工質(zhì)量直接影響投運(yùn)過(guò)程中定日鏡的運(yùn)行效率，進(jìn)而影響整個(gè)塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)電效率。

100MW塔式光熱電站鏡場(chǎng)占地面積廣，一般包含數(shù)萬(wàn)臺(tái)定日鏡。定日鏡由立柱支撐，點(diǎn)多面廣，立柱垂直度與方位角要求非常精確，施工精度要求高、工期緊。保證定日鏡反射率及反射精度的前提下，提高大規(guī)模立柱的施工速度和施工質(zhì)量，是目前光熱產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展面臨的問(wèn)題之一。本文依托海外某950MW光熱光伏混合電站，研究沙漠腹地大規(guī)模定日鏡立柱快速施工技術(shù)，不僅可縮短光熱電站施工工期，保證施工質(zhì)量，且對(duì)于光熱新型能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要借鑒意義。

1 工程概況

海外某950MW光熱光伏混合電站項(xiàng)目塔式鏡場(chǎng)定日鏡由立柱微型樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)組成。立柱基礎(chǔ)是整個(gè)定日鏡的結(jié)構(gòu)支撐，針對(duì)鏡場(chǎng)不同地質(zhì)條件，分為長(zhǎng)立柱基礎(chǔ)和短立柱基礎(chǔ)。長(zhǎng)立柱長(zhǎng)6 365mm，短立柱長(zhǎng)5 165mm，分別埋深4 000， 2 800mm；設(shè)計(jì)樁孔直徑為350mm，采用C30自密實(shí)混凝土灌實(shí)，布置間距一般為6～8m，立柱為DN193.68鍍鋅鋼管。施工過(guò)程中須保證立柱位置及方位角的精確性，以保證后續(xù)定日鏡的安裝順利。

2 施工工藝

2.1 立柱安裝精度要求

立柱相對(duì)于坐標(biāo)點(diǎn)偏心距≤40mm；垂直度誤差≤1°； 立柱標(biāo)高誤差≤50mm；方位角誤差<3°。

2.2 點(diǎn)位確定

采用GPS測(cè)量?jī)x進(jìn)行立柱測(cè)量定位。鉆孔前先將自制定位十字架中心靠在定位鋼筋上確定立柱中心，然后拔出定位鋼筋，將鉆機(jī)鉆頭靠在十字架中心進(jìn)行成孔。

2.3 鹽水護(hù)壁鉆孔

在土質(zhì)松散的沙漠中，采用長(zhǎng)螺旋鹽水護(hù)壁濕成孔工藝，鉆孔直徑為350mm，立柱直徑為190mm；根據(jù)地質(zhì)情況，鉆孔深度為2.98，4.18m，較立柱底標(biāo)高低180mm。為每臺(tái)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)配置水箱，并在水箱中注入鹽水，鉆孔過(guò)程中向鉆頭內(nèi)持續(xù)注水確保成孔孔壁濕潤(rùn)，利用鹽水蒸發(fā)形成結(jié)晶鹽的固結(jié)效果，避免塌孔，實(shí)施效果好。

2.98m孔深注水量為松散沙土約450L，戈壁灘土質(zhì)約250L。鉆孔前應(yīng)檢查鉆頭垂直度，確保成孔豎直，成孔后應(yīng)及時(shí)測(cè)量孔徑孔深，確保滿足施工質(zhì)量要求。緩慢下鉆，不間斷注水，鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，緩慢提升鉆頭，取出清理余土，清理前應(yīng)用蓋板提前覆蓋孔口，避免余土落入。采用此方法成孔時(shí)間3～5min。

2.4 立柱安裝

2.4.1定位吊裝入孔

吊裝前在立柱頂端安裝差分GPS設(shè)備(見(jiàn)圖1)。該差分GPS設(shè)備由2個(gè)GPS、1個(gè)電子水平尺、通信傳輸系統(tǒng)及1套電源組成，將立柱編號(hào)、x，y，z坐標(biāo)、垂直度、方位角、施工狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)傳送至鏡場(chǎng)施工管理系統(tǒng)Beams，在手持端(多采用平板電腦)上安裝鏡場(chǎng)施工管理系統(tǒng)軟件，可同步顯示立柱施工信息，方便安裝時(shí)定位調(diào)整。

圖1 差分GPS設(shè)備

將立柱提前轉(zhuǎn)運(yùn)至施工點(diǎn)位，采用改裝叉車(chē)吊裝，人工輔助放入孔中，利用BEAMS觀測(cè)立柱頂標(biāo)高和坐標(biāo)，調(diào)整坐標(biāo)和標(biāo)高至設(shè)計(jì)值。

2.4.2立柱固定與精調(diào)

為便于立柱固定、方位角調(diào)節(jié)和垂直度調(diào)整，自制三腳架裝置，如圖2所示。該裝置可重復(fù)利用，有效保證施工精度，大大提高精度調(diào)節(jié)施工效率。

圖2 三腳架裝置

1)坐標(biāo)及標(biāo)高調(diào)整 立柱入孔前，在地面固定3根垂直度調(diào)節(jié)螺桿，立柱入孔調(diào)節(jié)其坐標(biāo)和標(biāo)高至設(shè)計(jì)值后，用方位角調(diào)節(jié)夾具夾緊立柱。

2)方位角調(diào)整 根據(jù)Beams實(shí)時(shí)顯示的方位角數(shù)據(jù)，利用方位角調(diào)節(jié)夾具調(diào)整立柱方位角，當(dāng)方位角滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，立柱指北孔為正北方向。

3)垂直度調(diào)整 通過(guò)調(diào)節(jié)每根固定垂直度調(diào)節(jié)螺桿的底部螺母來(lái)調(diào)節(jié)定日鏡立柱垂直度，水平尺輔助，直至達(dá)到要求。

混凝土澆筑前利用Beams對(duì)立柱標(biāo)高、坐標(biāo)、方位角進(jìn)行復(fù)測(cè)。若復(fù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)偏差過(guò)大，則須按照上述過(guò)程重新進(jìn)行立柱調(diào)整。

2.5 混凝土澆筑

立柱間距小，密度大，大型混凝土運(yùn)輸罐車(chē)無(wú)法在場(chǎng)內(nèi)靈活高效行駛，且重型機(jī)械會(huì)破壞場(chǎng)平面、固沙完成面，針對(duì)以上原因及立柱基礎(chǔ)鉆孔分散、混凝土用量小的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)叉車(chē)壁中自制混凝土承槽，原叉車(chē)盡量選用小型鏟車(chē)。

由于立柱與樁孔間距僅78mm，為方便混凝土準(zhǔn)確導(dǎo)流入孔，避免單一方向直接澆筑沖偏立柱，自制Y形混凝土導(dǎo)流、澆筑小推車(chē)(見(jiàn)圖3)，確保立柱兩側(cè)同時(shí)受力，且減少混凝土浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

圖3 自制Y形混凝土導(dǎo)流、澆筑小推車(chē)

采用自密實(shí)混凝土，混凝土頂標(biāo)高距地面0.5m?；炷凉捃?chē)每次裝載混凝土8m3，可澆筑32根立柱，罐車(chē)至現(xiàn)場(chǎng)后，配置多臺(tái)改造后的混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)叉車(chē)和小推車(chē)同時(shí)澆筑，每根立柱澆筑時(shí)間僅為3min，極大地提高了作業(yè)效率。

為防止成孔破壞坍塌，成孔后24h內(nèi)應(yīng)完成混凝土的澆筑。

2.6 基礎(chǔ)土方回填

混凝土澆筑24h后，拆除三腳架進(jìn)行循環(huán)使用，同時(shí)在混凝土上表面與地面間50cm范圍內(nèi)回填原沙，回填完成后單根立柱施工完成(見(jiàn)圖4)。

圖4 施工完成的立柱

2.7 施工記錄

在立柱安裝完成后，利用鏡場(chǎng)Beams將每根立柱的施工信息(坐標(biāo)、方位角、標(biāo)高)生成二維碼，并粘貼至立柱上，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程可視化。

圖5 立柱二維碼

3 施工要點(diǎn)

1)在原始沙漠中進(jìn)行立柱樁施工前，須進(jìn)行場(chǎng)平固沙施工，創(chuàng)造施工條件，立柱樁施工時(shí)宜選取小型機(jī)動(dòng)靈活機(jī)械，防止大型設(shè)備破壞固沙面層，同時(shí)可提高施工效率。

2)地面立柱中心點(diǎn)坐標(biāo)確定后，需使用十字對(duì)中盤(pán)代替原位置的標(biāo)記物，確保鉆桿中心軸與地面坐標(biāo)點(diǎn)精確重合。

3)鉆孔過(guò)程中，需根據(jù)地質(zhì)情況控制出水量，土質(zhì)較硬時(shí)可適當(dāng)減小出水量，當(dāng)沙層以下為沙質(zhì)土及粉質(zhì)土?xí)r，需適當(dāng)增加鉆頭出水量，但不可過(guò)大，否則易造成塌孔。

4)立柱吊裝改造機(jī)械須與三腳架配合使用，立柱吊入鉆孔后，調(diào)整標(biāo)高和偏心距至設(shè)計(jì)值，將三腳架的方位角調(diào)整裝置與立柱鎖死，松開(kāi)立柱，利用三腳架調(diào)節(jié)立柱方位角和垂直度。

5)澆筑混凝土前，使用GPS對(duì)立柱中心點(diǎn)坐標(biāo)、高程、方位角及垂直度進(jìn)行復(fù)核，確保立柱安裝精度符合要求。

6)立柱坐標(biāo)、高程、方位角及垂直度復(fù)核無(wú)誤后，向樁孔中注入混凝土，灌注前應(yīng)保證混凝土的配合比和整體質(zhì)量滿足要求，同時(shí)保證混凝土灌注時(shí)間盡可能短，避免時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致塌孔。保證混凝土灌注的連續(xù)性，不能出現(xiàn)分層。

4 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模定日鏡立柱快速施工技術(shù)在海外某950MW光熱光伏混合電站項(xiàng)目中實(shí)施效果好；單根立柱施工平均操作時(shí)長(zhǎng)為11～15min，單日能完成300根立柱樁施工；過(guò)程中進(jìn)行了多項(xiàng)發(fā)明和創(chuàng)新，不僅成本較低，且節(jié)材環(huán)保。

1)針對(duì)光熱新能源產(chǎn)業(yè)塔式鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，需進(jìn)行多項(xiàng)定制化機(jī)具設(shè)備改造和工具發(fā)明，如改裝定日鏡立柱轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝機(jī)械、混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)、澆筑設(shè)備及工具，以此可靈活、機(jī)動(dòng)地在復(fù)雜的沙漠和戈壁鏡場(chǎng)內(nèi)快速完成立柱基礎(chǔ)施工。改造的設(shè)備工具也可用于同類(lèi)基礎(chǔ)或工程量分散、點(diǎn)多面廣工程。

2)針對(duì)沙漠松散沙土地質(zhì)，采用長(zhǎng)螺旋濕成孔與鹽水護(hù)壁技術(shù)，且根據(jù)不同地質(zhì)控制鉆頭出水量，能有效解決不良地質(zhì)條件下的塌孔問(wèn)題，保證成孔率和成孔質(zhì)量，施工速度快，成本低。

3)固定立柱時(shí)，立柱吊裝機(jī)械配合三腳架使用，按標(biāo)高、偏心距、方位角、垂直度的調(diào)整順序，優(yōu)化立柱安裝的精度控制步驟，在保證精度的情況下，快速且高效。該立柱三腳架也可用于其他類(lèi)似的微型樁施工和精度調(diào)節(jié)工程。

4)使用鏡場(chǎng)施工管理系統(tǒng)Beams與差分GPS信息化管理技術(shù)，能快速了解立柱安裝參數(shù)信息，極大提高安裝作業(yè)效率。立柱安裝完成后，還可利用該系統(tǒng)生成實(shí)體信息卡，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程可視化。此信息管理技術(shù)可用于規(guī)模大、構(gòu)件多、精度要求高和管理難度大的工程。