积石峡水电站超大型弧门安装工艺与质量控制

柳晓龙，薛伟伟，陈海龙

（1.中国水利水电第四工程局有限公司第一分局，青海 西宁 810006；2.黄河上游水电开发有限责任公司工程建设分公司，青海 西宁 810000）

0 概述

积石峡水电站工程溢洪道工作弧门孔口尺寸（宽×高）为15 m×21.5 m，为黄河上游最大的弧形闸门。设计水头21.20 m，水平水压力33 708 kN，垂直水压力10 621 kN，总水压力35 342 kN，弧门半径为22 m，支铰高度为13.2 m，门叶结构为主横梁斜支臂焊接钢结构，吊点间距为13.7 m。弧门由8节门叶组成，总质量281.65 t，操作方式为动水启闭，操作机械为2×3 600 kN液压启闭机系统。

溢洪道弧门按照正常施工顺序，应在土建施工交面后利用大型起吊设备（2 200 kN汽车吊）在敞孔状态下正常安装，弧门安装完毕后再进行上部现浇混凝土板梁施工。弧门安装占压整个直线工期，将无法满足进度要求。为满足堰闸段整体施工进度要求，溢洪道弧门需在上部板梁浇筑完毕后进行安装。本项弧门安装在复杂条件下有效利用有限的起吊手段实现弧门各部件安装，同时通过制定合理的拼装、焊接工艺，保证了超大型弧门安装质量。

1 测量控制

（1）平面控制网建立。根据业主提供的测量站点为基准点，按照DL/T 5173—2003《水利水电工程施工测量规范》四等边角网的技术要求进行观测，分别在溢流面弧门上、下游及弧门支铰座闸墩牛腿处建点形成测量控制网络，便于弧门各部件安装放样、验收，点位精度满足规范要求。

（2）高程控制。利用按照业主提供的测量站点放至弧门底坎处的基准点使用精密水准仪结合钢尺测高的方法进行高程控制，尺长根据温度和钢尺的自重进行修正。

（3）支铰测量。作为弧门安装关键点的支铰中心测量控制，在支铰中心位置两侧边墙预埋钢板，用方向线法放出支铰中心线在两侧边墙预埋钢板上的位置，挂上钢丝线，用来放样、验收支铰孔中心高程和方向的坐标。

2 弧门吊、拼装工艺

2.1 支铰安装工艺

由于支铰正上方为混凝土板梁，支铰无法直接吊装就位。结合现场实际情况确定，首先利用进水口600 kN门机将支铰垂直吊运至溢流堰底坎附近运输台车上，通过卷扬机牵引下滑至支铰安装位置正下方；然后，通过挂在闸墩牛腿顶部的滑轮组提升至设计位置就位。为保证支铰安装精度，支铰采用整体安装。铰座预埋件调整加固验收后浇筑一期混凝土，复测后精确调整至规范允许偏差范围后浇筑二期混凝土。

2.1.1 支铰起吊系统受力分析及结构计算

支铰吊装单元质量达26.6 t，又要经过较复杂的倒运、吊装工序。为确保支铰安全顺利的吊装，需对支铰下滑台车、下滑轨道、起吊三角架等构件设备进行详细的受力分析及结构计算（计算过程从略）。

2.1.2 支铰吊装方案及吊装步骤

从溢洪道溢流面弧门底坎桩号溢0+015.708至溢0+034.618位置架设下滑台车轨道，轨道支撑柱底部铺垫麻袋片或保温材料对溢流混凝土永久迎水表面进行保护。台车轨道上游段与弧门底坎桩号溢0+015.708部位进行焊接，以保证下滑轨道整体稳定。横梁起吊系统的搭设采用1 856.5、1 852.28 m高程处的预埋工字钢作支撑点进行三角支撑架的制作与安装。支铰下滑台车与支铰吊装均采用同一台100 kN卷扬机。

吊装步骤：利用布置在进水口的600 kN门机将台车及支铰吊装至溢洪道堰闸段（溢0+015.708至溢0+034.618）台车下滑轨道上游端部，作临时固定；再利用摆放在溢洪道进口检修门底坎位置的100 kN卷扬机及滑轮组，将支铰台车顺轨道下放至支铰起吊位置轨道车档处；用卷扬机起吊钢丝绳通过弧门底坎设置的导向滑轮穿至支铰安装位置上方的横梁起吊系统的滑轮组；利用起吊系统将支铰吊至1 848.00 m安装高程，利用前期预埋在闸墩顶部与底部的锚钩做牵引点，将倒链与支铰连接后精调至安装位置；固定铰座安装牢靠后将活动铰座进行临时加固，确保支臂吊装时可调整性。根据支铰中心点连接的钢丝线来检查支铰装配的安装偏差，保证两支铰的同轴度、铰座中心对孔中心距离、桩号、高程是整个弧形闸门运行质量的关键。按照要求铰座轴孔任何方向倾斜不大于L/1 000，L为支铰垫板水平投影长度。

采用支架下滑式吊装方案减少了与土建工程交叉作业，加快了施工进度，节约设备租用成本。

2.2 门叶安装工艺

溢洪道弧门门叶共分8节，弧门宽度15 m，高度21.5 m，门叶上支臂以上部分呈悬臂状态。为保证闸门拼装精度，在曲线溢流堰面设计制作了门叶安装支撑托架，不仅起支撑门叶结构的作用，同时便于门叶调整、焊接。支臂预先在组拼平台进行预组拼，以保证安装精度。

门叶在门槽内竖式拼装时，桩号向上游偏移10 mm，以便支臂安装。底节门叶安装调整合格与托架可靠连接后吊装下支臂组件，调整到位后利用工装螺栓将门叶拉至设计位置。调整底节及下支臂形体位置，按顺序自下而上逐节吊装、调整。8节门叶全部吊装就位后，进行整体调整：门叶对孔中心偏差、弧门迎水面的各节间弧度、直线度；弧门门叶整拼后门高、扭曲度；检查弧门的曲率半径及曲率半径差；支臂开口跨度、左右支臂对角尺寸及连接系受力中心线。各项调整合格后进行焊接。

采用门叶在门槽内竖式拼装方案便于门叶整体调整组拼，可对门叶制造过程中拼装累计偏差进行相应分解。

2.3 焊接工艺的应用

溢洪道超大型弧形闸门焊缝较多，高度方向呈悬臂结构，焊接变形较难控制。闸门安装中利用多种焊接变形控制技术，对闸门安装全过程焊接进行了跟踪和研究。通过采用预留收缩余量和反变形量、钢性加固、合理选择焊接方法、调整焊接顺序等措施保障超大型弧门安装最终质量。

2.3.1 焊接工艺评定及焊接注意事项

根据现行DL/T 5018—2004规范，并结合工程对质量的要求，制定了弧形闸门焊接规范（焊接施工质量检测标准）。弧形闸门焊接前进行了焊接工艺评定。结合评定结果及现场实际情况，要求在施工中必须遵循：①采用同步对称、分段、退步等焊接方法，采用小电流、短弧、多层多道焊接，以减少热量的输入。②对于大间隙的焊缝，要求在焊缝坡口两侧进行堆焊（镶边焊），待间隙小于4 mm左右后再进行正常焊接。③先焊拘束力较大的焊缝，后焊自由度较大的焊缝；先焊变形控制严格的焊缝，后焊变形控制不太严格的焊缝。④除第一层与盖面层外，其余各层利用风锤不断锤击以达到除渣、层间消应的目的。⑤正式焊接前,须清除该部位的定位焊。⑥严格执行预热、层间温度、消应措施。⑦为防止焊缝及母材的锈蚀，特别是未焊透并有过缝孔的焊缝，要求进行绕角焊。⑧碳弧气棒清根的双面焊，非清根侧焊接量不少于3层，清根后用砂轮磨光渗碳层。⑨待垫板的面板对接焊应保证母材及衬板根部熔合良好。

2.3.2 焊接变形分析及纵向收缩变形

工件在热源作用下产生沿焊缝长度方向的纵向膨胀，此膨胀受外部约束而被限制即产生纵向压缩塑性变形，在冷却过程中不能完全回复而产生纵向收缩变形。对于低合金钢纵向单位收缩量与焊接线能量之间近似比例关系，可通过计算公式计算。

在实际施工中，由于纵向长焊缝主要是面板对接缝和贴角缝；下游面为空格结构，纵向焊缝较少。现场44条焊缝的收缩测量看，面板侧平均每条焊缝沿门体长度方向收缩1.5 mm左右，而沿下游面收缩近似为零，因此纵向收缩变形不足以考虑。

2.3.3 横向收缩变形及角变形

工件在热源作用下产生垂直于焊缝方向的横向膨胀，此膨胀受外部拘束而被限制即产生横向压缩塑性变形，在冷却过程中不能完全回复而产生横向收缩变形。低合金钢对接、角焊缝每1 m引起的横向收缩量ΔB。板厚12 mm时通过计算沿高度方向每条焊缝平均收缩2.0 mm，因弧门钢板厚及结构的变化,在实际施工中焊缝收缩量为1.8～2.3 mm。高度方向总收缩量为19～23 mm。

由于焊缝横向收缩力大小及力到门体惯性中心距的不同，产生的力偶大小不同。这势必使门体向上游或下游方向倾倒。通过理论公式初步计算出向上游倾斜率为0.3～0.5 mm/m。

2.3.4 节间组对及测量基准点

（1）节间组对。构成门体的板块、单元在组对焊接、吊装、运输、放置等过程中产生变形，加之焊接应力自然失效，节间隙插口多等原因，难以复原制造时的组对情况。从现场拼装情况看，间隙普遍过大：间隙由原设计的0～3 mm变为4～10 mm以上，特别是面板焊缝间隙变化更大，在0～12 mm间。这就要求在定位焊与正式焊接过程中，特别强调焊接顺序、工位的安排以及焊接监控。

（2）焊接监控。焊接时要选好监测门体偏移方向及大小的基准点，并始终以这一基准点为测量依据。门体由8个单元组成，施工中通过悬挂3条重锤的方法进行测量：上下两横梁中心各挂1重锤，待焊缝冷却后，测量每个焊接流程的相对偏移距离，并与拼装及上一流程的测量结果作比较，若变形较大则适时调整工序。但焊缝未冷却或加热时，测量的结果往往与实际相反，不能以此测量数据作依据，以免影响后续焊接顺序及工位安排。

2.3.5 焊接顺序及工位安排

弧形闸门侧向垂直度是焊接变形控制的重点。但从减小焊接应力考虑，应先焊横向收缩较大的焊接接头，此时门体自由度较大，不致于引起较大的焊接应力。因此在焊接变形、焊接应力这对矛盾统一体中要综合考虑,具体遵循如下原则：①焊接应按由两端到中间、由内到外的顺序。由于门体结构的特点及安装精度要求，先焊两端柱，后焊门体中间部位，因门体中部上游焊缝多于下游面，先焊下游面待门体达到一定的刚度后，再焊上游面焊缝。②对称焊接的同时，尽可能少地安排对影响门体变形的焊接顺序、焊工工位，并尽可能先焊小的立焊。③加强每个焊接流程的监控，根据监控结果适时调整焊接顺序，加强工序间的传递。

根据上述原则结合具体情况，制定了焊接流程及8名焊接工位的布置：端板→推力隔板→推力隔板加劲板及端隔板→中间竖隔板→后翼缘立焊→后翼缘→前翼缘立焊→面板帖角焊→面板对接焊及前翼缘板。

2.3.6 焊接残余应力

低合金钢冷裂敏感性较大，约束强度也较大，致使焊后应力较大。特别是板厚δ≥32 mm的端板、推力隔板和端柱后翼板，在冬季施工，温度较低、湿度较大，再加之此类焊缝为I类焊，因此要求在焊前预热、焊层加热、焊后热处理工艺措施。

2.3.7 工艺总结

支臂与支铰安装缝设计为单面焊双面成形，施工难度大，焊接质量及收缩量不易控制。经与设计沟通将此处焊缝修改为双面焊缝，焊接时在支臂长度方向预留收缩余量和焊接骑马板，以及分层分道焊接等工艺，有效保证了焊缝焊接质量及收缩量的控制。

门叶焊接时先焊门叶节间的纵梁和隔板焊缝，最后焊接门叶节间的面板对接缝。门叶调整合格后在节间的纵梁和隔板以及坡口焊缝上根据门叶结构结合门叶拼装检测数据布置一定数量的骑马板。焊接面板对接焊缝时，整扇门从下往上依次焊接。对每条对接焊缝而言，从中间向两边同时施焊。对称焊法可以减少焊接应力变形。

不同部位焊缝采用不同焊接方法。焊接时采用手工焊电弧焊与手工气保焊两种方法同时进行。手工电弧焊适用于一类焊缝，对接间隙较大，焊接质量要求较高，施工环境较差的部位。采用手工气保焊焊接弧门面板对接焊缝，电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池较小，热影响区窄，焊件焊后变形小，损伤较低；手工气保焊焊接提高了施工机械化和自动化加快了施工进度；手工气保焊焊后很少有熔渣，基本上不需清渣，减少了施工强度。门体几何形体尺寸均满足设计要求，焊缝的外观检查、内部超声探伤，合格率达100%，无一处返修。

2.4 侧轨及水封安装工艺

侧轨安装具体步骤：首先操作启闭机，使底节门叶的底缘离开底坎约500 mm停止，检查门叶底缘两边与底坎的距离是否相等，如果不等，调整启闭机的行程使其同步为止，并往复动作数次进行调整；再根据门叶的安装实际位置精调两边侧轨距孔口中心线的偏差值及门楣（包括转铰水封）的高程偏差值，并将其加固牢，正式进行闸门的划弧试验。每起落500 mm停止，测量门叶与侧轨之间的距离。这样往复全行程起落3次，做好记录，根据测量结果最终一次调整侧轨至合格后向土建交面进行二期混凝土回填。浇筑过程中定时检测确保轨道无变形趋向。

水封安装具体步骤是：弧门经过划弧试验后，方可进行水封的安装。水封在安装前利用启闭机将弧门门叶逐步吊出孔口，用水封压板对其进行号孔，并用空心冲冲孔。止水橡皮及橡皮垫螺栓孔为φ15 mm，必须小于螺栓1 mm。先安装侧水封，最后安装底水封。侧水封与底水封的接头采用热胶粘合。侧水封的安装应在闸门全开位置时从下往上逐步进行安装。落门时应不停地向侧轨和水封橡皮上注水保持润滑。弧门落底后用塞尺检查水封的预压程度。并进行透光检查。

采用门叶划弧后安装侧轨确保门叶与侧轨的相对位置，保证水缝压缩量满足设计要求，避免侧轨对孔口中心距离与弧门门叶对孔中心距离偏差过大，造成两侧水封压缩量不均匀。

3 结语

溢洪道工作弧形闸门目前已完成安装调试工作，并通过无水启闭及有水承压试验，闸门全行程启闭平稳，无超常振动，启停无剧烈冲击现象，无异常声响，渗水量及其他各项检测指标均满足设计规范要求。由此证明上述弧形闸门施工及优化方案满足超大型弧门安装要求，其安装与焊接工艺合理，具有一定的代表性和先进性。在施工手段缺乏的条件下有效利用现场有限的起吊手段实现弧门各部件安装，减少了土建与金结施工干扰，保证了整体施工进度预期目标的实现，为同类工程特别在节约投资，节省工期、保证质量方面有着重要作用。为以后类似工程施工，提供了良好的借鉴经验。