大型钢结构调压井基础结构特点及安装工艺探讨

李忠贵

（中国华电科工集团有限公司，北京，100070）

调压井是水电站工程重要的水工建筑物，其作用是当机组甩负荷关闭导叶或阀门时用于调压释放能量，从而保护机组和上游水工建筑物的安全。国内很多水电站调压井一般采用钢筋混凝土井筒结构，井身全部或部分埋于地下，井口露出地面。这种结构型式调压井施工程序相对简单。而地面大型钢结构调压井由于受力和边界条件不同，基础整体结构和底座需要进行专门设计。印尼阿萨汉一级水电站工程以发电为主，引水系统采用一洞两机布置，设有2台单机容量90MW水轮发电机组，总装机容量180MW。主要枢杻建筑物包括挡水坝、引水隧洞、调压井、压力斜井、地面发电厂房和升压开关站。其中，调压井根据选址处地形地质条件，由于地层埋深较浅，阻抗孔以上调压井本体设计采用地面钢结构型式，地面以上总高度67m，直径18m，调压井本体重量高达1 460t（调压井结构示意图见图1）。

图1 调压井结构示意图

1 调压井基础底座结构特点

该调压井为目前亚洲最高、最大的地面钢结构调压井，由筒体和底座两大部分组成，地面以上筒体高度67m，直径18m，井壁钢板厚度46～12mm，共30层，顶部 设置抗风圈。调压井内壁对称分布有8根“Ⅱ”型竖撑，每两层设置一道“T”型环状横撑。调压井基础采用C20大体积钢筋混凝土，混凝土厚度6m，底部设置224根M100锚固螺栓，螺栓单根长5m，调压井底座和螺栓埋置于基础大体积混凝土内。

调压井底座结构复杂、钢板较厚，底座材料设计采用Q345C钢板，底座焊缝数量多，总重量达250t。调压井底座主要由锚固螺栓、基础环1、基础环2、内环形盖板、外环形盖板、锚板、套管、围板、止水板、止水环板、第一节井壁以及安装于基础环1与基础环2之间的橡胶止水组成，所有部件均为厚度46mm厚钢板（调压井底座截面示意见图2）。

图2 调压井底座截面示意图

2 调压井底座安装技术难点分析

（1）底座整体结构外形尺寸大，环向周长达56.6m，单块环形构件无法现场整体吊装，需多块组装，大大增加安装和焊接工作量。

（2）底座钢板厚度大，制作难度大。钢板需制作成环形构件，由于环向尺寸大，结合现场吊装条件，考虑把每块环向钢板分别制作成6节在现场拼组装。制作过程中，需要精确控制好内径和外径尺寸以及径向角度。由于钢板厚、尺寸大，制作精度要求高、难度大。

（3）厚钢板构件焊接时容易产生裂纹。由于焊接热输入引起材料不均匀局部加热而产生不均匀压缩塑性变形，从而产生结晶裂纹；在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，又容易产生延迟裂纹[1]。

（4）底座锚固螺栓数量多达224根，螺栓直径大（Φ100mm），螺栓及螺母配套制作困难，需委托国内专业厂家生产。厚钢板大直径螺栓孔造孔困难；螺栓分内外两排径向布置，钻孔和安装精度要求高。

（5）厚钢板构件焊后变形不易控制。厚钢板构件的主要焊缝形式为坡口焊，坡口深、焊缝熔覆金属多、焊接热输入量大，从而导致钢板焊接时焊接收缩量大，焊接应力大，易产生构件变形[2]。

（6）锚固螺栓安装时竖向需同时穿过多块厚钢板，上下块钢板螺栓孔造孔需对齐，螺栓安装垂直度控制困难。

（7）底座钢结构各构件重量大，安装前需合理设计布置临时支撑和预埋件。

（8）调压井基础一期、二期大体积混凝土部位钢筋密集，施工空间狭窄，底座安装困难。

3 调压井底座与一般筒体钢结构底座安装工艺对比

3.1 一般筒体钢结构底座安装

在工程实践中，常见的外形尺寸相对较大的直立筒体、罐体钢结构主要包括风机塔筒，以及火电厂和化工厂的工业用水、制水、烟气脱硫等灰、水、油罐体，这些罐体一般高度和直径都不大，但密闭性和防腐性能要求高，其基础结构施工通常是在浇筑一期钢筋混凝土时直接预埋地脚螺栓或先预留孔位，待上部结构吊装和螺栓安装完后浇筑二期混凝土，上部钢结构本体也通常是用吊车整体或分节吊装就位，安装程序相对简单，不存在大量的零散构件吊装焊接作业。风机塔筒是常见的大型筒体钢结构，高度一般达60～140m，塔筒通常采用大型吊车分节吊装（塔筒直径一般4～6m），风机基础环是塔筒及上部荷载的主要受力部件，通常由专业厂家在厂内整体加工制作，整体运输、现场整体一次吊装就位，现场无须进行大量的拼装焊接工作[3，4]（风机基础环吊装示意图见图3）。

图3 风机基础环吊装示意图

3.2 调压井底座安装焊接工艺

本工程调压井属超高、超大型钢结构型式，基础底座环向外形尺寸大（周长达56.6m），重量大，结构复杂，空间竖向采用4层厚钢板装配，锚固螺栓直径达100mm，单根长度达5m，所有构件制作和安装难度都很大，无法按常规方法进行底座安装或整体吊装，只能采用分段制作、现场拼装方式，大大增加了构件制作、现场安装焊接工作量和整体施工难度，施工工期也较长。

同时，由于构件尺寸大、结构复杂，在基础安装前需合理设计布置辅助支撑和预埋件，合理划分一期、二期大体积混凝土浇筑顺序，并在浇筑一期混凝土时精确预埋辅助构件。在底座安装前，需对各构件安装程序、焊接工艺进行认真分析研究，确保安装精度质量满足要求。

根据调压井底座结构特点，选择合理的安装顺序如下：一期混凝土浇筑并预埋临时支撑构件→基础环1安装→套管安装→锚板安装→止水板和止水环板安装→基础环2安装→第一节井筒壁安装→肋板安装→锚固螺栓定位安装→围板1安装→二期混凝土浇筑→环形盖板安装→螺栓初期紧固。

基础环和内外环形盖板拼装焊接后相邻接节平面度≤0.5mm，整环平面度≤3mm；第一节井筒壁焊接后椭圆度要求±2/1 500，周长误差要求±1/400，垂直度±1/1 000。

3.3 安装工艺对比分析

大型钢结构调压井底座安装与一般筒体钢结构底座安装工艺和难度有很大不同，主要有以下几方面的区别：

（1）吊装方式不同。一般筒体钢结构底座尺寸相对较小，通常采用适宜吨位的吊车一次整体吊装就位（比如风机基础环），或直接采用预埋地脚锚栓连接，安装工艺简单。而调压井底座环向尺寸大，重量大，无法整体吊装，每圈基础环板需分6段制作、现场分6段吊装拼装，安装工艺复杂。

（2）焊接工作量不同。一般的筒体钢结构底座焊接工作量很少，而调压井底座安装涉及大量超厚钢板拼装焊接作业，钢板之间接缝多，厚钢板还需要焊前预热、焊后保温，焊缝检测工作量大，焊接质量控制成为保证底座安装施工质量的关键环节。

（3）安装工艺复杂程度不同。一般筒体钢结构底座整体吊装或安装完成后调整加固即可，调压井底座安装涉及锚板、套管、基础环1、基础环2、内外环形盖板、肋板、大直径长锚固螺栓安装，所有钢板均为46mm超厚钢板，每段钢板加工制作、吊装难度大，拼装平整度和焊接质量要求高；底座不同构件安装还必须遵循一定的顺序（程序）；大直径长锚固螺栓需委托专业生产厂家加工制作，安装精度要求高；底座整体安装工艺复杂。

（4）底座混凝土浇筑工艺不同。一般筒体钢结构基础混凝土工程量不大，通常浇筑不分期，涉及预埋地脚螺栓的基础，二期混凝土量也很小。而调压井基础属于大体积混凝土，需合理划分一期、二期混凝土浇筑，需要采取温控措施，混凝土浇筑后需加强养护[5]。

（5）底座安装准备工作不同。一般筒体钢结构底座安装准备工作单一，而调压井底座安装环向辅助支撑、钢板等预埋件需合理设计布置（环向辅助支撑预埋见图4），在浇筑一期混凝土时，预埋位置必须准确，底座安装前所有支撑、预埋件需仔细检查加固。

图4 底座环向辅助支撑预埋示意图

4 结束语

水电站钢结构调压井在国内外并不多见，没有现成的施工经验可以借鉴。通过对本工程调压井底座结构特点和施工难点分析，采取了合理的基础和底座安装施工方法、安装流程和焊接工艺，保证了底座安装整体质量满足设计和技术规范要求，为上部调压井顺利吊装打下了基础。无论从设计和施工安装角度，本调压井底座成功实例不仅为类似调压井结构、也可为其它类似超高超大型筒体钢结构施工提供有益的借鉴和参考。在国家大力提倡推广装配式建筑的大背景下，建筑制造业也在转型升级，本案例的成功实施也将具有更重要的现实意义。