水电站大型钢结构调压井吊装技术

李忠贵

(中国华电科工集团有限公司，北京 100070)

1 概述

调压井是水电站工程重要的水工建筑物之一，其作用是当水电站在运行过程中突然丢弃负荷而关闭导叶或者阀门时，由于水流的惯性，将产生瞬时的“水锤现象”，这种水锤压力可以通过调压井自由水面得到释放，从而保护和减少对机组和调压井上游引水道结构的破坏和影响。国内很多引水式电站调压井一般采用敞口式地埋或半地埋钢筋混凝土井筒结构，施工时从上往下逐层进行竖井开挖，井筒混凝土施工则从井口下料、从下往上分层进行钢筋绑扎和混凝土浇筑，这种施工程序相对简单。而印尼某水电站调压井则采用地面钢结构型式，其施工方法完全不同。

印尼某工程为引水式电站，以发电为主，设有2台单机容量为90 MW水轮发电机组，总装机容量为180 MW。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。调压井地层埋深较浅，阻抗孔以上采用地面钢结构型式，地面以上总高度为67 m，直径为18 m，井壁钢板厚度为46～12 mm，共30层，顶部设置抗风圈。调压井内壁对称均匀分布有8根“Ⅱ”型竖撑，每两层设置一道“T”环状内横撑，底部设置224根M100地脚螺栓(单根长5 m)与混凝土基础相连，主体钢结构重量1 400 t，为亚洲最高最大地面钢结构调压井(如图1所示)。地面钢结构调压井在国内并不多见，其施工方法需要进行针对性分析研究。

图1 调压井结构设计示意

2 工程特点和难点

2.1 施工特点

1) 钢结构调压井井筒环向尺寸大，无法进行单节整体吊装，需要分片、分节、分段逐层安装上升。

2) 调压井安装涉及大量构件高空吊装就位、加固、焊接和检验等工序，施工中必须有1个安全、可靠的操作平台和设备摆放平台。

3) 调压井为高耸钢结构建筑，施工区域为多雨、多雷高原区域，需要采取可靠的防雷措施。

4) 调压井井壁外围需同步安装焊接螺旋上升的手扶式钢梯及休息平台。

2.2 质量要求高

1) 按照EPC合同，一、二类焊缝质量检验全部采用100%的UT及10%～25%的RT检验，远高于国内同类工程项目的质量检验标准。

2) 地面钢结构调压井具有容器特性，需多年在高水位状态运行，井壁承受的内水压力较大，如果出现渗漏等质量问题，后期很难进行消缺处理。

2.3 施工难点

1) 调压井安装需要分片、分节、分段逐层安装上升，常规吊装设备难以满足要求。汽车吊只能吊装调压井底部一定高度的部份构件，施工场地也受限；塔吊技术上可行，但不经济，而且随着调压井井筒上升，塔吊塔身无法进行扶墙加固，施工安全存在隐患[1]。

2) 操作平台和施工设备摆放困难。考虑场地、成本、安全等方面的原因，调压井井壁外围搭设脚手架方案是不可取的。调压井内采用满堂脚手架方案也难以实施，其原因：随着调压井的升高，需多次反复搭设脚手架，工序十分繁杂，不仅耗费大量资源，而且占压直线工期，将严重影响工程施工进度，也存在极大的安全隐患[2]。

3) 调压井井壁环缝和纵缝内外都需要焊接，部份钢板厚度较厚需要焊前加热、焊后保温，井壁内外都需要设置操作平台。

4) 随着调压井升高，防雷避雷问题比较突出。如果设置2座高100 m的塔式避雷针，不仅成本高、占地大，也影响构件运输和吊装作业。

3 调压井吊装方案

3.1 吊装思路

通过对调压井工程的综合分析，吊装方案主要从以下方面考虑：

1) 吊装技术方面：以调压井井筒内设置大型液压举升平台、平台上安装卷扬机配合扒杆作为吊装手段，卷扬机可以沿平台旋转进行外侧构件吊装[3]。

2) 井壁内作业平台：采用井筒内大型活动式平台，随调压井上升而上升，采用液压技术实现大型活动式平台的爬升，电焊机等施工设备布置在作业平台上[4]。

3) 井壁外作业平台：在调压井井壁外设置简易外挂棚形成操作平台。

4) 避雷针设置：避雷针用来保护调压井井筒遭受雷击，保护工程和施工人员安全。避雷针结构安装在井筒内大型作业平台上，随平台上升而上升，使调压井井筒始终处于避雷针保护之下[5]。

3.2 吊装方案

1) 在调压井井筒体内设计直径为18 m的上、下2层施工作业平台，两个平台连接成整体，利用液压系统实现该平台随着调压井逐层安装而同步上升。调压井吊装系统平面示意见图2、调压井吊装系统剖面示意见图3。

图2 调压井吊装系统平面示意

图3 调压井吊装系统剖面示意

2) 调压井内壁对称布置有8根竖撑，竖撑刚度强度高，通过在竖撑上开孔，将4支液压顶升油缸对称布置在4根竖撑上，另4根竖撑上设置附加支座。通过采用活动式插销，竖撑与液压系统的4支油缸连接，形成活动式平台的支撑支座，巧妙、简易、低成本、高效的解决了平台支撑支座的难题[6]。

3) 在上层施工平台上设置回转平台和回转轨道，回转平台上布置卷扬机和扒杆体系实现构件吊装。其中，1台3 t卷扬机使扒杆变幅可回转，1台5 t卷扬机实施构件吊装。卷扬机和扒杆体系可沿回转轨道回转，可沿调压井内四周实现构件吊装[7]。

4) 在液压举升平台上、下空间设置4个10 t手拉葫芦，达到安全双保险的目的，确保了液压举升平台稳定安全。

5) 将避雷针布置在回转平台上，其总高度为 16 m，重约为300 kg，可随着回转平台的回转而回转，随着调压井的逐层安装而同步上升，调压井始终处于避雷针防护之下。

6) 在调压井井筒顶部布置8个焊接外挂棚，解决了井壁外部活动施工平台的问题。

7) 在工作平台走道两侧设置栏杆，平台底部和四周牢固设置安全网，确保施工安全。

4 调压井吊装施工

4.1 液压举升平台工作流程

对液压爬升系统和卷扬机扒杆联合安全检查→10 t手拉葫芦保险装置布置→启动液压系统，自竖撑孔内拔出液压油缸上端销轴→联动或单动液压油缸，确保4只油缸基本同步上升→同步操作10 t手拉葫芦，确保该4个角与其他4个角同步上升，将平台顶升1 m或1.25 m→将液压油缸上端用销轴与竖撑孔连接，自竖撑孔内拔出液压油缸下端销轴，单动液压油缸收起，将液压油缸下端用销轴与竖撑孔连接，如此重复上述步骤，将平台顶升1 m或1.25 m，完成1个顶升循环→检查10 t手拉葫芦保险装置，确保牢固可靠→将液压举升平台每个设置导向装置的角下部设置的钢支撑，支撑在井筒内壁的支座上[8]。

4.2 调压井安装施工流程

井筒内操作平台整体顶升→外侧焊接挂棚挪位→瓦片吊装→整体调整加固→焊缝坡口清理(如需预热，则焊前先预热，下同)内纵缝焊接→背缝清根→外纵缝焊接→UT检查→内环缝焊接→环缝背缝清根→外环缝焊接→上一循环焊缝RT检查及返修→竖撑吊装及焊接→横撑吊装及焊接→完成后，平台上升进入下一循环施工[9-10]。

4.3 液压举升平台拆除

调压井安装到顶后，需要拆除液压工作平台及相关设施。首先在抗风圈上布置一简易土扒杆，配置1台3 t卷扬机，将液压举升平台上面的设备、扒杆拆除，吊到地面。根据现场卷扬机情况，在调压井外围底部均匀布置四台卷扬机，其中2台卷扬机起重量为5 t，2台起重量为10 t，并在调压井外围底部附近设置滑轮导向，在抗风圈上设置滑轮导向及定滑轮，在大型液压举升平台相应位置设置动滑轮，钢丝绳采用2组配置，一次性将液压举升平台安全下放到井筒底部，在底部气割成小件，自调压井进人孔处搬动到井筒外[11]。

5 实施效果与问题探讨

该方案的实施有效解决了工程中遇到的技术难题，为工程顺利实施提供了技术保障。

5.1 实施效果

1) 采用液压顶升式活动平台作为调压井施工内平台，将常规满堂高排架转换为活动式平台，节省大量人力、物力和财力，有效解决了超高、超大钢结构筒体安装中的施工作业平台难题。

2) 将液压顶升式活动平台技术与卷扬机扒杆技术融为一体，探索超高、超大钢结构筒体安装中构件及材料吊装新手段。通过在活动式平台上设置回转平台和回转轨道，使卷扬机和扒杆系统能够沿井壁四周回转，解决了井壁四周构件吊装就位难的问题。

3) 采用活动式平台作为避雷针的平台基础，将地面超高超大的固定式避雷针转换为一种简易的、能够随着调压井逐层安装而同步上升的活动式避雷针，解决了避雷针方案的难题。

4) 通过分析调压井结构特点，直接利用调压井竖撑作为活动式液压举升平台的支撑支座，巧妙有效地解决了液压举升平台的支撑支座难题。

5.2 问题分析与探讨

1) 液压油缸的同步

因考虑制作成本及活动式平台(蛛网式八边形钢结构)为超大尺寸结构，整体刚度小，整体弹性变形大，故在设计液压系统时，对同步没有提出过高要求，平台爬升时，蛛网式八边形钢结构的8个角很难在同一个平面，平面变形幅度约 ±50 mm。因平台整体结构刚度小，少量变形未影响和破坏平台框架结构，但需要在顶升过程中加强观测和调整。

2) 4个导向及4个与竖撑销轴式活动连接座在爬升时常有卡阻现象，经分析，主要原因有：

① 平台在上升时存在回转座与竖撑中心的偏差；

② 井筒安装的垂直度和栯圆度：

③ 工作平台制作过程中尺寸偏差。

所以，4个导向及4个竖撑销轴式活动连接座与竖撑的间隙是变化的，且变化幅度较大，约为±45 mm。

3) 不能利用平台设置工装对筒壁安装及焊接变形进行有效控制。由于平台设计时没有考虑该项功能及吊装回转的影响，设计的平台较轻便，不能利用它设置工装对筒壁安装及焊接变形进行有效控制。如果平台制作具有足够钢度，且各类构件制作精度高，可设置工装对筒壁安装及焊接变形进行有效控制[12]。

4) 焊接外挂棚不能在筒壁上自行环向滑行移动。最初的方案是在挂棚上设置两个滚轮，支撑在筒壁的瓦片上，在人力的推动下沿瓦片上沿滚动，在实施时，因忽略了瓦片栯圆度的影响，滚轮与瓦片侧向间隙较小，人力推动不便，挂棚很难实现环向移动。

5) 在液压举升平台拆除由卷扬机下放至井底过程中，4台卷扬机应尽可能同步下放，避免平台不对称下放引起阻卡情况；同时，应认真检查井壁防腐工作是否到位，发现问题随平台下放一次处理完成。

6) 本吊装方案在分析研究调压井结构特点的基础上，利用在结构竖撑上开孔插销轴的方式解决了液压举升平台的支撑支座难题，使方案更具可实施性。对于其他类似超高超大型钢结构建筑物，如果结构本体没有对称的类似竖撑的构件可利用，可提前与设计单位沟通拟采用的施工方案思路，以便进行设计优化调整。必要时经过经济技术比较，亦可采用增加临时构件的方式解决液压举升平台的支撑支座问题。

6 结语

本文介绍了水电站地面大型钢结构调压井吊装技术应用创新实例，通过将液压举升平台技术、卷扬机扒杆技术和活动式避雷针技术融为一体，解决了大型筒体钢结构吊装、操作平台和防雷保护等相关技术难题，方案设计巧妙、大胆，具有较好的创新性。施工实践证明该方案很成功，缩短了施工工期约3个月，节约了施工成本约260万元，为亚洲第一高地面钢结构调压井的安全顺利安装提供了技术保障，为超高、超大型钢结构建筑物安装提供了一种新的解决方案和思路。