水电站大型钢结构调压井施工特点与难点浅析

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。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能量释放，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。

印尼阿萨汉一级水电站调压井采用地面钢结构型式的原因，主要是由于调压井选址处引水隧洞上覆岩层埋深较浅，不具备采用地埋式调压井的自然条件，而地面调压井如果采用钢筋混凝土结构型式，则其基础必须进行打桩处理等专门设计，也将会破坏原有地层结构。

2 工程概况

阿萨汉一级水电站为引水式电站，以发电为主，设置2台机组，单机容量90MW，总装机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，调压井阻抗孔以上采用地面钢结构型式，阻抗孔采用地下竖井型式，竖井底部与引水隧洞相连接。阻抗孔高度23m，内径3.4m，采用钢衬+混凝土衬砌。地面以上钢结构调压井总高度67m，直径18m，井壁钢板厚度12～46mm，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”形竖撑，每两层设置一道“T”形环状内横撑；底部基础采用C20/C25大体积混凝土，底座224根长大直径M100钢地脚螺栓(单根长5m)嵌入基础混凝土中；调压井上部主体钢结构重量达1400t，为亚洲最高、最大的地面钢结构调压井。调压井结构见图1。

图1 调压井剖面示意图(单位：m)

3 调压井施工特点和难点分析

3.1 施工复杂

调压井需遵循从下往上的施工程序，很难组织上、下平行作业，需先开挖施工支洞，再开挖阻抗孔底部连接段引水隧洞，再开挖阻抗孔竖井；相关洞井开挖、钢衬安装、混凝土浇筑、回填灌浆完成后，才能进行调压井基础底座施工以及后续调压井本体安装施工，任何一项紧前工序滞后都会对后续工期带来较大影响。阻抗孔施工时，还需统筹考虑引水隧洞、阻抗孔、压力斜井施工的相互干扰，应尽可能减少其他工作面对阻抗孔施工的影响。

3.2 地下工程施工难度大

调压井如同连通器一样与底部引水隧洞相连接，引水隧洞施工需从施工支洞进入，而施工支洞、引水隧洞和阻抗孔施工全部为地下工程施工，存在围岩掉块、洞顶塌方、井壁坍塌的风险，遇到地下水时围岩容易软化，地下工程施工支护工作量大，安全风险高；而且地下工程全部采用钻爆法施工，境外火工材料的许可、采购、运输等程序管理严格，存在安全风险。

3.3 安装和焊接工作量大

调压井基础整体结构外形尺寸大，基础涉及一期、二期大体积混凝土浇筑，底座结构涉及多块超厚钢板和双排长大锚固螺栓安装，单块环向厚钢板周长达56.6m，单块环形构件无法现场整体吊装，需多块拼装焊接，大大增加安装和焊接工作量。

3.4 钢结构调压井井筒规格大

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。而选择适宜的构件吊装设备是主要难题之一，也是决定调压井施工成败的关键因素。经对比分析，常规吊装设备难以满足要求，若选用大型汽车吊进行构件吊装，则只能吊装调压井底部一定高度的部分构件，施工场地也受限；若选用大型建筑塔吊，技术上虽可行，但很不经济，而且随着调压井井筒上升，塔吊塔身无法进行扶墙加固，塔吊本身也存在安全隐患[1]。

3.5 施工操作平台复杂

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，如何设计制作施工操作平台是一个难题。考虑场地、成本、安全等方面的因素，调压井井壁外围搭设脚手架方案是不可取的。调压井内搭设满堂支撑架形成平台方案也难以实施，因为随着调压井的升高，需多次反复搭设加高支撑架，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。

3.6 防雷保护问题突出

调压井为高耸钢结构建筑，施工区域为多雷雨高原地区，随着调压井安装升高，如何妥善解决防雷保护问题也是难点之一。如果设置两座高100m的塔式避雷针，不仅成本很高，也将占用较大的施工场地，影响构件运输和吊装作业。

3.7 焊接质量要求高

调压井井壁环缝和纵缝内、外侧都涉及大量焊接作业，部分超厚钢板需要焊前加热、焊后保温，井壁内、外侧都需要设置操作平台。地面钢结构调压井具有存水容器特性，需长期在高水位状态运行，井壁承受的内水压力较大，如果出现局部渗漏等质量问题，后期很难进行消缺处理，调压井施工质量要求高。

4 地下工程施工技术要点

调压井基础明挖尽可能安排在旱季施工，明挖结束后阻抗孔开挖前，首先要进行下部连接段引水隧洞开挖，才能进行阻抗孔竖井开挖，而隧洞开挖首先需要合理布置施工支洞。施工支洞是引水隧洞上游工作面、阻抗孔和下游压力斜井三大工作面同时施工的交通要道，施工干扰、交通堵塞和通风散烟问题突出，而每一个工作面都可能成为潜在的关键线路。为化解这一难题，在阻抗孔底部引水隧洞段上、下游相距约80～100m左右分别设置一条施工支洞，两条施工支洞承担三个工作面施工，可以大大减少施工干扰和交通堵塞，通风散烟条件也可大大改善。

阻抗孔竖井开挖安全风险高，需要采取合理施工方案和防护措施。在有条件的情况下，竖井开挖应优先采用反井钻机开挖方案。阻抗孔底部连接段隧洞开挖完成约80～100m后，先用反井钻机从调压井基础开挖面从上至下钻直径214mm导孔，钻至底部后，在钻杆顶上更换安装直径1.4m钻头，从下往上扩孔开挖，扩孔石渣自由落至引水隧洞，由底部出渣。扩孔至地面后，再根据阻抗孔开挖直径从上往下分层进行人工钻爆扩挖，由底部引水隧洞出渣。开挖过程中井筒壁需逐层做好喷锚支护。

钢衬安装、混凝土浇筑和洞顶回填灌浆也需要先施工与阻抗孔连接的隧洞段部位，然后才能从下往上分节进行阻抗孔钢衬安装和混凝土回填浇筑。为减少施工支洞运输相互干扰，隧洞段、压力斜井和阻抗孔三个工作面钢衬安装应尽量避免同期施工，因调压井上部井筒安装工期长，应优先进行阻抗孔钢衬安装，再进行上游面引水隧洞和下游面压力斜井钢衬安装。

5 调压井基础安装技术要点

5.1 基础底座结构

调压井基础采用C20和C25两种等级的大体积钢筋混凝土，分一期、二期进行浇筑。混凝土厚6m，底部设置224根M100超长大直径地脚螺栓(单根长5m)，调压井底座和螺栓锚固于大体积混凝土内。调压井底座材料为Q345C，底座结构复杂，钢板厚，焊缝密集且数量多，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。调压井底座截面见图2。

图2 调压井底座截面示意图1，2-内外锚固螺杆；3-锚板；4-基础环板1；5-基础环板2；6-套管；7-围板1；8-围板2；9，10-内外环形盖板；11，12-内外肋板；13-井筒壁板；14-止水板；15-止水环板

5.2 基础底座安装程序

调压井基础整体结构外形尺寸大，基础大体积混凝土需分一期、二期进行浇筑。锚固于大体积混凝土内的底座结构涉及多块超厚钢板和长大直径螺栓安装，底座单块环向厚钢板周长达56.6m，单块环形构件无法现场整体吊装，需分6块进行制作和现场组装，大大增加安装工作量和施工难度。同时，还需分析研究合理的安装组装程序，以保证安装质量。

安装顺序：基础环2安装→套管安装→锚板安装→止水板和止水环板安装→基础环1安装→第一节井筒壁安装→肋板安装→锚固螺栓定位安装→围板2安装→二期混凝土浇筑→环形盖板安装→螺栓初期紧固。

5.3 基础底座安装要点

将第一段基础环板2吊到安装好的托架，按测量安装位置将环板调整并加固好。同样方法安装第2～6段环板，严格控制接头间隙，对各接头同时施焊，在焊接完成后进行整体校正。

在基础环2下面画出套管定位线，将套管安装焊接在基础环2下面。安装底部锚板，并与锚板围管焊接，锚板由底部预埋支撑焊接固定。安装止水板和止水环板并按设计位置焊接到基础环2上。将第一段基础环板1吊到基础环2上，按安装位置将环板调整并固定好，同样方法安装第2～6段环板。考虑到基础环1的焊接空间，采用临时支架将基础环1架起后进行焊接(架起高度约900mm)。将调压井第一节井壁各瓦片依次吊装到位，按照设计要求进行组装焊接。在基础环1和筒壁对应的位置装上肋板，并按顺序对肋板立缝和角缝进行施焊。将锚固螺杆用吊车配合人工安装到位，调整好垂直度符合要求后安装围板2。

对底座各安装部件和钢筋焊接进行检查，隐蔽工程验收合格后，进行二期混凝土浇筑，二期混凝土保湿养护不少于14天。将内、外环形盖板分段依次放到肋板上，调整好与筒壁间隙并进行压头对接焊。底座全部安装完成验收合格后，紧固锚固螺栓，螺栓分两次紧固，初拧紧固为设计紧固力的70%，拧固时需对称进行。所有焊缝焊完后进行二次紧固。

6 调压井筒体吊装技术要点

6.1 方案设想

通过对调压井施工特点和难点的综合分析，结合调压井筒体结构特点，主要从以下方面考虑：一是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[2]。二是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[3]。三是在调压井井壁外设置简易外挂棚形成操作平台。四是避雷针用来保护调压井井筒免受雷击，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。

6.2 方案制作

在调压井井筒体内设计了直径18m的上、下两层施工作业平台，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。调压井吊装系统剖面见图3。

图3 调压井吊装系统剖面示意图

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、高效地解决了平台支撑支座的难题。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3t卷扬机使扒杆变幅可回转，1台5t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，沿调压井内四周实现构件吊装。在液压举升平台上、下空间设置4个10t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。

将避雷针布置在回转平台上，其总高度16m，重约300kg，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。在调压井井筒顶部布置6个焊接外挂棚，解决了井壁外部活动施工平台的问题。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。

6.3 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→10t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，确保四只油缸基本同步上升→同步操作10t手拉葫芦，确保该四个角与其他四个角同步上升，将平台顶升1m或1.25m→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1m或1.25m，完成一个顶升循环→检查10t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。

6.4 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。

6.5 液压举升平台拆除

调压井安装到顶后，在调压井底部外围均匀布置2台5t卷扬机和2台10t卷扬机，通过在抗风圈上设置滑轮导向及定滑轮、在液压举升平台上设置动滑轮，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。

7 结 语

本文分析了水电站地面大型钢结构调压井施工特点和技术难点，阐述了调压井施工由下往上施工工序衔接紧密、施工程序复杂的特点，并结合工程实践，对阻抗孔以下地下工程施工、调压井基础底座安装、调压井筒体吊装技术要点进行了重点分析。

由于水电站钢结构调压井在国内并不多见，且本工程调压井规模尺寸较大，其基础底座安装和调压井井筒吊装技术具有较好的实用性和创新性，该调压井的成功安装实施，为类似超高、超大型钢结构工程安装提供了一种新的解决方案和思路。