抽水蓄能电站深竖井施工与质量控制

廖国玲

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 工程概况

阳江抽水蓄能电站位于广东省阳春市与电白县交界处的八甲镇，电站枢纽工程主要由上水库、下水库、进出水口及闸门井、引水隧洞、地下厂房、主变室、尾水闸门室、尾水隧洞、开关站等组成(见图1)，最大毛水头为698.7 m，额定净水头为653 m，额定转速为500 r/min，安装3台单机容量40万kW的机组。

引水隧洞包括上平洞、引水上竖井、中平洞、引水下竖井、下平洞、引水钢岔管，引水竖井由上弯段、直线段和下弯段构成。引水上竖井上、下弯段长均为45.9 m、半径为30 m，直线段长为290.1 m，开挖直径为8.7 m，初期支护厚度为10 cm，衬砌厚度为50 cm，衬砌后直径为7.5 m(见图2)；引水下竖井上弯段长为45.925 m、下弯段长为45.625 m，半径均为30 m，直线段长为287.2 m，开挖直径为8.9 m，初期支护厚度为10 cm，衬砌厚度为60 cm，衬砌后直径为7.5 m(见图3)。

图2 引水上竖井剖面示意

图3 引水下竖井剖面示意

2 竖井施工难点及特点

近年来抽水蓄能电站向大容量、高水头发展，隧洞、斜竖井往往承受较高的内水压力[1]。阳江抽水蓄能电站是目前国内净水头最高、埋深最大、单机容量最大的一等[大(1)型]抽水蓄能电站，引水隧洞下平洞和岔管段静水压力高达800 m水头，远高于国内已建和在建的抽水蓄能电站，在国际上也处于前列。由于引水竖井超高水头，将其分成上下两级超深竖井建设，竖井施工工艺流程主要包括：先导孔砖孔(200 mm)-导井开挖(1.4 m反井砖反拉)-一次扩挖(3.5 m)-二次扩挖(全断面)-滑模混凝土浇筑-高压灌浆施工(见图4)。竖井开挖常用的方法是先开挖中导井、后扩挖至设计断面的方法[2-3]，导井开挖主要是控制反井钻机不出现卡钻，超深竖井Φ1.4 m导井的精准开挖[4]、竖井扩挖是工程第一大难点；竖井滑模爬杆稳定性、同步性、滑升速度、混凝土配合比是管控要点，高压竖井混凝土施工质量控制是工程第二大难点；本工程引水隧洞水头高、压力大、竖井深，后续灌浆压力大，10 MPa高压灌浆是工程第三大难点；超深竖井各阶段安全施工控制是工程第四大难点。

本文重点探讨超深竖井混凝土施工质量控制、施工平台及设备的安全管控。钢筋混凝土衬砌采用竖井布置方式较多，因为钢筋混凝土衬砌对围岩覆盖厚度及质量要求较高，竖井布置较易满足要求[5]。竖井高度高，在开挖过程中安全隐患大[6]，竖井施工存在上下垂直交叉作业，竖井人员上下通道、材料及设备上下运输方式、混凝土输送方式等是竖井衬砌施工安全的重要环节；混凝土配合比设计、竖井防渗排水、混凝土入仓方式、滑模设备是竖井施工质量的重要保障；上下平洞与竖井弯段的扩挖部位形成大体积混凝土，是上下弯段混凝土浇筑质量控制的重点。

3 施工方法

3.1 施工布置

抽水蓄能电站在应用引水竖井施工方法时，要点在于应开展有效的布置工作，确保在后续的施工中存在坚实的基础，以此来提高施工质量[7]。阳蓄电站竖井上弯段井口平台采用岩锚梁+桁架固定，上平台设置固定绞车提升系统，下平台设置钢结构施工通道用于材料、人员上下；施工人员乘坐10 t(2JTP-2.5×1.2P)绞车牵引防坠罐笼上下竖井，施工材料由15 t卷扬机牵引载物吊笼上下提升(见图5所示)。

图5 上弯段井口平台布置示意

3.2 绞车提升系统

在上平洞距竖井中心约55 m布置1台10 t双卷筒载人绞车，绞车前方布置1台10 t双卷筒卷扬机，用于牵引罐笼防坠钢丝绳，在平洞左侧距竖井中心约38 m布置1台15 t卷扬机，用于提升材料上下竖井、滑模固定及溜管安装等，竖井提升绞车及卷扬机基础各设置8根地锚，确保施工机械设备基础牢固(见图6)。

图6 竖井提升系统布置示意

3.3 混凝土溜管安装

溜管采用DN200钢管，壁厚8 mm，单节长度为2.0 m，上竖井溜管最长为310 m，下竖井最长为307 m；每节溜管之间采用法兰盘连接，用8根S8.8级螺栓连接，配弹簧垫片。溜管上的吊环采用 Ф28 圆钢与钢管壁满焊，吊环位置在距离法兰上口 35 cm 处。为了确保溜管在浇筑过程中的安全，防止爆管或法兰松动，溜管采用四重保护：

1)竖井内部间隔6 m设置2根Ф22 mm外露50 cm锚杆，外露锚杆焊接支架并利用钢管夹间隔6～12 m将溜管固定在竖井壁上。

2)溜管整体采用2根Ф28 mm钢丝绳悬吊，且每节溜管均采用U型扣将钢丝绳与溜管圆钢牢固连接，U型扣螺母扭紧后采用22#铅丝捆紧防止螺母松脱。该钢丝绳主要作为溜管安装过程的保护措施，吊装过程可满足整趟溜管的荷载，浇筑过程作为溜管固定保护措施。

3)溜管固定在井口横担300H型钢与I18工字钢焊接的桁架上，溜管承载混凝土浇筑荷载及自身重力。

4)混凝土从受料斗集料后流入溜管，溜管每18 m安装一个h型缓冲器(缓冲器结构见图7)，混凝土从左侧溜管流入缓冲器，混凝土高度超过隔板后翻入缓冲器右侧，再流至下一节溜管，依次循环，流入竖井混凝土仓号。缓冲器极大保证混凝土不出现骨料分离，大幅提高浇筑质量[8]。

图7 缓冲器结构示意

3.4 竖井滑模安装

引水上下竖井直线段采用液压内爬式模板衬砌，结构简单，安全可靠。各结构件安装顺序：测量放样标出结构物设计轴线→组装辐射梁和筒心→安装提升架→安装平台梁→安装千斤顶及油泵→安装模板→安装液压系统并调试→安装分料平台→安装抹面平台，安装示意见图8。滑模采用16个QYD-60型液压千斤顶，孔径50 mm，额定起重量6 t/台，一台液压泵站控制，同步爬升，千斤顶滑模杆采用Ф48×3.5 mm钢管，爬杆采用定制螺纹连接方式，设置于衬砌混凝土中部，后期灌浆处理。

图8 竖井滑模结构示意

1)滑模模体在下平洞利用15 t卷扬机进行拼装。

2)拼装完成后利用上井口15 t卷扬机将模体吊至竖井直线段与下弯段相交部位固定。

3)利用卷扬机受力、锚筋、拉杆等将滑模固定，防止摆动。

4)下弯段浇筑前将滑模爬杆预埋入混凝土，滑模与下弯段采用小钢模板可靠顺接，浇筑前调整固定好滑模。

5)下弯段浇筑完成后，待混凝土强度达到75%即可进行竖井直线段滑模滑升。

4 施工质量控制

4.1 施工工艺流程

引水竖井混凝土主要分为3部分：下弯段衬砌、直线段衬砌、上弯段衬砌，具体工艺流程见图9。

图9 竖井混凝土施工工艺流程示意

4.2 下弯段衬砌

竖井下弯段长度约45.0 m，采用木模板+脚手架支撑进行混凝土衬砌，泵送入仓，先浇筑超挖部分再浇筑混凝土衬砌结构。下弯段分仓示意见图10。

图10 下弯段分仓示意

超挖区回填：分3层即3仓(①～③)，层高6 m，每层迎水面又分6个台阶，台阶高度1.0 m，并确保台阶浇筑后最小厚度不低于1.0 m；在台阶浇筑时，按照1/2排架立杆间距预埋Φ32插筋(即一半排架立杆底部后期采用插筋固定)，便于弯段立杆加固。

永久衬砌分为2仓(④、⑤)，仰拱部位模板主要靠焊接钢筋支架，顶部模板主要靠焊接Φ12拉杆提拉，模板内侧采用钢管弯制弧形便于拼装固定模板，并在衬砌内采用Φ28～Φ32钢筋内撑。底部排架立杆部位间隔支撑，一根设置在台阶浇筑时预留的插筋上，插筋与结构钢筋的分布筋焊接成为一个整体，并设置三角支撑，浇筑完成后割除外露钢筋打磨平整并涂刷环氧，另一根支撑在模板上，整体呈梅花型布置。

4.3 直线段滑模衬砌

当竖井深度较大时如何将混凝土入仓是混凝土浇筑的难点[9]。阳蓄电站竖井直线段深290 m，直线段采用内爬式滑模，混凝土入仓采用溜管从井口垂直送到井底，从竖井底部依次向上浇筑。滑模的滑升是由空心式千斤顶带动模板沿爬杆往上滑升来完成的[10]。引水竖井下弯段浇筑最后一仓弯段前，调整好滑模，对滑模位置及爬杆进行加固，待下弯段混凝土浇筑至下弯段与竖井相交部位时，启动滑模施工。

1)初始滑升

首批入模的混凝土分层连续浇筑至40～60 cm后，当混凝土强度达0.2～0.3 MPa时，用手按新浇混凝土面，能留有1 mm左右的痕迹，便开始试滑升。试滑升是为了观察混凝土的实际凝结情况以及底部混凝土是否达到出模强度。因全部荷载由爬杆承受，应特别注意爬杆、提升架、千斤顶的稳定性、油管接头有无漏油、模板倾斜度是否正常等。

滑模初次滑升要缓慢进行，滑升过程中对液压装置、模板结构、负载条件下的设施等进行全面检查，发现问题及时处理，并严格按以下步骤进行：第1次浇筑3～5 cm厚的水泥砂浆(新老混凝土面能较好的结合)；接着按分层厚度30 cm浇筑2层，厚度达到60 cm时，开始滑升5 cm，检查脱模的混凝土凝固是否合适；第4层浇筑后滑升20 cm，继续浇筑第5层又滑升15～20 cm；第6层浇筑后滑升15～20 cm。滑模试滑升3～5个行程，对提升系统、液压控制系统及模板等变形进行全面检查，发现问题及时解决，确保施工安全顺利进行[11]。

2)正常滑升

滑模经初始滑升并检查调整后，即可正常滑升，直线段滑膜衬砌示意见图11。滑模正常滑升根据现场施工情况确定合理的滑升速度，正常滑升时宜控制速度为15～30 cm/h，每次滑升5～10 cm，控制日滑升高度为3.0～8.0 m。滑升时若脱模混凝土有流淌、坍塌或表面呈波纹状，说明混凝土脱模强度低，应放慢滑升速度；若脱模混凝土表面不湿润，手按有硬感或伴有混凝土表面被拉裂现象，则说明脱模强度高，宜加快滑升速度[12]。滑模浇筑至接近竖井顶时，应放慢滑升速度，准确找平混凝土，浇筑结束后，模板继续上滑，直至混凝土与模板完全脱开为止。

图11 直线段滑模衬砌示意

滑模滑升过程应遵循“多动少滑”，保持滑模平衡。滑升时采用PE管装水，利用连通器原理，进行滑模水平度观测，滑升过程每日需利用顶部安装激光投点仪进行定位测量。

3)抹面施工

在竖井滑模滑升后，混凝土强度较低，混凝土表面存在一定的缺陷，表面不光滑，或出现裂纹，需对混凝土进行抹面，确保施工质量。抹面前应做充分的防水措施，严禁有渗水、滴水浸蚀混凝土面，并用直尺和弧形靠尺检查表面平整度和曲率。在抹面时还应特别注意接口位置，消除错台，使其平整，曲面达到曲率要求。抹面时如发现混凝土表面已初凝，而缺陷未消除，应停止抹面，并及时通知有关部门，待混凝土终凝后，按缺陷处理规定进行修补。

4)脱模养护

模板安装前应涂刷脱模剂；浇筑混凝土强度达到设计要求后开始脱模，脱模后喷水养护，以保持混凝土表面经常湿润，避免裂缝的产生；为保证混凝土施工质量，脱模后，强度达到后设专人定时洒水，对混凝土进行养护[13]。

4.4 上弯段衬砌

上弯段衬砌采用木模板+自制桁架+脚手架支撑作为施工平台进行混凝土衬砌，超挖混凝土浇筑靠边墙拉杆或桁架加固模板。

结构段分5仓衬砌，超挖段分3仓衬砌，共分8仓(见图12)。

图12 上弯段分仓示意

第①、②仓衬砌部分与超挖部分一起浇筑；第③仓为超挖部分浇筑约9.8 m高，第④仓为衬砌段，第⑤仓超挖部分浇筑约7.5 m高，第⑥仓衬砌段，第⑦仓超挖部分浇筑约3.8 m高，第⑧仓衬砌段；衬砌采用泵送混凝土浇筑，回填区采用自密实混凝土浇筑；浇筑顺序先结构衬砌再回填：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧。

5 结语

本文重点探讨了抽水蓄能电站超深竖井施工及质量控制，结合竖井井口平台、绞车提升系统、混凝土溜管的布置及安全，分析了竖井下弯段、直线段滑模、上弯段混凝土衬砌的方法、工艺流程、施工质量控制措施，可供同类超深引水竖井施工参考应用。

1)竖井上弯段、下弯段衬砌采用分层分仓浇筑，泵送入仓，宜先浇筑超挖部分再浇筑结构衬砌。

2)竖井直线段采用内爬式滑模，初次滑升需缓慢进行，滑升过程中全面检查液压装置、模板结构的同步性，如有偏差及时调整。

3)滑模混凝土入仓采用溜管从井口垂直送到井底，从竖井底部依次向上浇筑，因竖井较深，溜管每18 m安装1个h型缓冲器，用以减小混凝土下落速度、缓解溜管壁磨损量、防止混凝土骨料分离。

4)滑模正常滑升速度建议控制在15～30 cm/h，每次滑升5～10 cm，日滑升高度控制在3.0～8.0 m；滑升时若脱模混凝土有流淌、坍塌或表面呈波纹状，应放慢滑升速度；若脱模混凝土表面不湿润、手按有硬感或表面被拉裂，应加快滑升速度。