大型地下电站引水洞压力钢管安装方案对比分析

2014-10-21刘益勇

水力发电 2014年2期

易志，刘益勇

（中国长江三峡集团公司，北京 100038）

0 引言

我国西南部大部分在建或即将开工的大型水电站受到地形的限制，多数布置为地下电站。为保证洞室结构安全稳定，引水洞通常布置有压力钢管。压力钢管安装方案与现场条件紧密相关，并直接影响工程质量、安全、进度和投资，因此必须因地制宜，研究工程所处边界条件下的压力钢管最优安装方案。

1 主要方案简述

压力钢管安装方案贯穿于钢管制作、堆存、运输、安装的全过程，首先按照钢管安装的各道环节对方案进行归纳分类。

1.1 加工厂制作

大型地下电站压力钢管工程量较大，为保证生产能力和质量，一般都在洞外兴建钢管加工厂，进行工厂化生产，主要包括钢板切割、卷板、拼装、焊接、防腐、检验、堆存等工作内容。这一环节相对独立，而且多为标准化操作，便于生产安排，制作进度适当超前于现场安装即可。

此环节主要应考虑的是根据运输条件确定出厂件的尺寸和质量，即按多大瓦片、单个管节或多个管节出厂。例如:彭水水电站以1/4和1/5圆的瓦片出厂，向家坝以半圆出厂，构皮滩以单个管节出厂，大朝山[1]则是将2个管节组焊后出厂。为减少后续洞内的焊接工作量，宜尽量以大尺寸出厂。

1.2 场内运输

钢管从加工厂运到安装现场，一般采用平板拖车，有的工程还借助缆机、门塔机进行运输。运输前应查勘沿途道路、桥梁、隧洞，做好大件运输专项措施。

1.3 现场组圆

三峡、溪洛渡、龙滩、锦屏一、二级等水电工程的压力钢管在加工厂组圆，省掉了现场组圆环节。而二滩、彭水、向家坝、乌东德等很多工程由于运输安装、土建施工等因素只能在加工厂制成瓦片在施工现场进行组圆。现场组圆（洞外组圆归入加工厂组圆）主要有上（下）平段组圆和主厂房组圆两种方式。

上（下）平段组圆。将上（下）平段及其施工支洞局部扩挖，布置组圆工位和运输通道，设置天锚、地锚、轨道和卷扬机用于钢管吊运、翻身和就位。其优点是将钢管安装在引水系统内部，不与其他部位施工产生干扰。缺点是隧洞扩挖和回填量较大，洞室空间较小，通风排烟困难，作业环境差，吊装条件较差，组装速度较慢。乌江彭水水电站将1、2号下平段扩挖布置成组圆平台，并将部分支洞扩高，运送3～5号下平段的管节[2]，见图1。

图1 彭水水电站下平段组圆平台

主厂房组圆。主厂房空间开阔，便于布置组圆工位和堆放场地，厂房桥机可作为吊装设备，良好的作业环境有利于焊接质量，但主厂房组圆与混凝土浇筑、机电埋件安装在场地和桥机使用上有所冲突，土建、金结专业的施工特点也将彼此干扰。因此该组圆方式对主厂房施工影响较大。二滩、向家坝等水电工程均在主厂房组圆。

组圆的传统方式均为平面组圆，即将管节轴线垂直于地面摆放拼装，然后翻身、吊装。近年来研制成功的新型组圆台车采用立面组圆，其实质是一个大型立式回转平台，配备专用的内外支撑、装夹工具、低速超大扭矩旋转设备、多台自动焊机和传感数控装置，具有瓦片组对、纵缝自动焊接、自动调圆、加劲环组对和焊接等性能；台车还可进一步升级具备行走功能，钢管组圆后直接运送到安装位置。新型组圆台车提高了自动化水平，减小人力劳动强度，效率高，速度快；大部分焊缝采用自动埋弧焊，无弧光、烟尘小；台车外形尺寸紧凑，而且钢管立面摆放，若用于洞内组圆，扩挖和回填量远小于传统的平组方式。但其缺点也较明显:台车造价较高，通用性不强；台车一旦发生故障，对施工影响较大。

1.4 就位安装

1.4.1 运输通道

钢管组圆后主要有3种方式运至安装位置。

（1）上平段进口送入。进水口引水渠场地开阔，一般装有门塔机用于进水塔施工。钢管运到进水口后，利用门塔机卸车、翻身，并吊放到上平段进口，牵引进洞。龙滩上平段钢管采用此法。

（2）引水洞施工支洞送入。引水洞一般都会布置施工支洞作为通道，支洞扩挖后可运输钢管，例如锦屏二级水电站压力钢管从上、下施工支洞同时运输钢管[3]。需要注意的是，超大钢管从引水洞上部经弯段和斜（竖）井溜放到下部的过程，具有较大的安全风险和施工难度，须采取稳妥的施工措施。三峡地下电站上弯段以下设置钢管，最大管径13.5 m，管径与管节轴线长度比值达13.5/2，最大溜放单元质量达 70 t，溜放倾角呈 0°～60°～0°变化；在洞内布置由天锚、卷扬机、滑轮组、滑轨、承载台车等设施组成的起重系统，钢管溜放取得成功。

（3）下平段末端送入。沿主厂房上游边墙搭设接料平台，利用主厂房桥机将管节吊放到接料平台上，牵引进洞。二滩、向家坝采用此法。

以上运输方式也经常结合使用，例如溪洛渡左岸电站，钢管末节从下平段末端送入，其余管节通过下平段支洞运输，方式（1）、（3）分别对进水塔和主厂房施工有一定干扰。压力钢管管径一般都是上游段大，下游段小，因此方式（3）需扩挖尾部洞段满足钢管运输，此外接料平台也需投入一定成本。方式（2）为钢管安装开辟独立的工作面，不影响其他部位施工，而且可从支洞上、下游两个方向同时运输安装，特别适合压力钢管长、安装工期紧的情况；但其缺点是支洞扩挖和回填加大了施工成本，而且支洞与引水洞是串联布置，各条引水洞难以同步施工；支洞与引水洞交叉处通常需设凑合节。

1.4.2 安装（回填）顺序

各条引水洞的安装顺序若采用方式（2）运输钢管，一般从支洞最里端的引水洞开始，依次后退进行各条引水洞钢管安装，并从里至外封堵支洞。为加快进度，也可多条引水洞一组同步施工，但存在一定干扰。若采用方式（1）、（3）运输钢管，各条引水洞独立进行钢管安装，生产组织较为方便。

对于单条引水洞管节的安装顺序，较为方便的是从运输通道的远端往近端后退安装，一次运输就位，大多数工程均是如此。向家坝水电站与此相反，管节从下平段末端往上游方向送入后，考虑到钢管末端与蜗壳相接，对形位尺寸要求高，故将其作为定位节，所有管节先送入下平段堆存，再以末节为起点，从下游侧往上游侧逐节就位安装，多出一道管节运输就位的工序。

对于弯段、斜（竖）井段钢管的安装，一般都是自下而上分段进行。二滩水电站下弯段和下平段布置压力钢管，下弯段采用了较为特殊的倒装法[4]，如图2所示。管节从下平段末端送入，首先用台车和液压推进器将管节A运至下弯段起始点，并用锚固装置临时固定；再将管节A向上游推进一个管节的距离,采用沿轨道布设的卡阻器固定后,撤回台车和推进器，将管节B运送到位，与管节A拼装；再将管节A+B往上游推进一个管节的距离并固定，将管节C运送到位拼装，剩余管节同理进行。倒装法避免了从上弯段下放管节占压上部工作面，可上下同时施工。但若竖（斜）井也有钢管，所需顶推力和锚固力势必增大，使此法难以实施。

图2 二滩下弯段钢管倒装法示意

2 综合方案选定

地下电站施工是多专业穿插进行的系统工程，压力钢管安装应服从工程总体安排。前文单从钢管安装的各大环节论述了不同方案及适用条件，但前后环节之间相互影响、环环相扣，应将各个环节有机整合、通盘考虑，从钢管安装所处边界条件，及其对周边的影响两个方面，综合研究工程各方面因素，才能确定最优方案。表1列举了具有代表性的安装方案工程实例[4]。

3 工程实例

金沙江向家坝水电站总装机容量640万kW，其中右岸地下厂房安装4台单机容量80万kW的机组，引水洞的下平段和少部分下弯段设置压力钢管，最大管径14.4 m，为目前世界之最，施工难度较大。

投标方案中，压力钢管从引水洞进口运入，利用布置在引水渠的门塔机进行组圆和翻身，吊运到上平段洞口，卷扬机牵引滑轨车将管节自上平（弯）段、经斜井运至下平（弯）段，调整就位后进行安装。

实施阶段对安装方案进行了优化，加工厂内制作半圆，在主厂房布置平台平面组圆，利用主厂房50 t施工桥机翻身，吊运到下平段末端的接料平台上，再用卷扬机水平牵引到下平段内堆存，最后逐节就位安装。主厂房组圆是该方案最关键的环节，必须具备以下条件:①主厂房开挖结束，组圆平台形成；②引水洞斜井开挖完成，钢管堆存和安装不受影响；③主厂房桥机具备运行条件。同时钢管安装不得过多地影响主厂房工期，因为单从主厂房施工来讲，开挖完成后便可进行肘管、锥管等机组埋件的安装和混凝土浇筑，需占用主厂房大量场地，并频繁使用桥机，这与钢管组圆干扰较大，而主厂房正是向家坝首批机组投产的关键线路，所以应在主厂房后续工作最晚开工时间之前，消除压力钢管安装对主厂房的干扰。

基于以上要求分析工期，根据类似工程经验，单个管节在主厂房组圆占用6天直线工期，4条钢管共分88节，若在主厂房布置3个平台同时组圆，则工期为6个月，可满足2009年6月～2009年底的工期要求，因此主厂房组圆方案是可行的。向家坝主厂房场地宽阔，可在安装间和机组之间的隔墩上布置5个组圆平台。按上述分析，即使所有管节送入下平段后，再启动机组埋件安装，3个组圆平台即可满足工期要求，稳妥起见，实际布置了5个平台，加之机组埋件安装与压力钢管安装为同一施工单位，便于场地和桥机统一协调，因此，在钢管安装的同时进行肘管、锥管的安装，进一步节省了主厂房直线工期。

表1 各大地下电站压力钢管安装方案

方案优化后优势明显[5]，实际施工过程也非常顺利，电站已于2012年11月投产发电。对比原方案，主厂房组圆方案对主厂房的影响在可接受范围，工期有保障；投标方案在斜井和上、下弯段溜放时的安全风险和施工难度很大，尚无φ14 m以上钢管溜放的先例，而实施方案避开了这一难题；投标方案在引水渠露天组圆，气象因素对焊接质量影响较大，在主厂房组圆基本等同于加工厂作业环境，有利于焊接质量；方案调整后节省投资200余万元。