轴流转桨式机组混凝土蜗壳调整为钢衬蜗壳后的结构与施工优化

龙 波

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

南欧江三级水电站(NamOu 3 HPP)位于老挝南欧江中游河段琅勃拉邦省境内，为南欧江7级开发方案中的第三级，地理坐标为东经102°40′02″，北纬20°49′15″。坝址距下游孟威新县城琅多(Nong Khiaw)河道约33 km。坝址多年平均流量为436 m3/s。水库正常蓄水位高程360 m，相应库容1.81×108m3，年发电量8.26亿kW·h。枢纽采用混凝土闸坝、坝后河床式厂房布置方案，最大坝高59.5 m。

主厂房布置3台轴流转桨式机组，总装机容量为210 MW，转轮名义直径6 100 mm，蜗壳结构为混凝土。根据类似工程经验，混凝土蜗壳受长期水流摩擦及气蚀影响可能会造成混凝土蜗壳表面损坏，甚至产生渗漏破坏，进而增加后期运行和维护成本。实施阶段，施工单位提出了将混凝土蜗壳调整为蜗壳钢衬方案。采用钢衬蜗壳后，可有效防止水流长期冲刷混凝土造成的破坏，避免蜗壳结构产生渗漏破坏，提高蜗壳结构的耐久性，减少后期维修费用，提高机组的有效利用时效，而且钢衬蜗壳能更好地控制流道线形，减小水流沿程损失，提高其利用效率[1]。经论证后，最终将南欧江三级电站水轮发电机组混凝土蜗壳调整为全钢衬蜗壳，笔者对其结构与施工优化进行了介绍。

2 蜗壳的结构和型式

根据该工程的水头和功率得知，工作在H<40 m的低水头的混凝土蜗壳采用多边形下伸T型断面，断面最大高差为9 850 mm，δ=30°，γ=15°。混凝土蜗壳分多层浇筑，分层厚度及浇筑方法需结合蜗壳外围钢筋混凝土的承载力考虑，目的是使混凝土所承担的内水压力部分转移、主要由钢衬承担[2]。混凝土蜗壳典型断面见图1。

图1 混凝土蜗壳典型断面示意图

3 蜗壳混凝土结构的设计优化

3.1 蜗壳混凝土结构设计

按照设计图纸，混凝土蜗壳的设计采用多边形下伸T型断面结构形式，在座环的碟形边缘设置上、下金属衬板，上、下金属衬板为焊接方式，混凝土蜗壳与上、下金属衬板包边相接[3]，蜗壳进口断面和其余断面的结构尺寸由大变小成蜗型渐变。该混凝土蜗壳结构设计的缺点是需多层分块混凝土浇筑施工，对浇筑工艺要求极高。

3.2 蜗壳钢衬结构的优化设计

将混凝土蜗壳优化为钢衬蜗壳后，原设计的锥管、转轮室及座环加固、基础布置、二期混凝土结构形式将改变，蜗壳钢衬无法按照混凝土蜗壳的结构形式进行混凝土浇筑，需先进行锥管安装，然后浇筑锥管周边的混凝土，再施工座环支墩。只有将转轮室及座环安装完成后才能进行蜗壳钢衬的安装，蜗壳安装完成后方能进行蜗壳二期混凝土的浇筑。据此，施工单位提出了结构优化建议：调整锥管一、二期混凝土的结构形式，单独设置座环支墩，钢衬结构设计优化的方案为：肘管二期混凝土高程为316.4 m，先安装锥管，锥管安装完成后设置斜拉筋加固锥管，然后从高程316.4 m开始，沿锥管浇筑一圈混凝土至高程319.5 m，形成座环支墩基础；从高程319.5 m开始浇筑座环支墩至高程323.12 m，座环支墩沿圆周均布，在廊道处连通。蜗壳支墩采用钢支墩，从高程316.4 m布置。座环支墩安装完成后进行转轮室、座环的安装，然后进行蜗壳全断面安装，蜗壳安装完成后，进行蜗壳二期混凝土浇筑。

最终，设计院采纳了施工单位的意见，对蜗壳混凝土结构进行了优化，优化后的定型断面见图2。

图2 优化后的蜗壳断面示意图

4 钢衬混凝土结构的施工优化

以上结构设计优化后满足了实际施工需求。在实际施工过程中，从高程316.4 m开始做蜗壳钢支墩，蜗壳大头至小头为一个上坡结构，蜗壳钢支墩逐渐加高，其钢支墩高度为1.2～7.457 m。为降低施工难度，结合蜗壳混凝土结构，在施工座环支墩混凝土过程中结合钢支墩考虑，将蜗壳底部混凝土浇筑成台阶状，将蜗壳钢支墩高度控制在3 m以下；同时，因钢衬蜗壳与座环连接，而座环安装精度较高，如果在蜗壳二期混凝土浇筑过程中蜗壳发生位移或变形，将会直接影响到座环的安装精度[3]，故在施工过程对蜗壳二期混凝土浇筑方案进行了优化，具体如下：将蜗壳底部混凝土分成台阶与座环支墩混凝土一起浇筑，蜗壳底部分为4个台阶，其高程分别为316.4 m、318.1 m、319.5 m、320.5 m，从而使座环支墩高度变为1.2～2.63 m。蜗壳支墩高度降低后，增加了蜗壳钢衬的整体稳定性[4]，座环支墩及蜗壳支墩的具体情况见图3。

因钢衬蜗壳为异型结构，导致蜗壳二期混凝土浇筑无法保证蜗壳结构的对称性。为保证座环的安装进度，蜗壳二期混凝土浇筑分为Ⅰ区和Ⅱ区两部分：Ⅰ区为座环支墩至锥管、转轮室之间的部分区域，该部分先进行分层浇筑，分层浇筑时采用两台泵机对称下料，Ⅰ区混凝土浇筑完成后，将锥管、转轮室全部固定，座环亦相应固定。

蜗壳安装完成后，再分层进行蜗壳周边Ⅱ区混凝土的浇筑。因Ⅰ区混凝土已浇筑，座环亦基本固定，Ⅱ区浇筑时对座环基本不产生影响[5]。

座环支墩安装完成后进行转轮室、座环的安装，然后进行蜗壳全断面安装。蜗壳安装完成后，进行蜗壳二期混凝土浇筑。

5 蜗壳钢衬混凝土结构与施工优化取得的效果

5.1 蜗壳结构优化的进度保证

图3 座环支墩及蜗壳支墩示意图

蜗壳钢衬混凝土结构优化后设置了独立支墩，两个支墩之间留出的空隙可作为转轮室周边二期混凝土钢筋绑扎的通道，从而满足了土建混凝土浇筑的需求，在关键工序上降低了施工难度，加快了施工进度。

5.2 蜗壳结构优化的质量保证

根据设计图纸及规范要求，座环水平允许偏差为0.05 mm/m。座环安装时，其水平误差最大值为0～0.16 mm，平均偏差值为0.145 5 mm。蜗壳二期混凝土浇筑完成后，座环水平运行偏差未发生变化，即蜗壳二期混凝土先浇筑转轮室周边混凝土固定座环效果明显，达到了防止座环变形的目的。

5.3 蜗壳结构优化的技术保证

蜗壳混凝土结构优化后，整个蜗壳流道的水力阻力和损失减少，提高了机组运行的效率，钢衬蜗壳的承压强度更高，产生的气蚀降低，对蜗壳的破坏程度降低。

6 结 语

无论是设计方案或施工方案，其最终目的都是要满足现场实施的要求。因此，在满足结构要求、施工质量和施工安全的前提下，采用钢衬蜗壳结构与施工优化，相对于混凝土蜗壳具有很好的防水流刚性冲击的优点。该优化设计既为施工提供了方便、后期安装中取得了很好的成效，同时经济效益明显，提高了施工质量、有效地节约了机组安装的工期，为后续类似项目施工提供了宝贵的经验。