溧陽抽水蓄能電站進出水塔高懸空重荷載整流錐施工技術

劉 聰, 劉 新 星, 劉 軍 國

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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溧陽抽水蓄能電站進出水塔高懸空重荷載整流錐施工技術

劉 聰, 劉 新 星, 劉 軍 國

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

江蘇溧陽抽水蓄能電站上水庫進出水口為帶八道檢修閘門的豎井式塔體結構。帶蓋板的整流錐懸空高度高、跨度大、集中荷載重、工程體量大，施工中采用預應力錨索吊拉底承式型鋼平臺+滿堂紅盤扣式鋼管架的支撐體系，并采取分階段張拉、分層澆筑、過程監控的施工方案，快速、高效地完成了整流錐施工，對同類工程施工具有指導意義。

整流錐； 預應力錨索； 鋼桁架平臺； 盤扣架；溧陽抽水蓄能電站

1 工程概況

江蘇溧陽抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫及地面開關站等建筑物組成。地下廠房安裝6臺單機容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動發電機組，總裝機容量為1 500 MW，采用一洞三機布置。上水庫主要由1座主壩、2座副壩、庫岸及庫底防滲體系組成?？値烊? 423萬m3，死水位高程254 m，正常蓄水位高程291 m，主壩最大壩高165 m。

上水庫進/出口水塔有2個，塔體高程為242～295 m，塔體上部框架主要由8個閘墩及連系板組成，8個閘墩沿塔體中心環向布置，連系板每隔6 m高布置一層，立柱及連系板中間預留閘門槽，在立柱閘門槽內部設置直徑為0.8 m的通氣孔。連系板厚1 m，為外徑37 m、內徑15 m的圓環形結構(圖1)。塔體242～251.5 m高程處布置有進水口整流錐，錐體呈雙段異向圓弧錐體狀，上下段圓弧半徑分別為3.6 m、7.2 m，錐體部分高度為7.6 m，最大直徑為11.335 m，錐體上部為厚2.5 m的混凝土板，其直徑為37 m，懸空跨度達21 m(圖2)。單個塔體工程混 凝 土 工 程 量 為49 800 m3，鋼筋量為3 984 t；單個錐體混凝土工程量為123.6 m3，鋼筋量為7.5 t，錐體上部2.5 m厚混凝土板工程量為2 700 m3，鋼筋量為270 t。

2 主要施工難點

整流錐下部流道高約100 m，流道開口直徑為23.4 m，整流錐懸空荷載達2 600 t，錐體結構又異常復雜，根據設計要求，整個整流錐不能豎向分縫，故其懸空部分的模板支撐是整個整流錐施工的重難點，也是整個進出水口塔體施工的關鍵點。針對這些施工難點，經多次討論分析，項目部提出了三種施工方案：(1)將整流錐下部的井座段及豎井段流道全部填滿砂，在高程242 m處形成滿堂紅盤扣架支撐平臺，并在彎肘段末端澆筑混凝土墻予以封堵；(2)在進出水口上部合適位置形成環形平臺，在環形平臺上搭設型鋼平臺，利用型鋼平臺搭設滿堂紅盤扣架；(3)在閘墩上預埋鋼管，利用鋼管懸吊鋼桁架平臺，利用鋼桁架平臺吊拉模板。

圖1 進出水口塔體結構圖

圖2 整流錐三維圖

通過多次對比分析，從方案可行性、安全性、經濟性考慮，結合工程工期緊的實際情況并經過細化和專家論證，最終確定采用第(2)種方案，即采用預應力錨索吊拉底承式型鋼平臺+滿堂紅盤扣式鋼管架支撐，在底座段上部合適位置預留混凝土平臺，采用張弦式鋼桁架平臺錨固在混凝土平臺上，然后在閘墩上用無粘結預應力錨索吊拉張弦式鋼桁架平臺，在平臺上搭設盤扣式鋼管架支撐，在盤扣架上安裝工字鋼、木方支撐模板；型鋼平臺采用目前常用的寬翼緣式HM型鋼在鋼結構廠家訂制，廠家制造完成經預拼裝合格后再拉到現場組裝，采用汽車吊吊裝。

3 整流錐施工方案

3.1 支撐體系設計方案

(1)吊拉鋼桁架平臺的預應力錨索設計。

每個閘墩設置兩排、共4束無粘結預應力錨索，預應力錨索采用4根1860級φ15.24無粘結鋼絞線，將其下端錨固于HM型鋼桁架平臺下弦節點，吊索上端穿過閘墩錨固于閘墩上(張拉調節端)，無粘結鋼絞線的受力特點為全長均勻受力(圖3)。

圖3 預應力錨索示意圖

(2)預應力錨索吊拉型鋼平臺施工全過程計算復核。

預應力錨索吊拉型鋼平臺在施工過程中應重點關注其桿件應力和整體變形，其中桿件應力根據相應的材料要求確定。該工程選用的鋼材為Q345B，施工過程控制應力為300 MPa。整流錐位置的控制要求依據模板的支撐變形作為控制指標：最大豎向變形不超過跨度的1/1 000(20 mm)、水平位移不超過10 mm。實際施工時其水平位移通過錐尖下部設置的φ377×20 mm鋼管和直徑1 m的HW300 mm×300 mm鋼環予以控制，重點控制的是錐尖豎向變形。

預應力錨索吊拉型鋼平臺進行設計復核時模擬了不同的施工階段、施工時相應的恒荷載和活荷載，根據工程施工的特性和支撐平臺的剛度等，采用施工階段狀態變量疊加法進行整個預應力錨索吊拉型鋼支承平臺的復核驗算。經各階段模擬計算得知：其豎向變形量、桿件應力、支反力、吊索索力等均滿足施工安全要求。

3.2 總體施工方案

根據帶蓋板的整流錐懸空高度高、集中荷載重、跨度大、工程體量大的特點，結合現場施工設備及工藝，為減輕支撐體系的工程量及難度，整流錐采取分階段張拉、分層澆筑、過程監控的總體施工方案。主要為：(1)分三層澆筑：第一層澆筑整流錐錐體，澆筑高度為7.595 m(高程241.405～249 m)；第二層澆筑整流錐中部1 m厚的蓋板，澆筑高度為1 m(高程249～250 m)；第三層澆筑整流錐上部厚1.5 m的蓋板，高度為1.5 m(高程250～251.5 m)，見圖4；(2)分兩階段張拉：在錐體澆筑前進行第一次張拉，在澆筑整流錐中部厚1 m蓋板前進行第二次張拉；(3)底承式預應力錨索吊拉HM型鋼平臺+盤扣式鋼管支模架的組合支撐方案具體為：①在混凝土底座238.3 m高程處預留寬度1.7 m的混凝土結構后澆，在預留平臺上安裝直徑20 m的張弦式鋼桁架，該鋼桁架由32束、4支、1860級φ15.24鋼絞線吊拉至8個閘墩柱上(圖3)。②在型鋼平臺上布置I16工字鋼，以便搭設間距為900 mm×900 mm的盤扣架，用于支撐混凝土澆筑期間的荷載(圖5)。③整流錐錐體部位混凝土+鋼板的重量約為350 t，為保證錐體部分的有效支承，在型鋼平臺中心分別設置φ377×20 mm的鋼管用以支撐整流錐尖部、直徑1 m的HW300 mm×300 mm鋼環作為第2道支撐、多道I14工字鋼制成的鋼環作為第3道支撐，環形工字鋼用盤扣架支撐，錐體部分采用φ60盤扣架，其余部分采用φ48盤扣架(圖6)；(4)過程監控：在整個施工階段，對豎向支撐體系進行了監測，監測項目有：鋼桁架的應力和應變、錨索索力、H型鋼的應力和應變、中心φ377鋼管的應力和應變、盤扣架的應力和應變等，監測時機主要是每層混凝土澆筑前、澆筑后及澆筑過程中。

圖4 整流錐分層澆筑示意圖

圖5 鋼桁架平臺上的I16布置示意圖

4 整流錐施工方法

4.1 整流錐支撐體系施工

4.1.1 鋼桁架平臺施工

(1)預埋件施工。

在進出水口塔體底座高程238.3 m澆筑前預埋鋼板，根據鋼桁架外側的主桁架確定位置，埋件用全站儀定位，用鋼管或鋼筋焊接牢固，避免澆筑時移位或下沉。澆筑時，避免混凝土灑落在其表面，振搗棒不直接碰觸埋件及其固定件。鋼桁架安裝前，檢測埋件是否滿足要求，并將其清理干凈。

(2)鋼桁架平臺的安裝。

圖6 整流錐錐體的豎向支撐體系示意圖

鋼桁架采用HW型鋼制作，在有資質的鋼結構廠家加工并進行預拼裝，經檢查合格后分片運至現場。在平臺混凝土達到強度要求、閘墩鋼筋施工前進行鋼桁架平臺的安裝。根據現場實際情況并考慮到施工安全，將全部主桁梁和兩圈次桁梁在塔體附近拼裝完成，然后采用兩臺220 t汽車吊對稱站位、起吊，將其抬運至井內指定位置，最后采用25 t汽車吊將次梁分片吊至指定位置拼裝，形成整體鋼桁架平臺(圖7)。八榀主梁拼裝時，采用高強螺栓與中心連接裝置連接，拼裝位置與預埋鋼板相對應，確保吊裝時鋼桁架平臺經“垂直提升→水平移動→垂直下降”后能夠到達既定位置；主桁梁與預埋件和次桁梁間均通過焊接連接牢固，鋼結構間的焊接均采用埋弧自動焊，焊縫按要求進行探傷檢測，檢測合格后進行I14工字鋼的鋪設。I14工字鋼采用25 t汽車吊吊裝，人工擺放就位，采用焊接方法適當固定。

4.1.2 盤扣架的安裝

承插型盤扣架為塔式速接型鋼管施工架，是由可調底座、立桿、橫桿、斜桿、上調托座組成的一套穩定、安全的結構系統支撐架，其立桿材質為Q345，其余部件材質為Q235。根據整流錐荷載分布情況，在其直徑10 m范圍內采用φ60型立桿，其余部位采用φ48型立桿，另在錐尖部位采用φ377鋼管現澆混凝土支撐，在直徑2 m的圓弧上采用HW300×300 mm型鋼進行環向支撐。

圖7 鋼桁架安裝圖

盤扣架施工流程：施工準備及放樣→排放可調底座→安裝第一步距架體(立桿、橫桿)→調整可調底座標高和架體水平度→安裝第一步距架體(斜桿)→安裝第二步距架體→……→安裝最后一步距架體→安裝可調托座→調節結構支撐高度→安裝模板體系。盤扣架采用25 t汽車吊吊至作業面由人工搭設，確保插銷卡入卡槽內。盤扣架安裝完畢，待閘墩混凝土達到設計要求的強度后進行預應力錨索安裝。

4.2 整流錐鋼襯的制作與安裝

整流錐錐體中心至閘墩內側邊緣部分為鋼板外包混凝土，其中錐頭部分鋼板厚度為12 mm，其他部分為14 mm，直接作為混凝土澆筑過程中的支承模板，鋼模板內側面設置加勁肋板，以確保混凝土澆筑過程中模板剛度滿足要求。整流錐在具有相應資質的鋼結構加工廠制作，采取水平分段、環向分瓣的原則分塊，根據運輸條件并確保組焊件不變形的情況下，盡量組焊成大件運輸。

待盤扣架搭設完畢、利用25 t汽車吊進行整流錐鋼襯板安裝。整流錐錐尖部分在進出水塔附近焊成整體，利用鋼桁架平臺中心范圍內的φ377鋼管和HM環向型鋼支撐，錐尖吊裝前適時在φ377鋼管內灌滿混凝土，確保錐尖在混凝土初凝前吊裝就位。待混凝土終凝后，進行其余鋼襯板的安裝，分塊吊裝、分塊焊接；對于面積較大的鋼襯板用手拉葫蘆臨時固定，在分段焊接鋼襯板的同時分段焊接環向加勁肋。整流錐鋼襯板安裝與閘墩242～249 m高程段混凝土施工穿插進行，待整流錐鋼襯安裝完畢、調整盤扣架頂托，使其頂緊鋼襯。

4.3 整流錐混凝土施工

4.3.1 混凝土澆筑

整流錐鋼襯安裝完畢進行整流錐混凝土施工，整流錐采取分層澆筑的方法進行整流錐及其上部板的澆筑，鋼筋、模板等主要材料采用塔吊吊運至作業面，混凝土采用10 m3混凝土罐車水平運輸、47 m3混凝土汽車泵垂直運輸入倉，插入式振搗器振搗。模板除外包鋼板(內設加勁環和拉結筋)不用支模外，錐板外緣1 m高范圍內在水平方向和豎直兩個方向均為圓弧形、采用訂制鋼模板，其余部分以鋼模為主、木模輔助。

整流錐錐板為圓形結構。根據支撐體系受力計算，混凝土澆筑可以從圓面上任意一點開始鋪料。為了保證混凝土澆筑質量，合理配置資源，錐板混凝土澆筑時，混凝土下料從圓形錐板外緣一點開始，分別沿順、逆時針兩個方向同時布料，采用斜層鋪筑法，上層振搗時，振搗棒插入下層5 cm，確保層間混凝土結合良好?；炷琉B護采用土工布覆蓋并經常灑水，確保土工布長期處于濕潤狀態。

4.3.2 預應力張拉

整流錐懸空部分支撐體系按錐體和1 m厚錐板的荷載設計，預應力張拉在錐體澆筑前、整流錐中部厚1 m蓋板澆筑前進行兩次張拉，第一次張拉力為80 kN，第二次張拉力為400 kN。為了操作方便，張拉采用單端、對稱張拉，張拉端設置在閘墩上。

5 實施過程監測

為保證整流錐順利實施，在實施過程中，對整流錐支撐體系的變形和應力進行了安全監控，通過實測桿件應力、錨索索力和型鋼平臺變形等，與方案的計算分析結果進行了對比分析，確保了整個工程在實施過程中的安全性。實施過程中主要對錐尖混凝土澆筑前后、1 m和1.5 m厚錐板混凝土澆筑前后及實施過程中進行監測，并重點對1 m厚錐板混凝土澆筑期間進行了應力應變監測。在支撐體系應力應變監測的同時，還對整流錐鋼襯板進行了位移監測，其時間點為：整流錐安裝完畢、第一次鋼絞線張拉完畢、整流錐第一次澆筑完畢、第二次鋼絞線張拉、1 m厚錐板澆筑完畢、1.5 m厚錐板澆筑完畢、鋼桁架拆除后等。通過有效監測，為整流錐混凝土澆筑順利進行提供了可靠依據，為整流錐支撐體系的安全運行提供了數據支持。監測數據表明：(1)整流錐鋼襯板上的監測點沉降量與鋼桁架上的監測點沉降量基本相符，說明施工過程中盤扣架基本無變形；(2)1.5 m厚錐板澆筑前后各測點的應力和位移數值變化并不明顯，說明1 m厚錐板承受了1.5 m厚錐板的大部分荷載，同預期值基本一致；(3)整流錐鋼襯板和鋼桁架最大沉降量為12 mm，鋼桁架平臺在整個施工過程的變形監測結果與計算分析結果基本相符，且滿足支撐體系豎向變形不超過跨度1/1 000的變形控制要求。

6 結 語

溧陽抽水蓄能電站上水庫進/出口水塔整流錐由于其懸空高、跨度大、集中荷載重、工程體量大、結構復雜等特點，導致其施工難度十分巨大。通過精心設計支撐體系、準確建模和分析計算、精心施工、適時監測等科學的方法和措施，快速、高效地完成了整流錐施工任務。經過總結，筆者有以下幾點體會：(1)類似工程施工采用底承式預應力錨索吊拉鋼桁架平臺的支撐體系是適宜的；(2)重大、復雜的支撐體系設計時，需建立符合實際受力狀態的分析模型，確定相關參數；(3)在類似重大、復雜的支撐體系施工過程中，應嚴格按照施工詳圖施工，確保支撐體系施工質量符合設計要求；(4)采用科學的監控技術，適時了解支撐體系的受力情況，為施工的順利進行提供科學的依據，對復雜、關鍵結構部位的施工是必要的；(5)對于荷載大、結構體量大的懸空結構，采用分層澆筑時，其底層結構和其支撐對于上層結構的荷載分擔情況值得研究，可為施工分層和采取合適的支撐結構提供理論依據。

(責任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV7;TV52；TV743

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1001-2184(2017)03-0008-05

劉 聰(1972-)，男，重慶云陽人，項目總工程師，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

劉新星(1987-)，男，湖南益陽人，項目副總工程師，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

劉軍國(1986-)，男，甘肅武威人，項目質量部主任，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.