老撾南湃水電站高水頭外包鋼筋混凝土壓力鋼管施工技術(shù)研究

屈 江 昆， 魏 興 存， 黃 興

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概述

南湃(Nam Phay)水電站為長(zhǎng)引水式電站，額定水頭700 m，設(shè)計(jì)引用流量14.03 m3/s，總裝機(jī)容量為86 MW，工程規(guī)模為二等大(2)型工程。壓力管道明管段外包鋼筋混凝土長(zhǎng)648.5 m，鋼管內(nèi)徑為2 m，主管材質(zhì)為WDB620D低焊接裂紋敏感性低合金高強(qiáng)鋼，壁厚為30～46 mm。

明管段分為上斜管段和下斜管段，上斜管段長(zhǎng)350.98 m，共布置3個(gè)鎮(zhèn)墩，明管起點(diǎn)到1#鎮(zhèn)墩為水平段，1#鎮(zhèn)墩到3#鎮(zhèn)墩為斜坡段，坡度i=0.286～0.563，其中3#鎮(zhèn)墩處為空間彎管；下斜管段長(zhǎng)297.52 m，共布置3個(gè)鎮(zhèn)墩，末端為岔、支管，3#鎮(zhèn)墩末尾到6#鎮(zhèn)墩坡度i=0.225～0.483。

壓力鋼管外包混凝土最小厚度為0.5 m，管槽混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鎮(zhèn)墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。

壓力管道明管段位于兩側(cè)溝夾持的山脊上，覆蓋層以崩積、殘坡積碎石土為主，薄層狀粉砂巖間夾于紫色泥巖中。1#～2#鎮(zhèn)墩之間的管槽基礎(chǔ)及其兩側(cè)坡均由緩傾岸里的黑色泥巖夾碳質(zhì)板巖構(gòu)成，2#～3#鎮(zhèn)墩之間的管槽基礎(chǔ)及其兩側(cè)坡均由緩傾岸里的砂質(zhì)板巖(2#鎮(zhèn)墩附近)、白色泥巖(3#鎮(zhèn)墩附近)構(gòu)成，3#～4#鎮(zhèn)墩之間的管槽基礎(chǔ)及其兩側(cè)坡均由緩傾岸里的紫色泥巖夾黃色泥巖構(gòu)成，4#～6#鎮(zhèn)墩之間的管槽基礎(chǔ)及其兩側(cè)坡均由緩傾岸里的紫色泥巖夾黃色泥巖構(gòu)成。

2 壓力鋼管的制作與安裝

2.1 壓力鋼管的制作

壓力管道制作采用的施工工藝為：下料→卷板→焊接→焊縫檢測(cè)及防腐，具體制作工藝見(jiàn)圖1。

圖1 壓力鋼管制作施工工藝圖

2.1.1 下料切割

鋼板劃線經(jīng)檢查合格后，采用數(shù)控切割機(jī)下料，用CG1-30型半自動(dòng)切割機(jī)切割坡口。切割時(shí)，隨時(shí)調(diào)整割嘴使其與切割線吻合，切割后打磨清除棱邊上的毛刺、氧化鐵等，修出鈍邊。

2.1.2 卷 板

通常，鋼板兩端頭部有一段長(zhǎng)度在卷板機(jī)上受不到上輥壓力、不能產(chǎn)生弧度，故卷板前先在2×630 t框型壓力機(jī)上用定型的胎膜壓制出符合要求的板端弧段預(yù)彎，即為壓頭。

卷板方向和鋼板的壓延方向一致，卷制成的管節(jié)瓦塊用規(guī)范規(guī)定的弦長(zhǎng)的樣板檢查弧度，根據(jù)弧度，逐漸調(diào)整上輥下壓的程度。

根據(jù)卷板機(jī)的型號(hào)及板材的材質(zhì)、板厚等采用分段、分次的方法進(jìn)行卷制，鋼管卷制原則上采用冷卷法，按照《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(DL/T 5017-2007)規(guī)定，當(dāng)鋼管內(nèi)徑和壁厚關(guān)系超過(guò)冷卷范圍時(shí)，卷制完成后，在焊接前進(jìn)行熱處理，將熱處理溫度控制在150 ℃～250 ℃，保溫1.5 h，然后自然降溫。

2.1.3 焊 接

焊接鋼管直管的縱縫、環(huán)縫均采用埋弧自動(dòng)焊，彎管采用手工電弧焊，加勁環(huán)的焊接主要采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。

施焊前清除坡口及其兩側(cè)10～20 mm范圍內(nèi)的水份、油污、鐵銹、氧化層等并將其打磨出金屬光澤。所有焊接材料(除氣體保護(hù)焊外)均按說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行烘烤，現(xiàn)場(chǎng)先進(jìn)行試板焊接，焊接方法采用自動(dòng)焊及手工焊(平、立、橫、仰)，焊縫正面焊接完成后，背面采用碳弧氣刨清根后再進(jìn)行焊接。

2.1.4 焊縫的檢測(cè)及防腐

鋼管焊接完畢進(jìn)行焊縫外觀檢查，對(duì)于焊縫表面有咬邊、焊瘤的部位用砂輪打磨，使其表面光滑平整。焊縫內(nèi)部的質(zhì)量檢測(cè)采用超聲波檢測(cè)、射線抽檢的方法進(jìn)行，檢測(cè)比例應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。檢測(cè)后對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷需進(jìn)行記錄，按程序進(jìn)行返修并再次進(jìn)行檢測(cè)，直至其達(dá)到合格要求。

鋼管內(nèi)外壁表面涂裝前，其表面采用噴砂槍除銹，除銹要達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Sa21/2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，鋼管外壁除銹后達(dá)到Sa1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。鋼管段內(nèi)壁涂刷環(huán)氧煤瀝青涂料，涂刷后干漆膜厚度不小于450 μm，外壁涂刷改性水泥膠漿。

2.2 鋼管的安裝

2.2.1 運(yùn)輸就位

采用汽車吊裝、拖車運(yùn)輸鋼管至現(xiàn)場(chǎng)，卸車架或吊車直接卸車，管槽內(nèi)運(yùn)輸時(shí)采用在管槽內(nèi)敷設(shè)軌道滑行至安裝位置，最后自下而上逐節(jié)鎖定。

2.2.2 鋼管對(duì)接及環(huán)縫焊接

調(diào)整鋼管中心軸線并加固，加固位置在鋼管底部及側(cè)面，最后自下而上順序進(jìn)行環(huán)縫焊接對(duì)接，鋼管安裝中心的極限偏差均符合表1的規(guī)定。

表1 鋼管安裝中心極限偏差表

始裝節(jié)兩端管口垂直度偏差不超過(guò)±3 mm。安裝后管口圓度偏差小于5D/1 000，且不大于40 mm。測(cè)量了八個(gè)點(diǎn)，共四個(gè)方向的直徑，確認(rèn)其直徑偏差小于2 mm。

環(huán)縫焊接不能出現(xiàn)跳越和強(qiáng)行組裝，以減少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫焊接造成的殘余應(yīng)力。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)焊縫的檢測(cè)及防腐

壓力鋼管的安裝幾何尺寸、焊接材料、焊縫外觀質(zhì)量需符合《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》DL/T5017—2007要求，安裝后采用超聲波檢測(cè)，共檢測(cè)了1 938.6 m，一次合格率為99.9%，經(jīng)返修后合格率達(dá)100%，最后采用X射線檢測(cè)進(jìn)行抽檢，全部合格。油漆涂裝控制厚度為500～530 μm，涂裝質(zhì)量合格率為100%。

3 壓力鋼管外包混凝土施工

3.1 外包混凝土施工程序(圖2)

圖2 外包混凝土施工程序圖

3.2 鎮(zhèn)墩地基處理和管槽基礎(chǔ)處理

基礎(chǔ)巖面的處理需先撬挖松動(dòng)石塊，清除浮渣、泥沙和污物，并用壓力風(fēng)、水沖洗干凈，排干積水。對(duì)于因地質(zhì)原因造成超挖的深坑部位，按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行處理。

3.3 一期鋼筋混凝土工程

鎮(zhèn)墩及管槽基礎(chǔ)錨桿及錨筋樁施工完成經(jīng)驗(yàn)收并合格后進(jìn)行一期混凝土鋼筋的安裝。鋼筋在鋼筋廠加工，使用 8 t平板車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)施工平臺(tái)，人工輔助25 t汽車吊垂直運(yùn)輸至工作面，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)向主筋接頭采用一頭焊接、另一頭機(jī)械連接，縱向分布筋采用綁扎連接。混凝土分倉(cāng)按設(shè)計(jì)要求長(zhǎng)12 m，縱向分布鋼筋過(guò)縫，過(guò)縫鋼筋接頭錯(cuò)開(kāi)，錯(cuò)開(kāi)距離應(yīng)滿足規(guī)范要求。混凝土立模澆筑采用常規(guī)方法施工，一期混凝土施工完成后縫面嚴(yán)格進(jìn)行100%鑿毛處理，以充分確保新老混凝土的良好結(jié)合。

3.4 二期外包鋼筋混凝土施工

二期外包鋼筋混凝土施工緊跟鋼管安裝進(jìn)度，二者施工工作面距離不超過(guò)5個(gè)安裝管節(jié)，從而有效降低了因鋼管安裝過(guò)長(zhǎng)而對(duì)下部已焊接完成的環(huán)縫產(chǎn)生的壓應(yīng)力。

混凝土由廠區(qū)拌和站集中拌制，采用6～8 m3混凝土罐車運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)。采用HTB80混凝土泵機(jī)泵送入倉(cāng)。

4 外包混凝土外部防水及回填覆蓋處理

外包混凝土及鎮(zhèn)墩表面粘貼SBS改性瀝青防水卷材，與填土相鄰部位采用5 mm厚泡沫板保護(hù)，上部采用原土覆蓋回填，按照設(shè)計(jì)要求通過(guò)碾壓試驗(yàn)確定的碾壓參數(shù)進(jìn)行。覆蓋土回填的目的是為了降低壓力鋼管充水后外界環(huán)境溫度變化對(duì)外包混凝土及鋼管外壁產(chǎn)生多余的應(yīng)力約束，使壓力鋼管外包混凝土處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的外部環(huán)境溫度中。

5 充水試驗(yàn)及安全監(jiān)測(cè)

5.1 充水試驗(yàn)

5.1.1 預(yù)充水試驗(yàn)

為了盡可能地消除壓力管道可能存在的殘余應(yīng)力，為整個(gè)引水系統(tǒng)提供充水檢驗(yàn)，為工程運(yùn)行前的安全性評(píng)估、順利投入運(yùn)行提供技術(shù)支撐和保障進(jìn)行了預(yù)充水試驗(yàn)。預(yù)充水試驗(yàn)步驟：充水準(zhǔn)備工作→3#鎮(zhèn)墩以下充水→穩(wěn)壓24 h→1#鎮(zhèn)墩-3#鎮(zhèn)墩充水→穩(wěn)壓240 h、結(jié)果分析→1#鎮(zhèn)墩-3#鎮(zhèn)墩放水→穩(wěn)壓12 h→3#鎮(zhèn)墩以下放水→結(jié)果分析判定合格→臨時(shí)設(shè)施拆除。

5.1.2 引水系統(tǒng)充水試驗(yàn)

在預(yù)充水試驗(yàn)滿足要求后進(jìn)行了引水系統(tǒng)充水試驗(yàn)，充水試驗(yàn)時(shí)對(duì)壓力鋼管段充水過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，一次連續(xù)充水至下平段，最終充水水頭為735 m，鋼管最大水壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力7.13 MPa。

5.2 安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置及監(jiān)測(cè)成果

該工程在壓力管道外壁安裝了鋼板計(jì)用于監(jiān)測(cè)管道受力，在管道周圍混凝土布置了鋼筋計(jì)用于監(jiān)測(cè)混凝土鋼筋應(yīng)力變化，在管道外壁與混凝土之間安裝了縫隙計(jì)用于觀測(cè)管道與混凝土之間的接縫變化，在管道混凝土與基巖間安裝了測(cè)縫計(jì)用于監(jiān)測(cè)基巖與混凝土之間的接縫變化。

充水監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 鋼管安裝充水監(jiān)測(cè)成果表

從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，使用測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)混凝土與壓力鋼管之間的縫隙開(kāi)合度未發(fā)生變化，混凝土與基巖之間的縫隙開(kāi)合度滿足要求。縫隙計(jì)監(jiān)測(cè)縫隙開(kāi)合度均呈現(xiàn)張開(kāi)變化，變化范圍在0.04 mm以內(nèi)，符合充水規(guī)律，混凝土與壓力鋼管之間的縫隙開(kāi)合度滿足要求。鋼板計(jì)應(yīng)力呈拉應(yīng)變變化，應(yīng)變量變幅在5.18～856.85 με之間。從充水開(kāi)始至結(jié)束，呈增大趨勢(shì)，未出現(xiàn)異常變化。鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化呈拉應(yīng)力變化，應(yīng)力值變幅為46.45～188.12 MPa，滲壓計(jì)變化幅度不大，均在正常變化范圍內(nèi)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和指標(biāo)均符合充水規(guī)

律，達(dá)到了充水預(yù)期和運(yùn)行要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

老撾南湃水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)最大水頭為735 m，且該電站壓力鋼管所處地質(zhì)邊坡及開(kāi)挖基礎(chǔ)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，經(jīng)設(shè)計(jì)單位采用彈性力學(xué)有限元結(jié)構(gòu)分析和充水試驗(yàn)檢驗(yàn)，嚴(yán)格把控每一個(gè)施工環(huán)節(jié)，保證了工程施工質(zhì)量。2017年4月整個(gè)引水系統(tǒng)安全鑒定通過(guò)并順利完成了充水試驗(yàn)及階段驗(yàn)收，2017年5月并網(wǎng)發(fā)電進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。目前電站運(yùn)行情況良好、穩(wěn)定，壓力鋼管各項(xiàng)儀器監(jiān)測(cè)數(shù)值變化符合運(yùn)行規(guī)律，工程施工達(dá)到了設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，對(duì)類似高水頭且地質(zhì)條件復(fù)雜的壓力鋼管安裝及外包鋼筋混凝土施工具有借鑒及指導(dǎo)意義。