水電站大型鋼結構調壓井吊裝技術

李忠貴

(中國華電科工集團有限公司，北京 100070)

1 概述

調壓井是水電站工程重要的水工建筑物之一，其作用是當水電站在運行過程中突然丟棄負荷而關閉導葉或者閥門時，由于水流的慣性，將產生瞬時的“水錘現象”，這種水錘壓力可以通過調壓井自由水面得到釋放，從而保護和減少對機組和調壓井上游引水道結構的破壞和影響。國內很多引水式電站調壓井一般采用敞口式地埋或半地埋鋼筋混凝土井筒結構，施工時從上往下逐層進行豎井開挖，井筒混凝土施工則從井口下料、從下往上分層進行鋼筋綁扎和混凝土澆筑，這種施工程序相對簡單。而印尼某水電站調壓井則采用地面鋼結構型式，其施工方法完全不同。

印尼某工程為引水式電站，以發電為主，設有2臺單機容量為90 MW水輪發電機組，總裝機容量為180 MW。主要樞杻建筑物包括擋水壩、引水隧洞、調壓井、壓力斜井、地面發電廠房和升壓開關站。調壓井地層埋深較淺，阻抗孔以上采用地面鋼結構型式，地面以上總高度為67 m，直徑為18 m，井壁鋼板厚度為46～12 mm，共30層，頂部設置抗風圈。調壓井內壁對稱均勻分布有8根“Ⅱ”型豎撐，每兩層設置一道“T”環狀內橫撐，底部設置224根M100地腳螺栓(單根長5 m)與混凝土基礎相連，主體鋼結構重量1 400 t，為亞洲最高最大地面鋼結構調壓井(如圖1所示)。地面鋼結構調壓井在國內并不多見，其施工方法需要進行針對性分析研究。

圖1 調壓井結構設計示意

2 工程特點和難點

2.1 施工特點

1) 鋼結構調壓井井筒環向尺寸大，無法進行單節整體吊裝，需要分片、分節、分段逐層安裝上升。

2) 調壓井安裝涉及大量構件高空吊裝就位、加固、焊接和檢驗等工序，施工中必須有1個安全、可靠的操作平臺和設備擺放平臺。

3) 調壓井為高聳鋼結構建筑，施工區域為多雨、多雷高原區域，需要采取可靠的防雷措施。

4) 調壓井井壁外圍需同步安裝焊接螺旋上升的手扶式鋼梯及休息平臺。

2.2 質量要求高

1) 按照EPC合同，一、二類焊縫質量檢驗全部采用100%的UT及10%～25%的RT檢驗，遠高于國內同類工程項目的質量檢驗標準。

2) 地面鋼結構調壓井具有容器特性，需多年在高水位狀態運行，井壁承受的內水壓力較大，如果出現滲漏等質量問題，后期很難進行消缺處理。

2.3 施工難點

1) 調壓井安裝需要分片、分節、分段逐層安裝上升，常規吊裝設備難以滿足要求。汽車吊只能吊裝調壓井底部一定高度的部份構件，施工場地也受限；塔吊技術上可行，但不經濟，而且隨著調壓井井筒上升，塔吊塔身無法進行扶墻加固，施工安全存在隱患[1]。

2) 操作平臺和施工設備擺放困難。考慮場地、成本、安全等方面的原因，調壓井井壁外圍搭設腳手架方案是不可取的。調壓井內采用滿堂腳手架方案也難以實施，其原因：隨著調壓井的升高，需多次反復搭設腳手架，工序十分繁雜，不僅耗費大量資源，而且占壓直線工期，將嚴重影響工程施工進度，也存在極大的安全隱患[2]。

3) 調壓井井壁環縫和縱縫內外都需要焊接，部份鋼板厚度較厚需要焊前加熱、焊后保溫，井壁內外都需要設置操作平臺。

4) 隨著調壓井升高，防雷避雷問題比較突出。如果設置2座高100 m的塔式避雷針，不僅成本高、占地大，也影響構件運輸和吊裝作業。

3 調壓井吊裝方案

3.1 吊裝思路

通過對調壓井工程的綜合分析，吊裝方案主要從以下方面考慮：

1) 吊裝技術方面：以調壓井井筒內設置大型液壓舉升平臺、平臺上安裝卷揚機配合扒桿作為吊裝手段，卷揚機可以沿平臺旋轉進行外側構件吊裝[3]。

2) 井壁內作業平臺：采用井筒內大型活動式平臺，隨調壓井上升而上升，采用液壓技術實現大型活動式平臺的爬升，電焊機等施工設備布置在作業平臺上[4]。

3) 井壁外作業平臺：在調壓井井壁外設置簡易外掛棚形成操作平臺。

4) 避雷針設置：避雷針用來保護調壓井井筒遭受雷擊，保護工程和施工人員安全。避雷針結構安裝在井筒內大型作業平臺上，隨平臺上升而上升，使調壓井井筒始終處于避雷針保護之下[5]。

3.2 吊裝方案

1) 在調壓井井筒體內設計直徑為18 m的上、下2層施工作業平臺，兩個平臺連接成整體，利用液壓系統實現該平臺隨著調壓井逐層安裝而同步上升。調壓井吊裝系統平面示意見圖2、調壓井吊裝系統剖面示意見圖3。

圖2 調壓井吊裝系統平面示意

圖3 調壓井吊裝系統剖面示意

2) 調壓井內壁對稱布置有8根豎撐，豎撐剛度強度高，通過在豎撐上開孔，將4支液壓頂升油缸對稱布置在4根豎撐上，另4根豎撐上設置附加支座。通過采用活動式插銷，豎撐與液壓系統的4支油缸連接，形成活動式平臺的支撐支座，巧妙、簡易、低成本、高效的解決了平臺支撐支座的難題[6]。

3) 在上層施工平臺上設置回轉平臺和回轉軌道，回轉平臺上布置卷揚機和扒桿體系實現構件吊裝。其中，1臺3 t卷揚機使扒桿變幅可回轉，1臺5 t卷揚機實施構件吊裝。卷揚機和扒桿體系可沿回轉軌道回轉，可沿調壓井內四周實現構件吊裝[7]。

4) 在液壓舉升平臺上、下空間設置4個10 t手拉葫蘆，達到安全雙保險的目的，確保了液壓舉升平臺穩定安全。

5) 將避雷針布置在回轉平臺上，其總高度為 16 m，重約為300 kg，可隨著回轉平臺的回轉而回轉，隨著調壓井的逐層安裝而同步上升，調壓井始終處于避雷針防護之下。

6) 在調壓井井筒頂部布置8個焊接外掛棚，解決了井壁外部活動施工平臺的問題。

7) 在工作平臺走道兩側設置欄桿，平臺底部和四周牢固設置安全網，確保施工安全。

4 調壓井吊裝施工

4.1 液壓舉升平臺工作流程

對液壓爬升系統和卷揚機扒桿聯合安全檢查→10 t手拉葫蘆保險裝置布置→啟動液壓系統，自豎撐孔內拔出液壓油缸上端銷軸→聯動或單動液壓油缸，確保4只油缸基本同步上升→同步操作10 t手拉葫蘆，確保該4個角與其他4個角同步上升，將平臺頂升1 m或1.25 m→將液壓油缸上端用銷軸與豎撐孔連接，自豎撐孔內拔出液壓油缸下端銷軸，單動液壓油缸收起，將液壓油缸下端用銷軸與豎撐孔連接，如此重復上述步驟，將平臺頂升1 m或1.25 m，完成1個頂升循環→檢查10 t手拉葫蘆保險裝置，確保牢固可靠→將液壓舉升平臺每個設置導向裝置的角下部設置的鋼支撐，支撐在井筒內壁的支座上[8]。

4.2 調壓井安裝施工流程

井筒內操作平臺整體頂升→外側焊接掛棚挪位→瓦片吊裝→整體調整加固→焊縫坡口清理(如需預熱，則焊前先預熱，下同)內縱縫焊接→背縫清根→外縱縫焊接→UT檢查→內環縫焊接→環縫背縫清根→外環縫焊接→上一循環焊縫RT檢查及返修→豎撐吊裝及焊接→橫撐吊裝及焊接→完成后，平臺上升進入下一循環施工[9-10]。

4.3 液壓舉升平臺拆除

調壓井安裝到頂后，需要拆除液壓工作平臺及相關設施。首先在抗風圈上布置一簡易土扒桿，配置1臺3 t卷揚機，將液壓舉升平臺上面的設備、扒桿拆除，吊到地面。根據現場卷揚機情況，在調壓井外圍底部均勻布置四臺卷揚機，其中2臺卷揚機起重量為5 t，2臺起重量為10 t，并在調壓井外圍底部附近設置滑輪導向，在抗風圈上設置滑輪導向及定滑輪，在大型液壓舉升平臺相應位置設置動滑輪，鋼絲繩采用2組配置，一次性將液壓舉升平臺安全下放到井筒底部，在底部氣割成小件，自調壓井進人孔處搬動到井筒外[11]。

5 實施效果與問題探討

該方案的實施有效解決了工程中遇到的技術難題，為工程順利實施提供了技術保障。

5.1 實施效果

1) 采用液壓頂升式活動平臺作為調壓井施工內平臺，將常規滿堂高排架轉換為活動式平臺，節省大量人力、物力和財力，有效解決了超高、超大鋼結構筒體安裝中的施工作業平臺難題。

2) 將液壓頂升式活動平臺技術與卷揚機扒桿技術融為一體，探索超高、超大鋼結構筒體安裝中構件及材料吊裝新手段。通過在活動式平臺上設置回轉平臺和回轉軌道，使卷揚機和扒桿系統能夠沿井壁四周回轉，解決了井壁四周構件吊裝就位難的問題。

3) 采用活動式平臺作為避雷針的平臺基礎，將地面超高超大的固定式避雷針轉換為一種簡易的、能夠隨著調壓井逐層安裝而同步上升的活動式避雷針，解決了避雷針方案的難題。

4) 通過分析調壓井結構特點，直接利用調壓井豎撐作為活動式液壓舉升平臺的支撐支座，巧妙有效地解決了液壓舉升平臺的支撐支座難題。

5.2 問題分析與探討

1) 液壓油缸的同步

因考慮制作成本及活動式平臺(蛛網式八邊形鋼結構)為超大尺寸結構，整體剛度小，整體彈性變形大，故在設計液壓系統時，對同步沒有提出過高要求，平臺爬升時，蛛網式八邊形鋼結構的8個角很難在同一個平面，平面變形幅度約 ±50 mm。因平臺整體結構剛度小，少量變形未影響和破壞平臺框架結構，但需要在頂升過程中加強觀測和調整。

2) 4個導向及4個與豎撐銷軸式活動連接座在爬升時常有卡阻現象，經分析，主要原因有：

① 平臺在上升時存在回轉座與豎撐中心的偏差；

② 井筒安裝的垂直度和栯圓度：

③ 工作平臺制作過程中尺寸偏差。

所以，4個導向及4個豎撐銷軸式活動連接座與豎撐的間隙是變化的，且變化幅度較大，約為±45 mm。

3) 不能利用平臺設置工裝對筒壁安裝及焊接變形進行有效控制。由于平臺設計時沒有考慮該項功能及吊裝回轉的影響，設計的平臺較輕便，不能利用它設置工裝對筒壁安裝及焊接變形進行有效控制。如果平臺制作具有足夠鋼度，且各類構件制作精度高，可設置工裝對筒壁安裝及焊接變形進行有效控制[12]。

4) 焊接外掛棚不能在筒壁上自行環向滑行移動。最初的方案是在掛棚上設置兩個滾輪，支撐在筒壁的瓦片上，在人力的推動下沿瓦片上沿滾動，在實施時，因忽略了瓦片栯圓度的影響，滾輪與瓦片側向間隙較小，人力推動不便，掛棚很難實現環向移動。

5) 在液壓舉升平臺拆除由卷揚機下放至井底過程中，4臺卷揚機應盡可能同步下放，避免平臺不對稱下放引起阻卡情況；同時，應認真檢查井壁防腐工作是否到位，發現問題隨平臺下放一次處理完成。

6) 本吊裝方案在分析研究調壓井結構特點的基礎上，利用在結構豎撐上開孔插銷軸的方式解決了液壓舉升平臺的支撐支座難題，使方案更具可實施性。對于其他類似超高超大型鋼結構建筑物，如果結構本體沒有對稱的類似豎撐的構件可利用，可提前與設計單位溝通擬采用的施工方案思路，以便進行設計優化調整。必要時經過經濟技術比較，亦可采用增加臨時構件的方式解決液壓舉升平臺的支撐支座問題。

6 結語

本文介紹了水電站地面大型鋼結構調壓井吊裝技術應用創新實例，通過將液壓舉升平臺技術、卷揚機扒桿技術和活動式避雷針技術融為一體，解決了大型筒體鋼結構吊裝、操作平臺和防雷保護等相關技術難題，方案設計巧妙、大膽，具有較好的創新性。施工實踐證明該方案很成功，縮短了施工工期約3個月，節約了施工成本約260萬元，為亞洲第一高地面鋼結構調壓井的安全順利安裝提供了技術保障，為超高、超大型鋼結構建筑物安裝提供了一種新的解決方案和思路。