溧阳抽水蓄能电站进出水塔高悬空重荷载整流锥施工技术



溧阳抽水蓄能电站进出水塔高悬空重荷载整流锥施工技术

刘 聪, 刘 新 星, 刘 军 国

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

摘 要：江苏溧阳抽水蓄能电站上水库进出水口为带八道检修闸门的竖井式塔体结构。带盖板的整流锥悬空高度高、跨度大、集中荷载重、工程体量大，施工中采用预应力锚索吊拉底承式型钢平台+满堂红盘扣式钢管架的支撑体系，并采取分阶段张拉、分层浇筑、过程监控的施工方案，快速、高效地完成了整流锥施工，对同类工程施工具有指导意义。

关键词：整流锥； 预应力锚索； 钢桁架平台； 盘扣架；溧阳抽水蓄能电站

1 工程概况

江苏溧阳抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成。地下厂房安装6台单机容量为250 MW的混流可逆式水泵水轮电动发电机组，总装机容量为1 500 MW，采用一洞三机布置。上水库主要由1座主坝、2座副坝、库岸及库底防渗体系组成。总库容1 423万m3，死水位高程254 m，正常蓄水位高程291 m，主坝最大坝高165 m。

上水库进/出口水塔有2个，塔体高程为242～295 m，塔体上部框架主要由8个闸墩及连系板组成，8个闸墩沿塔体中心环向布置，连系板每隔6 m高布置一层，立柱及连系板中间预留闸门槽，在立柱闸门槽内部设置直径为0.8 m的通气孔。连系板厚1 m，为外径37 m、内径15 m的圆环形结构(图1)。塔体242～251.5 m高程处布置有进水口整流锥，锥体呈双段异向圆弧锥体状，上下段圆弧半径分别为3.6 m、7.2 m，锥体部分高度为7.6 m，最大直径为11.335 m，锥体上部为厚2.5 m的混凝土板，其直径为37 m，悬空跨度达21 m(图2)。单个塔体工程混 凝 土 工 程 量 为49 800 m3，钢筋量为3 984 t；单个锥体混凝土工程量为123.6 m3，钢筋量为7.5 t，锥体上部2.5 m厚混凝土板工程量为2 700 m3，钢筋量为270 t。

2 主要施工难点

整流锥下部流道高约100 m，流道开口直径为23.4 m，整流锥悬空荷载达2 600 t，锥体结构又异常复杂，根据设计要求，整个整流锥不能竖向分缝，故其悬空部分的模板支撑是整个整流锥施工的重难点，也是整个进出水口塔体施工的关键点。针对这些施工难点，经多次讨论分析，项目部提出了三种施工方案：(1)将整流锥下部的井座段及竖井段流道全部填满砂，在高程242 m处形成满堂红盘扣架支撑平台，并在弯肘段末端浇筑混凝土墙予以封堵；(2)在进出水口上部合适位置形成环形平台，在环形平台上搭设型钢平台，利用型钢平台搭设满堂红盘扣架；(3)在闸墩上预埋钢管，利用钢管悬吊钢桁架平台，利用钢桁架平台吊拉模板。

图1 进出水口塔体结构图

图2 整流锥三维图

通过多次对比分析，从方案可行性、安全性、经济性考虑，结合工程工期紧的实际情况并经过细化和专家论证，最终确定采用第(2)种方案，即采用预应力锚索吊拉底承式型钢平台+满堂红盘扣式钢管架支撑，在底座段上部合适位置预留混凝土平台，采用张弦式钢桁架平台锚固在混凝土平台上，然后在闸墩上用无粘结预应力锚索吊拉张弦式钢桁架平台，在平台上搭设盘扣式钢管架支撑，在盘扣架上安装工字钢、木方支撑模板；型钢平台采用目前常用的宽翼缘式HM型钢在钢结构厂家订制，厂家制造完成经预拼装合格后再拉到现场组装，采用汽车吊吊装。

3 整流锥施工方案

3.1 支撑体系设计方案

(1)吊拉钢桁架平台的预应力锚索设计。

每个闸墩设置两排、共4束无粘结预应力锚索，预应力锚索采用4根1860级φ15.24无粘结钢绞线，将其下端锚固于HM型钢桁架平台下弦节点，吊索上端穿过闸墩锚固于闸墩上(张拉调节端)，无粘结钢绞线的受力特点为全长均匀受力(图3)。

图3 预应力锚索示意图

(2)预应力锚索吊拉型钢平台施工全过程计算复核。

预应力锚索吊拉型钢平台在施工过程中应重点关注其杆件应力和整体变形，其中杆件应力根据相应的材料要求确定。该工程选用的钢材为Q345B，施工过程控制应力为300 MPa。整流锥位置的控制要求依据模板的支撑变形作为控制指标：最大竖向变形不超过跨度的1/1 000(20 mm)、水平位移不超过10 mm。实际施工时其水平位移通过锥尖下部设置的φ377×20 mm钢管和直径1 m的HW300 mm×300 mm钢环予以控制，重点控制的是锥尖竖向变形。

预应力锚索吊拉型钢平台进行设计复核时模拟了不同的施工阶段、施工时相应的恒荷载和活荷载，根据工程施工的特性和支撑平台的刚度等，采用施工阶段状态变量叠加法进行整个预应力锚索吊拉型钢支承平台的复核验算。经各阶段模拟计算得知：其竖向变形量、杆件应力、支反力、吊索索力等均满足施工安全要求。

3.2 总体施工方案

根据带盖板的整流锥悬空高度高、集中荷载重、跨度大、工程体量大的特点，结合现场施工设备及工艺，为减轻支撑体系的工程量及难度，整流锥采取分阶段张拉、分层浇筑、过程监控的总体施工方案。主要为：(1)分三层浇筑：第一层浇筑整流锥锥体，浇筑高度为7.595 m(高程241.405～249 m)；第二层浇筑整流锥中部1 m厚的盖板，浇筑高度为1 m(高程249～250 m)；第三层浇筑整流锥上部厚1.5 m的盖板，高度为1.5 m(高程250～251.5 m)，见图4；(2)分两阶段张拉：在锥体浇筑前进行第一次张拉，在浇筑整流锥中部厚1 m盖板前进行第二次张拉；(3)底承式预应力锚索吊拉HM型钢平台+盘扣式钢管支模架的组合支撑方案具体为：①在混凝土底座238.3 m高程处预留宽度1.7 m的混凝土结构后浇，在预留平台上安装直径20 m的张弦式钢桁架，该钢桁架由32束、4支、1860级φ15.24钢绞线吊拉至8个闸墩柱上(图3)。②在型钢平台上布置I16工字钢，以便搭设间距为900 mm×900 mm的盘扣架，用于支撑混凝土浇筑期间的荷载(图5)。③整流锥锥体部位混凝土+钢板的重量约为350 t，为保证锥体部分的有效支承，在型钢平台中心分别设置φ377×20 mm的钢管用以支撑整流锥尖部、直径1 m的HW300 mm×300 mm钢环作为第2道支撑、多道I14工字钢制成的钢环作为第3道支撑，环形工字钢用盘扣架支撑，锥体部分采用φ60盘扣架，其余部分采用φ48盘扣架(图6)；(4)过程监控：在整个施工阶段，对竖向支撑体系进行了监测，监测项目有：钢桁架的应力和应变、锚索索力、H型钢的应力和应变、中心φ377钢管的应力和应变、盘扣架的应力和应变等，监测时机主要是每层混凝土浇筑前、浇筑后及浇筑过程中。

图4 整流锥分层浇筑示意图

图5 钢桁架平台上的I16布置示意图

4 整流锥施工方法

4.1 整流锥支撑体系施工

4.1.1 钢桁架平台施工

(1)预埋件施工。

在进出水口塔体底座高程238.3 m浇筑前预埋钢板，根据钢桁架外侧的主桁架确定位置，埋件用全站仪定位，用钢管或钢筋焊接牢固，避免浇筑时移位或下沉。浇筑时，避免混凝土洒落在其表面，振捣棒不直接碰触埋件及其固定件。钢桁架安装前，检测埋件是否满足要求，并将其清理干净。

(2)钢桁架平台的安装。

图6 整流锥锥体的竖向支撑体系示意图

钢桁架采用HW型钢制作，在有资质的钢结构厂家加工并进行预拼装，经检查合格后分片运至现场。在平台混凝土达到强度要求、闸墩钢筋施工前进行钢桁架平台的安装。根据现场实际情况并考虑到施工安全，将全部主桁梁和两圈次桁梁在塔体附近拼装完成，然后采用两台220 t汽车吊对称站位、起吊，将其抬运至井内指定位置，最后采用25 t汽车吊将次梁分片吊至指定位置拼装，形成整体钢桁架平台(图7)。八榀主梁拼装时，采用高强螺栓与中心连接装置连接，拼装位置与预埋钢板相对应，确保吊装时钢桁架平台经“垂直提升→水平移动→垂直下降”后能够到达既定位置；主桁梁与预埋件和次桁梁间均通过焊接连接牢固，钢结构间的焊接均采用埋弧自动焊，焊缝按要求进行探伤检测，检测合格后进行I14工字钢的铺设。I14工字钢采用25 t汽车吊吊装，人工摆放就位，采用焊接方法适当固定。

4.1.2 盘扣架的安装

承插型盘扣架为塔式速接型钢管施工架，是由可调底座、立杆、横杆、斜杆、上调托座组成的一套稳定、安全的结构系统支撑架，其立杆材质为Q345，其余部件材质为Q235。根据整流锥荷载分布情况，在其直径10 m范围内采用φ60型立杆，其余部位采用φ48型立杆，另在锥尖部位采用φ377钢管现浇混凝土支撑，在直径2 m的圆弧上采用HW300×300 mm型钢进行环向支撑。

图7 钢桁架安装图

盘扣架施工流程：施工准备及放样→排放可调底座→安装第一步距架体(立杆、横杆)→调整可调底座标高和架体水平度→安装第一步距架体(斜杆)→安装第二步距架体→……→安装最后一步距架体→安装可调托座→调节结构支撑高度→安装模板体系。盘扣架采用25 t汽车吊吊至作业面由人工搭设，确保插销卡入卡槽内。盘扣架安装完毕，待闸墩混凝土达到设计要求的强度后进行预应力锚索安装。

4.2 整流锥钢衬的制作与安装

整流锥锥体中心至闸墩内侧边缘部分为钢板外包混凝土，其中锥头部分钢板厚度为12 mm，其他部分为14 mm，直接作为混凝土浇筑过程中的支承模板，钢模板内侧面设置加劲肋板，以确保混凝土浇筑过程中模板刚度满足要求。整流锥在具有相应资质的钢结构加工厂制作，采取水平分段、环向分瓣的原则分块，根据运输条件并确保组焊件不变形的情况下，尽量组焊成大件运输。

待盘扣架搭设完毕、利用25 t汽车吊进行整流锥钢衬板安装。整流锥锥尖部分在进出水塔附近焊成整体，利用钢桁架平台中心范围内的φ377钢管和HM环向型钢支撑，锥尖吊装前适时在φ377钢管内灌满混凝土，确保锥尖在混凝土初凝前吊装就位。待混凝土终凝后，进行其余钢衬板的安装，分块吊装、分块焊接；对于面积较大的钢衬板用手拉葫芦临时固定，在分段焊接钢衬板的同时分段焊接环向加劲肋。整流锥钢衬板安装与闸墩242～249 m高程段混凝土施工穿插进行，待整流锥钢衬安装完毕、调整盘扣架顶托，使其顶紧钢衬。

4.3 整流锥混凝土施工

4.3.1 混凝土浇筑

整流锥钢衬安装完毕进行整流锥混凝土施工，整流锥采取分层浇筑的方法进行整流锥及其上部板的浇筑，钢筋、模板等主要材料采用塔吊吊运至作业面，混凝土采用10 m3混凝土罐车水平运输、47 m3混凝土汽车泵垂直运输入仓，插入式振捣器振捣。模板除外包钢板(内设加劲环和拉结筋)不用支模外，锥板外缘1 m高范围内在水平方向和竖直两个方向均为圆弧形、采用订制钢模板，其余部分以钢模为主、木模辅助。

整流锥锥板为圆形结构。根据支撑体系受力计算，混凝土浇筑可以从圆面上任意一点开始铺料。为了保证混凝土浇筑质量，合理配置资源，锥板混凝土浇筑时，混凝土下料从圆形锥板外缘一点开始，分别沿顺、逆时针两个方向同时布料，采用斜层铺筑法，上层振捣时，振捣棒插入下层5 cm，确保层间混凝土结合良好。混凝土养护采用土工布覆盖并经常洒水，确保土工布长期处于湿润状态。

4.3.2 预应力张拉

整流锥悬空部分支撑体系按锥体和1 m厚锥板的荷载设计，预应力张拉在锥体浇筑前、整流锥中部厚1 m盖板浇筑前进行两次张拉，第一次张拉力为80 kN，第二次张拉力为400 kN。为了操作方便，张拉采用单端、对称张拉，张拉端设置在闸墩上。

5 实施过程监测

为保证整流锥顺利实施，在实施过程中，对整流锥支撑体系的变形和应力进行了安全监控，通过实测杆件应力、锚索索力和型钢平台变形等，与方案的计算分析结果进行了对比分析，确保了整个工程在实施过程中的安全性。实施过程中主要对锥尖混凝土浇筑前后、1 m和1.5 m厚锥板混凝土浇筑前后及实施过程中进行监测，并重点对1 m厚锥板混凝土浇筑期间进行了应力应变监测。在支撑体系应力应变监测的同时，还对整流锥钢衬板进行了位移监测，其时间点为：整流锥安装完毕、第一次钢绞线张拉完毕、整流锥第一次浇筑完毕、第二次钢绞线张拉、1 m厚锥板浇筑完毕、1.5 m厚锥板浇筑完毕、钢桁架拆除后等。通过有效监测，为整流锥混凝土浇筑顺利进行提供了可靠依据，为整流锥支撑体系的安全运行提供了数据支持。监测数据表明：(1)整流锥钢衬板上的监测点沉降量与钢桁架上的监测点沉降量基本相符，说明施工过程中盘扣架基本无变形；(2)1.5 m厚锥板浇筑前后各测点的应力和位移数值变化并不明显，说明1 m厚锥板承受了1.5 m厚锥板的大部分荷载，同预期值基本一致；(3)整流锥钢衬板和钢桁架最大沉降量为12 mm，钢桁架平台在整个施工过程的变形监测结果与计算分析结果基本相符，且满足支撑体系竖向变形不超过跨度1/1 000的变形控制要求。

6 结 语

溧阳抽水蓄能电站上水库进/出口水塔整流锥由于其悬空高、跨度大、集中荷载重、工程体量大、结构复杂等特点，导致其施工难度十分巨大。通过精心设计支撑体系、准确建模和分析计算、精心施工、适时监测等科学的方法和措施，快速、高效地完成了整流锥施工任务。经过总结，笔者有以下几点体会：(1)类似工程施工采用底承式预应力锚索吊拉钢桁架平台的支撑体系是适宜的；(2)重大、复杂的支撑体系设计时，需建立符合实际受力状态的分析模型，确定相关参数；(3)在类似重大、复杂的支撑体系施工过程中，应严格按照施工详图施工，确保支撑体系施工质量符合设计要求；(4)采用科学的监控技术，适时了解支撑体系的受力情况，为施工的顺利进行提供科学的依据，对复杂、关键结构部位的施工是必要的；(5)对于荷载大、结构体量大的悬空结构，采用分层浇筑时，其底层结构和其支撑对于上层结构的荷载分担情况值得研究，可为施工分层和采取合适的支撑结构提供理论依据。

(责任编辑：李燕辉)

收稿日期：2017-04-23

中图分类号：TV7;TV52；TV743

文献标识码：B

文章编号：1001-2184(2017)03-0008-05

作者简介：

刘 聪(1972-)，男，重庆云阳人，项目总工程师，高级工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

刘新星(1987-)，男，湖南益阳人，项目副总工程师，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

刘军国(1986-)，男，甘肃武威人，项目质量部主任，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作.