張利榮,嚴(yán)匡檸,張孟軍
(1.武警水電第二總隊,江西省南昌市 330096;2.武警水電第六支隊,福建省廈門市 361009)
抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、事故備用、調(diào)頻調(diào)相、快速啟閉等功能,是電力系統(tǒng)在調(diào)節(jié)平衡、安全穩(wěn)定和提升電能質(zhì)量方面的關(guān)鍵資產(chǎn),特別是在大電網(wǎng)系統(tǒng)、大容量負(fù)荷、大用電波動、多電源結(jié)構(gòu)的智能電網(wǎng)時代。中國大陸在20世紀(jì)90年代開始興建十三陵、廣蓄、天荒坪等第一批大型抽水蓄能電站,截至2014年6月底,抽水蓄能電站裝機(jī)容量21510MW,在建規(guī)模19040MW。
大型抽水蓄能電站,一般由上水庫、下水庫、地下廠房、引水系統(tǒng)和開關(guān)站等組成,其施工主要涉及地下洞室群、滲控工程、土石開挖與填筑、混凝土工程、堆石壩、機(jī)電安裝與調(diào)試等多個專業(yè)領(lǐng)域,與常規(guī)水利水電工程相比,其滲控工程、地下工程、機(jī)電安裝等領(lǐng)域具有鮮明獨特性,也是工程建設(shè)關(guān)鍵施工技術(shù)所在。[1]-[27]
大型抽水蓄能電站上水庫一般在選定位置新建,而下水庫大多利用現(xiàn)有水庫進(jìn)行改擴(kuò)建,也有部分工程下水庫是新建的,如西龍池、響水澗、洪屏等。
滲控工程是抽水蓄能電站新建水庫的關(guān)鍵,尤其是上水庫。為獲得較大的水頭,大型抽水蓄能電站上水庫基本布置在山峰上部,由溝谷或小盆地開挖填圍而成。一方面由于無天然徑流補給,由下水庫抽上來的水很珍貴,必然要求上水庫有良好的防滲功能,設(shè)計日滲漏量一般控制在總庫容的0.02%~0.05%范圍內(nèi)。另一方面山峰上部地質(zhì)條件差,如何確保防滲效果長期有效是一個重大技術(shù)難題,因為一旦防滲失效,不僅影響電站運行效益,更危及工程安全。
大型抽水蓄能電站庫盆根據(jù)地質(zhì)情況,按防滲范圍分為全庫防滲、局部防滲和不設(shè)防滲三類。其采用的防滲型式有單一防滲和聯(lián)合防滲二種,單一防滲形式為所有防滲部位均采用同一種方式;聯(lián)合防滲形式中有“庫岸面板+垂直帷幕”和“庫岸面板+庫底鋪蓋”兩種模式,庫岸面板有瀝青混凝土面板、鋼筋混凝土面板,庫底鋪蓋采用瀝青混凝土、黏土鋪蓋、土工膜或土工膜黏土復(fù)合體等。
國外已建抽水蓄能電站中,近九成上水庫庫盆采用單一的全瀝青混凝土防滲。國內(nèi)則是因地制宜、形式多樣,單一防滲形式的有天荒坪、西龍池、張河灣、呼蓄等上水庫采用全瀝青混凝土防滲,十三陵、宜興等上水庫采用全庫混凝土防滲。采用聯(lián)合防滲形式的更為普遍,寶泉采用庫岸瀝青混凝土+庫底黏土鋪蓋,溧陽采用鋼筋混凝土面板+庫底土工膜黏土復(fù)合體,響水澗、仙居、文登、蒲石河、廣蓄等采用鋼筋混凝土面板+垂直帷幕,泰安、鎮(zhèn)安采用庫岸鋼筋混凝土+庫底土工膜聯(lián)合防滲,洪屏采用庫岸鋼筋混凝土面板+垂直帷幕+庫底土工膜黏土復(fù)合體。
滲控工程中,庫底黏土鋪蓋、瀝青混凝土、陡坡混凝土面板和長陡坡墊層料等技術(shù)是關(guān)鍵,帷幕灌漿及土工膜鋪設(shè)為成熟施工技術(shù),不在此贅述。
寶泉抽水蓄能電站上水庫采用黏土鋪蓋護(hù)底、瀝青混凝土護(hù)岸與瀝青混凝土面板壩相結(jié)合的全庫盆聯(lián)合防滲形式。庫岸邊坡為1∶1.7,面積約16.52萬m2,瀝青面板厚0.202m;庫底黏土防滲面積約15.5萬m2,黏土鋪蓋厚4.5m。如圖1所示。
針對庫底黏土鋪蓋抵御垂直滲流等技術(shù)特性,創(chuàng)新解決了庫底黏土鋪蓋填筑施工的分期分區(qū)、進(jìn)料布料、組合碾壓、縱橫接縫、庫岸接頭等一系列技術(shù)難題,不僅保障了施工質(zhì)量,而且大幅提高了施工效率,填補了國內(nèi)庫底黏土鋪蓋填筑施工的技術(shù)空白:
圖1 庫底黏土鋪蓋與瀝青混凝土面板結(jié)合部斷面圖
(1)填筑區(qū)合理進(jìn)行分期、分區(qū),施工道路采用平面不交叉、上下層投影不重合的布置方式,并使用“后退法”布料,保證了施工質(zhì)量,實現(xiàn)了大面積黏土鋪蓋快速施工。
(2)黏土鋪蓋施工分區(qū)縱橫結(jié)合部預(yù)留斜坡面,坡面不陡于1∶3.0,在相鄰區(qū)段填筑時,坡面需進(jìn)行取樣檢測,各項指標(biāo)合格后,邊打毛、邊灑水、邊鋪料,并進(jìn)行騎縫碾壓。
(3)針對黏土鋪蓋水平防滲及工作面較大的特點,采用振動平碾碾壓、振動凸塊碾刨毛的組合碾壓和層間結(jié)合面處理技術(shù),提高了施工效率。
(4)黏土鋪蓋與庫岸防滲體結(jié)合部施工采用振動平碾薄層(庫底部位松鋪35cm,結(jié)合部松鋪25cm)靜壓,與庫岸防滲體接觸部分(接觸線以內(nèi)20cm范圍)黏土采用薄層攤鋪、隔層補壓的施工技術(shù),確保了施工質(zhì)量。
(5)黏土鋪蓋與瀝青混凝土面板結(jié)合部填筑前,先在瀝青混凝土面板上涂刷1∶1.1~1∶1.5的濃泥漿,且涂刷高度與鋪土厚度、涂刷進(jìn)度與鋪土強度基本一致,保證在黏土覆蓋前泥漿保持黏性。
瀝青混凝土面板具有防滲性能好、適變形能力強、可快速修補等優(yōu)點,但對瀝青、骨料要求較高,施工復(fù)雜、造價相對較高。瀝青混凝土面板有復(fù)式和簡式兩種結(jié)構(gòu),復(fù)式結(jié)構(gòu)由封閉層、面層防滲層、中間排水層、底層防滲層和整平膠結(jié)層組成,簡式結(jié)構(gòu)由封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層組成。復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)層次多、施工復(fù)雜、造價高,近期建成的工程多采用簡式結(jié)構(gòu)。寶泉上水庫庫岸瀝青面板為簡式結(jié)構(gòu),改性瀝青瑪蹄脂封閉層2mm、防滲層厚10cm、整平膠結(jié)層厚10cm,總面積16.6萬m2。
(1)瀝青混凝土配合確定。①瀝青、骨料原材料選定,一般整平膠結(jié)層采用普通石油瀝青,防滲層、加厚層和封閉層采用改性瀝青,要根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁睾头罎B要求進(jìn)行試驗比選;②配合比試驗,在設(shè)計配合比基礎(chǔ)上擬訂多組配合比,對其密度、孔隙率、滲透系數(shù)和斜坡流淌等項目進(jìn)行試驗,再優(yōu)選擇施工配合比。
(2)施工工藝。瀝青混凝土在90℃以上特別是超過110℃時,具有良好的可塑性和碾壓施工性能。瀝青混凝土面板施工工藝經(jīng)過試驗確定,其一般流程是:①采用自動化瀝青拌和系統(tǒng)拌制160℃以上的拌和料;②保溫運輸車運至現(xiàn)場,攤鋪機(jī)攤鋪成一定厚度,并由攤鋪機(jī)自帶的振動碾進(jìn)行預(yù)壓;③當(dāng)溫度降到110~130℃時,用振動碾碾壓2~3遍達(dá)到設(shè)計要求密實度,當(dāng)溫度降到90~100℃時,對面板進(jìn)行收光碾壓,形成符合設(shè)計要求的面板結(jié)構(gòu)。瀝青混凝土斜坡鋪料碾壓如圖2所示。
圖2 庫岸瀝青混凝土面板施工示意圖
(3)施工機(jī)械。瀝青混凝土拌和、運輸、攤鋪、碾壓等都配備相應(yīng)的專用施工設(shè)備;庫岸瀝青混凝土喂料小車、攤鋪機(jī)和斜坡碾都需要在環(huán)庫公路上布置牽引平臺。
鋼筋面板混凝土以其能適應(yīng)較陡邊坡,具有施工技術(shù)成熟、施工速度快、抗沖刷耐高溫等優(yōu)點,是抽水蓄能電站上下水庫防滲的常用結(jié)構(gòu)。鋼筋面板混凝土常常用在堆石壩的上游邊坡、庫岸邊坡或是整個庫盆的面板防滲體系中。如仙游上下水庫、仙居上水庫、響水澗上水庫、桐柏上水庫、蒲石河上水庫等,僅堆石壩采用了面板混凝土防滲;洪屏上水庫、績溪下水庫等,除堆石壩外,部分庫坡采用了面板混凝土;西龍池下水庫,除大壩與庫底采用瀝青混凝土防滲外,庫岸邊坡均采用面板混凝土防滲;十三陵水庫與宜興上水庫采用的是全庫盆鋼筋面板混凝土防滲,且十三陵水庫是中國首次在抽水蓄能電站大規(guī)模采用鋼筋混凝土全面防滲的工程。
鋼筋面板混凝土常采用無軌滑模施工技術(shù),無軌滑模技術(shù)發(fā)展至今,已相對成熟了,在此僅介紹西龍池下水庫庫岸陡邊坡情況下的面板混凝土滑模施工工藝。
西龍池下水庫受地形條件限制,庫岸面板邊坡設(shè)計為1∶0.75,已屬較陡的面板邊坡,在面板的滑模施工上,為有效抵抗混凝土的浮托力,理論上宜采用有軌滑模。但因庫岸邊坡由多個坡面組成,坡面與坡面相交區(qū)域所劃分的面板條塊,多以梯形塊或三角塊為主,有軌滑模在這些不規(guī)則條塊中并不適用。所以盡管邊坡較陡,仍然采用無軌滑模施工技術(shù)。但在1∶0.75的庫岸邊坡上實施無軌拉模,所帶來的問題是混凝土的浮托力難于克服,滑模配重不足時,滑模易因混凝土的浮托而“跑?!?,配重太大時,卷揚機(jī)的牽引力過大,卷揚系統(tǒng)的安全難于得到保證。
通過無軌滑模的澆筑試驗發(fā)現(xiàn),在面板混凝土初始澆筑時,即在填充滑模體內(nèi)所圍成空腔過程中(如圖3所示),此時的混凝土浮托力N相對于其后續(xù)澆筑階段要大得多。為此滑模就位后,可先在滑模兩側(cè)的巖石坡面上埋設(shè)錨桿,通過錨桿將滑模鎖定,或在滑模上采用成捆鋼筋配置足夠的配重,再開始混凝土的澆筑施工。同時,對初始入倉的混凝土取樣入試模,作為驗證滑模是否具備起滑的依據(jù),即在混凝土澆筑至滑模的頂部后,經(jīng)手指按壓并判斷試模混凝土已接近初凝時,相應(yīng)意味著滑模底部的混凝土已接近初凝,此時混凝土滑模體的浮托力應(yīng)已明顯減小,可以解除錨桿的鎖定或卸除部分配重,進(jìn)入常規(guī)起滑施工階段。經(jīng)試驗驗證,正常起滑階段的滑模與配重的總重W沿面板寬度方向每延米不小于1.25~1.3t,且每次的起滑行程以20~25cm、每小時提升行程60~75cm為宜。另在入倉的混凝土坍落度控制上,以30~40mm為宜,不得大于50mm。實踐表明,坍落度大于50mm時,混凝土浮托力明顯加大,極易“跑?!薄?/p>
圖3 無軌滑模起滑初期滑模受力分析示意圖
綜上,對于陡邊坡面板的無軌混凝土施工,為確?;2弧芭苣!?,且不明顯增加卷揚機(jī)的牽引力,其施工要點有:①初始鎖定滑模(或加大配重);②底部混凝土澆筑并待凝;③解除鎖定(或卸除部分配重);④低坍落度入倉;⑤模體小行程慢速滑升。
墊層料是防滲層(混凝土、瀝青混凝土)與承載體(壩體、庫岸、庫底)之間的過渡結(jié)構(gòu),支撐防滲層發(fā)揮表面防滲功能。
(1)施工特點。庫岸墊層施工,必須先開挖庫岸成型,再鋪料碾壓,無法采用堆石壩的固坡跟進(jìn)技術(shù)。與平緩部位或短坡相比,長陡坡庫岸布料、加水和碾壓施工難度大。長陡坡庫岸墊層料施工,無法采用自卸車直接進(jìn)料或推挖裝機(jī)械轉(zhuǎn)料鋪料,皮帶機(jī)布料存在移動困難、局部堆積和效率低下等重大缺陷。非平面部位碾壓容易飄移,質(zhì)量控制難。
(2)關(guān)鍵技術(shù)措施。①布料。一是采用牽引平臺+攤鋪機(jī),施工可控,質(zhì)量有保證,但成本很高;二是牽引平臺+簡易布料車,再輔以人工、機(jī)械相配合,寶泉、張河灣均采用此方法。②加水。一般在布料前對墊層料進(jìn)行預(yù)灑水,攤鋪完成后碾壓前在坡面再次灑水,灑水量根據(jù)試驗控制;坡面灑水由軟式水管引水人工在現(xiàn)場自上而下噴灑。③碾壓。采用牽引平臺+斜坡碾,庫岸上端、下端及與結(jié)構(gòu)物結(jié)合處等部位輔以液壓夯板,碾壓參數(shù)由試驗確定。對非平面部位,斜坡碾步進(jìn)以寬緣端控制,確保不漏壓;布料時可酌情先初壓精平,再進(jìn)行碾壓,防止飄移。
(3)施工案例。寶泉上水庫庫岸是1∶1.7高陡邊坡,坡長94m,坡面墊層料設(shè)計厚度0.6m,填筑后干密度不小于2.22g/cm3,孔隙率不大于19%,滲透系數(shù)不小于10~3cm/s。主要施工技術(shù)措施為:①牽引平臺是自卸車(包頭3303B型,自重19.83t,載重25t)加裝一臺卷揚機(jī)(JG4型,額定載荷40kW,容繩量340m,電機(jī)功率55kW)而成,牽引能力160kW,移動靈活方便,布料和碾壓共用。②簡易布料車為自制的4m3小車,設(shè)計載重量6.8t、自重1.5t,小車前部為牽引端,后部設(shè)置卸料門;布料時由3m3裝載機(jī)喂料,人工開啟簡易布料車出口閘門,出料強度及布料厚度由人工控制閘門開度進(jìn)行靈活掌握。③攤鋪前對墊層料進(jìn)行2%~3%預(yù)灑水,鋪料(松鋪厚度70cm)完成后,碾壓前在坡面再次進(jìn)行2%~3%表面灑水。④墊層料采用10t斜坡碾碾壓,采用“上振下靜”碾壓8遍,液壓夯板輔助。
地下洞室群包括引水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和尾水系統(tǒng),三者既相對獨立又相互關(guān)聯(lián)。地下洞室群的施工是一個較為復(fù)雜的過程,其施工特點主要有:地下洞室群或多洞并列,或縱橫交錯、相互貫通,空間形態(tài)較為復(fù)雜,施工相互干擾;洞室施工作業(yè)環(huán)境差,黑暗、潮濕,有害氣體、粉塵多,且地質(zhì)條件存在不可預(yù)見性,遇到不良地質(zhì)地段常伴隨塌方、地下涌水等突發(fā)事件的發(fā)生,安全問題突出。可見,許多因素都可影響到地下洞室的施工進(jìn)程。
因此,對于地下洞室群的施工,應(yīng)先進(jìn)行系統(tǒng)研究,在滿足施工進(jìn)度且經(jīng)濟(jì)可行的情況下,合理安排各洞室的先后施工順序,尋求合理的機(jī)械設(shè)備配備,進(jìn)行施工高峰期交通運輸分析,論證各施工通道能否滿足交通運輸要求,在利用永久洞室作來交通的基礎(chǔ)上,論證是否需進(jìn)一步增設(shè)施工支洞。
在系統(tǒng)論證的基礎(chǔ)上,地下洞室群的施工常按“平面多工序、立體多層次”的原則展開。為了實現(xiàn)“立體多層次”,應(yīng)統(tǒng)籌考慮各大洞室開挖分層及各層的施工道道,所有與洞外相連的洞室宜早開工,并盡快掘進(jìn)至大洞室的對應(yīng)開挖層中,否則將影響大洞室的施工進(jìn)程。如某地下廠房,主廠房的第二層抽槽開挖已結(jié)束,與此相連的進(jìn)廠交通洞仍未貫通,嚴(yán)重影響了該層的巖壁梁開挖與其混凝土施工,同時也不利于洞內(nèi)空氣的流通。
地下洞室群洞內(nèi)風(fēng)流場復(fù)雜,所以應(yīng)注重地下洞室的通風(fēng)系統(tǒng)布置。地下大型洞室一般在頂部、中部、底部均設(shè)有永久隧洞或施工輔助洞室,為各層提供施工通道和施工期通風(fēng)排煙通道,為滿足通風(fēng)要求,各層洞室(平洞)盡量與外界直接溝通,擴(kuò)大洞內(nèi)外氣體交換斷面,減少廢氣循環(huán)。所以在施工規(guī)劃上,中小型洞室(尤其是連通洞外和洞內(nèi)大型洞室的洞室)應(yīng)先行完成,以減輕后期洞室與洞室之間貫通后的通風(fēng)壓力。在施工前期,也即中小洞室在貫通之前,其通風(fēng)排煙模式與獨立的洞室相同,即在洞口布置風(fēng)機(jī),向洞內(nèi)壓風(fēng)(或抽排)達(dá)到排煙除塵的目的。但在各洞室相互貫通后,洞內(nèi)風(fēng)流場開始變得復(fù)雜,一味地向洞內(nèi)壓風(fēng)未必能實現(xiàn)除塵的目的,所以應(yīng)結(jié)合各洞口的氣壓,對洞內(nèi)的風(fēng)流場進(jìn)行模擬演算,并調(diào)整壓風(fēng)機(jī)的布置。一般地,可在高程相對較低的洞口外側(cè)布置軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓風(fēng),在高程相對較高的洞室內(nèi)布置風(fēng)機(jī)向外抽排煙塵。風(fēng)機(jī)的功率應(yīng)盡可能大,避免在洞內(nèi)接力。洞室中的長斜井、豎井是洞室群中的重要排風(fēng)口,先行施工可大大解決洞室群的通風(fēng)散煙問題,如無永久的長斜、豎井可利用時,可專門設(shè)置排煙豎井。如洪屏地下廠房,與地下廠房相連的通風(fēng)兼安全洞和進(jìn)廠交通洞盡管在洞內(nèi)高差較大,但二者進(jìn)洞口底板基本在一個高程上,天然的氣壓差小,通過進(jìn)廠交通洞送風(fēng)、通風(fēng)兼安全洞抽排的效果并不明顯,所以,在通風(fēng)兼安全洞上方,又專門設(shè)置了一深231m的排煙豎井,有效解決了地下廠房的排煙除塵問題。
當(dāng)?shù)叵滤S富時,應(yīng)注重地下洞室的排水問題,如地下水處理不當(dāng),將影響大型洞室的鉆孔、裝藥,進(jìn)而影響爆破效果,同時也不利于大型洞室的圍巖穩(wěn)定。所以在前期進(jìn)行的中小洞室開挖時,應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)滲水的大小,預(yù)測后期可能的滲流量,配足水泵,并逐級分段設(shè)置集水坑,利用水泵將滲水及時排出洞外,以確保各洞室的滲水不往大型洞室中匯集。同時,已有的排水洞,如廠房周邊的上、中、下各層排水洞,應(yīng)超前廠房對應(yīng)層的開挖施工。
注重大型洞室開挖圍巖穩(wěn)定和安全。對于大型洞室,第一層開挖的拱頂往往較為平緩,開挖后其自穩(wěn)能力難于形成,施工多采用分部開挖法,即先進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖,在對拱頂完成錨噴支護(hù)且圍巖變形趨于穩(wěn)定后,再進(jìn)行兩側(cè)的擴(kuò)挖施工。對于高邊墻的錨噴支護(hù)施工,應(yīng)盡可能地與開挖穿插進(jìn)行,實現(xiàn)“平面多工序”,確保邊墻的穩(wěn)定。
注重廠房巖壁梁的施工質(zhì)量,巖壁梁的巖臺開挖目前多采用豎向孔加斜孔實施“爆刻”,巖臺成形效果較好。在巖壁梁混凝土施工之前,有條件時,其下方的母線洞宜先行開挖,使母線洞頂部的圍巖應(yīng)力釋放一部分,有利于巖壁梁的受力穩(wěn)定。巖壁梁的混凝土澆筑,要通過優(yōu)化混凝土配合比、降低水化熱與混凝土入倉溫度,以及加強養(yǎng)護(hù)等手段來實現(xiàn)混凝土限裂、防裂的目的。
斜井是水利水電工程中的重要建筑物,由于大型抽水蓄能電站的水頭高,引水斜井也比較長,且為陡傾角斜井(45°~60°),其施工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)水電。當(dāng)前國內(nèi)斜井最長是760m(寶泉),最大連續(xù)斜長419m(寶泉),洞徑最大9m(桐柏),連續(xù)斜長超過300m的有寶泉、黑糜峰、西龍池、桐柏、天荒坪、十三陵、廣蓄等抽水蓄能電站。
大型抽水蓄能電站典型設(shè)計為二級斜井布置,即上斜井—中平洞—下斜井,如寶泉、西龍池、十三陵、仙游、天池等;單斜井有天荒坪、黑糜峰、桐柏等;三級斜井有惠蓄;響水澗、張河灣等為豎井。對超長單斜井(天荒坪697m),開挖時在中部布置一條支洞,并在斜井中留一段巖塞,將斜井分為上下兩段分別進(jìn)行開挖。
斜井、豎井開挖有全斷面法和導(dǎo)井?dāng)U挖法兩種,較大斷面一般選用導(dǎo)井?dāng)U挖法,即先開挖貫通導(dǎo)井,再自上而下擴(kuò)挖、導(dǎo)井溜渣。自上而下進(jìn)行施工稱為正井法,自下而上則為反井法。導(dǎo)井開挖方法當(dāng)前有人工正導(dǎo)井法、人工反導(dǎo)井法、阿力馬克爬罐反導(dǎo)井法和反井鉆機(jī)反導(dǎo)井法四種方法,人工反導(dǎo)井法應(yīng)用很少。
斜井導(dǎo)井開挖當(dāng)前常用有三種方案。一是正、反導(dǎo)井同時進(jìn)行,上口采用手風(fēng)鉆開挖、人工裝渣、卷揚機(jī)牽引斗車出渣,下口采用ALIMAK(阿力馬克)爬罐打反導(dǎo)井、自重溜渣,寶泉、桐柏、廣蓄、仙游等工程均采用該方案。二是反井鉆機(jī)反導(dǎo)井開挖方案,惠蓄僅用此方案。三是多種方法的復(fù)合方案,西龍池上斜井下口先用阿里瑪克爬罐打262m,余下上部120m用反井鉆反拉導(dǎo)井。ALIMAK爬罐工作如圖4所示。
圖4 ALIMAK爬罐工作示意圖
斜井?dāng)U挖及噴錨支護(hù),均在卷揚機(jī)牽引的鋼平臺上進(jìn)行施工,這種高達(dá)10m的作業(yè)臺車共分四層,可以滿足擴(kuò)挖鉆爆和噴錨支護(hù)同時作業(yè),也便于操作手容易打周邊孔和徑向錨桿。擴(kuò)挖石渣通過導(dǎo)井溜渣到下口,再機(jī)械出渣。
斜井混凝土襯砌一般采用全斷面自下而上進(jìn)行,施工難點是模板技術(shù),有CSM間斷滑模、XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模等三種,CSM間斷滑模為國外引進(jìn)技術(shù),XHM-7型斜井滑模、LSD斜井滑模為國內(nèi)自行創(chuàng)新技術(shù)。LSD斜井滑模主要由模體、牽引、軌道和運輸系統(tǒng)等部分組成,適合陡傾角大直徑長斜井混凝土襯砌施工,已經(jīng)應(yīng)用于寶泉、桐柏、惠蓄、黑糜峰、仙游等工程。混凝土入倉采用M-Box、溜管或機(jī)械提升配溜槽。LSD斜井滑模系統(tǒng)施工如圖5所示。
圖5 LSD斜井滑模系統(tǒng)施工布置圖
大型抽水蓄能電站建設(shè)經(jīng)驗表明,鋼筋混凝土襯砌在600m級水頭風(fēng)險很大,國內(nèi)寶泉、西龍池、洪屏、呼蓄、豐寧等工程,設(shè)計或之后增設(shè)了斜井鋼襯。如寶泉在上斜井高程450m至723.5m段安裝內(nèi)徑5.8m鋼襯,長度357m,采用Q345鋼材,厚度分別為28、24、20mm。
鋼襯入井就位、焊接和回填混凝土是施工關(guān)鍵技術(shù)。為滿足最長鋼管節(jié)入井、安裝卷揚機(jī)及作業(yè)的空間需要,必須在上彎段進(jìn)行擴(kuò)挖,鋼襯平移到斜井上口后,由慢速卷揚機(jī)牽引臺車緩慢下降就位。由于鋼襯與斜井基礎(chǔ)面之間空間狹小,兩節(jié)鋼襯間的焊縫無法在鋼襯外部進(jìn)行焊接,采用單面焊接雙面成型的焊接工藝,保證了焊接質(zhì)量。鋼襯外空腔回填混凝土,其混凝土入倉和振搗都非常困難,寶泉斜井、柬埔寨基里隆豎井均創(chuàng)新回填微膨脹自密實混凝土,溜管入倉,不僅進(jìn)度快,而且質(zhì)量保證率高。
抽水蓄能電站地下廠房具有跨度大、邊墻高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交叉洞室多、圍巖穩(wěn)定問題突出等特點,表1中為部分抽水蓄能電站地下廠房的特征參數(shù)。
表1 部分抽水蓄能電站地下廠房的特征參數(shù)
由表1可知,抽水蓄能電站地下廠房的跨度一般為21.0~26.0m,高度一般為41.0~56.0m。根據(jù)廠房的高度不同,多分為6層或是7層開挖完成。開挖分層的規(guī)劃,需結(jié)合施工通道條件、廠房的結(jié)構(gòu)特點、施工機(jī)械性能、相鄰洞室及相關(guān)構(gòu)筑物的施工需要等統(tǒng)籌考慮。如洪屏抽水蓄能電站地下廠房,在規(guī)劃上分為7層,第一層及第二層的前期開挖的施工通道為通風(fēng)兼安全洞,第二層的巖壁梁開挖施工以及第三層開挖、第四層的初期開挖利用進(jìn)廠交通洞作為施工通道,第四層的后期開挖、第五層開挖以及第六層的前期開挖利用4號施工支洞作為施工通道,第六層的后期開挖以及第七層開挖利用尾水支洞、尾水隧洞和5號施工支洞作為施工通道。關(guān)于層高的劃分,在滿足機(jī)械性能要求的情況下,第一層的高度宜適當(dāng)高一些,以確保拱腳以下直立墻所預(yù)留的高度(如圖6所示中的H),能滿足第二層沿邊墻垂直造孔時鉆機(jī)對其上部空間的要求。其他層的層高以5~8m為宜,以減小抽槽開挖施工中巖石的夾制影響。
廠房的施工工序相對復(fù)雜,工期緊。在施工安排上,多采用“平面多工序,立體多層次”的開挖方法。在平面上,鉆孔、爆破、出渣、錨桿(索)鉆孔安裝、混凝土噴護(hù)等施工應(yīng)盡可能實現(xiàn)流水作業(yè)或穿插施工,在立面上,遵循自上而下的順序逐級開挖的同時,可考慮由下部施工通道進(jìn)入廠房施工,實現(xiàn)立體交叉施工。如洪屏地下廠房,在進(jìn)行上部開挖的同時,利用5號施工支洞、尾水隧洞和尾水支洞,先行完成底部第七層的開挖,既加快了施工進(jìn)度,同時也有利于第六層開挖出渣。有些工程還利用中部相關(guān)洞室(如進(jìn)廠交通洞或施工支洞),在廠房上部開挖的同時,進(jìn)入含母線洞層的廠房開挖層,先行完成母線洞的開挖,讓母線洞上方的直立墻塑性變形先行完成,有利于后期施工的巖壁梁的受力穩(wěn)定。
圖6 廠房第一層開挖拱腳下部直立墻預(yù)留高度示意圖
廠房第一層也即頂拱層,一般采用中導(dǎo)洞超前、兩側(cè)跟進(jìn)擴(kuò)挖的方法進(jìn)行,多采用鑿巖臺車或手風(fēng)鉆造孔,水平孔爆破開挖。由于地下廠房跨度大、頂拱比較平緩,不利于巖層承重拱的形成。所以中導(dǎo)洞超前開挖后,需先完成其頂部錨噴支護(hù)后再進(jìn)行兩邊的擴(kuò)挖施工,有的工程僅通過頂部一般的錨噴支護(hù),還尚未能保證拱頂部位的穩(wěn)定,如西龍池地下廠房,在廠房頂拱的上部開挖錨洞,采用錨索對廠房拱頂部分實施對錨后,再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖施工。廠房其他層,多采用潛孔鉆或手風(fēng)鉆垂直造孔,先中間梯段抽槽爆破,后對兩側(cè)預(yù)留的保護(hù)層實施光面爆破或預(yù)裂爆破的方式進(jìn)行。其中第二層或是第三層開挖,將涉及巖壁梁的巖臺基礎(chǔ)開挖,為保證巖臺的成形,還需采取一些特殊爆破措施。對于裂隙發(fā)育、地下水豐富的廠房,在開挖上,還往往要求位于廠房開挖層同一高程區(qū)間的排水洞應(yīng)先行開挖完成,以減小廠房的滲水量,確保圍巖穩(wěn)定。
廠房的支護(hù)形式以錨桿、錨索加混凝土噴護(hù)為主。錨桿鉆孔常利用鑿巖臺車進(jìn)行,以滿足錨桿在空間上不同角度的要求。傳統(tǒng)的錨桿施工質(zhì)量檢測方法主要為“拉拔法”,工程驗證表明,只要錨桿錨固了一定的長度,即使錨桿不足設(shè)計長度或砂漿飽滿度不滿足設(shè)計要求,其抗拔力指標(biāo)也可能是合格的,達(dá)不到真正檢測的目的。因此,近年來,對錨桿的檢測除傳統(tǒng)的檢測外,還需對錨桿實施無損檢測,以實現(xiàn)無損、經(jīng)濟(jì)、快速地測定錨桿的錨固長度以及砂漿的飽滿度。
巖壁梁的開挖屬廠房開挖的一個組成部分,但由于巖壁梁是地下廠房的重要建筑物,其巖臺開挖質(zhì)量將直接影響到橋機(jī)的運行安全。因此,對巖壁梁的施工單獨加以闡述。
巖壁梁一般位于廠房開挖層的第二層或是第三層,對于這一層的開挖,按兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層、中部抽槽開挖的方式進(jìn)行。中部抽槽開挖時,槽的兩側(cè)設(shè)置預(yù)裂孔,按先預(yù)裂后槽內(nèi)梯段爆破的方式形成“先鋒槽”,以確保兩側(cè)所預(yù)留的保護(hù)層不被破壞。槽兩側(cè)保護(hù)層一般采用手風(fēng)鉆垂直造孔,按淺孔梯段爆破+光面爆破的方式予以爆除,保護(hù)層的預(yù)留厚度,以能滿足挖掘機(jī)行走所要求的最小寬度為原則,如預(yù)留太厚,手風(fēng)鉆鉆孔的作業(yè)量將偏大,影響施工進(jìn)度且不經(jīng)濟(jì)。圖7為洪屏抽水蓄能電站地下廠房巖壁梁開挖層分區(qū)規(guī)劃圖,其中Ⅰ1、Ⅰ2為中部抽槽開挖區(qū),分兩層完成,Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4為保護(hù)層開挖,Ⅱ5巖臺開挖區(qū)。
圖7 洪屏抽水蓄能電站地下廠房巖壁梁開挖層分區(qū)規(guī)劃圖
圖9 巖臺豎向孔加斜孔爆破方式
巖臺部位早期的開挖方式為沿巖臺壁鉆設(shè)水平孔將巖臺上部保護(hù)層爆除,如圖8所示。水平鉆孔方式的優(yōu)點是施工簡便,但巖臺的成形效果較差。如圖8(a)所示。當(dāng)周邊孔起爆時,a孔易因上下邊墻的夾制而造成該部位欠挖,而b、d兩孔爆破后,易將下拐點c附近區(qū)域巖石切除,形成超挖。所以最終的爆破效果可能如圖8(b)所示。
后經(jīng)施工實踐,將巖臺保護(hù)層的開挖改用豎向孔加斜孔實施光爆的開挖方式,如圖9所示。采用該方式進(jìn)行開挖施工,爆破后巖臺上下拐點分明,直立面和斜面平整,形如“爆刻”。施工時,豎向孔結(jié)合巖臺外側(cè)保護(hù)層鉆孔開挖,搭設(shè)鋼管定位樣架一同將其鉆設(shè)完成,并插入PVC管護(hù)孔,下部斜孔的施工,也同樣搭設(shè)樣架,采用氣腿式風(fēng)鉆自下而上完成其鉆孔作業(yè)。豎向孔和斜孔的孔間距為30~35cm,孔內(nèi)線裝藥密度約為75~80g。由于不管是豎向孔還是斜孔,其孔內(nèi)裝藥主要集中在巖臺的上拐點區(qū)域,而下拐點僅采用炸藥紙箱碎片進(jìn)行弱堵(而非孔口封堵),這樣,爆破后,上拐點基本不欠挖,而下拐點也能較完整地保留。
巖壁梁的混凝土施工較為常規(guī),但施工中模板常不周轉(zhuǎn)使用,模板及其支撐材料一次投入大,在模板選型上,宜膠合板作為模板。為了降低混凝土內(nèi)部的溫升,宜在混凝土內(nèi)埋設(shè)測溫計和冷卻水管。澆筑時,在優(yōu)化混凝土配合比、降低混凝土水化熱、降低入倉混凝土溫度、保溫養(yǎng)護(hù)等方面加以控制。
大型抽水蓄能機(jī)組作為電站的核心設(shè)備,其功能主要是在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù),在設(shè)計上具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、大功率、軸系長等特點,因此這也決定了抽蓄機(jī)組在安裝和調(diào)試過程中具有相應(yīng)獨特的施工技術(shù),主要包括座環(huán)/蝸殼水壓技術(shù)、轉(zhuǎn)子熱打鍵技術(shù)、動平衡試驗技術(shù)、推力軸承預(yù)調(diào)整安裝技術(shù)、首機(jī)首次水泵工況啟動技術(shù)等。
抽水蓄能機(jī)組的座環(huán)/蝸殼由于工作壓力大,在安裝過程中需進(jìn)行嚴(yán)格的水壓試驗和保壓工作,目的是檢驗座環(huán)/蝸殼焊縫的焊接質(zhì)量和蝸殼變形是否符合設(shè)計要求,以及在蝸殼周邊混凝土澆筑過程中提供保壓澆筑和回填灌漿條件,其方法步驟主要如下:
(1)準(zhǔn)備工作。安裝座環(huán)內(nèi)封筒及密封、下機(jī)坑里襯安裝,以及蝸殼上的測壓管及壓力表,在座環(huán)/蝸殼的X、-X、Y、-Y四個方向使用型材設(shè)置測量支架,在4個蝸殼斷面的座環(huán)法蘭面布置4塊百分表,座環(huán)內(nèi)側(cè)精加工面的水平布置8塊百分表,在蝸殼外側(cè)蝸殼中心線上布置4塊百分表,監(jiān)測試驗時座環(huán)/蝸殼的變形及水平變化。
(2)啟動試壓泵進(jìn)行試壓泵本體試驗,調(diào)整安全閥最大壓力值,試驗過程中壓力變化允許值為額定壓力的±3%。
(3)對蝸殼進(jìn)行充水,關(guān)閉充水閥,逐級升壓,每升一級保壓5min,降壓一次后再升壓,最高實驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍。
(4)整個水壓試驗時間由專門人員計時,對試驗數(shù)據(jù)做好詳細(xì)記錄,在每個保壓階段認(rèn)真檢查座環(huán)/蝸殼的焊縫有無滲漏、裂紋、變形等,并記錄監(jiān)控座環(huán)的百分表讀數(shù);檢查各封堵孔與座環(huán)內(nèi)封筒封堵有無滲漏。
(5)蝸殼保壓。蝸殼水壓試驗合格后,降低至蝸殼保壓值(一般為0.5倍設(shè)計水壓),在蝸殼保壓狀態(tài)下澆筑混凝土?;炷翝仓r在座環(huán)法蘭面布置百分表監(jiān)測座環(huán)水平變化,在蝸殼的進(jìn)口封頭處布置百分表監(jiān)視蝸殼的位移,并根據(jù)實際情況隨時調(diào)整混凝土澆筑順序。由于保壓澆筑混凝土?xí)r間較長,要求專人記錄壓力變化情況,當(dāng)壓力降至偏差范圍(低于5%)時應(yīng)及時啟泵增壓。
(6)蝸殼排水。蝸殼混凝土澆筑完成后,蝸殼保壓28d時間,待回填灌漿全部結(jié)束后,將蝸殼最低處的水管閥打開進(jìn)行排水泄壓。
轉(zhuǎn)子磁軛在運行中由于受到強大的離心力作用,將會導(dǎo)致磁軛徑向變形,使磁軛與中心體發(fā)生徑向分離,轉(zhuǎn)速越高,這種分離現(xiàn)象越嚴(yán)重。為保證機(jī)組在這種情況下安全運行,必須要使磁軛與中心體之間有一定的機(jī)械緊量,因此在轉(zhuǎn)子裝配過程中應(yīng)預(yù)先給轉(zhuǎn)子磁軛與中心體一個預(yù)緊力,采用熱打鍵的方法可以滿足這一預(yù)緊力的要求。
采用電磁加熱方法對轉(zhuǎn)子磁軛進(jìn)行加熱,當(dāng)磁軛與瓶狀軸的溫度差Δt達(dá)到計算要求值時,磁軛與中心體之間將產(chǎn)生一定的膨脹量間隙,此時停止加熱,開始打鍵工作,其原理如圖10所示。熱打鍵的方法是在冷打鍵的基礎(chǔ)上,用大錘將磁軛副鍵繼續(xù)打入鍵槽內(nèi),根據(jù)計算和實際測量,副鍵進(jìn)入量應(yīng)符合要求值。打鍵部位的順序應(yīng)根據(jù)磁軛外圓實際情況進(jìn)行,外圓較小的部位應(yīng)優(yōu)先開始。磁軛鍵打完后,將多余部分割除,然后安裝主、副鍵壓板。待磁軛冷卻至室溫后,拆除保溫棚與加熱設(shè)備,清掃轉(zhuǎn)子上的焊珠、焊渣和灰塵,全面檢查疊壓系數(shù)、圓度、半徑、波浪度等各項參數(shù)使之滿足技術(shù)要求。
圖10 轉(zhuǎn)子熱打鍵加熱原理圖
預(yù)調(diào)整安裝方法是在鏡板與推力頭未組合前,利用鏡板本身重量作為預(yù)壓力,采用微米位移傳感器檢測出各支柱式抗重螺栓的受壓量,再根據(jù)此受壓量進(jìn)行推力瓦的精確調(diào)整,其方法步驟主要如下:
(1)鏡板放置在水平度(0.02mm/m)已調(diào)好的推力瓦上面。
(2)利用鏡板本身重量壓在推力瓦上,測量鏡板水平度和支柱螺栓受壓后的壓縮量。
(3)調(diào)整均等三塊推力瓦令鏡板水平符合0.02mm/m。
(4)上調(diào)其余推力瓦,調(diào)整和測量壓縮量。
(5)按上述程序反復(fù)起吊鏡板,實測推力瓦壓縮量,反復(fù)調(diào)整支柱式螺栓,使實測壓縮值均勻一致。
(6)再按正常程序組裝推力軸承。
抽蓄機(jī)組的動平衡試驗方法,需在抽水和發(fā)電兩個旋轉(zhuǎn)方向分別進(jìn)行。首先是在抽水方向下進(jìn)行動平衡試驗,由SFC啟動機(jī)組逐漸升速,并根據(jù)機(jī)組各部位的振動檢測值,完成轉(zhuǎn)子的配重工作。再在發(fā)電方向下,進(jìn)行動平衡的校核工作,以檢查其變化情況,方法步驟主要如下:
(1)先確定基準(zhǔn)試驗轉(zhuǎn)速,一般為80%額定轉(zhuǎn)速,再在此轉(zhuǎn)速點進(jìn)行機(jī)組各部位振動和擺度值的測定、配重、對比、改進(jìn)等試驗。
(2)利用SFC裝置啟動機(jī)組,測出其振動、擺度及相位值。
(3)用一試重塊臨時緊固在轉(zhuǎn)子下方的聯(lián)軸螺桿上,再次啟動機(jī)組,測出新的振動、擺度及相位值。
(4)將試重塊取掉更換另一個位置,第三次啟動機(jī)組,并測量和記錄新的振動、擺度及相位值。
(5)根據(jù)前三次測量和記錄的數(shù)據(jù),計算需要配重的方位及重量,配重后再次啟動機(jī)組,測量和記錄新的振動、擺度及相位值。
(6)經(jīng)過多次試驗、測量、計算和配重后,利用配重塊所產(chǎn)生的附加離心力平衡原有的機(jī)械不平衡力,從而達(dá)到減小機(jī)組振動和擺度的目的。
(7)抽水蓄能機(jī)組在水泵工況方向完成動平衡試驗后,在后續(xù)水輪機(jī)工況方向再次進(jìn)行動平衡校正試驗。
抽水蓄能電站首機(jī)首次水泵工況啟動原理,首先是利用充氣壓水設(shè)備,對機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行壓水,使轉(zhuǎn)輪處于空載狀態(tài),再利用靜止變頻裝置SFC啟動機(jī)組,逐步升至額定轉(zhuǎn)速后并入電網(wǎng),同時切除SFC設(shè)備,最后打開主球閥及導(dǎo)葉,機(jī)組開始抽水運行,其方法步驟主要如下:
(1)啟動條件。首機(jī)首次以水泵工況啟動所需上水庫水位,應(yīng)根據(jù)機(jī)組模型報告中所要求的水泵超低或最低揚程來確定,一般因安全考慮,可選擇最低揚程啟泵,并對最低揚程以及相關(guān)的水力參數(shù)進(jìn)行核定,以保證水泵抽水工況下無空化破壞和穩(wěn)定運行。機(jī)組啟動時的淹沒深度應(yīng)滿足其出廠參數(shù)值及現(xiàn)場計算要求。
(2)調(diào)相壓水。機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下,利用調(diào)相壓水設(shè)備,對轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行充氣壓水。當(dāng)水面降至要求水位時,停止充氣。壓水成功后,轉(zhuǎn)輪處于空氣之中的空載狀態(tài),調(diào)相壓水的過程重點是關(guān)注儲氣罐的容積和調(diào)相壓水控制程序正確性。
(3)動平衡試驗。采用SFC拖動機(jī)組來進(jìn)行動平衡試驗,并根據(jù)試驗中的檢測數(shù)據(jù),完成轉(zhuǎn)子的配重工作。
(4)調(diào)相轉(zhuǎn)抽水。水泵調(diào)相轉(zhuǎn)抽水運行分三步進(jìn)行,一是轉(zhuǎn)輪室排氣回水;二是零流量造壓;三是開導(dǎo)葉抽水。此過程需正確選定標(biāo)志水泵造壓程度的功率值,該選定值是開啟球閥、導(dǎo)葉的主要條件。由于機(jī)組輸入功率值能反映水泵造壓的實際情況,因此可監(jiān)測和設(shè)定兩個功率參數(shù),即一級功率設(shè)定值用于開球閥,二級功率設(shè)定值用于關(guān)閉轉(zhuǎn)輪室排氣閥和止漏環(huán)供水閥,并開啟導(dǎo)葉。
(5)數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析。在首機(jī)首次水泵抽水過程中,需對機(jī)組運行過程中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測與分析,主要包括溫度、振動、擺度、壓力脈動、空化系數(shù)、機(jī)組淹沒深度等,由于機(jī)組首次啟動時揚程較低,需根據(jù)現(xiàn)場實測的揚程以及導(dǎo)葉開度,分析機(jī)組在抽水過程中是否存在空蝕,分析方法是首先根據(jù)揚程—開度—流量曲線,查出當(dāng)前導(dǎo)葉開度的流量值;再根據(jù)此流量值,從空蝕系數(shù)—流量曲線中查出空蝕系數(shù);最后算出水泵淹沒深度,從而得知當(dāng)前下水庫的水位是否滿足要求,如果水位偏低,則說明水泵存在空蝕現(xiàn)象,如果判斷水泵存在空蝕,則需要減小導(dǎo)葉最大開度,以減小流量達(dá)到減少空蝕的目的。
從十三陵抽水蓄能電站起,現(xiàn)代大型抽水蓄能電站的工程建設(shè)快速發(fā)展,相應(yīng)的施工關(guān)鍵技術(shù)取得重大進(jìn)步,瀝青混凝土、長斜井、洞室群、大型抽水蓄能機(jī)組安裝調(diào)試等施工技術(shù)從合作引進(jìn)到完全掌握,還自主創(chuàng)新了黏土鋪蓋防滲、陡坡庫岸防滲、斜井滑模、首機(jī)首次水泵工況啟動等一批重大施工技術(shù),有力地促進(jìn)了大型抽水蓄能電站建設(shè)快速發(fā)展。
水電部隊是大型抽水蓄能電站建設(shè)的主力軍之一,不僅全面掌握了抽水蓄能電站工程的施工技術(shù),還在庫底黏土鋪蓋填筑、陡長坡庫岸墊層料施工、陡坡混凝土面板施工、首機(jī)首次水泵工況啟動等方面進(jìn)行了重大技術(shù)創(chuàng)新,為推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)技術(shù)進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。
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