木座水电站气垫式调压室施工.doc

木座水电站气垫式调压室施工张贵华 王子明 高宏伟（长江三峡技术经济发展公司火溪河监理部 四川 绵阳）摘要：木座水电站气垫式调压室是在引进国外先进技术，并借鉴国内同类工程，大胆创新，采用钢包罩方案代替“水幕”超压闭气方案。克服了国内同类工程漏水、漏气严重，几天就须补气的现象。木座水电站气垫式调压室一次性充气成功，标志着气垫式调压室工程技术在国内首次获得成功。在环境保护要求越来越高的今天，对中小型水电站的设计、施工具有十分重要的意义。关键词：木座水电站 气垫式调压室 施工1、 概述木座水电站位于四川省绵阳市平武县，是涪江上游左岸最大的一级支流火溪河水电规划梯级开发“一库四级”方案的第三级，为引水式电站。电站装机容量100MW，设计水头262.7m，引用流量43.02m3/s。是国内引进国外先进技术采用气垫式调压室工程技术施工的第四座。电站于2005年5月开工，2007年10月1日并网发电。2、气垫式调压室设计2.1气垫式调压室选址气垫式调压室对围岩的地应力、透水性、稳定性等要求较高，根据设计要求在压力管道（管）0+165m、（管）0+55m及气室探洞（气）0+090m处开挖旁洞，进行常规压水试验、高压压水试验、水力阶撑试验和水压致裂法三维地应力测量。并在（管0+55处）开挖长110m的3#地质探洞，根据试验数据及探洞开挖揭示的地质资料，确定在压力管道左侧沿3#地质探洞方向布置气垫式调压室。 2.2气垫式调压室设计气垫式调压室工程包括气垫式调压室、气垫式调压室连接井、气室交通洞、空压机室和气垫式调压室气水系统组成。气垫式调压室长72m，开挖断面为18.313m(高宽)的城门型；气垫式调压室连接井长15m，开挖断面为4.5 m4.5m(宽高)的城门洞型，在压力管道(管)0+55处与气室端墙(气)0+00相连，i=0.12的坡度，兼作施工和检修通道；气室交通洞长102m，开挖断面为5.0 m5.0m(宽高)的城门洞型，起点位于引水隧洞k11+900处与气室上游墙(气)0+69.5相连，气室交通洞在施工完建后进行封堵；空压机室布置在压力管道施工支洞内。气垫式调压室围岩以、类为主，并有F1断层、J1挤压带通过。一期支护采用系统锚喷支护，局部稳定性较差的岩体需采取锚杆加密、加深等加强支护措施，保证岩体永久稳定。并对F1断层、J1挤压带进行裂隙固结灌浆处理，固结灌浆孔孔深8m，间距2m，沿挤压带及断层走向间错布置，固结灌浆压力为4.5MPa。气垫式调压室防渗措施原设计方案为超压水幕式，即在气室顶部设置水幕廊道，通过水泵加压在气室周围形成一个连续的超压水幕伞，达到闭气目的。为增强气室的闭气性，并借鉴国内已建气垫式调压室的经验，气垫式调压室的防渗方式由原来的超压水幕式调整为罩式，即气室通过一层薄钢板达到闭气目的。气垫式调压室永久衬砌采用钢筋混凝土内夹钢板衬砌，砼衬砌厚度为1.2m。钢筋混凝土用以固定钢板和承受机组丢弃或增负荷引起的地下水压力和气室气体压力之间的差压。钢板仅起闭气作用，厚度为12mm，材质为Q235。钢板呈倒“U”形，内嵌在钢筋混凝土中，内层混凝土厚40cm，外层混凝土厚80cm，钢板上设置锚筋，锚筋与钢板、内外层钢筋连接，使钢板与钢筋砼联合受力，确保内、外压力变化时结构的安全稳定。在整个钢筋混凝土外侧岩体设置平压系统，用以平衡气室钢筋混凝土外侧水压力和气室气体压力。平压系统由平压管和平压孔组成，平压管与平压孔相连，并与气室内水垫连通，平压孔伸入岩体4m。 气垫式调压室气水系统包括二台15 m3/min、PN4.0MPa的充气空压机和二台3m3/min、PN4MPa的补气空压机，充气、补气管路和气压、水压量测系统。调压室初充气完成后，当调压室内PL值由于漏气下降至补气值时，工作空压机自动启动向调压室进行补气，保证调压室气压的PL值在设计范围内。3、气垫式调压室施工施工程序：开挖支护底板砼浇筑一层边墙砼浇筑平压孔造孔及平压管安装边墙外层钢筋安装龙骨及钢罩安装边墙内层钢筋安装边墙砼浇筑顶拱外层钢筋安装灌浆管预埋顶拱钢罩安装顶拱内层钢筋安装顶拱内层砼浇筑顶拱内层砼浇筑回填、接触灌浆。3.1开挖气室开挖在原有的3#探洞的基础上进行,采用先打中导洞6m6.5m(宽高)领进，按i=0.2的坡度上爬，开挖时先不出渣，用反铲进行平整后，在石渣上搭设脚手架进行钻爆开挖，按照上述方法边垫渣边开挖至桩号气0+70处，高程为1276，顶部及边墙预留保护层(23m)进行光面爆破。中部导洞拉槽完成后进行顶部的反向光爆扩挖。扩挖过程中在气0+00+30段常发生掉块、塌方现象，经设计现场勘察，根据已揭露的地质条件认为，存在F1断层及J1 挤压破碎带，裂隙组合不利，造成部分块体塌落，存在较大的安全隐患。经研究决定，暂停气室开挖，对(气)0+00+30段顶拱进行安全处理。处理措施主要有： 对气室内部进行危石清除，然后进行锚喷支护，支护参数为：锚杆直经25，间排距1.5m，梅花型布置,奇数排L=4m，偶数排L=5 m；钢筋网直经8mm,间排距1515cm,喷砼厚度15cm；对(气)0+000+30段断层F1和挤压破碎带J1 进行深孔锚杆(L=9 m、3233及1.51.5)、锚筋束(3251.51.5)加固，并进行裂隙高压固结灌浆处理(孔深8 m、排距2 m、每排两孔、压力4.5Mpa)。在气室顶拱安装多点位移计及锚杆应力计，观测断层及挤压带及附近岩体的收敛变形，为施工提供理论数据。 后依据设计通知，更改气室方案，采用钢包方案代替“水幕”超压闭气方案，气室长度增加12 m，气室桩号变更为(气)0+000+72，并增加气室交通洞。气室中上部石渣通过气室交通洞运出。气室边墙采用中部导槽领进，周边光爆扩挖跟进的方式。系统锚杆支护紧随开挖，开挖完成部分后及时进行锚杆支护。开挖采用人工手持YT-28手风钻进行钻孔，采用锲形掏槽方式，孔深22.5m，孔径40，周边光爆，周边孔距4050cm，辅助孔孔间距6080cm，人工装2#乳化炸药,非电毫秒延期雷管微差挤压爆破。由于气室开挖质量要求较高，开挖采取“短进行尺、小药量、弱爆破”。中导洞开挖完成后，选取典型断面进行边墙及顶拱的爆破试验，在取得较好的爆破参数(周边孔间距30cm40cm、线装药密度80120 g/m、钻孔深度2.22.8 m)后进行保护层开挖，并根据实际地质情况作相应的调整，在爆破的过程之中，每次爆破后，查看残孔壁是否有裂痕，并根据具体情况调整药量或装药方式。出渣采用钣铲、装载机(ZLC40侧翻式)配合8T自卸汽车经压力管道、进厂交通洞运至弃渣场。气室交通洞开挖采用人工手持YT-28手风钻钻孔，自制简易工作平台，人工装2#乳化炸药,非电毫秒延期雷管微差挤压爆破，全断面开挖成型，周边采用光面爆破。气垫式调压室洞挖自2005年7月开工到2006年11月7日洞挖全部结束。历时15个月，其中由于设计变更影响约7个月。3.2衬砌3.2.1平压系统施工平压系统由平压管主管、支管和平压孔组成。主管为100钢管，支管为100钢管，平压孔为60，孔深4m，主管、支管和平压孔间排距均为2.0m。平压孔采用手风钻钻孔，主管与支管采用焊接连接，支管插入平压孔内80cm，孔口用水泥砂浆封堵。3.2.2钢罩施工3.2.2.1钢罩制作钢罩在加工厂制作，加工厂内布置有W12-20X2000mm型三辊卷板机一台，16T汽车吊一台，加工平台、防腐车间和材料、半成品堆放场。钢罩所用材料为Q235C钢板，厚度12mm,规格为2m6.5m。墙面钢罩制作：墙面钢罩钢板共计202块，钢板重量约为201t。为加强钢罩的强度，防止钢罩钢板在运输和安装过程中发生变形，便于安装，在钢罩背面采用1001007 角钢进行加固，角钢间距为10001000mm。顶拱钢罩制作：墙面钢罩钢板共计72块，钢板重量约为103t。顶拱钢罩半径为R=6.986mm，圆心角为1092146.8(109.363)的圆弧型结构，每延米13.34m2，气垫式调压室顶拱共需用钢板939m2。顶拱钢罩钢板由卷板机弯制成型，并在钢罩钢板后加圆环型加强钢板。钢罩面板采用2m6.34m和2m7.0m(长环向宽)钢板对接而成。每2m宽设三道加强环，加强环采用16mm、宽250mm的钢板制作。下料及坡口采用半自动切割机切割，焊接焊缝制成15单边坡口。在加工厂焊缝采取自动焊或手工电弧焊焊接。钢罩制作长、宽偏差值在5mm以内，对角线差偏差值在2mm以内。3.2.2.2钢罩防腐钢罩钢板防腐在钢板加工厂进行，制作好的钢板由8T轮式吊车吊装在36m的涂装台车上，通过轨道直接运进防腐车间进行防腐作业。钢罩外壁喷涂水泥浆，内壁喷涂环氧金钢砂防腐涂料，涂层厚度为200m。喷涂前将钢罩表面铁锈、油污、焊渣等污物清除干净。经除绣后的钢材表面尽快涂装，在晴天和正常大气压条件下，最长不超过24h。环氧金钢砂防腐涂料由环氧树脂加入着色颜料，耐磨颜料，金钢砂及助剂等为A组分，以固化剂为B组分的双组分常温固化环氧特种漆。具有良好的耐水性，耐油性，耐碱性和良好的附着力，防腐性能良好。漆膜坚韧，耐磨防滑，光亮且无毒。 3.2.3钢罩安装3.2.3.1施工准备在气室内共设置两台钢模台车和一台吊车平台。钢模台车由珩架、模板和行走机构组成。钢模台车由20#工字钢和150钢管制作，结构尺寸：长宽高为10816m。台车行走由电机驱动，行走轮轨道由38kg/m轨道制成。钢模台车除用于砼浇筑外，还兼做平压系统、龙骨和钢罩安装等施工平台。由于气室底板为凹型结构，16t汽车吊车在气室内无法展开施工，故制作了一台吊车平台，将16t汽车吊车置于吊车平台。吊车平台规格尺寸为：4.4110m，为珩架式结构。平台行走由两台电机驱动，行走轮轨道由18kg/m轨道制成。吊车平台载吊车可在钢模台车下部穿行，将平压管、龙骨和钢板等吊装就位。从而充分利用吊车，方便了施工，加快了施工进度。3.2.3.2龙骨安装为固定钢罩钢板，便于安装和保证钢罩刚度，在钢板后加设龙骨架。龙骨架采用10#槽钢，间距为2000-2500mm。龙骨架由安装锚杆固定，安装锚杆L=1.8m，间距2m2m，锚入岩石1.0m。龙骨架安装时，首先测量放线定位以确保龙骨安装在同一个平面上，按设计尺寸调整好后，采用63#角钢与墙面上的安装锚杆进行焊接加固。 3.2.3.3钢罩安装墙面钢板安装：吊车平台载吊车在轨道上行走至安装位置，伸出吊车支腿固定，进行吊装作业。每个安装单元为413m，即4块钢板。顶拱钢板安装：由于顶拱钢板安装的位置过于狭小，顶拱岩面与钢罩钢板安装位置相距800mm。除去顶拱外层钢筋网，只有500-600mm的安装空间，无法直接吊装就位。为此，在16T汽车吊延伸安装一个小型的鸭嘴式吊装导向架，把吊车吊钩延伸到钢罩钢板上方，进行吊装作业。钢板吊装就位后采用5T手动葫芦进行微调。每个安装单元长为10m，即25块钢板。 钢罩安装中心的极限偏差应小于25mm。始装节的里程偏差不应超过5mm。始装节两端管口垂直度偏差不应超过3mm。钢罩安装后，管口椭圆度(指相互垂直两直径之差的最大值)偏差不应大于5D/1000。钢板焊接：钢板安装采取手工电弧焊接，焊缝为二类焊缝。由于钢板起闭气作用对焊缝要求较高，除对焊缝进行外观质量检查外，对焊缝进行100%超声波探伤检测，以保证焊缝不发生渗漏。焊缝施焊时应逐条进行，不得跳越，不得强行组装。管壁上不得随意焊接临时支撑或脚踏板等构件，不得在混凝土浇筑后再焊接环缝。钢罩安装后，必须与锚杆焊牢，防止浇筑混凝土时产生位移。钢罩钢板制作及安装自2006年12月1日至2007年7月5日止，历时8个月，246天。3.2.4砼施工气垫式调压室两个端部及侧墙和顶拱在垂直方向分四层浇筑，分层高度：1.50m6.00m6.50m4.30m =18.30m； 水平分仓长度控制在10m左右。3.2.4.1钢筋制安按设计图纸钢筋为内外两层分别置于钢板两侧。外层钢筋在平压系统安装完成后钢板安装前进行施工；内层钢筋在钢板安装后进行施工。钢筋主筋为32，间距为14.3cm，接头采用丝套连接；分布筋为25，间距为16.7cm。3.2.4.2 模板边墙模板采用组合钢模现场拼装，脚手管做围令，内拉加固；顶拱模板采用钢模台车，钢模台车由模板系统、支撑结构和行走机构组成。顶拱模板拆模时间为3天。3.2.4.3砼浇筑砼采用HZS-50-1000型砼拌和站拌制，砼搅拌车运输，砼泵送入仓。砼泵布置在气室连接井和气室交通洞内各一台。封拱措施：因仓号较长，标准段(9.80m)和端部段(11.50m)，封拱困难，采取“水平封拱和垂直封拱相结合”的封拱方法。即：钢板以上采用水平封拱方法，每仓需埋入泵管9根, 计54m。钢板以下采用垂直封拱方法。封拱时坚持“自下而上、由里向外、最后加压”的原则，将拱封满。3.2.5灌浆施工 回填灌浆：气室顶拱外层采用预埋灌浆钢管，单双孔布置。用水灰比0.6：1、0.5：1两级的浆液进行回填。灌浆压力0.3Mpa。灌浆方法，按环间及排间分序，自低向高进行，采用纯压式灌浆。 接触灌浆：根据设计要求对气室顶拱(0+000+72)钢罩内层进行了接触灌浆施工，孔位按梅花形交错布置，采用手风钻钻孔，孔径50mm 。灌浆先用0.6：1的浓度，后用0.5：1的浓度，一孔灌浆，其他孔排气逐步推进，待排气孔出浓浆后关闭，灌浆压力0.1Mpa。 裂隙灌浆：根据气垫式调压室顶拱揭示的断层F1和挤压带J1地质情况，其处理措施为：抠槽+深锚杆+深孔高压固结灌浆。气室(气)0+000.000+030.00段断层F1和挤压带J1固结灌浆孔深入岩8m，排距2m，每排2孔，沿挤压带和断层间错布置；高压固结采用分段灌浆，灌浆压力为4.5Mpa。裂缝灌浆在灌浆前先抠出20cm深凹槽，并用环氧砂浆堵缝。测放孔位，采用圆盘钻造孔。灌浆采用孔口阻塞、孔内循环分段。 高压固结灌浆采用纯水泥浆,浆液选用5:1、3:1、2:1、1:1、0.