套入式更換水電站壓力管道施工

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１、概述
    石和尚電站坐落于浙東大龍谷風(fēng)景區(qū)內(nèi)，是我市水頭最高的徑流式小水電站。電站裝機２５０ｋＷ，發(fā)電凈水頭２３１ｍ，集雨面積３．６ｋｍ２，設(shè)計多年平均發(fā)電量６０萬ｋＷ·ｈ，設(shè)計單位耗水量２ｍ３／ｋＷ·ｈ；由于沒有調(diào)節(jié)水庫，其水量的利用率只有４０％。
    電站始建于上世紀８０年代初，受當時計劃經(jīng)濟的影響，鋼材、水泥等主材缺乏。全長４０５ｍ的壓力管道采用３種不同的材料安裝，其中廠房至５號鎮(zhèn)墩間１６５ｍ采用Φ３００ｍｍ厚８ｍｍ的鋼管；５號至２號鎮(zhèn)墩間１３０ｍ采用西安產(chǎn)Φ４００的鋼筋混凝土管；２號鎮(zhèn)墩至進水口間１１０ｍ采用Φ３００的鋼絲網(wǎng)混凝土管。管路從山脊與等高線垂直布置，廠房至２號鎮(zhèn)墩間為同一坡角，坡角達４０°，山坡陡峭，施工困難，２號鎮(zhèn)墩為變坡，山坡坡角由４０°轉(zhuǎn)為２９°至進水口。進水口設(shè)有簡易的混凝土平板閘門和容積１１０ｍ３的前池，而后通過８００ｍ的引水明渠從山溝中將水引入。
    ２、問題及原因
    ２．１問題
    石和尚電站最初由當時的新山鄉(xiāng)政府主管，現(xiàn)所屬為貴門鄉(xiāng)政府。自１９８０年投入運行后的第２年，在５號鎮(zhèn)墩上部高程２６０ｍ（廠房高程１４０ｍ）處的混凝土管，由于承受不了高壓水頭的沖擊而發(fā)生爆裂。在前２０多年的運行中，也曾多次發(fā)生混凝土管爆裂的現(xiàn)象，采取的措施均為增加鎮(zhèn)墩的個數(shù)，將爆裂段覆蓋混凝土，整條管路到改造前已經(jīng)沒有一節(jié)較完整的混凝土管，看上去是千瘡百孔。上級主管部門在電站安全檢查中曾下令停止運行。
    ２．２原因
    電站的管理權(quán)均由鄉(xiāng)政府分期承包給個人經(jīng)營，經(jīng)營者在取得承包管理權(quán)后，由于多數(shù)承包者缺乏專業(yè)技術(shù)知識，對小水電站的管理能力較差，因此，在運行管理中只能做一些簡單的操作，且短期行為明顯。盡管存在嚴重的安全隱患和大量的水能損失，經(jīng)營者在承包管理經(jīng)營的幾年中，是不肯也不可能將資金投入到改造和挖潛中去的。２００２年后，豐潭水電站經(jīng)與貴門鄉(xiāng)政府協(xié)商后，簽訂了２０年的承包管理經(jīng)營權(quán)。面對石和尚電站嚴重的安全隱患，豐潭電站領(lǐng)導(dǎo)下決心對管道進行一次全面的改造。經(jīng)多次現(xiàn)場察看后確定把２４０ｍ混凝土管全部更換為鋼管。
    ３、施工條件、方案的選擇與確定
    石和尚電站進水口前池高程３７４ｍ，距前池３００ｍ相同高程處有一４級公路通過。所有施工材料、機械設(shè)施可運到該地存放，然后肩挑經(jīng)前池至施工現(xiàn)場。前池到５號鎮(zhèn)墩高差１２４ｍ，且山坡十分陡峭，施工道路為僅可單人通行的小路，同時風(fēng)景區(qū)內(nèi)自然植被稠密，灌木荊棘叢生。要更換新的管路，必須拆除原混凝土管，拆下后的混凝土管在周邊又無法堆積。如果將拆下的混凝土管從山坡滾下，整個山坡植被將被全部破壞；同時安裝新管正常的施工方案必須架設(shè)索道吊裝，安裝索道的土建成本很高，其安全性、穩(wěn)定性、時間性均很難保證。因此，在陡峭的山坡，行走困難的施工道路條件下如何選擇切合實際的施工方案，是當時最感困難的問題。經(jīng)查閱當年建設(shè)時期的設(shè)計圖紙，５號至２號鎮(zhèn)墩間１３０ｍ管路為Φ４００西安產(chǎn)的鋼筋混凝土管，而廠房至５號鎮(zhèn)墩是不須更換的Φ３００鋼管。針對這一情況，設(shè)計更換的新鋼管厚６ｍｍ，直徑Φ３００，直徑與原設(shè)計的相符。新鋼管與混凝土之間存在著直徑差，我們設(shè)想可將混凝土看作滑軌，將鋼管分節(jié)穿入混凝土管中，同時利用山坡坡角陡這一有利條件，鋼管在自重作用下只要克服摩擦阻力，就能通過管內(nèi)下放到底部與老鋼管連接。這一施工方案的選定，可解決如下幾個難題：１）混凝土管不需要拆除，可減少拆管所需的人工，減少對植被的破壞；２）不需安裝施工復(fù)雜且操作麻煩的索道，可節(jié)約機械設(shè)施費和臨時工程費，又可縮短施工工期；３）安全有保證。
    套入式方案確定后，如何解決放管、焊接、同心度、穩(wěn)定性及鋼管今后的養(yǎng)護檢修；同時如何確保各鎮(zhèn)墩正常受力成了新的問題。經(jīng)分析研究，２號鎮(zhèn)墩為山坡坡角變換和兩種混凝土管直徑變換處，該鎮(zhèn)墩作為下放鋼管的主要施工場地較合適。機械設(shè)施可采用３ｔ卷揚機架于２號鎮(zhèn)墩上游管路中間處固定，將加工成形的單根長度６ｍ的鋼管逐根放入混凝土管口。為控制同心度和支承鋼管，根據(jù)支墩間距，在每節(jié)鋼管下部焊接１道或２道１０×３８×３００的滑軌２根，焊接角６０°；而后連接卷揚機控制下放鋼管的速度和方向。同時在每一鎮(zhèn)墩的下部必須切除３ｍ左右的鋼筋混凝土管，該處作為焊接的操作場地和安裝管路伸縮節(jié)。以兩鎮(zhèn)墩間為焊接單位從２號鎮(zhèn)墩處放下１節(jié)焊接１節(jié)，直至兩鎮(zhèn)墩間焊接完成安裝伸縮節(jié)。如此重復(fù)向上，直至安裝完成。
    為確保原鎮(zhèn)墩正常受力，在未安裝鋼管前應(yīng)拆除原鎮(zhèn)墩的上部結(jié)構(gòu)和混凝土管，新管安裝完畢后將混凝土直接澆筑在新鋼管上鎮(zhèn)住，確保其運行中的穩(wěn)定。
    鋼管套入混凝土管后，由于兩者之間存在著空隙，套入部份鋼管被舊混凝土管包圍著而在今后的運行中將無法檢修，且易失穩(wěn)，易腐蝕。因此在空隙中填充低標號水泥沙漿，用水泥沙漿或滲水性差的材料封堵上下兩口，防止雨水侵入而腐蝕鋼管，這樣既解決隔幾年需檢修的難題又可增加管路在運行中的穩(wěn)定性。
    ２號鎮(zhèn)墩至進水口間的更換，在拆除混凝土管后人工抬鋼管至安裝場地，直接在現(xiàn)場焊接安裝。
    ４、施工組織與安全措施
    石和尚電站不僅是我市水頭最高，也是安裝難度最大，山坡坡度最陡的小水電站。為確保施工正常進行，選擇有豐富施工管理經(jīng)驗的隊伍十分重要；施工現(xiàn)場負責(zé)人具有良好的職業(yè)道德素質(zhì)和較強的技術(shù)業(yè)務(wù)素質(zhì)是確保施工順利進行和安全保證的前提。從施工單位進場到工程結(jié)束歷時僅兩個月，如此艱難的施工地形條件能安全而有序地正常施工，說明套入式施工方案是切實可行的。同時施工單位負責(zé)人良好的管理組織能力、安全意識很重要。施工單位設(shè)有土建組、運輸組、加工焊接組、安裝組、安全檢查組，各小組嚴格履行職責(zé)。管理處施工人員能夠做到幾乎每天到場進行督促、檢查和指導(dǎo)，嚴禁一切違規(guī)操作，發(fā)現(xiàn)問題及時提出，碰到技術(shù)難題共同商討解決。
    ５、結(jié)語
    石和尚電站管道更換方案設(shè)計與施工實屬一項創(chuàng)新的舉措。采用套入式方案后，不僅省時省工節(jié)約投資（原預(yù)算投資３０萬元，現(xiàn)實際投資約２０萬元），而且又保護了景區(qū)的原貌，安全也得到保證。這一方案完全得到技術(shù)主管部門的肯定，是小水電改造項目可選方案之一。