抽水蓄能电站引水系统的施工技术应用与研究

抽水蓄能电站引水系统的施工技术应用与研究

李源

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】 在我国城市基础设施建设迅猛发展背景下，城市的生态环境近年来也受到很大影响甚至于不断被破坏。为了给市民创造更美好生活，国家提出了“碳中和”城市建设目标，对清洁能源的需求更加迫切，从而带动了国内抽水蓄能电站的建设的快速发展。由于抽水蓄能电站距离城市较近，在建设施工中对各项施工技术管理指标要求都非常严苛，要求我们在施工过程中不能急功近利，并且建设过程中要综合考虑经济、节能、环保等多方面的因素，科学合理采用先进的施工技术，确保项目施工满足建设标准。本文根据自己参建的抽水蓄能电站引水系统采用的施工方案及施工工艺进行分析和研究，与各位同行技术人员共享。

【关键词】项目地质条件及施工难点分析；引水隧洞开挖及支护技术；施工方案及措施。

一、工程概况

工程建设的发电引水系统布置在抽水蓄能电站右岸，由进水口、引水隧洞和压力钢管等几部分组成。引水隧洞竖井段和下平段采用压力钢管，压力钢管由主管、岔管和支管组成总长290.904m。

二、地形地质分析

引水工程隧洞围岩岩体较完整，除进、出口洞段外，洞身段岩体处于弱风化—微风化状态，岩体呈互层状结构。隧洞区为基岩裂隙水，进口至300m洞段，隧洞位于地下水位之上，出口位于地下水位之下。压力管道竖井段开挖深度约85m，围岩类型以Ⅲ、Ⅳ类为主，其中Ⅳ类40%、Ⅲ类60%。

三、施工难点分析及对策

1、竖井较深，地质条件复杂。为不同的岩性互层，岩石均质性差，如何确保反井钻机先导孔的钻孔精度是竖井开挖的难点之一；

通过采用硬岩快进尺。软岩中低压慢进的方式，确保先导孔的精度满足规范要求。刚进钻3m范围内采用中低压慢进尺。并采用吊锤和激光对中相结合的方式，随时检查先导孔的垂度。  

2、竖井所处围岩地质岩性完整性差、节理裂隙发育，开挖过程中局部易掉块。因此在整个施工过程中，还应加强竖井井壁围岩稳定情况监测。

建议在井壁安装安全监测仪器及对围岩变形、位移情况进行分析，若发现险情。应采取措施加强支护，以保证施工安全。

开挖过程中及时进行支护，执行开挖一层支护一层的原则，确保扩挖断面围岩稳定。若地质情况发生重大变化时，原设计支护方案已难已确保施工安全时，应停止施工并及时通知设计，待新的支护方案确认后方可继续施工。

3、竖井施工过程中，提升系统的安全、日常施工、维护，是确保竖井施工安全的要点。

施工过程应严格按照相关规程、规范要求对提升系统的钢丝绳，制动器、吊钩运行前进行检查和维护，按规程要求及时更换有破损的钢丝绳，制动片等。对吊篮吊点易损部位，使用前应严格检查有无脱焊、损坏。

四、 提升系统布置

提升系统采用 1 台 10t 卷扬机(牵引速度 9. 9m/min)，卷扬机布置在井口弯管段以前的适当位置，为确保稳定卷扬机基础稳固可采用长为4.5mφ25 锚杆锚固卷扬机基础，10t卷扬机基础参数为2.5*2.5*0.1m浇筑C25混凝土。扩挖时主要提升吊笼及封口盖，卷扬机的选型时按照最大载重量进行选择，故竖井施工时选用10t低速卷扬机。

天锚采用4根 φ32锚杆、孔深 6.0 m外露50cm。横向间距0.5m，纵向间距1m，两端锚杆倾角60°，中间一排锚杆倾角0°的砂浆锚杆成八字形布置，天锚与[36a槽钢焊制的钢框架，采用穿孔的方式进行连接，固定装置设置120*120*20mm垫板与高强度螺栓连接，同时锚杆在井壁与槽钢框架之间外露部位采用∠50*50角钢防护，并与钢框架焊接。

施工流程如下：

施工准备--测量放线--反井钻机安装—导孔钻进—1.4米扩孔钻进—扩挖施工—支护施工。

五、施工方案

引水隧洞竖井开挖的施工方法采用反井钻机施工中导洞，先从上至下钻一直径217mm的导孔，然后通过导孔自下至上采用扩孔钻头钻直径为1.4m的导洞。导洞开挖完成后，开始第一次扩挖在导井内自上至下用钻爆法由φ1.4m扩挖至φ6.7m。导井扩挖时采用吊笼作为施工平台。使用卷扬机作为牵引系统，使用手风钻钻孔，从上到下分段爆破，3m一层，爆破后石渣落至竖井底部，再采用3m3侧卸装载机装20t自卸汽车运往渣场。出渣完成后，开始支护施工，支护要严格执行开挖一层支护一层的原则，上层未支护完禁止下一层的开挖。

六、开挖施工

1、导井施工

①开挖准备：钻机基础的施工钻机基础采用1m厚混凝土，标号C25砼。混凝土上平面要平，凸凹变化不能超过1.5cm。尺寸位置以钻孔中心(井心)定位。要保持钻机的地脚螺栓孔位的准确。

②钻机安装调试：钻机运到现场后,进行钻机的安装和调试接通所有电机电源，进行短暂通电、观察电机转向。接通钻机泵车到操作车钻机之间的进回油管路。安装机械手和转盘吊。钻机调平、找正。安装下支撑和前后斜拉杆。浇地脚螺栓孔。接通冷却水系统。进行水泵调试,以形成循环系统。

③开孔钻进：采用φ217mm钻头开孔，用开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔，开孔深度5-6m,开孔后将开孔钻杆提出,洗擦、上油后保存。

④导孔钻进：导孔钻进时必须全力配合；钻进前须对水泵检修，以确保水泵排量充足。在钻进过程中，各班要对水泵进行必要的维护，钻进1~2h即对水泵各易损部件进行检查,更换磨损严重的部件，加强管理。及时清理导孔钻进返出的岩渣，防止岩渣流入水池。将孔内的岩屑全部排出后，方能停泵接卸钻杆。导孔钻透后，停止循环，钻机需加清水平稳转动，直至扭矩变化不大时方可停钻。在导孔钻进过程中使用测斜仪在钻杆内从4个方向对钻孔的偏斜情况进行测量。导孔钻进结束后，将钻杆提出,进行全孔偏斜测量。

⑤扩挖施工：拆导孔钻头接扩孔钻头导孔钻透后,用拆卸工具拆下导孔钻头并接上扩孔钻头，扩孔钻头直径为1.4m。隧洞下口形成出渣系统后,即可进行向上孔。扩孔钻头接好后，慢速上提钻具,直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速旋转,钻头滚刀慢进，以确保滚刀不受过大的冲击而损坏，当刀齿把凸出的岩石破碎后,再继续钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命，一般将系统压力限制在18MPa之内。扩孔过程中可视岩石的硬度适当加压或减压。完孔后当钻头钻至距基础2.5m时,要降低钻压、慢速钻进和扩孔，直至钻头露出地面为止。

⑥拆机：先将扩孔钻头卡固在上、拆掉钻机的前后斜拉杆和各种油管,拆掉钻架主机车和一些辅助设备。将扩孔钻头吊牢提出再拆除轨道,然后将操作台吊上来，拆下泵车和油箱冷却器运至地面。

2、扩挖施工

竖井导井完成后进行竖井第一次扩挖,第一次扩挖直径由1.4m扩大到6.9m，完成发电引水隧洞竖井全断面的开挖。扩挖施工采用卷扬机提升吊笼进行材料、工具的运输以及人员的交通。扩挖由上而下全断面光面爆成型,采用手风钻造孔,孔深3m,循环进尺3m,为保证竖井的成形和减小超欠挖采用光面爆破。为保证质量,每茬炮钻孔前由测量均进行孔位放样,周边孔孔距严格控制在50cm,并严格控制钻孔方向,每茬炮孔钻孔结束后均要进行 炮孔验收,通过后填写爆破物品领用单,领取炸药进行装药。装药时爆破员全程旁站监督,严格控制装药量,并根据实际爆破效果及地质状况及时调整爆破参数,同时严格控制岩石块度,防止溜渣堵井。为减少人工扒渣工作量,掌子面开挖成漏斗状。爆破完成后及时进行人工清撬,清渣时必须佩带安全绳，挂靠在临时锚固点以确保安全。爆破的石碴通过导井溜至下弯段,采用装载 机装20 t自卸车经竖井下施工支洞、进厂交通洞运至弃料场。

七、支护施工

1、支护参数：竖井支护参数：竖井Ⅲ类围岩喷锚支护参数如下：锚杆φ25，外露0.1m，相邻夹角36°，排距2m，L=3m，梅花型布置。竖井Ⅳ类围岩喷锚支护参数如下：锚杆φ25，外露0.1m，相邻夹角36°，排距2m，L=4.5m，梅花型布置。

2、锚杆施工：

锚杆施工程序：测量放样→钻机选型、钻孔、洗孔→验孔→注浆→安装锚杆→验收。

八、施工方法

1、测量放样

采用全站仪等按设计施工图对锚杆孔孔位进行放样，并用油漆等进行标志。

2、施工工艺流程见锚杆施工工艺流程见下图

3、 造孔

1）严格按设计文件及设计图纸的钻孔位置、孔向和孔深进行施工，保证孔位偏差小于100mm，孔深偏差不大于50mm。

2）锚杆的孔轴方向按施工图纸的要求。施工图纸未作规定时，其系统锚杆的孔轴方向垂直于开挖面；局部加固锚杆的孔轴方向与可能滑动面的倾向相反，与滑动面的交角大于45°。

3）钻孔孔径不得小于设计施工图要求的孔径，根据各部位施工条件和锚杆类型，采用合适的设备，边坡支护锚杆采用YT28型手风钻和YQ100B型潜孔钻孔，采用合适钻头以达到设计要求的孔径。

4）锚杆制作

锚杆现场制作，分段长度根据锚杆长度、施工条件等因素确定。

5）注浆及插筋

钻孔完成后，用高压风将孔内残碴和水吹净。

一般采用先注浆后插筋的施工工艺，钻孔完成验收合格后，用高压风将孔内残渣和水吹净，JZB-2锚杆注浆机或砂浆泵注浆，注浆管下至孔底，再退回50~100mm处进行灌浆，注浆压力0.4～0.6MPa，保证注浆饱满密实，注浆完毕，人工配合机械安装锚杆。遇锚杆孔涌水时，采取在锚杆孔附近钻孔排水或对锚杆孔进行灌浆等措施，也可采取其它排水防水措施，以保证水泥砂浆不被水流冲走和稀释。锚杆采用人工安装，外露长度应满足计要求。锚杆安装后，在砂浆凝固前，不敲击、碰撞、拉拔锚杆和悬挂重物。

4、 喷混凝土施工

1）施工机械和工艺

各部位喷射混凝土厚度、标号按设计要求确定。采用混凝土喷射机干喷工艺作业。

喷射混凝土施工工艺流程见下图。

对于不稳定岩石网喷混凝土施工程序为：先喷第一层混凝土→锚杆施工→挂钢筋网→再次施喷至设计厚度。

2）施工方法

（1）施工准备

喷射混凝土前将岩面进行清理，清除受喷面上松动的岩块、浮石、粉尘、岩渣和其它杂物，按要求设置喷层标志，喷层厚度控制标志采用钢筋或金属钉，钢筋或金属钉的间距不大于5m，钢筋或金属钉伸出部分的长度为喷射混凝土的厚度，在混凝土喷射完成后须全部被喷射混凝土覆盖。

（2）挂网施工

钢筋（丝）网沿开挖面铺设，在指定部位喷射混凝土前铺设。钢筋（丝）网运至工作面后人工在排架上铺挂，采用锚杆头点焊固定，中间用膨胀螺栓加密固定，网间接头用铅丝扎牢，控制钢筋（丝）网保护层厚度不小于20mm。

5、混合料拌制、运输

1）喷混凝土由拌合系统拌制。

2）称量允许误差：拌制混合料的称量允许偏差为：水泥和速凝剂：±2%；砂、石：±3%。

3）搅拌时间：混凝土搅拌时间符合施工质量的要求，混合料掺有外加剂时，搅拌时间适当延长。

4）混凝土运至工作面卸入喷射机机口内，由人工手持喷头进行分层施喷。混合料在运输、存放过程中，严防雨淋、滴水及大块石等杂物混入，装入喷射机前过筛。

6、喷射作业

1）喷射机安装调试好后，先注水后通风，清通管路，然后用高压水冲洗并湿润受喷面。喷射机上料时应连续上料，保持料满，在料斗上设15mm孔筛网防止超粒径料进入机内。

2）喷射顺序和分层

喷射混凝土按分层分段分片依次进行，喷射顺序由下而上，对不平整部位先喷凹处，最后找平。一次喷射厚度按设计文件和有关规范执行。

分层喷射时，每层混凝土在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h以上再喷，则用高压水冲洗前一层喷射混凝土面。

3）喷射作业参数通过室内试验和生产性试验确定，在保证质量前提下，尽量减少回弹量。拟采用如下喷射参数：喷嘴口与受喷面的距离为60～120cm，喷射料与受喷面垂直，并采用合适的螺旋形轨迹喷射工艺。

4）喷层厚度控制

喷层厚度以埋设的铁钉、短钢筋等标志物来控制，各部位喷射混凝土施工完毕，喷射混凝土厚度须将标志物埋入混凝土内以及记录仪测量记录表示喷层已达到设计要求的厚度，否则，补喷至设计厚度。

5）人工抱喷头在排架平台上施喷。

6、养护

喷混凝土完毕终凝2h后，喷水养护，养护时间不少于7昼夜，重要工程不少于14昼夜。气温低于5℃时，不要洒水养护。

作者简介：

姓名：李源、出生年月：1994年1月28日、性别：男、民族：汉族、籍贯：四川省乐山市犍为县、学历：本科（学士学位）、职称：助理工程师、研究方向：抽水蓄能工程