套入式更换水电站压力管道施工

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１、概述
    石和尚电站坐落于浙东大龙谷风景区内，是我市水头最高的径流式小水电站。电站装机２５０ｋＷ，发电净水头２３１ｍ，集雨面积３．６ｋｍ２，设计多年平均发电量６０万ｋＷ·ｈ，设计单位耗水量２ｍ３／ｋＷ·ｈ；由于没有调节水库，其水量的利用率只有４０％。
    电站始建于上世纪８０年代初，受当时计划经济的影响，钢材、水泥等主材缺乏。全长４０５ｍ的压力管道采用３种不同的材料安装，其中厂房至５号镇墩间１６５ｍ采用Φ３００ｍｍ厚８ｍｍ的钢管；５号至２号镇墩间１３０ｍ采用西安产Φ４００的钢筋混凝土管；２号镇墩至进水口间１１０ｍ采用Φ３００的钢丝网混凝土管。管路从山脊与等高线垂直布置，厂房至２号镇墩间为同一坡角，坡角达４０°，山坡陡峭，施工困难，２号镇墩为变坡，山坡坡角由４０°转为２９°至进水口。进水口设有简易的混凝土平板闸门和容积１１０ｍ３的前池，而后通过８００ｍ的引水明渠从山沟中将水引入。
    ２、问题及原因
    ２．１问题
    石和尚电站最初由当时的新山乡政府主管，现所属为贵门乡政府。自１９８０年投入运行后的第２年，在５号镇墩上部高程２６０ｍ（厂房高程１４０ｍ）处的混凝土管，由于承受不了高压水头的冲击而发生爆裂。在前２０多年的运行中，也曾多次发生混凝土管爆裂的现象，采取的措施均为增加镇墩的个数，将爆裂段覆盖混凝土，整条管路到改造前已经没有一节较完整的混凝土管，看上去是千疮百孔。上级主管部门在电站安全检查中曾下令停止运行。
    ２．２原因
    电站的管理权均由乡政府分期承包给个人经营，经营者在取得承包管理权后，由于多数承包者缺乏专业技术知识，对小水电站的管理能力较差，因此，在运行管理中只能做一些简单的操作，且短期行为明显。尽管存在严重的安全隐患和大量的水能损失，经营者在承包管理经营的几年中，是不肯也不可能将资金投入到改造和挖潜中去的。２００２年后，丰潭水电站经与贵门乡政府协商后，签订了２０年的承包管理经营权。面对石和尚电站严重的安全隐患，丰潭电站领导下决心对管道进行一次全面的改造。经多次现场察看后确定把２４０ｍ混凝土管全部更换为钢管。
    ３、施工条件、方案的选择与确定
    石和尚电站进水口前池高程３７４ｍ，距前池３００ｍ相同高程处有一４级公路通过。所有施工材料、机械设施可运到该地存放，然后肩挑经前池至施工现场。前池到５号镇墩高差１２４ｍ，且山坡十分陡峭，施工道路为仅可单人通行的小路，同时风景区内自然植被稠密，灌木荆棘丛生。要更换新的管路，必须拆除原混凝土管，拆下后的混凝土管在周边又无法堆积。如果将拆下的混凝土管从山坡滚下，整个山坡植被将被全部破坏；同时安装新管正常的施工方案必须架设索道吊装，安装索道的土建成本很高，其安全性、稳定性、时间性均很难保证。因此，在陡峭的山坡，行走困难的施工道路条件下如何选择切合实际的施工方案，是当时最感困难的问题。经查阅当年建设时期的设计图纸，５号至２号镇墩间１３０ｍ管路为Φ４００西安产的钢筋混凝土管，而厂房至５号镇墩是不须更换的Φ３００钢管。针对这一情况，设计更换的新钢管厚６ｍｍ，直径Φ３００，直径与原设计的相符。新钢管与混凝土之间存在着直径差，我们设想可将混凝土看作滑轨，将钢管分节穿入混凝土管中，同时利用山坡坡角陡这一有利条件，钢管在自重作用下只要克服摩擦阻力，就能通过管内下放到底部与老钢管连接。这一施工方案的选定，可解决如下几个难题：１）混凝土管不需要拆除，可减少拆管所需的人工，减少对植被的破坏；２）不需安装施工复杂且操作麻烦的索道，可节约机械设施费和临时工程费，又可缩短施工工期；３）安全有保证。
    套入式方案确定后，如何解决放管、焊接、同心度、稳定性及钢管今后的养护检修；同时如何确保各镇墩正常受力成了新的问题。经分析研究，２号镇墩为山坡坡角变换和两种混凝土管直径变换处，该镇墩作为下放钢管的主要施工场地较合适。机械设施可采用３ｔ卷扬机架于２号镇墩上游管路中间处固定，将加工成形的单根长度６ｍ的钢管逐根放入混凝土管口。为控制同心度和支承钢管，根据支墩间距，在每节钢管下部焊接１道或２道１０×３８×３００的滑轨２根，焊接角６０°；而后连接卷扬机控制下放钢管的速度和方向。同时在每一镇墩的下部必须切除３ｍ左右的钢筋混凝土管，该处作为焊接的操作场地和安装管路伸缩节。以两镇墩间为焊接单位从２号镇墩处放下１节焊接１节，直至两镇墩间焊接完成安装伸缩节。如此重复向上，直至安装完成。
    为确保原镇墩正常受力，在未安装钢管前应拆除原镇墩的上部结构和混凝土管，新管安装完毕后将混凝土直接浇筑在新钢管上镇住，确保其运行中的稳定。
    钢管套入混凝土管后，由于两者之间存在着空隙，套入部份钢管被旧混凝土管包围着而在今后的运行中将无法检修，且易失稳，易腐蚀。因此在空隙中填充低标号水泥沙浆，用水泥沙浆或渗水性差的材料封堵上下两口，防止雨水侵入而腐蚀钢管，这样既解决隔几年需检修的难题又可增加管路在运行中的稳定性。
    ２号镇墩至进水口间的更换，在拆除混凝土管后人工抬钢管至安装场地，直接在现场焊接安装。
    ４、施工组织与安全措施
    石和尚电站不仅是我市水头最高，也是安装难度最大，山坡坡度最陡的小水电站。为确保施工正常进行，选择有丰富施工管理经验的队伍十分重要；施工现场负责人具有良好的职业道德素质和较强的技术业务素质是确保施工顺利进行和安全保证的前提。从施工单位进场到工程结束历时仅两个月，如此艰难的施工地形条件能安全而有序地正常施工，说明套入式施工方案是切实可行的。同时施工单位负责人良好的管理组织能力、安全意识很重要。施工单位设有土建组、运输组、加工焊接组、安装组、安全检查组，各小组严格履行职责。管理处施工人员能够做到几乎每天到场进行督促、检查和指导，严禁一切违规操作，发现问题及时提出，碰到技术难题共同商讨解决。
    ５、结语
    石和尚电站管道更换方案设计与施工实属一项创新的举措。采用套入式方案后，不仅省时省工节约投资（原预算投资３０万元，现实际投资约２０万元），而且又保护了景区的原貌，安全也得到保证。这一方案完全得到技术主管部门的肯定，是小水电改造项目可选方案之一。