浅谈大型抽水蓄能电站施工关键技术.pdf

115本栏目审稿人：张建中目管理企业经营与项浅谈大型抽水蓄能电站施工关键技术翟梓良/中国水利水电第十二工程局有限公司【摘要】中国水利水电第十二工程局有限公司建局以来，先后参与建设了浙江天荒坪、桐柏、长龙山、宁海、天台，山东泰安，江苏溧阳，福建仙游、周宁，海南琼中，湖南黑峰，河北抚宁，河南鲁山等3 0 余座抽水蓄能电站。本文对国内大型抽水蓄能电站建设的关键施工技术进行了分析研究，希望能给业界人士提供一定的借鉴与参考。【关键词】大型抽水蓄能电站工程施工研发创新实现“碳达峰、碳中和”目标，构建以新能源为主体的新型电力系统，是党中央、国务院作出的重大决策部署。2 0 2 0 年1 2 月1 2 日，习近平总书记在气候雄心峰会上宣布到2 0 3 0 年中国风电、太阳能发电总装机容量将达到1 2 亿kW以上。风、光等新能源的大规模开发及其发电的波动性、间歇性特点，决定电力系统需建设大量调节电源。结合我国能源资源的赋条件等综合研判：抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源，与风电、太阳能发电、核电、火电等配合效果较好。当前及未来一段时期我国电力系统需要建设大规模的抽水蓄能电站。因此，加快发展抽水蓄能是构建以新能源为主体的新型电力系统的迫切要求，是保障电力系统安全稳定运行的重要支撑，是可再生能源大规模发展的重要保障。中国水利水电第十二工程局有限公司在国内大型抽水蓄能电站施工领域涵盖了上下水库、引水系统、地下厂房洞室群、尾水系统以及高强压力钢管的制作安装和可逆式机组安装等工程项目，是国内水利水电施工企业中掌握大型抽水蓄能电站关键施工技术的企业之一，在抽水蓄能电站施工建设方面积累了丰富的经验。一、工程施工关键技术大型抽水蓄能电站通常由上水库、输水系统、地下厂房、下水库、地面开关站等组成，下面着重对上下水库面板堆石坝、引水系统、地下厂房洞室群、高强压力钢管制安、智能建造等方面的关键技术进行分析与研究。（一）上下水库面板堆石坝施工关键技术据国内已建、在建的抽水蓄能电站相关资料统计，绝大多数抽水蓄能电站上下水库大坝采用面板堆石坝。近年来，一些施工企业在混凝土面板堆石坝软岩筑坝技术、高寒地区面板坝施工、混凝土面板施工质量提高等领域积累了丰富经验，取得了一系列创新成果。下面重点分析总结堆石坝级配料爆破开采智能设计与调控和复杂地形多种料源高面板堆石坝变形控制筑坝关键技术。1.堆石坝级配料爆破开采智能设计与调控关键技术堆石坝的级配料质量直接关系到大坝的填筑质量和坝体运行期的安全，同时爆破块度的合理与否直接影响后续作业工序如装载、运输、设备生产效率和设备磨损的作业成本，影响工程建设的经济效益。堆石坝坝料开采中要求爆破块度级配合理，不均匀系数和曲率系数满足设计要求，同时坝体填筑料的需求量很大，因此，通过爆破手段如何更方便、经济地获得大量可用的坝体填筑料显得十分重要。依托企业在建堆石坝工程项目，与长江水利委员会长江科学院等单位联合研发了基于计算机自动优化的水电站工程智能爆破设计系统，输人爆破设计所需的初始资料、地质条件与开采要求等信息，便可优化设计出科学合理的爆破参数，可以加快施工进度，确保爆破作业116企业经营与项目管理参数的可靠性。智能爆破系统以爆破参数设计为主要功能，适用于露天级配料开采的设计、施工与管理等一体化的智能爆破设计。2.复杂地形多种料源高面板堆石坝变形控制筑坝关键技术溧阳抽水蓄能电站面板坝轴线坝高1 6 5m，大坝填筑量达1 57 2 万m，是国内目前开工建设同类工程中面板堆石坝最高、填筑量最大的工程之一，地质条件极其复杂，开挖区岩石风化层厚、岩体破碎，节理发育，断层和蚀变带分布广泛，所占比例大，大坝填筑料全部利用工程各建筑物自身开挖料，未单独开采其他专门料场，存在“大挖、大填、大运”显著特点，且填筑石料料源复杂、多样、软化系数较低，主要采用下水库开挖料、上水库开挖料和输水发电系统的洞挖料。通过优化坝体堆石分区，修整坝轴线W地形，设置增模区，有效解决了复杂地形带来的不均匀沉降和坝顶挠曲变形；合理利用软岩堆石料和坝后压坡体，基本实现了挖填平衡，经济和环境效益显著。对大坝填筑碾压全过程实时在线监控，创新采用“堆饼”施工工法，有效控制填筑厚度，保证了大坝填筑质量，其中增模区的孔隙率平均值达1 6.8%。应用智能物料管理系统，对复杂料源、运输、加水实行全程监控。基于运输过程智能监控数据，对车辆超速、轨迹偏移、卸料错误、车辆满载离场等进行智能分析与报警，基于车辆实时数据定位，智能分析场内道路交通状况并进行场内上坝运输车辆的智能调度，对车辆运输流程作业状态进行智能感知分析，为建设进度智能仿真与控制提供数据基础。(二）引水系统施工关键技术抽水蓄能电站水头高，引水系统长斜井或深竖井开挖施工难度大，技术复杂。最早的广州抽水蓄能电站，斜井的导井施工采用爬罐施工反导井与人工开挖正导井相结合的方法。由于爬罐施工作业条件差，近几年抽水蓄能电站斜井和竖井的导井施工逐步以反井钻机为主，十三陵抽水蓄能电站首次采用反井钻机进行导井施工，导井长2 0 3 m，导孔偏斜1.43%。下面以长龙山抽水蓄能电站长斜井施工技术为例进行研究。1.长斜井导井反井钻机施工技术长龙山抽水蓄能电站43 5m超长引水长斜井的长度居国内第一、世界第二。其钻井深度大、岩石强度高，属于大倾角、超硬岩、超长斜井，选择“定向钻机施工导孔十反井钻机施工导井”的方法，为近几年在反井钻机法基础上针对超长斜井（尤其超过3 0 0 m）而研发的新方法。该方法首先采用定向钻机进行自上而下导孔施工，并二次扩大至适应反井钻钻杆的导孔，然后采用反井钻机自下而上反扩形成导井，其开挖速度快，导井施工平均月进尺达2 0 0 m以上，进一步提高了施工效率。2.超长斜井孔位偏差沿程控制技术长龙山抽水蓄能电站超长斜井采用无线随钻测斜仪对钻孔进行孔斜监测及定向纠偏。结合磁导向装置（定向钻机先导孔施工剩余1 0 0 m左右，需在中平洞安装磁导向仪）进行监测，主要依靠角度及方位进行位置判定，每钻进3 0 m测斜一次，51 0 m一个测点，孔斜超偏时，加密测点，并制定定向纠偏设计。在无线随钻测斜仪测量参数指导下，通过定向螺杆钻具对钻孔轨迹进行定向控制。每钻进一根钻具测斜一次。孔斜超偏时，加密测点，并制定定向纠偏设计。终孔透孔偏差2 5.9 cm，偏斜率0.6 0%，为导井施工的顺利进行奠定了坚实的基础。通过先导孔施工时收集的返渣判断各施工部位的岩层情况，为反井施工提供了钻机参数设置依据。（三）地下厂房洞室群施工关键技术大跨度地下厂房须重点关注顶拱围岩拱效应的形成，大跨度地下厂房顶拱开挖施工对整个地下工程至关重要。另外，近年来TBM越来越普遍的应用于抽水蓄能电站地下隧洞施工中。下面就地下厂房顶拱成型和地下隧洞盾构机应用方面的关键技术进行重点分析。1.大跨度地下厂房顶拱成型控制爆破关键技术周宁抽水蓄能电站地下主副厂房长1 7 0 m、宽25m（岩台以上2 6.5m），最大开挖高度55m，属于大跨度地下厂房工程。采用“中导洞先行、两侧边墙扩挖紧随其后”的施工方法，使得爆破作业在空间上错开，减少爆破药量，避免爆破产生的振动相互叠加，减少爆破振动对厂房拱顶岩石的损伤。拱顶采用“小间距布孔，光面爆破”方法施工，减少单孔装药量，有效控制放射状裂隙的产生，使拱顶一侧的岩体免受破坏，并形成平整光面。拱顶周边光爆孔采用“不耦合间隔装药结构”，避免破裂区的形成，爆破后能留下半个炮孔痕迹，使拱顶岩石免受损伤。周边光爆孔采用移动钢结构台车配手风钻进行钻孔和光面爆破施工；主爆孔、锚杆孔利用多臂台车等大型机械设备进行施工，有效提高了机械设备的利用率。2.全断面硬岩竖井掘进关键技术竖井常规开挖方法采用“正井钻爆法”或“反井钻导井十人工钻爆扩挖法”，这两种方法井下施工环境恶劣，一直存在安全隐患多、施工工期长、劳动投人大、作业环境差、施工效率低、对资源消耗和环境影响大的问题，对施工作业人员的安全和职业健康不利。企业通过开展科技创新，依托浙江宁海抽水蓄能电站工程，与中铁装备合作，成功研发了世界首台全断面117浅谈大型抽水蓄能电站施工关键技术硬岩竖井掘进机。该设备融合传统竖井施工技术和全断面隧道掘进机施工理念，可安全高效建井，首次实现井下无人掘进施工。该技术处于世界领先水平，与传统工法相比，施工人员减少50%以上，掘进效率却可提高2倍以上。应用于浙江宁海抽水蓄能电站排风竖井的掘进机直径7.8 3 m，竖井井深2 0 0 m，该机配备了众多首创技术，拥有自主知识产权的特制推进技术，为设备提供可靠、稳定的推进动力。拥有自主知识产权的全断面开挖机械式同步出渣系统，比泥水、真空等传统出渣方式效率更高、能耗更低，解决了开挖、出渣同步施工这一国际性难题，并首创竖井远程控制系统，操作人员无须下井，而且首次实现井下全断面硬岩掘进无人施工。竖井掘进机实现了井下无人、自动掘进、地面远程操控，为类似地下工程施工提供了经验与借鉴，为千米级竖井全断面掘进技术难题提供了新的解决方案，填补了全断面硬岩竖井掘进机及其施工工艺的国内空白。3.紧凑型超小转弯半径硬岩盾构机应用技术宁海抽水蓄能电站引人紧凑型超小转弯半径硬岩盾构机（TBM）进行排水洞开挖施工。排水洞与村庄民居直线距离仅百米左右，通过TBM施工，免去了人工爆破，降低了施工安全风险等级，减小了岩石扰动、噪声污染。TBM集机械、电子、液压、激光、控制于一体，是国内最先进的硬岩隧洞掘进设备，为抽水蓄能电站地下洞室施工量身定做，可一次截割出所需断面，自动制导、一次成型、掘进效率高。掘进期间实现了最高月进尺53 0.7 6 5m、最高日进尺2 5.3 45m，平均1 7.1 2 1 m日进尺数，创国内该类型掘进新纪录。(四)7高强压力钢管制作安装关键技术抽水蓄能电站压力钢管通常是在洞外拼装焊接成整体后运进洞内安装，钢材的强度越高、厚度越大，其制造和焊接时出现的问题也越多。高强钢压力钢管制作安装面临钢板压头、瓦片卷制、焊接等技术难题，另外，由于洞内作业空间受限，钢管洞内运输溜放安装也存在一定困难。1.压力钢管洞内全位置环缝自动焊接技术目前项目施工钢管制造加工已大量使用埋弧自动焊接，均已替代传统手工焊或者半自动焊焊接，提高了焊接效率、减少人为因素导致的质量问题，减轻了工人的劳动强度。但在洞内安装环缝焊接工作环境差，仍以传统手工焊或半自动焊为主，焊接自动化率低，焊接难度大、焊工劳动强度高等，焊接质量取决于焊工的技能水平。为解决安装焊缝焊接难题，企业正在研究“压力钢管洞内全位置环缝自动焊接技术”，在浙江宁海抽水蓄能电站压力钢管制造安装处于试验应用阶段，主要试验设备为无轨导全位置爬行焊接机器人，该设备无须铺设导轨，可实现大口径管道的6 G/6GR位置全自动焊接，解决了人工焊接操作难度大、效率低及传统有轨焊接机器人轨道铺设高成本、高耗时、低机动性的难点。无轨导全位置爬行焊接机器人搭载激光视觉跟踪系统，可实现自主识别焊缝自动起停弧焊接，激光跟踪系统主要由高分辨率数字相机、一字激光发射器构成，负责焊缝实时跟踪，不需要预扫描，具备抗弧光、抗飞溅的多重抗干扰能力。2.大倾角受限空间超大型压力钢管施工技术周宁抽水蓄能电站下斜井压力钢管安装施工具有斜井角度大、安装空间狭窄、距离远、管节重、管壁厚等特点，且大部分为高强钢材质，在抽水蓄能电站斜井压力钢管安装中具有一定的特殊性和代表性。斜井压力钢管由特制液压升降低平板半挂车运输至施工支洞与安装主洞交叉口，采用天锚卸车，用“卷扬机牵引十有轨台车”进行压力钢管洞内水平运输，由卷扬机牵引有轨台车在洞内运输轨道上运行，利用千斤顶辅助有轨台车转向，解决了洞内空间狭小、转向困难的问题；采用“双联卷筒卷扬机十有轨台车”进行压力钢管斜井溜放，运用运输台车专用止锁装置防止台车下滑，通过双联卷筒卷扬机钢丝绳牵引钢管，钢管依靠自身重力作用下滑，在双联卷筒卷扬机反拉力的作用下，保护钢管安全溜放至安装部位。(五)智能建造关键技术智能建造是未来建筑业的变革方向，企业着眼建筑工业化、信息化、智能化，深化数字技术创新应用，打造智慧施工场景，在智能化喷射混凝土、智慧工地、智能无人碾压、智能砂混系统、智能钢筋、钢管加工等方面进行了积极探索，取得了实用性、突破性成果。1.隧洞喷射混凝土智能化技术隧洞喷射混凝土智能化技术研究是近几年新兴的一项智能化喷射混凝土技术，针对地下厂房和隧洞混凝土支护施工，采用以智能机器人或机械臂为核心的自动化设备进行喷射混凝土，能够做到爆破后及时喷混凝土支护，不仅省去脚手架，更重要的是提高了工程质量，加快了施工进度，显著提高了作业效率，实现了快速化施工。2.智慧工地系统应用技术企业结合多年施工经验及转型升级需要成立了数字公司，自主开发“数智建造”平台，利用智慧工地系统软件，实施企业履约项目信息化管理。该智慧工地系统分为前端数据采集子系统、网络传输系统和后端集中管理平台三大部分。前端数据采集子系统可以实时准确地将施工机械运行状况、工地现场环境、进出工地人员信118企业经营与项目管理息和施工管理人员工作情况采集并上传后台管理系统；网络传输系统结合施工工地实际情况，采用无线技术将前后端数据准确无误、无延时地传输；后端集中管理平台能够汇聚各子系统数据，过滤出有效信息，以直观可视化的方式提供给企业项目管理者，帮助其管理和辅助决策。通过系统的BIM建模与协同管理平台应用，实现三维碰撞检查与施工方案优化、物料管理信息化、多媒体工艺演示与技术交底等现代化管理功能，并结合智慧工地管理系统应用，促进项目施工精益化管理。3.智能碾压技术智能碾压技术主要包括压路机自动驾驶系统，运料车辆实时监控子系统，大坝填筑碾压质量实时监控子系统，大坝施工过程管理平台、查询分析综合管理系统。智能碾压技术着眼于整个压实过程控制，显示整个作业面压实遍数、行进速度、压实度等施工信息数据，全面反映整个面全过程的压实信息，保障施工质量。4.智能混凝土搅拌、砂石加工系统应用技术智能混凝土搅拌系统主要具有混凝土搅拌车车辆的管理、拌和混凝土全过程质量的管理、混凝土生产的管理、人员管理、可视化管理、车辆安全管控及物联设备管理等功能，精细施工管理，满足施工要求。智能砂石加工系统具有针对砂石料生产加工全过程的智能化管理与控制、环境安全监测等功能，提供满足工程进度需要、满足环境要求、满足规范要求的优质砂石骨料。5.智能钢筋、钢管加工系统应用技术智能钢筋加工系统具有原材料管理、系统任务管理、库存信息、运输管理等功能，主要从钢筋原材料、加工生产、应用到工程全过程的管理，提供满足工程进度需要、满足施工要求的优质钢筋。智能钢管加工系统具有钢管生产物流跟踪，钢管生产工艺、质量数据采集与监测，生产能源数据采集与监测，可视化展示控制等功能，智能钢管加工系统技术将在生产监控、工艺质量管理、生产能源监测、大数据的可视化展示等各个方面提高自动化、智能化水平，通过“精益”管理实现降低生产成本，提升生产效率和产品质量的目标，实现钢管产品的动态过程信息自动采集和信息化管控、生产能耗的监控与分析的信息化展示。（六）乡绿色生态标化施工技术抽水蓄能电站工程是聚焦国家“碳达峰、碳中和”目标，成为践行“绿水青山就是金山银山”理念的美丽名片。在抽水蓄能电站建设全过程中要高度重视绿色施工、环水保施工，做到与工程建设同步，进一步提升安全文明施工水平。1.生态防护绿化施工技术在抽水蓄能电站建设过程将“绿色工程”建设与优质工程、环保工程等建设高度结合，在宁海抽水蓄能工程建设过程中积极推广应用植被混凝土生态防护绿化技术（VCC）、T BS 复绿等新技术，山体、明线复绿及时跟进，复绿面积达2 0 万m以上；溧阳抽水蓄能电站工程创新采用“坝后网格梁十覆土种植小叶女贞十表土面播撒草籽养护”综合复绿技术，与AAAAA级天目湖景区环境完美协调。2.降尘降噪与污废水处理技术企业在抽水蓄能电站施工中历来重视降尘、降噪、污废水处理等施工期环境保护工作，在有效落实施工现场雾炮机空气降尘、施工道路自动喷水降尘和砂石料生产系统噪声监测与控制等日常环保任务的同时，积极引进隧洞爆破作业高效通风排烟装置、砂石料生产系统砂仓真空脱水系统、金属结构工程狭窄空间喷砂喷漆作业高效除尘设备等环保装置，并结合施工项目特点组织相关环保技术创新。二、结语近年来，随着国内大型抽水蓄能电站建设速度不断提升，建设规模不断增加，推动了施工关键技术的发展与应用。相信在未来国内大型抽水蓄能电站的建设中，特别是在科技兴安“机械化换人、自动化减人、智能化无人”等方面，将会进一步提升智能建造、智慧管理，创造更安全、更优质、更可靠的抽水蓄能电站精品工程。