陈群运(葛洲坝集团机电建设有限公司湖北宜昌443002)
摘要：长江三峡地下电站直径13.5m、管径与管轴线长度之比13.5/2、最大安装单元重700KN、斜直段倾角60°的压力钢管采用卷扬机/滑轮组/台车方式栓挂2点将各安装单元溜放下滑牵引至相应工位。本文对该项世界最大洞内压力钢管安装下滑溜放作业涉及的重大技术难题所制定的设计方案进行了扼要介绍。
关键词：长江三峡、地下电站、压力钢管、下滑溜放0前言长江三峡工程地下电站设计安装6台700MW水轮发电机组，机组采用一管一机供水方式，机组引水道在人工开挖的岩洞内由上平段、上弯段、斜直段（倾角为60°）、下弯段、下平段组成。其中上平段、上弯段引水道由砼衬砌，斜直段以下引水道采用钢结构衬砌。
组引水道进水口高程▽119.75m，压力钢管起始位高程▽109.75m，与蜗壳接口高程▽57.00m。斜直段、下弯段压力钢管按地下埋管设计，钢管内径13.5m，采用16MnR钢材，管壁厚度为36mm；下平段钢管（含锥管变径段）按明管设计，通过锥管变径段过渡到内径为12.4m，采用B610CF国产60kg级高强钢，管壁厚度为42mm～60mm。单条压力钢管轴线长度为89.43m，制造安装工程量为14400KN。其布置详见图1。
1水电工程地下电站斜井段压力钢管溜放方法概述水电工程地下电站斜井大型压力钢管安装通常采用台车承载或滑靴支撑、卷扬机牵引进行下滑溜放。下滑溜放一般采用3点或4点栓挂牵引，如国内某水电站（钢管直径8m，安装单元轴线长度为4m，最大安装单元重量约300KN，斜井倾角60°，台车轨距3m）就采用在管口顶端1点、下部2点栓挂千斤绳，用1台200KN卷扬机配合走2滑轮、用台车承载进行下滑溜放，其中顶端至滑轮组千斤绳长度可调（通过200KN倒链调整）；国内另一水电站（钢管直径10m，最大安装单元重量约400KN，斜井倾角50°，滑靴轨距6m）在管口上部和下部各2点栓挂千斤绳并各由1台卷扬机连接牵引，采用滑靴方式进行下滑溜放。巨型压力钢管采用2点牵引下滑溜放国内尚无先例。
2钢管下滑溜放方式选择针对国内一般水电站压力钢管直径或重量较小、安装单元通常采用对称装车、钢管管径与轴线长度之比较小、重心较低，其方案选择裕度较大的特点；结合三峡地下电站压力钢管直径、重量超大，下滑单元管径与轴线长度之比较大、重心超高，安装单元有单节和摞节，装车有对称和不对称方式等实际情况，方案设计开发了受力分析简单明了、轮压小、台车承载梁内应力小、操作简便、可控度高的2点栓挂牵引下滑溜放方式。
3钢管安装工艺设计单条钢管设计图由49个制造节组成，制造中将轴线长度较小的13、14管节合并为一个管节，实际为48个制造单节。方案设计时根据岩洞结构尺寸并结合吊装和运输条件，下平段40～49管节单节制造重量为370KN～500KN，每个单管节作为一个安装单元；1～39管节单节制造重量为250KN～350KN，每2个单节组焊为一个安装单元。单条钢管共29个安装单元，最大安装单元重量为700KN。
洞内钢管下滑安装轨距为8400mm的22a工字钢轨道，下滑承载台车轴距为3810mm,台车轮采用滚动轴承；安装管节卸车位岩洞顶部安装4组设计承载能力各为350KN天锚用于栓挂滑轮组定滑轮，在其上游布置4台卷扬机，形成4套起重系统用于管节抬吊卸车（平板车）及翻立装车（下滑台车），其中上游侧2套兼做安装管节下滑牵引；台车下滑磨擦角经测试为1.6039°，台车初始下滑位位于上弯段倾角为8.7428°区段；下滑溜放牵引点设置在通过计算确定的左右腰附近。
安装管节下滑溜放工艺过程：安装管节经交通洞运至各台机组引水洞水平段与斜直段交界处→用预设在该部位岩洞顶上、下游各2组天锚/滑轮组与配套布置在天锚上游侧引水道内的4台卷扬机抬吊卸车→翻立管节→上游位抬吊滑轮组摘钩→下游位抬吊滑轮组将管节吊放至下滑台车上→安装管节绑车→上游位抬吊滑轮组作为下滑牵引系统与台车连接并张紧千斤绳→下游抬吊滑轮组摘钩→启动上游位卷扬机放出牵引绳→台车在重力驱动下沿预装在洞内的轨道下滑溜放→下平段反向牵引→管节牵引到位后卸车及支撑→退出台车并反向牵引回位（下滑溜放参见图2、图3）。
4方案主要设计计算4.1左、右两点牵引下滑溜放计算4.1.1计算说明1）车轮在轨道上的滚动磨擦角根据试验测定。
2）计算中取管口左、右腰点为下滑牵引点，忽略了实际牵引点与计算牵引点之间的位置偏差所带来的误差。
3）计算中忽略了台车轮缘与轨道侧面的侧向摩擦力阻力对台车轮滚动的影响。
4）计算中未计牵引系统自重产生的张力影响。
5）计算中忽略了台车轮滚动阻力矩影响。
6）以管节在台车支撑面失稳作为计算临界条件，按下滑溜放工况设计，按向上牵引工况校核。
4.1.2下滑溜放主要计算成果下滑溜放部分计算成果
台车轨距为8400mm，22a工字钢翼缘宽度为110mm，其上装焊厚34mm宽80mm通长条钢，台车轮为两侧带轮缘，轮缘高度20mm、开裆140mm，轮缘根部R8圆弧过渡，单侧台车轮与轨道平面配合部位宽度为124mm。也就是说，在不考虑台车轮距、跨距制造误差的情况下，单侧轨道在同一车位其安装轴线位置极限允差为±22mm。
方案设计要求22a工字钢轨道单侧安装轴线偏差≤±10mm、轨道顶条钢安装时其单侧轴线偏差≤5mm。由于钢条为二次装焊，其安装精度能有效控制，这样就可保证两者之间的合理匹配。
4.4轨道侧向力的分析计算4.4.1产生侧向力的因素及分析1）正常工况下起重下滑牵引系统采用不同调整同步方式造成台车跑偏（1）2台卷扬机互为独立系统，卷扬机溜放的速度差致使台车跑偏。
（2）用平衡轮进行2台卷扬机滑轮组同步调整，当下滑台车由于跑偏产生的的卡阻力大于平衡轮摩擦阻力时，可能导致平衡轮调节失效，跑偏情况恶化，（3）2台卷扬机通过平衡梁进行同步调整，左、右千斤绳的绳长差决定台车跑偏量。
比较上述3种正常工况下起重下滑牵引系统采用不同调整同步方法造成台车跑偏的情况，当采用平衡梁进行调整，只要将左、右千斤绳的绳长差控制在一定量值，台车跑偏造成的侧向力就可控制在一定范围内。故方案设计选用该方法。
2）承载安装单元的弧形支撑梁的水平分力、倒链绑车的水平分力、下滑溜放千斤绳的水平分力、管节自重引起的水平分力等的合力达到一定量值，足以造成管节水平径向变形，就会使管节与台车支撑结合面出现水平径向摩擦力。当台车自身刚度不足以抵抗该摩擦力时，台车轮跨距则会增大或减小，其量值超出台车轮与轨道配合公差，将造成台车轮缘与轨道侧面出现摩擦或卡阻。
由于这些水平力方向不一，其合力不会太大，且因管节装焊有内支撑，使其在装车支撑处有足够的刚度抵抗变形。故方案设计忽略了该因素可能对轨道施加的侧向力。
4.4.2侧向力计算（1）台车轨道按1000mm跨距简支梁（实际为无限跨连续梁）结构、Q235材料、经计算其侧向承载能力为5.30442t。
（2）台车轮缘与轨道配合公差带为44mm，当台车前后轮理论上中心位置与轨道轴线偏角达到α＝ractg(44/3810)＝0.6617°时，台车前后轮缘一侧与轨道侧面接触，即α≯0.6617°时，侧向力为零。
以斜直段φ13500mm摞节为例：采用1对12000mm长千斤绳，左右栓挂点间距为13200mm，当台车前后轮轴线偏角α=0.6617°、牵引系统合力偏心距e＝0时，其左右下滑点与垂至于轨道基准面的位置差为13200×sin0.6617°＝152.44mm。这时左右千斤绳长度差为103mm，这时的侧向力为零；当侧向力达到台车轨道侧向承载能力极限值5.30442t时，反算得e＝0.308m，这时左、右千斤绳长度达到极限允差437mm。为避免由于1对千斤绳不等长对轨道附加侧向力，故方案设计要求1对千斤绳的绳长差应控制在100mm以内。
5投用前的试验试验分3步：1）滑轮组、卷扬机配合进行天锚竖向承载试验，按设计承载350KN的70％、100％、110％进行动载试验，按设计承载350KN的125％进行静载试验。
2）起重系统牵引台车进行空车全程下滑，在此基础上，台车以最重下滑单元重量为准，装载配重块进行70％、100％承载下滑和向上牵引试验。
3）用轴线长度为3.2m的试验管节（利用三峡三期蜗壳试压环工装改制，重量约450KN），模拟实际不对称装车（最不利）工况进行全程下滑及向上牵引原型试验。
6结论该方案在对国内大型水电站陡峭斜井钢管安装方法进行调研的基础上，结合工程实际，对方案可能涉及到的重大技术问题均作了全面深入的分析研究和相关计算，并通过模型实验和原型试验对计算成果进行了验证。该方案设计经实践检验，取得圆满成功。
参考文献：1、冶金工业出版社《机械零件设计手册》（第三版）；2、电力工业标准汇编水电卷《金属结构》；3、中国建筑出版社《建筑结构静力计算手册》；4、机械工业出版社《设备起重吊装工程便携手册》。
作者简介：出生年月：1955.9；籍贯：湖北省老河口市；葛洲坝集团机电建设有限公司副总工程师，教授级高级工程师