李 沖，張戰(zhàn)午，王化龍，王健姣

(中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

1 工程概述

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量4×300 MW，額定水頭195 m，單機(jī)額定流量176.1 m3/s，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面中控樓、開關(guān)站等組成。尾水系統(tǒng)采用2機(jī)1洞布置型式，其中尾水支洞長(zhǎng)128.755 m、洞徑7.4 m，尾水管至尾水閘門門槽中心下游側(cè)20 m采用鋼板襯砌，尾水系統(tǒng)其余洞段均采用鋼筋混凝土襯砌。

2 鋼管設(shè)計(jì)參數(shù)

尾水系統(tǒng)采用4機(jī)2洞布置，其中①、②號(hào)機(jī)組與③、④號(hào)機(jī)組分別共一個(gè)輸水單元。③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯范圍樁號(hào)為“③尾支0+000.000 m～0+074.630 m”，總長(zhǎng)74.63 m，共39節(jié)。鋼襯標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)2.0 m、內(nèi)徑7.4 m、壁厚22 mm，材質(zhì)為16MnR，回填C20混凝土厚0.70 m。鋼襯抗外壓穩(wěn)定采用加勁環(huán)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)加勁環(huán)間距1.0 m，材質(zhì)為16MnR，斷面尺寸30 mm×250 mm(厚×高)。此外，為滿足機(jī)組技術(shù)供水要求，在③號(hào)機(jī)組尾水支洞正底部開槽埋設(shè)1根DN400的機(jī)組技術(shù)供水排水管。

③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段全長(zhǎng)全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔間排距3.0 m×2.0 m、孔徑50 mm，入巖5.0 m，灌漿壓力1.2 MPa。鋼襯頂部120°范圍內(nèi)利用管壁預(yù)留固結(jié)灌漿孔進(jìn)行回填灌漿，灌漿壓力0.4 MPa。鋼襯底部90°范圍內(nèi)進(jìn)行接觸灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。

3 鋼管鼓包情況及現(xiàn)場(chǎng)查勘

電站4臺(tái)機(jī)組自2010年12月全部投產(chǎn)，總體運(yùn)行情況良好。2015年9月7日—9月22日，電站組織開展了③號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修。9月22日在拆除③號(hào)機(jī)組錐管檢修平臺(tái)，并進(jìn)入流道對(duì)③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段進(jìn)行例行檢查時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)在緊挨尾水管下游側(cè)的③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段第2、3號(hào)管節(jié)存在鼓包現(xiàn)象。建設(shè)單位組織原設(shè)計(jì)單位與施工單位等相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行了3次現(xiàn)場(chǎng)查勘。

3.1 第1次現(xiàn)場(chǎng)查勘

經(jīng)初步檢查，在緊挨尾水管下游側(cè)的③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段第2、3號(hào)管節(jié)共有10個(gè)鼓包，其中較為明顯的鼓包有6個(gè)，集中在第2號(hào)管節(jié)兩加勁環(huán)以及第2號(hào)管節(jié)末端與相鄰第3號(hào)管節(jié)首端的兩管節(jié)加勁環(huán)(環(huán)縫附近處)之間，在斷面上均分布在鋼管兩側(cè)腰線以下，最大鼓包直徑約1 200 mm、高度約40～50 mm，最小鼓包直徑約700 mm、高度約20 mm。錘擊鼓包及相鄰區(qū)域無空鼓聲音。經(jīng)擴(kuò)大檢查范圍，其余管節(jié)段均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，鋼管焊縫及灌漿孔也未發(fā)現(xiàn)有明顯滲水現(xiàn)象。

3.2 第2次現(xiàn)場(chǎng)查勘

本次對(duì)地下廠房系統(tǒng)的滲控廊道進(jìn)行了全面巡視檢查，檢查結(jié)果表明，上述部位地下水不發(fā)育，除5號(hào)滲控廊道F8斷層帶內(nèi)洞頂有較大線狀滴水外，排水廊道其余部位絕大部分洞壁干燥，局部洞壁偶見潮濕現(xiàn)象。各排水廊道與廠房檢查廊道排水溝側(cè)絕大部分排水孔內(nèi)無反水現(xiàn)象，個(gè)別排水孔甚至出現(xiàn)無水現(xiàn)象，所有排水孔孔口安裝的地下水測(cè)壓表指針讀數(shù)全部為零，打開排水閥均無排氣排水現(xiàn)象。據(jù)此基本可以排除因地下水產(chǎn)生外水壓力導(dǎo)致鋼襯鼓包的可能性。

3.3 第3次現(xiàn)場(chǎng)查勘

第3次現(xiàn)場(chǎng)查勘，主要對(duì)③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯鼓包發(fā)展情況、焊縫及灌漿孔封堵情況以及④號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段和②號(hào)機(jī)組尾水岔洞與主洞進(jìn)行了全面檢查，同時(shí)對(duì)③號(hào)機(jī)組尾水支管底部技術(shù)供水排水管進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。

經(jīng)詳細(xì)檢查，在緊挨尾水管下游側(cè)的③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段第2號(hào)管節(jié)兩加勁環(huán)以及第2號(hào)管節(jié)未端與相鄰3號(hào)管節(jié)始端的兩管節(jié)加勁環(huán)(環(huán)縫附近處)之間總共發(fā)現(xiàn)23個(gè)不同程度的鋼管鼓包。鼓包主要出現(xiàn)在第2號(hào)管節(jié)兩加勁環(huán)間，鼓包數(shù)為16個(gè)，另外在第2號(hào)管節(jié)末端與第3號(hào)兩管節(jié)環(huán)縫之間也有7個(gè)鼓包產(chǎn)生；最大鼓包直徑約960～1 000 mm、高度約47～50 mm，對(duì)應(yīng)鼓包編號(hào)分別為7號(hào)和11號(hào)，最小鼓包直徑約400～500 mm、高度約20 mm，對(duì)應(yīng)鼓包編號(hào)為1、16、17和22號(hào)。

鼓包檢查結(jié)果還表明，自首次發(fā)現(xiàn)鼓包并經(jīng)充水運(yùn)行約3個(gè)半月以后，③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯鼓包規(guī)模(大小與高度)無明顯變化，但鼓包數(shù)量有所增加(可能與檢查的方式方法有關(guān))，從鋼管管節(jié)鼓包的發(fā)展趨勢(shì)與程度來看，底部鼓包相對(duì)較大，腰線及洞頂較小，鋼管鼓包橫斷面上具有從底部逐漸向腰線以及洞頂蔓延擴(kuò)展的趨勢(shì)；從壓力鋼管軸線(發(fā)電水流方向)來看，由于受兩側(cè)加勁環(huán)的限制，該方向上游無擴(kuò)展，沒有鼓包跡象，鼓包范圍主要限制在第2號(hào)管節(jié)兩加勁環(huán)之間以及第2號(hào)管節(jié)與第3號(hào)管節(jié)環(huán)縫附近處，其發(fā)展規(guī)模與程度自2號(hào)管節(jié)向第3號(hào)管節(jié)逐漸減弱，并有向下游發(fā)展的趨勢(shì)。

鋼襯鼓包斷面分布素描圖見圖1～2。

圖1 2號(hào)管節(jié)鋼襯鼓包斷面分布示意圖

圖2 3號(hào)管節(jié)鋼襯鼓包斷面分布示意圖

4 鋼管鼓包原因初步分析

4.1 鋼管抗外壓能力復(fù)核

鋼管的抗外壓穩(wěn)定分析有解析法[1,5]和有限元法等[2-4]，本文采用解析法進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果和抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算成果見表1～2。地下水安全監(jiān)測(cè)及廠房排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)巡視結(jié)果表明，地下廠區(qū)圍巖透水性弱，地下水較不發(fā)育，鋼襯設(shè)計(jì)外水壓力取值合理，符合本工程地下水位發(fā)育水平。從鋼管復(fù)核成果來看，鋼襯具有一定的抗外壓穩(wěn)定安全裕度，鋼襯鼓包隱患的產(chǎn)生非設(shè)計(jì)原因所致。

表1 尾水鋼管管壁厚度計(jì)算成果表

表2 尾水鋼管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核成果表

注：考慮到尾水鋼管頂部地下洞室、排水廊道、以及下游帷幕對(duì)外水的削弱作用，外水壓力分2段進(jìn)行計(jì)算，鋼管頂部到排水廊道之間取全水頭，排水廊道到地下水位線之間按圍巖類別取外水折減系數(shù)0.3，折算后的綜合外水折減系數(shù)約0.4。

4.2 地下水監(jiān)測(cè)成果分析

安全監(jiān)測(cè)資料表明，2015年三季度③號(hào)機(jī)組尾水支洞監(jiān)測(cè)斷面外水壓力實(shí)測(cè)最大值約為0.15 MPa，發(fā)生部位為③號(hào)機(jī)組尾水支洞Pb4-1測(cè)點(diǎn)，遠(yuǎn)小于鋼襯設(shè)計(jì)外水壓力。

Pb4-1測(cè)點(diǎn)外水壓力變化過程線如圖3所示?？梢婋娬具\(yùn)行后，外水壓力趨于穩(wěn)定，目前一直維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。外水壓力與流道充水和上水庫蓄水沒有相關(guān)性，外水壓力并沒有隨流道充水的影響而明顯增加或減少。

4.3 鋼管鼓包原因初步分析

結(jié)合監(jiān)測(cè)成果和現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，對(duì)因設(shè)計(jì)、施工、鋼板質(zhì)量、運(yùn)行管理、管道內(nèi)水外滲、尾水系統(tǒng)地下水位過高、以及隧洞圍巖失穩(wěn)造成③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯鼓包的可能性一一進(jìn)行比對(duì)分析[6-11]，基本上可排除以上各原因。

工程建設(shè)階段，為滿足機(jī)組技術(shù)供水要求，在③機(jī)組尾水支洞正底部開槽埋設(shè)有1根DN400的機(jī)組技術(shù)供水排水管，開槽尺寸800 mm×700 mm(寬×深)，機(jī)組技術(shù)供水排水管安裝完后回填C20素混凝土。第3次現(xiàn)場(chǎng)查勘時(shí)，利用③、④號(hào)機(jī)組放空檢修的機(jī)會(huì)，對(duì)③號(hào)機(jī)組尾水支洞底部DN400的技術(shù)供水排水管進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼襯鼓包鉆孔處外水流量及壓力變化與③號(hào)機(jī)組技術(shù)供水排水管內(nèi)壓變化有著直接的水力聯(lián)系，據(jù)此基本可確定造成本次③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯鼓包隱患的原因?yàn)棰厶?hào)機(jī)組技術(shù)供水排水總管在③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段第2、3號(hào)管節(jié)處存在破裂點(diǎn)或滲漏點(diǎn)所導(dǎo)致。

5 鋼管鼓包處理方案

鋼管鼓包事故發(fā)生后，經(jīng)過分析，確定如下處理方案：

(1) 選取若干橫斷面進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定鋼襯鼓包范圍，將變形區(qū)域位置和擬切割范圍進(jìn)行劃線，并進(jìn)行切除。

(2) 鑿除鋼襯鼓包洞段范圍內(nèi)底部③號(hào)機(jī)組技術(shù)供水排水管管槽回填素混凝土，找出③號(hào)機(jī)組技術(shù)供水排水管在③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段第2、3號(hào)管節(jié)處的破損點(diǎn)(滲漏點(diǎn))，并對(duì)該破損點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后應(yīng)對(duì)③號(hào)機(jī)組技術(shù)供水排水管的修復(fù)焊縫進(jìn)行探傷，并對(duì)整個(gè)管道進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

(3) 在2號(hào)管節(jié)底部靠近上游加勁環(huán)側(cè)加焊?50 mm排水支管，并接入③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯底部?50 mm外排水主管內(nèi)，回填C25自密實(shí)混凝土至鋼襯底部高程以下約5 cm處。

(4) 鑿除鋼襯周邊混凝土，范圍見圖4～5?；炷翉较蜩彸? cm，鋼板縱縫、橫縫以及灌漿孔補(bǔ)強(qiáng)板部位局部深5 cm，環(huán)向及軸向應(yīng)超出鋼襯未切除端至少5 cm，以便于瓦片的安裝和焊接。

(5) 備換鋼襯瓦片安裝和焊接，瓦片采用Q345R，厚度22 mm。瓦片上應(yīng)布置預(yù)留灌漿孔，備換鋼襯瓦片分割見圖6～7。

圖3 尾水支洞襯砌外水壓力變化過程線圖

圖4 2號(hào)管節(jié)混凝土鑿除范圍示意圖 單位：mm

圖5 3號(hào)管節(jié)混凝土鑿除范圍示意圖 單位：mm

圖6 2號(hào)管節(jié)備換瓦片示意圖

(6) 鋼襯焊接完畢后，采用鋼襯預(yù)留孔進(jìn)行回填灌漿，以填充鋼襯與混凝土之間空腔，灌漿壓力0.2 MPa。接觸灌漿[1，12]經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)錘擊后采用化灌進(jìn)行，灌漿壓力0.2 MPa。

(7) 灌漿結(jié)束后對(duì)灌漿孔進(jìn)行封堵，并沿鋼襯內(nèi)壁布置1圈套管[13]以增加鋼襯抗外壓穩(wěn)定能力，套管材質(zhì)與鋼襯一致，厚度22 mm、寬度400 mm。

(8) 除銹及防腐處理。

圖7 3號(hào)管節(jié)備換瓦片示意圖

6 結(jié) 語

③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯鼓包對(duì)水電站的運(yùn)行存在一定的安全隱患，但鼓包出現(xiàn)在兩道加勁環(huán)之間，不會(huì)嚴(yán)重影響水電站的正常運(yùn)行和危及工程安全，經(jīng)有效處理后即可消除此隱患。造成鼓包隱患的原因?yàn)棰厶?hào)機(jī)組技術(shù)供水排水管在③號(hào)機(jī)組尾水支洞鋼襯段第2、3號(hào)管節(jié)處存在局部破損造成滲漏所導(dǎo)致。類似工程建設(shè)時(shí)，參建各方除鋼襯本身外，尚應(yīng)對(duì)鋼襯附屬管道予以重視，避免類似事故產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn):

[1] 國家能源局.水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范:NB/T 35056-2015[S].北京：中國電力出版社，2015.

[2] 梁月英,王建,鄭東健.埋藏式壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定性分析[J].水電能源科學(xué),2005(06):33-35.

[3] 周瑋,羅瑋.山口巖水利樞紐工程壓力鋼管抗壓穩(wěn)定分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2010(10):1142-1145.

[4] 周挺,鄭林仙,陳亞君.帶加勁環(huán)埋藏式壓力鋼管的抗外壓穩(wěn)定性分析[J].浙江水利水電?？茖W(xué)院學(xué)報(bào),2010(02):35-39.

[5] 楊正勇,張祥和.高增跌水電站壓力鋼管內(nèi)外水壓力失穩(wěn)壁厚的分析與評(píng)價(jià)[J].大科技,2012(09):130-131.

[6] 張孟七,李建平,王為標(biāo),張偉.某大型水電站鋼管鼓包原因分析及處理措施[J].西北水力發(fā)電,2007,23(01):74-77.

[7] 孫魯豫.廣蓄電站尾水支洞漸變段鋼襯失穩(wěn)原因分析與處理措施[J].水力發(fā)電,1996(10):31-33.

[8] 曹劉光.某水電站尾水隧洞鋼管鼓包現(xiàn)象的探討[J].西北水電,2016(06):35-37.

[9] 黃宏志.水電站壓力鋼管內(nèi)壁鼓包處理經(jīng)驗(yàn)淺析[J].科協(xié)論壇,2009(09):19-20.

[10] 童煥初.關(guān)坎電站壓力鋼管的破壞與修復(fù)[J].大壩與安,2012(03):56-57.

[11] 畢仁友,李明.響水水電站高壓埋管失穩(wěn)破壞一些現(xiàn)象的探討[J].水電技術(shù)監(jiān)督,2003(04):47-52.

[12] 張淑嬋,傅金筑.水電站壓力鋼管與混凝土之間的接觸灌漿[J].西北水電,2009(01):9-15.

[13] 陳祥東,吳建勇.金竹水電站壓力鋼管修復(fù)加固設(shè)計(jì)及水壓試驗(yàn)[J].浙江水利科技,2011(01):42-44.