楊銀輝，韓先宇，閔四海，吳文勇

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都，610051）

1 概述

二灘水電站以發(fā)電為主，廠房布置在地下，共安裝了6臺單機容量為550 MW的混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭165 m。尾水管類型為金屬窄高型彎肘尾水管，尾水管錐管進口至底板高19.545 m，錐管段進口至肘管水平部位均裝設了厚度為25 mm的金屬里襯，其中錐管段進口及其以下0.5 m區(qū)域金屬里襯材質為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，其余部位金屬里襯材質為Q235-B碳鋼板。尾水管混凝土由菲力浦·霍爾茲曼-霍克梯央-葛洲壩工程局組成的聯營體（SGEJV）負責施工，為防止鋼里襯變形或移位，混凝土澆筑采用分層澆筑方式，共分10次進行澆筑?；炷琳駬v采用人工平倉，利用插入式軟軸振動棒和鋼模表面附著式振搗器輔助振搗的方法。尾水管主要采用刷養(yǎng)護劑的方法進行混凝土養(yǎng)護。

2 尾水管錐管段鋼襯脫空情況

電站首臺機組于1998年8月投入運行，后續(xù)5臺機組在一年內相繼投入運行，至今已投運近20年。歷年水輪發(fā)電機組檢修時，均采用錘擊法對尾水管鋼襯與混凝土脫空情況進行了詳細檢查。檢查發(fā)現1～6號機錐管段均出現了不同程度的鋼襯與混凝土脫空現象，脫空面積為0.06～1.08 m2，多數脫空面積較小，通常在1 m2以下，大小不等，且各脫空點一般不互相連通。從脫空的位置和范圍看，主要集中在尾水管進人門周邊及其以上區(qū)域。2016～2017年尾水管錐管段脫空部位素描圖見圖1，圖中1 872 cm為尾水管錐管段沿尾水管進人門中心的展開長度。

圖1 1～6號機尾水管錐管典型脫空素描圖Fig.1 Sketch drawing of the typical voiding of draft tube of the units 1～6

3 錐管段鋼襯與混凝土脫空原因分析

3.1 尾水管里襯布置方式分析

根據每年脫空的位置和范圍看，脫空的范圍主要集中在尾水管進人門周邊及其以上區(qū)域，經查閱相關圖紙，尾水管錐管段上部50 cm為不銹鋼里襯與混凝土連接，沒有布置錨筋及筋板，這造成不銹鋼里襯與周邊混凝土結構整體性不強，在強烈振動時縫隙更容易張開引起脫空，而在這以下的錐管鋼襯與混凝土連接均布置了大量錨筋。在振動時，尾水進人門背后沒有混凝土的支撐作用，同時尾水進人門周邊區(qū)域由于摩擦造成的粉末容易從尾水管進人門周邊縫排出，因此尾水進人門周邊更容易脫空。

3.2 混凝土施工工藝分析

機組尾水管肘管和錐管鋼襯外側混凝土為二期混凝土澆筑。為防止鋼襯變形及移位，混凝土澆筑采用分層澆筑方式，共分10次進行澆筑，單次澆筑高度約1.5 m，澆搗縱深大，同時鋼襯外側布置了較多縱向錨筋，澆筑時振搗不密實或混凝土終凝后收縮等因素，導致尾水管施工時鋼襯背部可能存在空隙。

3.3 水輪機運行方式分析

二灘水電站在系統中擔任調峰調頻任務，機組常在非最優(yōu)工況和低負荷區(qū)運行，當機組采取這種方式運行時，尾水管中水流脈動壓力較大，會引起尾水管強烈振動。圖2為尾水錐管水壓脈動分布圖（以5號機為例），通過圖2可發(fā)現，隨著機組出力的逐漸增大，尾水管錐管水壓脈動極值總體呈現出減小的趨勢，在接近設計負荷時，尾水管水壓脈動達到最小值且變化平穩(wěn)。圖3為機組下導擺度分布圖（以5號機為例），通過對比尾水管錐管段的壓力脈動與機組下導擺度發(fā)現，壓力脈動和下導擺度的變化趨勢是不同的。在小負荷區(qū)壓力脈動出現最大值時，下導擺度在此區(qū)域內較小，在機組出力處于100～150 MW范圍內時達到最大。其原因是機組處于小負荷區(qū)時，水壓脈動頻率不統一，且以中頻和高頻為主，此時尾水管中水流為紊亂狀態(tài)，水壓脈動主要通過噪聲的方式來釋放能量，出現常聽到的“放炮聲”。隨著機組負荷的增加，壓力脈動變?yōu)閱我活l率，水流也就從紊亂狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，從而形成周期性渦帶，渦帶產生的強大偏心力會帶動機組產生擺動。渦帶的旋轉壓力場恰好位于尾水管進人門上方，旋轉壓力場會引起尾水管強烈振動，長時間的強烈振動容易引起尾水管鋼襯與混凝土的脫離。同時，鋼襯與混凝土是兩種不同的材質，在振動時會產生不同的振動頻率，發(fā)生相對運動，引起鋼襯與混凝土的摩擦，鋼襯后面的混凝土和水泥結石被磨成粉末，從尾水管進人門周邊縫滲出，進一步加劇脫空部位的發(fā)展。

圖2 尾水錐管水壓脈動分布圖Fig.2 Distribution diagram of water pressure fluctuation in draft tube of tailpipe

圖3 機組下導擺度分布圖Fig.3 Distribution of the oscillating degree of the unit

4 灌漿材料的選擇

二灘水電站曾對機組尾水錐管鋼襯脫空部位進行過水泥接觸灌漿處理，漿液水泥等級為42.5及以上，灌漿壓力小于0.1 MPa，漿液水灰比為0.8和0.6兩個比級，且加入了減水劑。根據投產以來近十年的情況，灌漿處理的機組運行一年后復檢，發(fā)現脫空現象改善不理想，甚至每年都有新增脫空點。結合規(guī)程規(guī)范，參考已建工程處理經驗，主要原因在于，機組小修時間短，一般只有15 d左右，期間進行灌漿后，水泥結石強度較低，機組運行后很容易馬上脫空。此外，普通水泥接觸灌漿難以達到理想效果，而化學灌漿材料因可調節(jié)各組分配比而具有良好的可控性，且其良好的擴散性使其更容易灌入脫空間隙中，故采用化學材料進行鋼襯脫空區(qū)域灌漿更為合理。

環(huán)氧樹脂和聚氨酯都可用于尾水管鋼襯接觸灌漿，但兩種灌漿材料的側重點不同。環(huán)氧樹脂在補強方面成效顯著，同時也能起到填充的作用；聚氨酯由于其自身體積可以在短時間內劇烈膨脹，所以它是一種很好的填充材料，在補強方面次之，因此選用環(huán)氧樹脂作為化學灌漿材料更合適。

5 灌漿施工工藝

5.1 化學灌漿材料性能要求

環(huán)氧樹脂漿液組分主要為環(huán)氧樹脂，并加入一定比例的固化劑、增韌劑、促進劑和稀釋劑。為滿足要求，環(huán)氧灌漿材料特性需滿足表1和表2條件。

表1 環(huán)氧樹脂材料漿液性能表Table 1 Properties of epoxy resin slurry

表2 環(huán)氧樹脂材料固化劑特性表Table 2 Properties of the curing agent in epoxy resin

5.2 脫空區(qū)域確認

灌漿前仍采用錘擊法檢查脫空部位，敲擊人員應確定初次普查的鋼襯脫空部位邊界。敲擊鋼襯時應選定一人，中途不得換人，且整個敲擊過程中應采用同一材質構成的錘子的同一錘頭進行敲擊，避免發(fā)生因敲擊錘頭不同或不同棱角交替敲擊造成的錘擊聲音不一致，從而導致脫空區(qū)域邊界確定不準確。在需要鉆孔灌漿的脫空區(qū)域，要加大鐵錘的敲擊密度，避免因對脫空區(qū)域面積估算偏差較大導致漿量準備不充分、影響灌漿連續(xù)性的問題，同時可避免將兩個相鄰脫空區(qū)域誤劃為一個區(qū)域，導致后續(xù)灌漿不順利。

5.3 布孔鉆孔

在布設鉆孔時，每個脫空區(qū)域最少布置2個鉆孔，布孔應包含但不限于脫空部位的最低點和最高點。布孔時應根據錘擊聲音判斷該處脫空的深淺，以便增加該處開孔的可灌性，避免出現灌漿時因無法排氣造成的灌漿不順暢。鉆孔的布置原則是在滿足規(guī)范的前提下，盡量減少鉆孔數量，減小鉆孔孔徑，以減少鋼襯破壞。鉆孔的布置位置要避開鋼襯接頭、加筋環(huán)等部位。

5.4 灌前清孔

為了清除鋼襯脫空部位的粉末和積水，并檢測脫空部位的連通情況，在進行鋼襯接觸灌漿前應對灌漿部位進行沖洗。脫空部位應先用凈水沖洗，再用風吹。用凈水進行沖洗時，水流進口應設在高位孔處，由上往下沖洗，并應根據沖洗水量估算后續(xù)灌漿所需的漿量。用風進行吹洗時，進風口應設置在低位孔處，由下往上吹洗。水、風沖洗應循環(huán)進行，循環(huán)次數以排水孔排出潔凈的水為準。沖洗時使用的風、水壓力不能太大，否則可能導致新的脫空，通常可按實際灌漿壓力的80%控制。沖洗時觀察脫空區(qū)域的串通情況，只要通就會進漿，所以檢查時風、水壓力不必太大。

5.5 灌漿施工

灌漿前應估算好耗漿量，提前準備材料和灌漿設備，確保灌漿施工期間不會因為設備、材料的原因導致灌漿中斷。灌漿壓力一般控制在0.1 MPa以內，具體灌漿壓力應以控制鋼襯變形不超過允許值為準。為保證脫空區(qū)域充分灌漿，應從最低處孔開始灌漿，并在灌漿過程中用橡皮錘敲擊鋼襯，著重敲擊漿液未到區(qū)域。待各高處孔出漿達到進漿漿液比重后，依次將其孔口封閉。在設計灌漿壓力下，當灌漿孔停止吸漿后，應保持該灌漿壓力，持續(xù)灌注5 min。

灌漿過程中若漿液注入量突然增大，應立即停止灌漿。由于二灘電站水輪機蝸殼外圍混凝土采用充水保壓的澆筑方式，在機組檢修放空蝸殼積水時，蝸殼中上部與外圍混凝土之間存在一定的空隙，尾水管鋼襯脫空部位主要集中在錐管頂部范圍內，距離蝸殼較近，因此當漿液注入量突然增大時，不排除裂縫串通的可能，如不及時停止灌漿，可能導致漿液串至蝸殼周邊。

5.6 封孔

灌漿管與鋼襯采用焊接連接，為防止鋼襯不同材質在流道中發(fā)生電解等化學反應，焊條必須與鋼襯原始材質一致，灌漿結束后用焊補法封孔，并應用砂輪將焊接處磨平。

6 結語

水輪機尾水管結構復雜，尾水管鋼襯外側二期混凝土澆筑縱深大，施工時難以做到混凝土振搗密實，導致尾水管鋼襯存在脫空。尾水管錐管段上部0.5 m區(qū)域未設置錨筋是導致機組運行中鋼襯發(fā)生脫空的重要因素，機組長期在非最優(yōu)工況下運行加劇了鋼襯的脫空。因此，一方面，要及時對尾水管鋼襯脫空部位進行灌漿處理；另一方面，也要優(yōu)化機組運行方式，避開渦帶區(qū)和低負荷區(qū)運行，減少機組出力調整頻次。