韋慶華

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 概述

某引水式水電站的壓力隧洞全長2.39 km，包括上平段、10%斜井段、38.27%斜井段、下平段和岔管段。引水隧洞開挖洞徑為2.8～3.1 m，呈馬蹄形斷面。斜井及下平洞段采用鋼管襯砌，鋼板為Q460C型號，厚度15～60 mm，從上至下共929 個管節(jié)，管背回填C30 混凝土，鋼襯內(nèi)徑為2.2 m，最大內(nèi)水水頭685 m。在混凝土回填澆筑完成后的例行檢查中發(fā)現(xiàn)，斜井段鋼襯CHA.1+117.194～CHA.1+121.194之間管節(jié)頂拱的中間位置發(fā)生向下屈曲變形，變形橫跨3 個2 m 的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，編號分別為284、285 和286，壁厚均為15 mm。實測變形區(qū)域長度約為4 m，寬度約0.65 m，頂部最大下曲高度約10 cm。壓力鋼管變形將極大降低其對外水壓力的承載能力[1]。

2 屈曲變形原因分析

通常，鋼管發(fā)生變形的原因見圖1。

圖1 鋼管屈曲變形原因

本工程屈曲變形事件發(fā)生在施工階段，工程師和承包商現(xiàn)場展開聯(lián)合調(diào)查，并逐一進(jìn)行排查。

（1）鋼管變形部位地下埋深約為320 m，回溯的開挖施工資料表明，該地段巖石較完整，無地質(zhì)斷層發(fā)育，為Ⅰ類圍巖，透水性小，僅局部存在滴水現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定條件良好，失穩(wěn)坍塌可能性極小，通過后續(xù)處理措施中的固結(jié)孔鉆探結(jié)果也表明，鋼管變形和圍巖失穩(wěn)無關(guān)。

（2）查閱鋼管制作記錄和安裝驗收資料，表明屈曲變形管節(jié)材料質(zhì)量和施工質(zhì)量均符合要求，無異常質(zhì)量現(xiàn)象。通過對變形管節(jié)進(jìn)行查驗和探傷檢測，所有焊縫飽滿完整，無明顯裂痕，探傷結(jié)果亦顯示焊縫和板材內(nèi)部無明顯缺陷。因此，可以排除管材質(zhì)量和施工質(zhì)量是引起鋼管變形的原因。

（3）斜井段鋼襯背后回填的混凝土均通過溜槽自流入倉，不存在使用泵送方式導(dǎo)致鋼管變形的可能性[2]。混凝土自流產(chǎn)生的荷載極小，同時斜井段所有回填混凝土在事發(fā)當(dāng)日之前均已澆筑完成，所以可以排除澆筑荷載過大引起鋼管變形。

（4）具有加勁環(huán)的鋼管抵抗外荷載的能力在1.8 MPa 以上，在沒有內(nèi)水外滲情況下，要使外水壓力突然變大幾乎不太可能，從施工期已安裝的滲壓計讀數(shù)基本穩(wěn)定為0.3 MPa，可以排除外水壓力突變。

（5）事發(fā)當(dāng)天，在下游的503管節(jié)和上游的196管節(jié)進(jìn)行固結(jié)灌漿施工，回填灌漿孔鉆孔從下往上已到達(dá)274管節(jié)，鉆進(jìn)過程無異常，294管節(jié)一序孔在進(jìn)行回填灌漿。

綜上所述，可以初步判斷鋼管鼓包屈曲變形的原因為灌漿壓力無法及時擴(kuò)散引起的。

3 變形處理

3.1 施工工藝

（1）施工程序：變形鋼板鉆孔和管背固結(jié)灌漿→鋼板割除→舊砼鑿除→替換鋼板制作和安裝驗收→空腔回填接觸灌漿。

（2）鋼板制安流程見圖2。

圖2 鋼板制安流程

3.2 具體實施

（1）鋼管鉆孔。由于變形管節(jié)內(nèi)部的混凝土和巖石情況處于隱蔽狀態(tài)，無法直接判斷管背是否存在塌方和混凝土是否受損。為保證安全施工，在割除鋼板前，在管節(jié)變形區(qū)域內(nèi)開設(shè)3個探孔（后續(xù)兼做固結(jié)灌漿孔），采用碳弧氣刨法開孔，開孔尺寸50 mm×50 mm。

（2）固結(jié)灌漿。為保證鋼板焊接環(huán)境處于干燥狀態(tài)以及施工安全，需對變形鋼板上部進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿壓力選用0.4 MPa，孔深3 m，漿液比級采用2∶1、1∶1、0.6∶1三個級別。固結(jié)灌漿在規(guī)定的壓力下，灌漿孔段注入率不大于1L／min時，延續(xù)30 min 結(jié)束。固結(jié)灌漿結(jié)束3 d后可進(jìn)行變形鋼板切割。

（3）變形鋼板割除。割除區(qū)示意圖見圖3和圖4（標(biāo)注尺寸均以mm 計，下同），管節(jié)變形部分切除前，先在鋼管內(nèi)壁劃出雙線，其中一線為切割參考線，另一條為準(zhǔn)確的對裝線，參考線相比對裝線內(nèi)縮10 mm。復(fù)核尺寸后，采用碳弧氣刨沿切割參考線從上往下的方向進(jìn)行切割，全部變形鋼板切除后，通過砂輪機(jī)對切割口進(jìn)行打磨直至對裝線，同時修磨出坡口。如此，既能保證尺寸的準(zhǔn)確性，更是需要通過打磨去除切割口位置的滲碳層以保證焊縫質(zhì)量。在切割方向上將變形鋼板按500 mm左右寬度切成小塊，以便于人工移除。

圖3 鋼板割除區(qū)平面展開示意圖

圖4 鋼板割除區(qū)斷面示意圖

（4）混凝土鑿除。鋼板割除后，用破碎機(jī)對混凝土進(jìn)行鑿除，深度和寬度如圖5所示。

圖5 混凝土鑿除范圍示意圖

（5）替換鋼板制作和安裝。替換鋼板安裝示意圖見圖6，替換鋼板A尺寸為1250 mm×4000 mm，補(bǔ)強(qiáng)鋼板B 和C 均為500 mm×4500 mm，3 塊鋼板均為弧形板。鋼板A整體補(bǔ)至割除區(qū)，對接處即形成縱向焊縫1、縱向焊縫2 以及兩條環(huán)向焊縫，鋼板B 和鋼板C分別對應(yīng)貼焊至縱向焊縫1、縱向焊縫2的位置。需要注意的是，較窄的寬度和過長的卷制長度均不利于卷板控制，宜按1000 mm以上寬度卷板后再裁切組裝成弧板。鋼板對裝前，先在鋼管外側(cè)坡口位置對裝上40 mm×4 mm 背墊板，采用手拉葫蘆臨時固定并采用4個千斤頂頂撐就位鋼板A。完成鋼板A的對裝后，采用二氧化碳保護(hù)焊的焊接方法進(jìn)行施焊，焊接順序是先進(jìn)行286管節(jié)的環(huán)縫焊接，然后由286 管節(jié)起向上進(jìn)行兩側(cè)縱縫的焊接，最后完成284 管節(jié)位置的環(huán)縫焊接。B 板和C 板對裝就位同板A，然后對四周進(jìn)行角焊縫焊接，按1∶3坡度打磨至平滑。

圖6 替換鋼板安裝示意圖

（6）焊縫探傷。焊接完成后，進(jìn)行焊縫超聲波探傷，若發(fā)現(xiàn)缺陷，立即進(jìn)行返修處理，直至焊縫達(dá)到I類焊縫要求。

（7）回填接觸灌漿。完成探傷工作后，對該位置形成的空腔依次進(jìn)行回填和接觸灌漿。回填灌漿壓力不大于0.2 MPa，漿液比級分別為1∶1和0.6∶1；接觸灌漿壓力不大于0.2 MPa，漿液比級分別為1∶1、0.8∶1 和0.6∶1。

4 結(jié)語

本工程變形區(qū)域鋼管割除后，管背混凝土沒有變形且無異常裂隙，印證了鋼管變形原因判斷的正確性，最終判定為附近管節(jié)灌漿施工引起的氣塞現(xiàn)象，此現(xiàn)象值得重視。灌漿施工過程中務(wù)必按照規(guī)程規(guī)范實施，分序加密，密切注意灌漿壓力波動情況。鋼管變形段經(jīng)處理后，通過充水試驗和試運行階段的再次檢查，各項設(shè)計技術(shù)指標(biāo)滿足要求，鋼管襯砌段未發(fā)現(xiàn)異常，目前水電站正常運行，表明鋼管屈曲變形處理措施可靠，可以為類似工程處理提供參考。