小灣2號機(jī)組壓力鋼管空鼓形成原因分析及其處理建議

翟　笠，張　鵬，周　健，廖貴能（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣2號機(jī)組壓力鋼管空鼓形成原因分析及其處理建議

翟笠，張鵬，周健，廖貴能
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

引水隧洞壓力管道是引水發(fā)電系統(tǒng)安全監(jiān)測中的重要環(huán)節(jié)。通過安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的離線分析功能，對小灣水電站2號機(jī)組壓力鋼管下平段反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立對壓力管道安全性態(tài)的初步認(rèn)識，推斷壓力鋼管空鼓的成因。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為機(jī)組的安全運(yùn)行和維護(hù)提供合理、可靠的決策信息。

壓力管道；空鼓成因；離線分析；安全監(jiān)測；小灣水電站

1　工程概述

小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，在干流河段與支流黑惠江交匯處下游1.5 km處，系瀾滄江中下游河段規(guī)劃八個梯級中的第二級，是瀾滄江中下游河段的龍頭水庫。小灣工程由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞及右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。裝機(jī)容量4 200（6×700）MW，保證出力1 778 MW，年發(fā)電量190萬kW·h，屬一等大（1）型工程，永久性主要水工建筑物等級為1級。小灣庫區(qū)首次蓄水經(jīng)歷了4個階段，庫區(qū)庫容近149億m3，大壩承受近1 900萬t水推力。

小灣電站的地下廠房洞室群總體位于右岸壩端上游，引水發(fā)電系統(tǒng)所處巖層地質(zhì)條件較好，圍巖堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)面擠壓緊密，斷裂不發(fā)育，透水性微弱，多屬于Ⅰ、Ⅱ類圍巖。引水發(fā)電系統(tǒng)分引水、廠房及尾水三大部分。其中，引水系統(tǒng)包括進(jìn)水口和引水隧洞，引水隧洞中布置有壓力管道，在2014年1 月15日檢修期間對2號機(jī)組下平段的水工檢查中，錘擊壓力鋼管結(jié)果表明2號機(jī)組壓力管道下平段的鋼襯空鼓率為10.9%，相對其他機(jī)組偏高。

2　壓力管道

（1）引水隧洞壓力管道布置。小灣電廠引水隧洞壓力管道采用單機(jī)單管的引水方式，依次由上平段、上彎段、豎井段、下彎段及下平段組成。引水隧洞下平段軸線高程為980.00 m，壓力鋼管通過長16 m漸變段由φ8.5 m束窄成φ6.5 m小直徑鋼管進(jìn)入廠房。2號機(jī)組壓力管道全長298.081 m，其中上平段長67.965 m，豎井高121 m，下平段長40 m，斷面尺寸直徑為9 m。其中下平段的鋼管內(nèi)徑由8.5 m漸變?yōu)?.5 m，鋼襯厚度由下彎段起始端向水輪機(jī)蝸殼方向逐漸加厚。

（2）2號機(jī)組壓力鋼管下平段監(jiān)測布置。壓力鋼管下平段監(jiān)測儀器布置在垂直于其水平軸線的橫斷面，樁號為2號0+260.081，該斷面中納入大壩安全信息管理系統(tǒng)的自動化采集的監(jiān)測儀器有滲壓計(jì)、測縫計(jì)、鋼板計(jì)。對應(yīng)測點(diǎn)編號分別是C6B-YLG-IIP-01～04（滲壓計(jì)），C6B-YLG-II-J-01～08（測縫計(jì)），C6B-YLG-II-GB-01～04（鋼板計(jì)）。其中，滲壓計(jì)布置在混凝土與圍巖之間；測縫計(jì)布置在圍巖與混凝土或鋼管與混凝土之間，鋼板計(jì)布置在鋼板與混凝土間。

3　2號機(jī)組壓力鋼管下平段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1離線分析系統(tǒng)功能簡介

離線分析功能是小灣大壩安全信息管理系統(tǒng)DSIMS4.0的一個功能模塊。該模塊可以對工程安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，通過確定監(jiān)測項(xiàng)目（單點(diǎn)模型或分布模型），對所確定監(jiān)測項(xiàng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行影響量和測值的初步分析與評判，形成定量或定性的分析結(jié)果，是對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用。該模塊還可進(jìn)行建模分析，進(jìn)行測值預(yù)警與安全評判。離線分析功能是數(shù)據(jù)分析模塊，與數(shù)據(jù)采集、圖形報(bào)表等形成安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的整理功能序列。

3.22號機(jī)組壓力鋼管下平段測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2號機(jī)組壓力鋼管下平段的性態(tài)，可以通過測點(diǎn)的滲透壓力和裂縫開度、鋼襯應(yīng)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評判。首先，以滲壓計(jì)為例，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)初步分析結(jié)果判斷滲透水壓力對樁號2號0+260.081區(qū)域壓力鋼管的影響。

（1）確定監(jiān)測項(xiàng)目類型。在離線分析系統(tǒng)提供了單點(diǎn)模型和分布模型兩種模型創(chuàng)建方法。其中，分布模型研究的是測點(diǎn)位移與外界影響因素以及測點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系。與單點(diǎn)模型的主要區(qū)別在于，分布模型中包含了反映測點(diǎn)空間位置的變量。由于壓力鋼管下平段的Ⅱ-Ⅱ橫斷面布置的4個滲壓計(jì)測點(diǎn)會存在空間上的相互影響，所以先將分析的4個滲壓計(jì)測點(diǎn)C6B-YLG-II-P-01～04增加到項(xiàng)目內(nèi)容中建立分布模型。

（2）環(huán)境影響量分析。通過上一步確定的滲壓計(jì)分布模型這組監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行環(huán)境影響量分析，通過已經(jīng)確定的滲壓計(jì)分布模型計(jì)算得出了環(huán)境影響量特征值見表1。由表1可以看出，2009年上游水位變幅最大為140.45 m，2012年、2013年上游水位均達(dá)到了最大蓄水位1 240 m，庫區(qū)平均氣溫比較恒定為20°C左右。環(huán)境量影響量相關(guān)性系數(shù)見圖1，相關(guān)性系數(shù)越接近1，二者相關(guān)性越好。由圖1可知，下游水位和庫區(qū)氣溫的相關(guān)系數(shù)最大為0.5；上游水位和庫區(qū)氣溫相關(guān)性為0.35；上游水位和降雨量的相關(guān)性差，相關(guān)系數(shù)為0.01。通過以上數(shù)據(jù)可以初步推測，影響滲壓計(jì)測值的主要環(huán)境影響量為上、下游水位和庫區(qū)溫度。其中，上游水位越高，地下水滲透壓力越大，對滲壓計(jì)的測值影響越大。由此，可以確定滲壓計(jì)測值的最主要環(huán)境影響量是上游水位。

圖1　環(huán)境量影響量相關(guān)性系數(shù)

表1　環(huán)境影響量特征值

（3）滲壓計(jì)測值過程線分析。測值過程線分析前，設(shè)置數(shù)據(jù)過濾條件，對測值過程線進(jìn)行粗差處理。圖2為滲壓計(jì)測值過程線可知，2009年9月1日至2011年1月10日滲壓計(jì)B-YLG-II-P-01測值呈上升趨勢，由0到0.18 MPa，逐年增大。到2011年1月15日降低，直至2011年3月1日恢復(fù)，此后呈下降趨勢，逐年減小。結(jié)合小灣庫區(qū)首次蓄水期各蓄水階段來分析，2009年6月29日1號導(dǎo)流底孔下閘封堵，第2階段蓄水開始。壩前水位由1 038 m上升到1 167.41 m，并維持在1 161～1 166 m，整個第2蓄水階段，水位增幅達(dá)129.41 m。第3蓄水階段，前期水位依然呈上升趨勢，2010年10月22日上升至最大值1 210.58 m。第3階段蓄水及其前期，水位累計(jì)最大增幅約172.58 m，壩前水位的大幅抬升使得地下水位升高，滲透水壓力增大。第3階段蓄水后期，滲壓計(jì)B-YLG-II-P-01測值逐漸減小，說明在經(jīng)歷了上游水位大幅抬升的影響后，地下水位快速上升到某個限值后開始下降，排水情況也趨于良好，二者共同趨于平衡。再結(jié)合各年度特征水位對應(yīng)的測值進(jìn)行比較分析，即分別對比4個滲壓計(jì)從2011年至2013年，1 200、1 240 m兩個特定水位情況下鋼管外滲透水壓力的變化，見表2。可知位于Ⅱ-Ⅱ橫斷面頂拱部位的滲壓計(jì)B-YLG-II-P-01、底板部位滲壓計(jì)C6B-YLG-II-P-04處的滲透水壓力呈現(xiàn)逐年減小趨勢，而分別位于Ⅱ-Ⅱ橫斷面右邊墻和左邊墻處的滲壓計(jì)C6B-YLG-II-P-02、C6B-YLG-II-P-03的測值為負(fù)值。綜上分析，壓力管道左右邊墻處無滲透水壓力，說明圍巖和混凝土間灌漿效果很好，無地下水侵入。頂拱部位和底板部位的滲透水壓力減小，一定程度上反映了地下水位在下降，壓力鋼管外排水情況良好，地下水對壓力鋼管造成的滲透壓力正在逐步改善，呈減小趨勢。

圖2　滲壓計(jì)測值過程線

表2　特定水位（1 200、1 240 m）下鋼管外滲透水壓力的變化情況

（4）測縫計(jì)測值及其過程線分析。圖3為2號機(jī)組壓力管道下平段的測縫計(jì)測值過程線，可知壓2 號0+260.081斷面圍巖與混凝土間的開合度或鋼管與混凝土開合度，其變化量在0.5 mm范圍內(nèi)，從量值來看多為負(fù)值，呈閉合狀態(tài)，并無明顯張開跡象。

（5）鋼板計(jì)測值及其過程線分析。2號機(jī)組壓力管道下平段（0+260.081）斷面鋼板應(yīng)力檢修期前后鋼板計(jì)測值過程線見圖4，可知0+260.081斷面除了C6B-YLG-II-GB-01于2009年4月16日后儀器異常外，其余3支來看鋼板應(yīng)變變化在40～72με內(nèi)。如果假設(shè)鋼管彈性模量系數(shù)為0.21，換算應(yīng)力變化量為9～15 MPa，說明檢修前后鋼管應(yīng)變曲線平緩且在檢修期間壓力鋼管停止過流對其影響較小。

4　空鼓成因分析及處理建議

（1）分析2號機(jī)組壓力管道下平段監(jiān)測斷面布置的3類監(jiān)測儀器檢修期間測值變化，可知：①滲透水壓力除了2011年度檢修期間滲透壓力減小或無壓力外，其他年度檢修期前后滲透水壓力變化不明顯。運(yùn)行期，混凝土與圍巖間的滲透水壓力呈明顯下降趨勢，逐漸減小，說明地下水位在降低，壓力鋼管外排水情況良好。②圍巖與混凝土以及鋼管與混凝土間裂縫開合度從量值上看呈閉合狀態(tài)，并無張開跡象。③鋼管應(yīng)力應(yīng)變比較穩(wěn)定，從量值及變化量來看波動較小，檢修前后變化不明顯。綜上分析的3類監(jiān)測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，表面鋼管未發(fā)生明顯變形。運(yùn)行期地下水位不高，推測脫空大并非在運(yùn)行期逐漸發(fā)展形成，壓力鋼管下部鋼筋、預(yù)埋件多，陰角部位多，混凝土施工中排氣困難，雖然施工期雖采取了接觸灌漿措施，但不易灌滿，推測為脫空的主要成因。

圖3　測縫計(jì)測值過程線

圖4　鋼板計(jì)測值過程線

（2）處理建議。國內(nèi)外大多數(shù)水電廠的壓力管道都存在局部空鼓現(xiàn)象，通常采取接觸灌漿等措施進(jìn)行消缺。檢查過程中，可利用錘擊或物探設(shè)備對空鼓部位進(jìn)行具體詳查，確定其空鼓區(qū)域和面積，記錄并建立臺賬。接觸灌漿的消缺工序?yàn)槎ㄎ?、造空（灌漿孔和排氣孔）、分序灌漿（從最低處開始灌漿，逐漸向高處推移）、質(zhì)量檢查、封孔。同時，在年度檢修期間對處理的缺陷加強(qiáng)檢測。

5　結(jié)語

本文利用安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的離線分析功能對小灣水電站2號機(jī)組壓力鋼管下平段反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立對壓力管道安全性態(tài)的初步認(rèn)識，推斷壓力鋼管空鼓的成因。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對機(jī)組的安全運(yùn)行和維護(hù)提供合理、可靠的決策信息。

［1］DL/5178—2003混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］趙志勇，張禮兵，肖勝昌，等.樞紐區(qū)工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)專題報(bào)告［R］.昆明：中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2008.

［3］楊百銀，王惠明，侯紅英，等.小灣水電站樞紐工程竣工安全鑒定報(bào)告［R］.北京：中國水電工程顧問集團(tuán)公司，2013.

（責(zé)任編輯王琪）

Analysis on Penstock Hollowing Causes of Unit 2 in Xiaowan Hydropower Station and Its Treatment Suggestions

ZHAI Li，ZHANG Peng，ZHOU Jian，LIAO Guineng
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The penstock of diversion tunnel system is an important part of diversion-generating system safety monitoring in a hydropower station.Through using the off-line analysis function of automatic safety monitoring system，the monitoring data of lower horizontal section of penstock of Unit 2 in Xiaowan Hydropower Station are analyzed.And then the safety state of penstock is preliminarily understood and the causes of hollowing around penstock are deduced.The analysis results provide reasonable and reliable decision-making information for the safe operation and maintenance of unit.

penstock；hollowing causes；off-line analysis；safety monitoring；Xiaowan Hydropower Station

TM312.1（274）

B

0559-9342（2015）10-0082-05

2015-07-29

翟笠（1989—），男，云南保山人，主要從事水工維護(hù)及安全監(jiān)測工作.