崖羊山水電站尾水肘管鋼襯破壞原因分析和回填灌漿處理

劉 堅(jiān)

（云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，云南普洱，665000）

崖羊山水電站尾水肘管鋼襯破壞原因分析和回填灌漿處理

劉 堅(jiān)

（云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，云南普洱，665000）

崖羊山水電站在2016年低水位運(yùn)行一年后，發(fā)現(xiàn)2號機(jī)組尾水肘管鋼襯撕裂脫落、混凝土脫空，通過原因分析，制定回填灌漿處理措施。

尾水肘管；鋼襯；破壞；分析；回填灌漿

0 前言

崖羊山水電站位于云南省思茅地區(qū)李仙江流域墨江哈尼族自治縣（左岸）和普洱哈尼族彝族自治縣（右岸）的界河把邊江河段上，壩址位于把邊江右岸支流普治河匯合口下游約4 km處，距普洱縣城82 km，距昆明市429 km。本電站為李仙江七級開發(fā)的龍頭工程，以發(fā)電為主。壩址以上控制流域面積6 130 km2，占全流域面積的31.75%，水庫總庫容2.47億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。電站裝機(jī)容量為120 MW，保證出力23.2 MW，年發(fā)電量4.99億kW?h，年利用小時(shí)數(shù)4 158 h。本工程樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸溢洪道、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪洞、沖沙洞和地面廠房等組成。電站2號機(jī)組尾水肘管鋼襯鋼板厚10 mm，鋼板材質(zhì)Q235。

1 破壞情況

在對2號機(jī)組尾水管肘管的檢查過程中發(fā)現(xiàn)，鋼襯管底部長8.1 m、寬7.5 m被沖毀，左右兩側(cè)鋼襯也存在高1.0 m、長1.5 m的區(qū)域被沖毀，且現(xiàn)有的鋼襯局部有翹起，脫空、脫落面積共132.75 m2，鋼襯沖毀部位的混凝土存在沖刷破壞，沖刷部位部分鋼筋被沖走、部分出露，見圖1。

圖1 2號機(jī)組尾水鋼襯管破壞示意圖Fig.1 Failure of steel lining of the draft tube of unit No.2

2 原因分析

2.1 設(shè)計(jì)原因

設(shè)計(jì)尾水肘管部位時(shí)未設(shè)計(jì)鋼襯錨固鋼筋，焊口部位在尾水脈動(dòng)作用下疲勞破壞。鋼襯筋板預(yù)留回填灌漿孔孔徑較小且存在埋入混凝土現(xiàn)象，不利于保障回填灌漿質(zhì)量。

2.2 施工原因

鋼板大面積脫空。施工期間回填灌漿質(zhì)量不符合要求，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)脫空深度2～15 cm，且脫空部位靠撕裂頂部位置較為明顯。

2.3 運(yùn)行工況

2016年進(jìn)入汛期后，機(jī)組長期在低水頭下運(yùn)行?；炝魇剿啓C(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，尾水管內(nèi)會出現(xiàn)周期性壓力脈動(dòng)，脫空鋼板無法長時(shí)間承受此工況，即發(fā)生破壞。

3 回填灌漿處理

3.1 灌前工作

3.1.1 布置錨筋

錨筋埋設(shè)，用?20鋼筋做錨桿，錨固深度0.7 m，用以支撐和修補(bǔ)加固鋼板。錨桿沿焊縫布置，間排距@45 cm×45 cm，插筋布置錯(cuò)開尾水管鋼筋布置；鋼板中部錨桿布置，在預(yù)留的鋼板孔洞位置鉆孔埋設(shè)錨桿，鋼板開孔及錨筋應(yīng)避開肘管預(yù)埋件。

錨筋鉆孔應(yīng)在鋼板預(yù)留孔位置進(jìn)行，鋼板預(yù)留孔直徑為40 mm。

在鋼襯修復(fù)連接部位按照間排距@45 cm×45 cm布置錨筋，以便增加鋼襯焊縫抗破壞能力。

錨桿埋設(shè)工藝要求，鉆孔采用高壓水沖洗，帶壓注入水灰比為0.5∶1的水泥漿，水泥漿注滿后，插入73 cm長錨桿。

采用C40混凝土對脫空較深部位進(jìn)行預(yù)回填處理，降低水泥漿收縮后的空隙率。脫空或沖刷較深區(qū)域在澆筑混凝土前需合理布置鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片與基礎(chǔ)鋼筋相連接。

3.1.2 脫空參數(shù)的確定

鋼襯接觸灌漿前第一項(xiàng)工作是脫空參數(shù)的確定，主要包含兩個(gè)內(nèi)容：一是脫空深度的確定；二是脫空范圍的確定。前者主要采用捶擊敲打法，即用錘子敲打鋼襯確定，后者則是邊捶擊邊用粉筆圈畫出脫空范圍，現(xiàn)場將兩者繪制成圖，以指導(dǎo)開孔和灌漿施工。捶擊敲打時(shí)如響聲為“咚咚咚”，則該處鋼襯脫空較嚴(yán)重；如響聲為“嗒嗒嗒”，則該處存在脫空，但深度不深；如響聲為“當(dāng)當(dāng)當(dāng)”，則該處鋼襯與混凝土接觸良好。檢查完成后在鉆孔階段再利用鉆孔以卷尺測量脫空深度進(jìn)行校正。捶擊敲打法操作時(shí)要求必須清理干凈鋼襯表面上的堆物、附漿等，敲打者盡量不穿軟質(zhì)鞋子，必要時(shí)搭架鋼管，以使捶擊敲打者的腳不踩在被捶擊敲打的鋼襯上。所有這些均是保證鋼襯被捶擊敲打時(shí)發(fā)出的響聲清楚、真實(shí)的有效措施。

3.1.3 鉆孔埋嘴

根據(jù)DL/T5148-2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》要求，每一個(gè)獨(dú)立的脫空區(qū)布孔不應(yīng)少于2個(gè)，最低處和最高處都應(yīng)布孔，孔徑不宜小于12 mm。鉆孔的布設(shè)原則是在滿足規(guī)范的前提下，盡量少布和減小孔徑，以減少鋼襯破壞。如脫空區(qū)相互連通，則位于低處的脫空區(qū)布設(shè)孔徑較大的灌漿孔，位于高處的脫空區(qū)布設(shè)孔徑較小的排氣孔。鉆孔的布設(shè)位置要避開鋼襯的接頭、加勁環(huán)等部位。造孔時(shí)先用小鉆頭?12 mm將鋼襯鉆穿，用鋼卷尺插入孔內(nèi)測量脫空深度。通過對脫空面積、脫空深度及脫空區(qū)情況的計(jì)算分析，估算每個(gè)獨(dú)立脫空灌區(qū)的需漿量，依據(jù)需漿量確定鉆孔的數(shù)量及孔徑。如果脫空灌區(qū)面積較大、脫空深度淺，則鉆孔數(shù)量多、孔徑小。反之，如果脫空灌區(qū)面積小、深度大，則鉆孔數(shù)量少、孔徑大。造孔完畢后即在孔內(nèi)功絲，然后裝上灌漿管、排氣管。在此需要特別指出的是對脫空面積較大的灌區(qū)，尤其是對脫空深度較淺的大灌區(qū)，除了按照規(guī)范要求布設(shè)灌漿孔和排氣孔外，尚應(yīng)布設(shè)1～2個(gè)用于安裝壓力表的鉆孔。一般布置在脫空區(qū)中間位置，以監(jiān)測灌漿時(shí)鋼襯的壓力，以防抬動(dòng)鋼管。

3.1.4 沖洗

鋼襯接觸灌漿沖洗的目的有三：一是清除脫空區(qū)內(nèi)的污物、積水；二是檢查和掌握脫空區(qū)的串通情況；三是沖洗水中加入高錳酸鉀等將水染色，計(jì)量注入量，以掌握脫空容積，以便準(zhǔn)備充足的灌漿材料。鋼襯底部沖洗時(shí)遵循先水洗后風(fēng)吹的順序。水洗時(shí)水從脫空高處孔注入，脫空低處孔排除污物積水。水循環(huán)沖洗各兩次直至回水清潔、積水全部清除為止。沖洗時(shí)使用的風(fēng)水壓力一般控制在灌漿壓力的80%。沖洗時(shí)觀察脫空區(qū)的串通情況并將串通情況及時(shí)標(biāo)記清楚，沖洗完畢后與其他檢查成果一起繪制成圖。

3.2 灌漿壓力及漿液選定

灌漿壓力和漿液濃度是直接影響灌漿效果的兩個(gè)重要因素。使用較大的灌漿壓力和濃度較高的漿液，填充脫空的效果較理想，因?yàn)榇髩毫δ苁節(jié){液填充充分，而濃漿則結(jié)實(shí)后收縮比小，能避免出現(xiàn)二次脫空。但鋼襯能承受的最大壓力有限，超過則鋼襯被拱起。而濃漿流動(dòng)性能較差，易引起堵塞，同時(shí)濃漿無法灌深度較淺的脫空區(qū)。根據(jù)不同部位鋼襯承受能力和脫空面積大小，設(shè)計(jì)規(guī)定灌漿壓力在0.1～0.3 MPa。對于無法使用較大灌漿壓力的大面積脫空，為保證漿液的有效充填，采用多臺灌漿泵及一臺泵接多個(gè)灌漿管頭，并延長屏漿時(shí)間，以保證灌漿質(zhì)量。所有的灌漿區(qū)域均保留鋼襯的內(nèi)支撐，以達(dá)到使用較大灌漿壓力的目的。漿液濃度取決于脫空深度。對于脫空區(qū)域較大的灌區(qū)，部分采用了濃漿的灌注方法。對脫空深度較淺的灌區(qū)，灌注稀漿。灌注水泥漿液的灌區(qū)，均采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1和0.5∶1比級，以先稀后濃的原則施灌，為增加漿液流動(dòng)性、早強(qiáng)性，可按規(guī)范要求在漿液中摻入一定量的減水劑和早強(qiáng)劑。

3.3 灌漿

接觸灌漿施工過程中嚴(yán)格遵循先稀漿后濃漿和先小壓力后大壓力的原則，初始注漿壓力在0.1～0.3 MPa。灌漿時(shí)在進(jìn)漿管、回漿管和脫空區(qū)都安裝壓力表，以監(jiān)測各自的壓力情況。在脫空區(qū)域內(nèi)或其他未脫空但距灌區(qū)較近的部位安裝千分表，用以監(jiān)測鋼襯在施灌過程中的變形情況。壓力表和千分表都派有專人觀測，每隔2 min向送漿人員讀報(bào)一次數(shù)值。灌漿自低部位脫空區(qū)的低處孔開始，灌漿過程中敲擊振動(dòng)鋼襯，待各高處孔分別排出濃漿后一次將其孔口關(guān)閉，灌漿壓力控制由小到大逐級升壓,壓力最大不能超過0.3 MPa，在注漿速率不大于0.01 L/min時(shí)不增加壓力，漿液輸送均勻連續(xù)，堅(jiān)決杜絕“吃一口、喂一口”或“一口喂飽”的做法。即使吃漿量較大也不過快加大送漿量，防止脫空區(qū)已被灌滿而送漿尚在繼續(xù)，引起鋼襯“鼓包”。灌漿過程中嚴(yán)格控制供漿的連續(xù)性，灌漿過程中杜絕出現(xiàn)中斷，導(dǎo)致進(jìn)漿孔、送漿管堵塞的現(xiàn)象。脫空區(qū)未灌滿而發(fā)生中斷時(shí)的處理要求為：一旦發(fā)生供漿中斷，則用水沖洗灌區(qū)，將脫空區(qū)內(nèi)已灌進(jìn)的漿液全部清除，以便重新灌漿，堅(jiān)決杜絕因供漿中斷導(dǎo)致進(jìn)漿孔堵塞而進(jìn)行二次布孔的現(xiàn)象。為防止灌漿突然中斷事故，除保證水電供應(yīng)及機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行外，還要制備足夠的漿材并保持管路暢通。鋼襯接觸灌漿停灌標(biāo)準(zhǔn)為：在設(shè)計(jì)給定的灌漿壓力下，出漿孔排出的漿液濃度與灌入的漿液濃度相同，封閉排漿孔不再吸漿后，屏漿20 min，即可結(jié)束。為防止屏漿時(shí)鋼襯拱起，在屏漿時(shí)對排氣管的閥門進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.4 質(zhì)量檢查與補(bǔ)灌

鋼襯接觸灌漿質(zhì)量檢查要求在灌漿結(jié)束14 d后進(jìn)行。質(zhì)量檢查的主要內(nèi)容是脫空范圍和脫空深度。檢查方法仍采用捶擊敲打法檢查脫空范圍，并根據(jù)敲擊的響聲初步判斷脫空范圍和深度，對脫空區(qū)域布設(shè)一些小孔檢查脫空深度，最后利用鉆孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，了解脫空區(qū)的灌后串通情況。通過計(jì)算注水試驗(yàn)時(shí)的純注入量得出脫空體積，根據(jù)對脫空面積、脫空深度及脫空體積的計(jì)算結(jié)果，分析評定灌漿質(zhì)量及是否要進(jìn)行補(bǔ)灌處理。為盡量提高鋼襯整體強(qiáng)度，對灌后脫空面積大于0.5 m2的脫空區(qū)才要求進(jìn)行補(bǔ)灌，并根據(jù)檢查結(jié)果確定補(bǔ)灌措施。檢查合格后或補(bǔ)灌合格后的脫空灌區(qū)，才可以將原埋設(shè)的灌漿管、排氣管取下，清除鉆孔周圍漿液并將孔口削成倒角，扭上與鋼襯材料相同的螺桿，在孔口倒角處進(jìn)行焊補(bǔ)處理，較厚處用砂輪磨平，至此整個(gè)施工才算完成。

4 結(jié)語

（1）尾水管設(shè)計(jì)的合理性和尾水管施工質(zhì)量好壞都影響到尾水管的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。鋼襯底部回填灌漿不飽滿造成的鋼襯底部大面積脫空，及混凝土、砂漿強(qiáng)度低，灌漿孔封焊質(zhì)量差等，在尾水管長期運(yùn)行過程中都可能導(dǎo)致鋼襯破壞，應(yīng)引起設(shè)計(jì)和施工人員的足夠重視。

（2）機(jī)組應(yīng)在規(guī)定的運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行，盡可能減少在低水頭、大開度、低負(fù)荷工況下運(yùn)行。

[1]FJD 35180,水電站廠房尾水管技術(shù)設(shè)計(jì)大綱范本[S].

[2]鄭源，汪寶羅，屈波.混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)研究綜述[J].水力發(fā)電，2007，33(2):66-69.

2017-05-12；

2017-05-19

劉 堅(jiān)（1986-），男，云南曲靖人，工程師，長期從事水利水電工程工作。

作者郵箱：786184105@qq.com

Cause for failure of steel lining of the elbow draught tube of Yayangshan hydropower station and backfill grouting

LIU Jian

Lixian River Hydropower Development Co.,Ltd.

By one-year operation of Yayangshan hydropower station with low water level,failure of steel lining of the draft tube of unit No.2 and separation between the tube and the concrete are found.By cause reason analysis,backfill grouting is adopted for treatment.

elbow draught tube;steel lining;failure;analysis;backfill grouting

TV698.2

B

1671-1092（2017）05-0072-03