冗各水電站3號機(jī)組尾水管里襯脫落原因分析及處理

葛 曦，張 華

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，貴州 貴陽 550002)

1 概述

貴州省冗各水電站位于貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣逢亭鎮(zhèn)冗各鄉(xiāng)，是蒙江流域的第八級電站，上游為雙河口水電站，下游為石門坎水電站，裝機(jī)容量為3×30MW，電站最大水頭50.29m，加權(quán)平均水頭47.43m，最小水頭44.31m，電站在系統(tǒng)中主要擔(dān)任峰荷、調(diào)頻作用。水輪機(jī)型號為HLA551c-LJ-288。

2 尾水管脫落情況

冗各水電站于2012年10月開工建設(shè)，2016年6月底首臺機(jī)(3號機(jī)組)投產(chǎn)發(fā)電，2017年11月，電站運(yùn)行人員對機(jī)組進(jìn)行冬季巡檢，發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組尾水管里襯局部剝落，具體位置在水輪機(jī)尾水肘管里襯出水尾端底部及順?biāo)鞣较蜃髠?cè)尾端下部，底部剝落斷面形狀為等腰梯形，上底約6.1m，下底約8.7m，高約3.5m；左側(cè)尾端下部剝落斷面形狀為矩形，高約1m，寬約2m。如圖1所示。

圖1 尾水肘管里襯剝落位置及尺寸圖

3 尾水管脫落原因分析

3.1 電站安裝高程復(fù)核

根據(jù)電站的實(shí)際運(yùn)行情況，電站裝機(jī)三臺時(shí)，按一臺機(jī)的額定過流量從下游水位與流量關(guān)系曲線中確定設(shè)計(jì)尾水位。該電站一臺機(jī)的額定過流量為74.1m3/s，該設(shè)計(jì)尾水位為445.17m，推薦的水輪機(jī)吸出高度Hs≤-0.32m(轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)采用不銹鋼)。為不影響總體樞紐布置，并留足安全余量(地下式廠房，工程量影響不大)，最終取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定導(dǎo)葉高度為2.52m。因此，確定水輪機(jī)的安裝高程為442.00m，該安裝高程是合適的。

3.2 電站長期運(yùn)行在低水頭低負(fù)荷區(qū)域

電站3號機(jī)組運(yùn)行初期，水庫的蓄水未達(dá)到正常蓄水位，電站尾水河道尚有棄渣未清理，因此電站的實(shí)際運(yùn)行水頭較低。根據(jù)電站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，3號機(jī)在47m水頭以下運(yùn)行占一年72.3%的時(shí)段，同時(shí)由于受來水影響，全年有64.7%的時(shí)段運(yùn)行在機(jī)組額定出力的45%以下(即≤13.5MW)，低于混流式機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。但機(jī)組水導(dǎo)、上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承溫升在允許的范圍內(nèi)，所測各部振擺度也滿足要求。

結(jié)合以上運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以得出機(jī)組運(yùn)行范圍如圖2所示。

圖2 3號機(jī)水輪機(jī)運(yùn)行范圍圖

圖2中，右側(cè)部分是根據(jù)水輪機(jī)的水頭范圍及45%出力限制，繪制的HLA551c-LJ-288水輪機(jī)運(yùn)行范圍圖，可以看出，機(jī)組運(yùn)行范圍較優(yōu)，涵蓋了較寬的高效區(qū)。左側(cè)陰影部分是根據(jù)電站運(yùn)行初期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行繪制的運(yùn)行范圍圖，陰影較密部分占據(jù)了約3/4的運(yùn)行時(shí)間，該部分區(qū)域效率低，完全屬于水輪機(jī)需要避開運(yùn)行的范圍。該區(qū)域氣蝕性能差，機(jī)組振動(dòng)嚴(yán)重，長期運(yùn)行在該區(qū)域，對機(jī)組十分不利。

根據(jù)電站的實(shí)際運(yùn)行情況，電站裝機(jī)三臺時(shí)，按一臺機(jī)的額定過流量從下游水位與流量關(guān)系曲線中確定設(shè)計(jì)尾水位。水文專業(yè)提供了廠址處尾水位與流量關(guān)系曲線，該電站一臺機(jī)的額定過流量為74.1m3/s，該設(shè)計(jì)尾水位按下廠尾確定為445.17m，推薦的水輪機(jī)吸出高度Hs≤-0.32m(轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)采用不銹鋼)。為不影響總體樞紐布置，并留足安全余量(地下式廠房，工程量影響不大)，最終取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定導(dǎo)葉高度為2.52m。因此，確定水輪機(jī)的安裝高程為442.00m。

3.3 施工過程中灌漿不密實(shí)的影響

如圖1所示，尾水管底部是從分節(jié)縫處整齊地剝落的，側(cè)面看出沿分節(jié)縫較為整齊的斷面。根據(jù)廠家設(shè)計(jì)：尾水管采用符合HLA551c流道的肘形尾水管。尾水管里襯為Q235-A金屬里襯，厚度為10mm，在錐管的進(jìn)口段設(shè)有500mm長的不銹鋼段，肘管段采用Q235-A焊接而成，分節(jié)運(yùn)輸，工地組焊成整體，在底板處電站配割灌漿孔，待灌漿孔有砂漿冒出后再封焊牢，并打磨光滑。

在實(shí)際施工過程中，安裝單位并未在底板處配割灌漿孔，由于尾水管分段處有100mm的加強(qiáng)環(huán)筋，在尾水管底部混凝土澆筑時(shí)，由于灌漿的不密實(shí)，因此導(dǎo)致兩個(gè)加強(qiáng)環(huán)筋之間有空氣存在，形成空腔，水流長期沖刷振蕩，為之后的里襯剝落埋下隱患。

3.4 焊縫質(zhì)量不高及拉筋數(shù)量不夠

在肘管分節(jié)運(yùn)輸至工地后，從后期整齊斷開的焊縫位置可以看得出來，組焊的過程中，焊縫質(zhì)量把控不到位，存在點(diǎn)焊現(xiàn)象，導(dǎo)致后期機(jī)組運(yùn)行過程中，水流長期沖刷導(dǎo)致焊縫撕開卷起，伴隨著尾水渦帶的作用，進(jìn)一步撕裂拉大，而廠家所供的拉筋為扁鋼所制的Y型拉筋，一臺機(jī)的數(shù)量為90個(gè)，因此拉筋的間距較大，并且拉筋尺寸較短，長度僅為150mm，因此不能很好地與混凝土鋼筋焊接在一起，沒有起到加強(qiáng)穩(wěn)固的作用。

4 尾水管里襯脫落處理方案

根據(jù)現(xiàn)場破壞情況，決定采取混凝土回填、恢復(fù)鋼襯及灌漿的修補(bǔ)方案。具體處理方法如下：

(1)鋼板割除。將已破壞區(qū)域四周卷起及脫空鋼板整齊割除。

(2)原混凝土鑿除/鑿毛。將底板鋼板剝落及割除區(qū)域內(nèi)的混凝土鑿除30cm深(鑿除時(shí)注意保護(hù)鋼筋)。將左側(cè)墻鋼板剝落及割除區(qū)域內(nèi)的混凝土鑿毛沖洗干凈。

(3)鋼板安裝。根據(jù)破壞區(qū)域及廠家要求，將鋼板按原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行恢復(fù)?；謴?fù)鋼板保證與原鋼板牢固焊接；恢復(fù)鋼板端部，做好封口。

(4)錨筋布設(shè)。在修補(bǔ)區(qū)域內(nèi)布設(shè)錨筋。錨筋采用C25鋼筋，間排距0.8m，梅花形布置，錨筋長度1.2m，錨固長度≥1.0m，錨筋采用微膨脹砂漿錨固。將鋼板與錨筋牢固焊接(鋼板預(yù)留錨固焊接孔)。

(5)新澆混凝土。鑿除區(qū)域采用C30細(xì)石混凝土回填振搗密實(shí)。

(6)環(huán)氧漿液灌注。根據(jù)鋼板上預(yù)留灌漿孔進(jìn)行灌漿。灌漿應(yīng)自低處孔開始灌注，灌漿漿液選用低稠度環(huán)氧灌漿樹脂，灌漿壓力0.3～0.5MPa，具體根據(jù)實(shí)際情況確定。

(7)平整鋼板。灌漿完成后，割除灌漿管、排氣管及外露錨筋，用焊補(bǔ)法封孔，將鋼板打磨平整，以恢復(fù)過流面的平整度。施工過程中注意保護(hù)止水環(huán)不被破壞。

建議對右邊墻采用錨筋加固，錨筋采用C25鋼筋，間排距1m，錨筋長度1.2m，錨固長度≥1.0m，錨筋采用微膨脹砂漿錨固。

由于肘管為地下密閉空間，為保證施工安全，肘管修補(bǔ)處理施工過程中嚴(yán)格遵循相關(guān)施工規(guī)程規(guī)范的要求，施工前需編制專項(xiàng)安全文明施工方案，確保安全。

5 結(jié)語

從電站的運(yùn)行資料進(jìn)行分析，可以看出冗各電站在機(jī)組選型方面是合適的，考慮到電站的水頭變幅不大，對選用的機(jī)型都留有一定的出力儲(chǔ)備，由HLA551c的氣蝕性能結(jié)合設(shè)計(jì)尾水位所定的安裝高程留有余量，但電站在實(shí)際初期運(yùn)行階段存在低水頭部分負(fù)荷的工況，偏離了機(jī)組合理的運(yùn)行范圍，施工過程存在一定的缺陷，施工工藝也存在一定的不足。

總的來說，破壞并非單一的因素導(dǎo)致，而是以上幾種問題集中在一起，導(dǎo)致破壞積聚、形成、產(chǎn)生、加劇。在水電站的運(yùn)行前期，往往追求發(fā)電效益而忽略了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提，特別是要注意低水頭、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)組的性能監(jiān)測，以保證機(jī)組穩(wěn)定安全地運(yùn)行。