水電廠引水管道鋼襯脫空原因分析及處理

樊 銳

(大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉 725200)

1 工程概述

1.1 工程簡(jiǎn)介

石泉水電廠位于漢江上游陜西省石泉縣城西1 km峽谷出口處，是漢江上游最早建設(shè)的一座大(2)型水電站,是以發(fā)電為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的水利水電工程。工程控制流域面積23 400 km2，水庫(kù)正常蓄水位410.00 m時(shí)，庫(kù)容4.7億m3，為季調(diào)節(jié)水庫(kù)。

主廠房為壩后式廠房，廠內(nèi)裝3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量45 MW，總裝機(jī)容量135 MW。發(fā)電引水管道布置在壩內(nèi)，為單元引水，每臺(tái)機(jī)組1條管道，共3條引水管道。壓力引水管道分為進(jìn)口段、上漸變段、上彎段、斜直段、下彎段、下直段、下漸變段等，每條管道全長(zhǎng)55.4 m，圓管內(nèi)徑為5.5 m，單機(jī)引水流量為138.5 m3/s。

機(jī)組為中等水頭，在斜直段末端凈水頭約46 m，為了節(jié)約鋼材，在斜直段及以上部分，不設(shè)鋼板襯砌。在下彎段及其以下部分由于水頭較高，采用鋼板襯砌，襯砌段長(zhǎng)度為20.2 m。圓管段內(nèi)襯鋼板厚度為14 mm，下漸變段內(nèi)襯鋼板厚度為12 mm。

1.2 脫空情況

3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組于1974年6月正式并網(wǎng)運(yùn)行，至今已運(yùn)行40多a時(shí)間。機(jī)組每3年大修一次，每次大修中，對(duì)機(jī)組壓力引水管道、蝸殼、尾水管錐管段進(jìn)行外觀檢查，用鐵榔頭敲擊鋼襯板表面確定是否存在脫空現(xiàn)象。以3號(hào)機(jī)組鋼襯部位檢查為例，在檢查中發(fā)現(xiàn)，各機(jī)組空穴面積已達(dá)檢查總面積的20%～30%左右，呈逐年遞增的趨勢(shì)?？昭娣e逐年變化情況見(jiàn)表1。

表1 3號(hào)機(jī)組鋼襯空穴面積變化表

2 機(jī)組過(guò)流鋼管道鋼襯脫空分析

2.1 機(jī)組過(guò)流鋼管道鋼襯脫空成因分析

經(jīng)分析，造成機(jī)組過(guò)流鋼管道脫空問(wèn)題的原因有以下幾點(diǎn)：

(1) 基礎(chǔ)混凝土本身密實(shí)性良好，但是在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于外力(如內(nèi)水壓力脈動(dòng)、鋼襯外靜水壓力、水流沖刷)作用，使得鋼襯和混凝土在接觸面產(chǎn)生裂隙，兩者脫離。

石泉水電廠引水管道內(nèi)水壓力水頭為49.5 m，水壓力按高程呈梯形規(guī)律分布，在突然關(guān)機(jī)時(shí)，還要附加13.1 m的水錘壓力,總壓力達(dá)到6.26 kg/cm2，蝸殼頂部垂直載荷因?yàn)樯倭溯S向水推力減小機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分載荷，這時(shí)內(nèi)水壓力是作用在引水管道的主要載荷，基礎(chǔ)混凝土本身密實(shí)性良好，但是在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于內(nèi)水壓力脈動(dòng)，使得在上彎段混凝土和鋼襯接觸面產(chǎn)生裂隙，兩者脫離，進(jìn)入到鋼襯背后，在管道放空的情況下因外水壓力作用引起鋼襯脫空或鼓包；其次，庫(kù)水、壩體滲漏水在混凝土內(nèi)形成通道，進(jìn)入鋼襯背后，再者，由于鋼襯接縫處焊接質(zhì)量不良，往往會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣、咬邊、未焊透等各種焊接缺陷，這些缺陷會(huì)減小焊縫的有效承載面積，造成應(yīng)力集中引起斷裂，形成水流通道，過(guò)流管道內(nèi)水流會(huì)進(jìn)入鋼襯背面，對(duì)鋼襯產(chǎn)生銹蝕破壞，并引起鋼襯脫空，管道長(zhǎng)期在充水和放空交替作用下使鋼襯的脫空范圍不斷擴(kuò)大，實(shí)際檢查也發(fā)現(xiàn)脫空范圍呈逐年遞增的趨勢(shì)。

圖1 機(jī)組過(guò)流管道結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 混凝土澆筑及灌漿后，在混凝土與鋼襯之間存在間隙，沒(méi)有密實(shí)地結(jié)合在一起。

基礎(chǔ)混凝土本身不密實(shí)，出現(xiàn)蜂窩、麻面、孔洞、縫隙、分層離析、缺棱少角等澆筑缺陷。混凝土澆筑時(shí)，由于施工工藝設(shè)計(jì)不合理、混凝土配合比不合適、構(gòu)件連接不當(dāng)、鋼管周邊配筋較為密集，混凝土振攪不實(shí)易形成空隙、振搗不均勻或與鋼襯接觸處振搗不到位、質(zhì)量控制不嚴(yán)等方面的原因，導(dǎo)致混凝土與鋼襯之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

(3) 溫度變化(包括溫升和溫降)，或者鋼管道襯板冷縮、混凝土收縮、徐變[1]以及微膨脹劑失效等影響，使得鋼襯和混凝土在接觸面產(chǎn)生裂隙，兩者脫離。

混凝土和鋼襯板之間的縫隙值Δ按式(1)計(jì)算[2]：

Δ=Δ1+Δ2+Δ3

(1)

式中：Δ為混凝土和鋼襯板之間的縫隙值，cm；Δ1為鋼襯板冷縮縫隙，cm，Δ2為施工縫隙，cm,一般為0.2 mm；Δ3為混凝土徐變縫隙，cm。

鋼襯板冷縮縫隙可按式(2)進(jìn)行計(jì)算[2]：

Δ1=(1+μs)α×Δtr0

(2)

式中：α為鋼板的線膨脹系數(shù)，1/℃；Δt為鋼管的計(jì)算溫降，℃；μs為鋼襯板材料的泊松比；Δ1為鋼襯板冷縮縫隙，mm；r0為鋼管道內(nèi)徑，cm；將r0=550 cm,μs=0.3,α=0.000 012(1/℃)；Δt=15 ℃[3]代入式(2)得：Δ1=0.128 7 cm=1.287 mm。

混凝土徐變縫隙按式(3)計(jì)算[2]：

(3)

式中：p0為均勻內(nèi)水壓力，MPa；Ec為混凝土的彈性模量，MPa；Δ3為混凝土徐變縫隙，cm；r0為鋼管道內(nèi)徑，cm。

將r0=550 cm,Ec=24 000 MPa,p0=0.614 6 MPa,代入式(2)得：Δ3=0.014 cm=0.14 mm。

在無(wú)外力因素作用下,石泉水電廠引水管道混凝土和鋼襯板之間的理論縫隙值Δ大約為1.6 mm。

2.2 機(jī)組過(guò)流鋼管道鋼襯脫空的危害

第1種脫空現(xiàn)象對(duì)鋼管道危害最大，在高水頭作用下鋼管處于放空狀態(tài)，脫空部位會(huì)產(chǎn)生鼓包、撕裂甚至造成鋼管失穩(wěn)破壞。第2類脫空現(xiàn)象因外水壓力較小危害次之，若此兩類脫空現(xiàn)象聯(lián)合作用將嚴(yán)重影響鋼管道的正常運(yùn)行，這兩類脫空現(xiàn)象表現(xiàn)為脫空的深度、范圍沒(méi)有規(guī)律性，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制其出現(xiàn)。目前在中國(guó)水電站建設(shè)中，通過(guò)嚴(yán)格仔細(xì)的施工控制基本上可以有效避免此兩類脫空。第3類脫空現(xiàn)象較為普遍，并隨著溫度變化和水壓力作用因鋼襯的微小形變而發(fā)生變化。

實(shí)際檢查中，在機(jī)組引水管道下漸變段地板脫空處鉆孔出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，最大水柱高度約40 cm，然后逐漸減小，冒水時(shí)間持續(xù)約10 min。說(shuō)明脫空區(qū)域處于浸水狀態(tài)，對(duì)鋼襯板是不利的。

脫空的鋼襯板，無(wú)論是均勻內(nèi)水壓力(鋼管內(nèi)充水)還是承受外水壓力(鋼管內(nèi)無(wú)水，鋼襯板承受滲水壓力)鋼襯板均可作為周邊固定的薄板[4]看待，鋼管道鋼襯與基礎(chǔ)混凝土局部脫空后，之間的聯(lián)合作用不存在了，將會(huì)造成局部應(yīng)力集中，在內(nèi)水壓及脈動(dòng)壓力作用下，易形成鋼襯及焊縫的危害性裂紋，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性及安全性；另外鋼管道鋼襯沒(méi)有了保護(hù)層，將可能引起鋼襯銹蝕，使鋼襯的有效厚度減少，承載能力下降。最終可能引起鋼襯板的斷裂破壞。

3 鋼襯脫空灌漿處理

3.1 處理原則

灌漿的目的是填補(bǔ)脫空和縫隙，阻斷滲水通道。石泉水電廠擬定的灌漿原則為：

(1) 面積小于0.3 m2、深度小于3 mm的空穴可以不進(jìn)行灌漿處理。

(2) 對(duì)于脫空深度大于20 mm的脫空區(qū)域，采用水泥砂漿進(jìn)行灌漿處理。

(3) 脫空深度為5～20 mm的區(qū)域采用純水泥漿灌注。

(4) 脫空深度小于5 mm的細(xì)小裂縫采用化學(xué)灌漿。

3.2 方案的確定

灌漿材料主要考慮2種：一是用高分子化學(xué)材料，即化學(xué)灌漿[5]，此類材料強(qiáng)度高，膠結(jié)性好；二是水泥灌漿，即用水泥砂漿(或水泥漿),這種材料強(qiáng)度高，造價(jià)低。對(duì)大面積且深度較深的脫空部分采用水泥砂漿灌注[6]，對(duì)小面積或較淺的脫空部分采取灌注水泥漿和化學(xué)材料漿。

由于在實(shí)際檢查中發(fā)現(xiàn)脫空深度均小于5 mm，且地板和側(cè)壁下部脫空區(qū)域均有滲水。選擇灌漿材料時(shí)主要考慮其可灌性、水中凝固性以及適應(yīng)鋼襯板因溫度變化和水壓力作用而產(chǎn)生的微變形等幾方面的特性，只有選擇化灌材料比較合適。

3.3 材料的選擇

目前中國(guó)常用的化灌材料主要有7種[7]：水玻璃類、丙烯酰胺類、木質(zhì)素類、環(huán)氧樹脂類、聚氨酯類、甲基丙烯酸酯類和脲醛樹脂類。聚氨酯化學(xué)灌漿材料是一種防滲堵漏能力較強(qiáng)、固結(jié)彈性和強(qiáng)度較好的防滲材料，屬于聚氨基甲酸類的高聚物，是由多異氰酸酯和多羥化合物反應(yīng)而成。由于漿液中含有未反應(yīng)的異氰酸基因，遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，交聯(lián)生成不溶于水的聚合體，因此能達(dá)到防滲、堵漏和固結(jié)的目的。反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生二氧化碳，使體積膨脹，增加了固結(jié)體積比，且產(chǎn)生了大的膨脹壓力，促使?jié){液二次擴(kuò)散，從而增加擴(kuò)散范圍。漿液還有遇水不易被稀釋和沖走，膠凝時(shí)間可以控制等特點(diǎn)，因而在國(guó)內(nèi)外使用較多，已取得較好效果。

結(jié)合工程的具體情況，施工選用的灌漿材料為2種水溶性聚氨酯漿材[8-9]，即HW水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料和LW水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料，配合比為1∶1，這是經(jīng)過(guò)改性的新型聚氨酯材料，其突出特點(diǎn)[10]之一是易分散于水中,遇水自乳化，立即進(jìn)行聚合反應(yīng)。固結(jié)物具有良好的彈性、抗?jié)B性、耐低溫性,對(duì)巖石、混凝土、土粒等具有良好的粘接性能，漿液及其固結(jié)體無(wú)害、無(wú)毒，對(duì)水質(zhì)無(wú)污染；特點(diǎn)之二是固結(jié)物具有彈性止水和膨脹止水的雙重作用，能適應(yīng)鋼襯板的微變形情況。

4 施工工藝

4.1 施工流程

搭設(shè)腳手架→檢查空穴區(qū)域→布孔→打孔→連接灌漿嘴→灌漿→去掉灌漿嘴→擴(kuò)孔塞焊→拋光磨平[11]。

4.2 施工技術(shù)要點(diǎn)

4.2.1 脫空區(qū)域確定

現(xiàn)場(chǎng)脫空區(qū)域檢查方式主要為敲擊檢查，但錘擊聲音受外因影響較大，此方法需要經(jīng)驗(yàn)豐富者才能進(jìn)行判斷,而且只能判斷出有無(wú)明顯脫空的板塊，但對(duì)脫空的深度、微小空穴的檢查有難度，因此，采用敲擊法普查、振動(dòng)法[4]復(fù)核和鉆孔法測(cè)量空穴深度相結(jié)合的方式是一種短時(shí)間全面檢測(cè)脫空區(qū)域的有效途徑。可以避免漏檢、判斷偏差。

4.2.2 布 孔

布孔一般應(yīng)在敲擊檢查完成后進(jìn)行，從起灌段開(kāi)始，布孔按盡量少的原則，最低處設(shè)灌漿孔，上部設(shè)通氣孔，通氣孔又作為第2層的灌漿孔。布孔時(shí)還應(yīng)充分考慮脫空深度及在該位置開(kāi)孔的可灌性，布置進(jìn)漿孔和排氣孔要充分考慮漿液排氣的范圍，盡量避免開(kāi)孔后還存在漿液因無(wú)法排氣造成的死角，影響灌漿效果。

4.2.3 鉆 孔

鉆孔前檢查開(kāi)孔位置，鉆孔的布設(shè)位置要避開(kāi)鋼襯的接頭、加筋環(huán)等部位。盡量避免因其它不明標(biāo)識(shí)導(dǎo)致鉆孔位置錯(cuò)誤，對(duì)鋼襯造成損傷。

4.2.4 通風(fēng)和壓水檢查

通風(fēng)和壓水工作是用來(lái)檢查脫空區(qū)域的串通情況，根據(jù)壓水記錄來(lái)預(yù)估灌漿量，還可檢查外漏點(diǎn)。通風(fēng)壓水必須注意壓水的壓力一定要小，控制在0.1 MPa，壓力過(guò)大容易形成新的脫空甚至造成鋼襯板變形。

4.2.5 灌前資料分析

在敲擊檢查、布孔鉆孔、通風(fēng)壓水等工作完成后，對(duì)上述工序作業(yè)記錄進(jìn)行分析，根據(jù)脫空深度的不同，配比不同濃度的漿液分區(qū)灌漿，避免脫空區(qū)域漿液無(wú)法進(jìn)入，二次灌漿。譬如在灌漿中發(fā)現(xiàn)，下漸變段以上至下彎管段存在大面積的脫空區(qū)域，當(dāng)化灌材料配比LW∶HW=3∶4的情況下[12]，采用一側(cè)鉆孔灌漿，在化學(xué)灌漿液還未到達(dá)另一側(cè)最遠(yuǎn)端時(shí)，早起漿液已經(jīng)凝結(jié)，阻礙灌液行進(jìn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)，化灌材料配比調(diào)整為L(zhǎng)W∶HW=1∶4，并兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行灌漿處理則能較好地解決該問(wèn)題。

4.2.6 灌 漿

灌漿施工前，要做好準(zhǔn)備工作，根據(jù)脫空范圍估算耗漿量，配備相應(yīng)的灌漿設(shè)備、材料，杜絕灌漿過(guò)程中出現(xiàn)中斷，造成進(jìn)漿孔、送漿管堵塞。灌漿壓力可根據(jù)鋼襯的壁厚、脫空面積的大小等實(shí)際情況確定，一般壓力控制在0.1～0.2 MPa[6]。

除控制好壓力外，還應(yīng)加強(qiáng)抬動(dòng)觀測(cè)，鋼板的變形控制在0.05 mm[6]以內(nèi)，一旦有異常變化，即可停止灌漿，防止鋼襯發(fā)生變形。

灌注時(shí)自下而上分層進(jìn)行，用錘子敲擊震動(dòng)鋼襯保證漿液流通。待各高處孔分別排出濃漿后，依次將其孔口閥門關(guān)閉，同時(shí)記錄各孔排出的漿量和濃度。以灌漿孔停止吸漿延續(xù)5 min結(jié)束。灌漿完畢后,拆卸灌漿嘴時(shí)會(huì)造成壓力的損失,這點(diǎn)也是關(guān)系到灌漿效果,通常采用扎管，待漿液凝固后拆除。

4.2.7 質(zhì)量檢查

對(duì)鋼襯脫空首輪灌漿后的情況進(jìn)行檢測(cè)，為快速高效，以振動(dòng)法[13]檢測(cè)為首選，在灌漿部位安裝振動(dòng)傳感器，用錘子敲擊襯砌表面，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)傳到振動(dòng)測(cè)試分析儀，分別記錄振動(dòng)歷時(shí)和頻譜分析信號(hào)，通過(guò)波形判定檢測(cè)區(qū)域鋼襯板是否存在微小間隙，以評(píng)定漿液的充填情況，對(duì)灌漿后未填充密實(shí)的區(qū)域，在鋼襯上重新開(kāi)孔進(jìn)行二輪灌漿。

5 灌漿后效果

2014年再次對(duì)2008年處理過(guò)的3號(hào)機(jī)組蝸殼進(jìn)行檢查，鋼襯表面光滑，未見(jiàn)鼓包、開(kāi)裂現(xiàn)象，檢查空穴面積為7.325 m2，較灌漿前脫空面積118.09 m2降低94%，其中0.3 m2以上范圍集中的空穴面積只有1.45 m2，表明施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，效果良好。

6 結(jié) 語(yǔ)

石泉水電廠利用機(jī)組大修分別對(duì)3臺(tái)機(jī)組引水鋼管道空穴進(jìn)行化學(xué)接觸灌漿施工，有效地解決了管道存在的缺陷?；瘜W(xué)接觸灌漿[14]解決了水泥灌漿后由于水泥的干縮形成的二次脫空等難題，并達(dá)到非常好的效果。故聚氨酯類化學(xué)接觸灌漿是根治鋼管道鋼襯板淺層脫空病害的一個(gè)最有效的辦法。本次工程處理工期短，使用的化灌材料、施工工藝先進(jìn)，技術(shù)成熟，不僅在漢江流域是項(xiàng)革新，也為其它類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。