引水式電站壓力鋼管局部屈曲變形處理

韋慶華

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，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 的標準管節(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)處理措施中的固結孔鉆探結果也表明，鋼管變形和圍巖失穩(wěn)無關。

（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)進行查驗和探傷檢測，所有焊縫飽滿完整，無明顯裂痕，探傷結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)當天，在下游的503管節(jié)和上游的196管節(jié)進行固結灌漿施工，回填灌漿孔鉆孔從下往上已到達274管節(jié)，鉆進過程無異常，294管節(jié)一序孔在進行回填灌漿。

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3個探孔（后續(xù)兼做固結灌漿孔），采用碳弧氣刨法開孔，開孔尺寸50 mm×50 mm。

（2）固結灌漿。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行固結灌漿。固結灌漿壓力選用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 結束。固結灌漿結束3 d后可進行變形鋼板切割。

（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，另一條為準確的對裝線，參考線相比對裝線內(nèi)縮10 mm。復核尺寸后，采用碳弧氣刨沿切割參考線從上往下的方向進行切割，全部變形鋼板切除后，通過砂輪機對切割口進行打磨直至對裝線，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，用破碎機對混凝土進行鑿除，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，補強鋼板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，采用二氧化碳保護焊的焊接方法進行施焊，焊接順序是先進行286管節(jié)的環(huán)縫焊接，然后由286 管節(jié)起向上進行兩側縱縫的焊接，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，進行焊縫超聲波探傷，若發(fā)現(xiàn)缺陷，立即進行返修處理，直至焊縫達到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行回填和接觸灌漿?；靥罟酀{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，各項設計技術指標滿足要求，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。