某抽水蓄能電站漸變段鋼襯鼓包處理措施

許藝煌，莊堅(jiān)菱，樂莉霞

（福建仙游抽水蓄能有限公司，福建莆田 351266）

0 引 言

某抽水蓄能電站于2020 年3 月17 日開展4＃機(jī)組檢修，打開尾水管進(jìn)人門，進(jìn)入尾水支管檢查，發(fā)現(xiàn)尾水支管漸變段鋼襯鼓包現(xiàn)象，位于尾水事故閘門上游側(cè)支管圓變方過渡段。經(jīng)過采取工程處理措施后，尾水支管鋼襯漸變段結(jié)構(gòu)恢復(fù)至原狀，能夠滿足機(jī)組過流和穩(wěn)定運(yùn)行。

1 尾水支管概況

某抽水蓄能電站樞紐主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫等構(gòu)建筑組成。

機(jī)組尾水管出口后接尾水支管，方位角與廠房軸線正交，③＃、④＃尾水支管的長度為129.2 m 和118.33 m，內(nèi)徑為φ4.8 m，其后接“卜”形尾水岔管。尾水管出口起至下游108 m 段采用鋼板襯砌，鋼板材質(zhì)為Q345R，厚度22 mm，鋼襯外部回填C20F50 混凝土，尾閘洞前后8.0 m洞段為方圓漸變洞段，襯后尺寸由內(nèi)徑4.8 m的圓形斷面漸變寬×高為3.8 m ×4.8 m 的矩形斷面。鋼襯外壁設(shè)有環(huán)向和縱向U 型槽鋼排水，滲水通過排水鋼管引向廠房集水井，漸變段鋼襯鋼板材質(zhì)為Q345R，厚度24 mm）。

2013 年至2019 年期間，尾水系統(tǒng)運(yùn)行正常，尾水肘管段和尾水事故閘門上游側(cè)鋼襯支管放空檢查均未發(fā)生異常。2020 年3 月20 日，發(fā)現(xiàn)④＃尾水事故閘門上游側(cè)漸變段鋼襯鼓包后，立即開展鼓包產(chǎn)生原因分析、機(jī)理復(fù)原和探討漸變段鋼襯鼓包處理方案和具體實(shí)施措施。

2 尾水支管鋼襯鼓包形成缺陷的原因

④＃尾水事故閘門上游側(cè)鋼襯漸變段⑤＃、⑥＃、⑦＃、⑧＃管節(jié)設(shè)計(jì)所能承受外部壓力0.6 MPa，機(jī)組運(yùn)行期間尾水隧洞水壓約0.85 MPa，當(dāng)運(yùn)行外部壓力大于設(shè)計(jì)值并直接作用在鋼襯外部，是導(dǎo)致鋼襯發(fā)生鼓包的最主要原因。［1-2］

④＃尾水事故閘門井結(jié)構(gòu)連接孔焊縫銹蝕開裂，隧洞內(nèi)水通過結(jié)構(gòu)連接孔滲入鋼襯外部混凝土，水流沿著混凝土最薄弱的位置、巖石裂隙滲入尾水事故閘門上游側(cè)鋼襯漸變段右側(cè)⑧＃管節(jié)；隨著時(shí)間推移，滲流通道慢慢變大，壓力逐漸增加至與隧洞內(nèi)水壓力基本一致；漸變段⑤＃、⑥＃、⑦＃、⑧?；炷晾?，滲水進(jìn)入混凝土裂隙，T型板與鋼板連接的焊縫長期受水流沖刷浸泡產(chǎn)生銹蝕，造成焊縫受力衰減；在高壓水流作用下，混凝土泥沙、泥漿、巖石節(jié)理材料被沖刷帶走，造成鋼襯外部U 型排水槽鋼局部失效；多種因素同步作用，導(dǎo)致尾水支管鋼襯漸變段右側(cè)⑤＃、⑥＃、⑦＃、⑧＃及左側(cè)⑥＃、⑦＃、⑧＃管節(jié)發(fā)生鼓包現(xiàn)象。

3 復(fù)核計(jì)算及處理原則

3.1 計(jì)算說明

采用有限元計(jì)算軟件［3-5］進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，通過各種邊界條件的假定，試算還原鋼襯的破壞形態(tài)，用于驗(yàn)證推測的合理性，支撐處理方案。

計(jì)算模型按真實(shí)體型建模（見圖1），不考慮銹蝕裕度，按④＃尾閘上游側(cè)漸變段為例，管壁厚度24 mm，加勁環(huán)30 mm，縱向肋板22 mm。

圖1 ④＃尾閘上游側(cè)漸變段三維有限元計(jì)算模型

由于本次計(jì)算的邊界條件較為復(fù)雜，為了能夠比較準(zhǔn)確的還原鋼襯的破壞情況，因此列出對多種計(jì)算工況如下：

工況1加勁環(huán)外側(cè)回填混凝土全部脫開，外水壓力10 m。

工況2加勁環(huán)外側(cè)部位未脫開（設(shè)計(jì)工況），外水壓力60 m（設(shè)計(jì)外水壓力）。

工況3假設(shè)外水壓力85.8 m（極端工況），根據(jù)實(shí)際破壞情況建模，漸變段右側(cè)上部焊縫失效，加勁環(huán)和管壁脫開，部分加勁環(huán)對接縫脫開，下部加勁環(huán)外側(cè)和回填混凝土脫開。

工況4假設(shè)外水壓力85.8 m（極端工況），漸變段左側(cè)加勁環(huán)外側(cè)脫開，局部加勁環(huán)對接縫脫開。

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果以最不利工況為例進(jìn)行計(jì)算。

（1）工況3。根據(jù)④＃閘門洞上游右側(cè)鋼襯的實(shí)際破壞情況建模，鋼襯最大變形34.3 cm，出現(xiàn)在中心線上部約1.2 m位置。與實(shí)際測量結(jié)果的最大變形數(shù)值34.6 cm及出現(xiàn)的部位較吻合，如圖2 所示。

圖2 鋼襯最大變形分布圖（單位：m）

（2）工況4。依據(jù)④＃閘門洞上游左側(cè)鋼襯的實(shí)際破壞情況建模，鋼襯最大變形6.7 cm，出現(xiàn)在中心線位置，上下兩側(cè)變形逐漸減小。和實(shí)際測量結(jié)果的最大變形數(shù)值8 cm及出現(xiàn)的部位較吻合，如圖3 所示。

圖3 鋼襯最大變形分布圖（單位：m）

3.3 處理原則

根據(jù)現(xiàn)場檢查資料及復(fù)核計(jì)算分析，確定④＃尾閘洞上游側(cè)鋼襯漸變段鼓包處理總體方案：④＃尾閘上游右側(cè)鼓包向內(nèi)變形較大，范圍較大，且外側(cè)加勁環(huán)破壞、回填混凝土破壞，因此需要對鼓包范圍內(nèi)的鋼襯進(jìn)行割除、外側(cè)破壞混凝土進(jìn)行清除，并根據(jù)原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行修復(fù)；④＃尾閘上游左側(cè)漸變段變形比右側(cè)小，范圍較小，綜合考慮受力條件、施工條件等因素對部分變形范圍進(jìn)行割除；針對發(fā)現(xiàn)的滲漏通道進(jìn)行固結(jié)灌漿，鼓包范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)固結(jié)灌漿；在尾閘下游側(cè)混凝土襯砌部位（鋼襯7 點(diǎn)）進(jìn)行帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿，切斷尾水隧洞內(nèi)水向鋼襯滲漏的通道；由于鋼襯外排水不暢，因此考慮從尾閘室布置斜孔，設(shè)置壓力表，監(jiān)測鋼襯外水壓力，同時(shí)可作為泄壓措施，保障鋼管運(yùn)行安全穩(wěn)定。

4 鋼襯鼓包處理

4.1 鋼襯處理

④＃尾水事故閘門上游鋼襯漸變段右側(cè)⑥＃、⑦＃、⑧＃管節(jié)鼓包的鋼板［6］全部割除，⑤＃管節(jié)割除長度0.5 m，面積約23 m2；鋼襯漸變段左側(cè)⑦＃⑧＃管節(jié)鼓包的鋼板［6］全部割除，面積約13 m2，如圖4、5 所示。鋼襯按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诩庸S加工完成并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，現(xiàn)場對鋼襯鼓包進(jìn)行精準(zhǔn)放樣、切割、拼接。

圖4 ④＃尾閘洞上游漸變段右側(cè)鋼襯割除范圍示意

鋼襯切割范圍外部混凝土鑿除0.8 m，鋼襯邊緣混凝土均鑿除0.2 m，再通過2 次轉(zhuǎn)運(yùn)至洞外。

4.2 鋼襯結(jié)構(gòu)恢復(fù)

4.2.1 錨筋布置

鋼襯漸變段變形較大部位切除后，根據(jù)設(shè)計(jì)體型進(jìn)行恢復(fù)和加固處理［7～9］。鋼板材質(zhì)為Q345，鋼板厚度為28 mm替換原來的鋼板進(jìn)行體型恢復(fù)。①右側(cè)在T型加勁環(huán)位置布置錨筋加固，錨筋采用二級鋼φ25，錨筋長3.2 m，入巖1.5 m，排間距均為1.0 m，端部彎折0.2 m 與T 型加勁環(huán)雙面焊接，布置25 根錨筋；②左側(cè)在T 型加勁環(huán)位置布置錨筋加固，錨筋采用二級鋼φ25，錨筋長3.2 m，入巖1.5 m，排間距均為0.75 m，端部彎折0.2 m與T型加勁環(huán)雙面焊接，布置14 根錨筋，如圖6 所示。

圖6 ④＃尾水支管上游漸變段鋼襯體型恢復(fù)示意

4.2.2 混凝土回填

固結(jié)灌漿完畢后，對混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理和沖洗，接著鋼板拼接，焊接完成后進(jìn)行混凝土回填。回填采用C25 自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆搗。鋼襯進(jìn)人孔封孔前，在鑿毛混凝土表面涂刷界面劑，在修復(fù)鋼板頂部開混凝土回填孔，預(yù)埋回填灌漿管和接觸灌漿管。

回填自密實(shí)混凝土采用DN150 鋼管進(jìn)行回填，在尾閘洞布置混凝土輸送泵送車和混凝土運(yùn)輸泵車，將DN150 鋼管一端接在鋼襯上預(yù)開孔，一端接在混凝土輸送泵車混凝土出口，輸送壓力為30 MPa，用時(shí)5 h將38 m3混凝土全部回填完畢。

混凝土回填3 d 后，對同等條件下混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到80%左右，即對新舊混凝土交界面進(jìn)行回填灌漿，待回填灌漿料強(qiáng)度上升至70%和干縮后，進(jìn)行接觸灌漿。

4.3 固結(jié)灌漿

4.3.1 系統(tǒng)灌漿

鋼襯漸變段鼓包切割范圍外部破壞混凝土采用C25 自密實(shí)混凝土回填［10］，并進(jìn)行系統(tǒng)固結(jié)灌漿；新舊混凝土交界面采取回填灌漿和接觸灌漿，灌漿壓力控制在0.5 MPa內(nèi)。系統(tǒng)固結(jié)灌漿共布置38 個孔，右側(cè)斷面A～F按照間排距1 m ×1 m，入巖3.0 m 梅花狀布置，灌漿壓力為1.5 MPa，共24 個孔；左側(cè)斷面a～d按照間排距1 m×1 m，入巖3.0 m梅花狀布置，灌漿壓力為1.5 MPa，共14 個孔［11-12］，如圖7、8 所示。

圖7 ④＃尾水支管修補(bǔ)范圍結(jié)構(gòu)灌漿平面布置示意

圖8 ④＃尾水支管修補(bǔ)范圍結(jié)構(gòu)灌漿橫剖面布置示意

固結(jié)灌漿孔孔深和孔向均滿足施工圖紙要求。固結(jié)灌漿［13］均按照設(shè)計(jì)提供的技術(shù)要求相關(guān)文件嚴(yán)格進(jìn)行，固結(jié)灌漿前，在壓力鋼管四周10 m 范圍內(nèi)進(jìn)行內(nèi)支撐和抬動觀測設(shè)備安裝，抬動變形采用千分表觀測，每隔10 min 測記1 次千分表讀數(shù)，確保灌漿順利進(jìn)行。固結(jié)孔采用全孔一段灌漿，灌漿塞塞在離孔口5～10 cm處。灌漿材料為聚氨酯類，采用LW 水溶性聚氨酯與HW 水溶性聚氨酯，LW與HW比為7∶3，灌漿壓力1.5 MPa。全孔灌漿完畢后，先用導(dǎo)管注漿法將孔內(nèi)余漿置換為彈性環(huán)氧砂漿進(jìn)行封孔，而后將注漿塞塞在孔口，采用環(huán)氧砂漿純壓灌漿封口，封孔壓力為1.5 MPa，持續(xù)時(shí)間不少于30 min，孔口壓抹齊平。

4.3.2 補(bǔ)強(qiáng)灌漿

在④＃尾水支管鋼襯漸變段8＃管節(jié)靠近頂端左右側(cè)各布置一個灌漿孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，灌漿孔采用手風(fēng)鉆鉆φ50 mm的固結(jié)灌漿孔，孔深1.8，入巖0.8～1.0 m，灌漿壓力為0.8～1.0 MPa，灌漿材料采用LW 水溶性聚氨酯與HW 水溶性聚氨酯，LW與HW比為7∶3，封孔和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)均與固結(jié)灌漿一樣，如圖9 所示。

圖9 ⑧＃管節(jié)補(bǔ)強(qiáng)灌漿布置示意

在④＃尾水事故閘門井上游側(cè)腰箱（鋼襯）布置灌漿孔，采用磁極鉆鉆φ14 mm的接觸灌漿孔和排氣，在孔口焊接灌漿塞。接觸灌漿壓力為0.1 MPa，灌漿材料采用無溶劑環(huán)氧砂漿，在排氣孔觀察漿液溢出后立即將閥門關(guān)閉，在設(shè)計(jì)壓力下，進(jìn)行注漿直至停止吸漿，持續(xù)注漿5 min后結(jié)束灌漿。

4.4 鋼管外排水

④＃尾水支管（尾水事故閘門上游側(cè)）鋼襯外側(cè)設(shè)置DN65 排水管［7-8］，將⑥＃和⑧＃外側(cè)集水槽鋼連接，再通過DN100 排水管引至尾閘室排入排水溝，并在排水管末端安裝閥門和壓力表進(jìn)行壓力監(jiān)測及外排水布置，如圖10、11 所示。

圖10 ④＃尾水支管鋼管外排水平面布置示意

圖11 ④＃尾水支管鋼管外排水縱剖面布置示意圖

④＃尾水支管鋼襯外側(cè)排水管采用DN65 不銹鋼管與原⑥＃和⑧＃外側(cè)集水U型槽鋼連接，DN65 排水管再與DN100 不銹鋼管相連接，將滲水排入尾閘室上游側(cè)排水溝，在尾閘室的泄壓孔孔口末端安裝閥門和壓力表。泄壓孔底部DN100 不銹鋼管入混凝土2.5 m，孔口入混凝土1.5 m，孔口離地0.5 m高。

③＃尾水支管鋼襯兩側(cè)設(shè)置DN100 排水管，通過排水管將滲水排至尾閘室上游側(cè)排水溝，在尾閘室的泄壓孔孔口末端安裝閥門和壓力表。泄壓不銹鋼管安裝與④＃相同。

4.5 帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿

帷幕孔灌漿［13］均按照設(shè)計(jì)提供的技術(shù)要求相關(guān)文件嚴(yán)格進(jìn)行，具體實(shí)施方案：

（1）在③＃、④＃尾水支管鋼襯起點(diǎn)下游側(cè)斷面B～D混凝土襯砌內(nèi)布置3 排帷幕灌漿［7，14］，入巖9 m，每排10 孔，第1 排傾角13°，帷幕灌漿分二序灌漿。第1 排距離鋼襯末端1.2 m，第2 與第1 排間距1.5 m，第3 與第2 排間距1.5 m，孔與孔間距為1.5 m呈梅花狀布置，共60 個孔。

（2）③＃和④＃鋼襯起點(diǎn)下游側(cè)斷面A混凝土襯砌環(huán)向各布置10 個回填灌漿孔，回填孔傾角60°，灌漿壓力為0.5 MPa；帷幕灌漿加強(qiáng)，如圖12 所示。

圖12 帷幕灌漿加強(qiáng)及排水縱剖面布置示意圖

帷幕灌漿前，檢查帷幕孔30 m范圍內(nèi)無明火和鉆孔施工。灌漿先灌下游排再灌上游排最后灌中間排，每孔分兩段進(jìn)行，第1 段灌漿塞入巖2 m，第2 段灌漿塞在混凝土襯砌內(nèi)。灌漿材料為聚氨酯類，采用LW水溶性聚氨酯與HW 水溶性聚氨酯，LW與HW 比為7∶3，第1 段灌漿壓力為1.2 MPa，第2 段灌漿壓力為0.5 MPa。全孔灌漿完畢后，按照技術(shù)要求進(jìn)行驗(yàn)收，對驗(yàn)收合格的灌漿孔進(jìn)行封孔，不合格的按照要求繼續(xù)灌漿。封口時(shí)先用導(dǎo)管注漿法將孔內(nèi)余漿置換為彈性環(huán)氧砂漿進(jìn)行封孔，而后將注漿塞塞在孔口，采用環(huán)氧砂漿純壓灌漿封口，封孔壓力為1.5 MPa，持續(xù)時(shí)間不少于30 min，孔口壓抹齊平［15］。

5 結(jié) 語

本文通過有限元計(jì)算還原、原因分析、方案處理原則、工程措施，闡述了“堵、疏、加強(qiáng)”方法對鋼襯鼓包缺陷處理可行性和可靠性，鑒于此次處理方案構(gòu)架思路，結(jié)果表明：①鋼襯漸變段結(jié)構(gòu)恢復(fù)至原狀，可滿足機(jī)組過流和穩(wěn)定運(yùn)行；②新增設(shè)排水鋼管、排水槽鋼，可將鋼襯外滲水排出；③固結(jié)灌漿加強(qiáng)了鋼襯外部混凝土，并對混凝土空隙進(jìn)行填充；帷幕灌漿，有效阻斷鋼襯漸變段下游側(cè)的滲水，保證了結(jié)構(gòu)的安全。