某水電站尾水隧洞鋼管鼓包現(xiàn)象的探討

曹劉光

(中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司,西安　710061)

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某水電站尾水隧洞鋼管鼓包現(xiàn)象的探討

曹劉光

(中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司,西安710061)

針對某水電站尾水隧洞鋼管局部出現(xiàn)鼓包的現(xiàn)象，重點介紹了鼓包分布位置和產(chǎn)生時間，分析了產(chǎn)生鼓包的原因，并通過對尾水鋼管承受的荷載做進(jìn)一步分析探討，提出鼓包的處理措施，處理效果滿足質(zhì)量要求。

水電站；尾水鋼管；鼓包；荷載分析；探討

1　工程概況

某水電站樞紐主要由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面出線場、下水庫攔河壩和攔排沙工程等建筑物組成。水道系統(tǒng)由上水庫進(jìn)/出水口、壓力管道、尾水隧洞、下水庫進(jìn)/出水口、排水廊道組成。尾水系統(tǒng)采用1管1機(jī)的布置方式。4條尾水隧洞平行布置，斜出廠房，其中心線與機(jī)組中心線的夾角為83°，內(nèi)徑均為5.0 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計特性，分為鋼筋混凝土襯砌和鋼管回填混凝土段2部分，其中鋼管回填混凝土段長度為76 m，每條尾水隧洞29管節(jié)，由水平段、轉(zhuǎn)彎段和斜段組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)21節(jié)，單節(jié)長度為3 m，剩余的始裝節(jié)、湊合節(jié)及轉(zhuǎn)彎段等部位為非標(biāo)準(zhǔn)鋼管，鋼管內(nèi)徑為5 m ，鋼板材質(zhì)為16MnR鋼板，厚度為16 mm，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)鋼管外側(cè)設(shè)置有3道厚度為22 mm，寬度180 mm，間距1 m的加勁環(huán)。

尾水隧洞開挖體形為馬蹄形狀，采取錨噴混凝土或素噴混凝土支護(hù)，鋼襯與圍巖之間在斜段采用素混凝土進(jìn)行回填，平段采用微膨脹混凝土進(jìn)行回填。尾水隧洞鋼管混凝土回填是按每安裝3節(jié)鋼管回填1次，混凝土泵入倉，泵管架空，泵管未與鋼管的加勁環(huán)直接接觸，兩側(cè)均勻上升。?50 mm軟軸振搗棒振搗，倉號內(nèi)外人員用既定信號聯(lián)系，澆筑速度適中。頂部澆筑時，施工人員退出倉號，將上半圓部分模板封堵加固后，采用一級配混凝土進(jìn)行混凝土封倉澆筑，模板、泵管及通風(fēng)管經(jīng)檢查均未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

2　尾水鋼管鼓包情況

尾水隧洞鋼管局部出現(xiàn)鼓包后，引起了業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理及施工單位的高度重視，參建各方曾多次派人到現(xiàn)場查看情況，分析原因。并加強了對鋼管鼓包的監(jiān)測和混凝土回填施工的質(zhì)量監(jiān)督，暫停回填灌漿施工。

尾水隧洞鋼管局部出現(xiàn)鼓包的情況見圖1所示。尾水隧洞鋼管局部出現(xiàn)鼓包情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

圖1　3號尾水隧洞鋼管鼓包平面布置圖

表1　尾水隧洞鋼管局部出現(xiàn)鼓包情況統(tǒng)計表

2006年9月10日，監(jiān)理和施工單位通過布設(shè)在鼓包部位的預(yù)留灌漿孔進(jìn)行查看，卸開絲堵3個(鼓包上1個，鼓包外2個)，發(fā)現(xiàn)絲堵孔內(nèi)的混凝土密實且干燥。隨后敲擊鋼管發(fā)現(xiàn)鼓包部位混凝土密實，鼓包外有局部脫空現(xiàn)象。

9月13—14日，采用小直徑?jīng)_擊鉆進(jìn)行鉆孔檢查，由于鉆具進(jìn)深度的限制，后改用手風(fēng)鉆鉆孔，鉆進(jìn)順利，鉆孔深度4 m，其中混凝土鉆進(jìn)0.8 m,沒有空腔，巖石部分鉆進(jìn)3.2 m。從鉆進(jìn)過程看，巖石不破碎，未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

9月15日監(jiān)理單位與施工單位共同發(fā)現(xiàn)3、4號鋼管鼓包部位的鼓包繼續(xù)變形，有擴(kuò)大、增高現(xiàn)象，開始對Ⅳ25-Ⅳ27、Ⅲ25-Ⅲ27部位的灌漿孔(2×9個孔)進(jìn)行鉆孔檢查。

9月16—17日施工單位對1、3、4號第26節(jié)鋼管的灌漿孔進(jìn)行鉆設(shè)，測量結(jié)果,見表2。

表2　測量結(jié)果表

9月18日以后各參建單位多次赴現(xiàn)場專門檢查鼓包變化情況，Ⅲ、Ⅳ號鋼管鼓包未再發(fā)現(xiàn)變化，鉆孔內(nèi)無滲水現(xiàn)象。

3　鋼管鼓包產(chǎn)生的時間和位置

從尾水鋼管局部出現(xiàn)鼓包情況的統(tǒng)計表中，不難看出鋼管產(chǎn)生鼓包時間均在混凝土凝固期。施工期間，1、3、4號尾水鋼管共發(fā)現(xiàn)10個鼓包，均分布在鋼管腰線以上，其中4個鼓包發(fā)生在鋼管的頂部。

4　尾水鋼管承受的荷載分析

4.1鋼管外水壓力

圍巖分擔(dān)外水壓力的比例取決于巖石的性質(zhì)。當(dāng)巖石堅硬、完整時，圍巖承擔(dān)較大的外水壓力，甚至承擔(dān)全部外水壓力，鋼板只起防滲作用。從鉆孔資料上分析，不能證實圍巖坍塌，并且鉆孔內(nèi)無滲水，說明圍巖無斷層及裂隙出現(xiàn)，可以承擔(dān)外水壓力，因此可以排除外水壓力的影響。

4.2施工期鋼管承受荷載分析

施工期鋼管承受荷載理論分析主要由灌漿壓力、混凝土自重、流態(tài)混凝土壓力、空氣壓力、泵送壓力等組成。施工情況的主要荷載是灌漿壓力，針對尾水鋼管出現(xiàn)的屈曲鼓包是在回填混凝土后的第3天到第20天內(nèi)產(chǎn)生的，此時段是混凝土凝固期，沒有進(jìn)行灌漿，所以不存在灌漿壓力。

根據(jù)鋼管設(shè)計規(guī)范，按帶加勁環(huán)(δ=16～20 mm，h=200 mm)管壁穩(wěn)定壓力估算，鋼管的設(shè)計壓力Prc=7.4～11.3 kg/cm2，即0.74～1.13 MPa。混凝土自重壓力經(jīng)計算約為2.4×10-3kg/cm2，不能造成鋼管局部鼓包現(xiàn)象的發(fā)生。

回填混凝土?xí)r，流態(tài)混凝土的壓力值取決于混凝土一次澆筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次澆筑高度。據(jù)施工方案來看，鋼管回填混凝土采用兩側(cè)均勻下料的方法，澆筑高度在控制范圍之內(nèi)；混凝土入倉時，混凝土泵的壓力也在正常的工作范圍內(nèi)，即每小時的澆筑速度不大于7 m3。由此可排除流態(tài)混凝土壓力的影響。

最后考慮空氣壓力和泵送壓力的影響。由于下水庫進(jìn)/出水口受地質(zhì)條件制約，使得尾水閘門在鋼管回填施工前已經(jīng)落下，進(jìn)/出水口部位無法布設(shè)鋼管回填澆筑平臺，只能從尾水隧洞廠房端(低于進(jìn)/出水口高程)進(jìn)行回填，從而導(dǎo)致尾水鋼管的回填混凝土方式與正常施工有所改變，正常施工為每安裝3節(jié)鋼管回填1次混凝土，采用混凝土泵入倉，泵管預(yù)設(shè)在混凝土澆筑層內(nèi)，由每節(jié)鋼管頂部下落，最后回填該節(jié)頂部封閉腔。而實際從尾水隧洞廠房端自下向上的回填方式增加了施工的控制難度，容易造成排氣不暢，使入倉混凝土夾裹了空氣。推測到施工單位為使混凝土充填的密實，加大了回填的泵送壓力(泵送壓力為瞬時動荷載，其大小與混凝土泵出廠參數(shù)、使用年限、管路損失等因素有關(guān))，同時空腔內(nèi)的空氣受水泥水化溫度變化的影響而膨脹，泵壓加空氣膨脹增壓將導(dǎo)致鋼管出現(xiàn)鼓包。

4.3采取的措施

經(jīng)參建各方討論決定在回填混凝土倉號增加1根回漿管，即在通氣管下部增加1根?50 mm鋼管作回漿管(通氣管里口距頂拱超挖最大處約2 cm，回漿管里口距頂拱超挖最大處約8～10 cm)。收盤時以回漿管出漿作為收盤標(biāo)準(zhǔn)。整個澆筑過程，除個別倉號澆筑時出現(xiàn)泵管堵管、泵體出現(xiàn)故障外，混凝土倉號劃分、入倉、振搗、排氣、回漿、澆筑速度、混凝土泵及泵管布置等均符合要求。

5　鼓包處理方案

(1) 對于鼓包高度小于30 mm，在鼓包穩(wěn)定條件下，又滿足水力學(xué)的過流條件，可不進(jìn)行處理。

(2) 對鋼管頂拱鼓包位置鋼板進(jìn)行矩形切除。根據(jù)鼓包分布情況，確定切割范圍，為保證鋼板修復(fù)質(zhì)量，鼓包需完全處于切割范圍之內(nèi)。

(3) 將鼓包位置鋼板切除后，需對鋼板后混凝土進(jìn)行鑿除。如鋼襯段鼓包范圍涉及到加勁環(huán)，就需對加勁環(huán)進(jìn)行修復(fù)處理，否則不修復(fù)。

(4) 將鼓包位置混凝土鑿除完成后，需進(jìn)行鋼板及加勁環(huán)的修復(fù)焊接工作。

(5) 鋼管內(nèi)壁涂裝材料應(yīng)采用超厚漿型環(huán)氧瀝青防銹漆，防銹漆干膜總厚度為500 μm，分2層噴涂，每層漆膜厚度為總膜厚的1/2。焊縫無損探傷采用100%超聲波檢查，100%MT或PT。對于鋼板修復(fù)范圍內(nèi)混凝土鑿除較少的進(jìn)行化學(xué)灌漿即可，而鼓包切割和鑿除范圍較大的，需進(jìn)行sika混凝土回填。

6　結(jié)　語

某水電站尾水隧洞鋼管在施工期間就出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，這是中國水電站所少見的，為此，電站的各參建單位均引起高度的重視，處理效果滿足質(zhì)量要求，并采取有效的措施防止再次出現(xiàn)此類問題。本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與分析，希望通過從不同角度的討論加深對一些問題的認(rèn)識，供其他水電工程參考借鑒。

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Study on Bulge of Steel Pipe in Tailrace Tunnel

CAO Liuguang

(China Hydro Consulting Engineering Corporation, Northwest Branch, Xi'an710065,China)

Aiming at the local bulge of the steel pipe in tailrace tunnel, distribution location and occurrence time of the bulge are described. Causes of the bulge are analyzed. Through analysis on loads acting on the steel pipe, measures to handle the bulge are provided and the handling effect satisfies quality requirement. Key words:hydropower station; tailrace steel pipe; bulge; load analysis; study

1006—2610(2016)04—0035—03

2016-03-22

曹劉光(1981- )，男，河南省永城市人，工程師，從事水利水電工程監(jiān)理與咨詢工作.

TV732.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.009