某抽水蓄能電站鋼管鼓包原因分析與處理措施

李 沖，張戰午，王化龍，王健姣

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014)

1 工程概述

某抽水蓄能電站總裝機容量4×300 MW，額定水頭195 m，單機額定流量176.1 m3/s，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房系統和地面中控樓、開關站等組成。尾水系統采用2機1洞布置型式，其中尾水支洞長128.755 m、洞徑7.4 m，尾水管至尾水閘門門槽中心下游側20 m采用鋼板襯砌，尾水系統其余洞段均采用鋼筋混凝土襯砌。

2 鋼管設計參數

尾水系統采用4機2洞布置，其中①、②號機組與③、④號機組分別共一個輸水單元。③號機組尾水支洞鋼襯范圍樁號為“③尾支0+000.000 m～0+074.630 m”，總長74.63 m，共39節。鋼襯標準管節長2.0 m、內徑7.4 m、壁厚22 mm，材質為16MnR，回填C20混凝土厚0.70 m。鋼襯抗外壓穩定采用加勁環，標準管節加勁環間距1.0 m，材質為16MnR，斷面尺寸30 mm×250 mm(厚×高)。此外，為滿足機組技術供水要求，在③號機組尾水支洞正底部開槽埋設1根DN400的機組技術供水排水管。

③號機組尾水支洞鋼襯段全長全斷面進行固結灌漿，固結灌漿孔間排距3.0 m×2.0 m、孔徑50 mm，入巖5.0 m，灌漿壓力1.2 MPa。鋼襯頂部120°范圍內利用管壁預留固結灌漿孔進行回填灌漿，灌漿壓力0.4 MPa。鋼襯底部90°范圍內進行接觸灌漿，灌漿壓力0.2 MPa。

3 鋼管鼓包情況及現場查勘

電站4臺機組自2010年12月全部投產，總體運行情況良好。2015年9月7日—9月22日，電站組織開展了③號機組C級檢修。9月22日在拆除③號機組錐管檢修平臺，并進入流道對③號機組尾水支洞鋼襯段進行例行檢查時，首次發現在緊挨尾水管下游側的③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號管節存在鼓包現象。建設單位組織原設計單位與施工單位等相關專業技術人員進行了3次現場查勘。

3.1 第1次現場查勘

經初步檢查，在緊挨尾水管下游側的③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號管節共有10個鼓包，其中較為明顯的鼓包有6個，集中在第2號管節兩加勁環以及第2號管節末端與相鄰第3號管節首端的兩管節加勁環(環縫附近處)之間，在斷面上均分布在鋼管兩側腰線以下，最大鼓包直徑約1 200 mm、高度約40～50 mm，最小鼓包直徑約700 mm、高度約20 mm。錘擊鼓包及相鄰區域無空鼓聲音。經擴大檢查范圍，其余管節段均未發現異?，F象，鋼管焊縫及灌漿孔也未發現有明顯滲水現象。

3.2 第2次現場查勘

本次對地下廠房系統的滲控廊道進行了全面巡視檢查，檢查結果表明，上述部位地下水不發育，除5號滲控廊道F8斷層帶內洞頂有較大線狀滴水外，排水廊道其余部位絕大部分洞壁干燥，局部洞壁偶見潮濕現象。各排水廊道與廠房檢查廊道排水溝側絕大部分排水孔內無反水現象，個別排水孔甚至出現無水現象，所有排水孔孔口安裝的地下水測壓表指針讀數全部為零，打開排水閥均無排氣排水現象。據此基本可以排除因地下水產生外水壓力導致鋼襯鼓包的可能性。

3.3 第3次現場查勘

第3次現場查勘，主要對③號機組尾水支洞鋼襯鼓包發展情況、焊縫及灌漿孔封堵情況以及④號機組尾水支洞鋼襯段和②號機組尾水岔洞與主洞進行了全面檢查，同時對③號機組尾水支管底部技術供水排水管進行了壓水試驗。

經詳細檢查，在緊挨尾水管下游側的③號機組尾水支洞鋼襯段第2號管節兩加勁環以及第2號管節未端與相鄰3號管節始端的兩管節加勁環(環縫附近處)之間總共發現23個不同程度的鋼管鼓包。鼓包主要出現在第2號管節兩加勁環間，鼓包數為16個，另外在第2號管節末端與第3號兩管節環縫之間也有7個鼓包產生；最大鼓包直徑約960～1 000 mm、高度約47～50 mm，對應鼓包編號分別為7號和11號，最小鼓包直徑約400～500 mm、高度約20 mm，對應鼓包編號為1、16、17和22號。

鼓包檢查結果還表明，自首次發現鼓包并經充水運行約3個半月以后，③號機組尾水支洞鋼襯鼓包規模(大小與高度)無明顯變化，但鼓包數量有所增加(可能與檢查的方式方法有關)，從鋼管管節鼓包的發展趨勢與程度來看，底部鼓包相對較大，腰線及洞頂較小，鋼管鼓包橫斷面上具有從底部逐漸向腰線以及洞頂蔓延擴展的趨勢；從壓力鋼管軸線(發電水流方向)來看，由于受兩側加勁環的限制，該方向上游無擴展，沒有鼓包跡象，鼓包范圍主要限制在第2號管節兩加勁環之間以及第2號管節與第3號管節環縫附近處，其發展規模與程度自2號管節向第3號管節逐漸減弱，并有向下游發展的趨勢。

鋼襯鼓包斷面分布素描圖見圖1～2。

圖1 2號管節鋼襯鼓包斷面分布示意圖

圖2 3號管節鋼襯鼓包斷面分布示意圖

4 鋼管鼓包原因初步分析

4.1 鋼管抗外壓能力復核

鋼管的抗外壓穩定分析有解析法[1,5]和有限元法等[2-4]，本文采用解析法進行復核，復核結果和抗外壓穩定驗算成果見表1～2。地下水安全監測及廠房排水系統現場巡視結果表明，地下廠區圍巖透水性弱，地下水較不發育，鋼襯設計外水壓力取值合理，符合本工程地下水位發育水平。從鋼管復核成果來看，鋼襯具有一定的抗外壓穩定安全裕度，鋼襯鼓包隱患的產生非設計原因所致。

表1 尾水鋼管管壁厚度計算成果表

表2 尾水鋼管抗外壓穩定計算復核成果表

注：考慮到尾水鋼管頂部地下洞室、排水廊道、以及下游帷幕對外水的削弱作用，外水壓力分2段進行計算，鋼管頂部到排水廊道之間取全水頭，排水廊道到地下水位線之間按圍巖類別取外水折減系數0.3，折算后的綜合外水折減系數約0.4。

4.2 地下水監測成果分析

安全監測資料表明，2015年三季度③號機組尾水支洞監測斷面外水壓力實測最大值約為0.15 MPa，發生部位為③號機組尾水支洞Pb4-1測點，遠小于鋼襯設計外水壓力。

Pb4-1測點外水壓力變化過程線如圖3所示。可見電站運行后，外水壓力趨于穩定，目前一直維持在較為穩定的狀態。外水壓力與流道充水和上水庫蓄水沒有相關性，外水壓力并沒有隨流道充水的影響而明顯增加或減少。

4.3 鋼管鼓包原因初步分析

結合監測成果和現場檢查結果，對因設計、施工、鋼板質量、運行管理、管道內水外滲、尾水系統地下水位過高、以及隧洞圍巖失穩造成③號機組尾水支洞鋼襯鼓包的可能性一一進行比對分析[6-11]，基本上可排除以上各原因。

工程建設階段，為滿足機組技術供水要求，在③機組尾水支洞正底部開槽埋設有1根DN400的機組技術供水排水管，開槽尺寸800 mm×700 mm(寬×深)，機組技術供水排水管安裝完后回填C20素混凝土。第3次現場查勘時，利用③、④號機組放空檢修的機會，對③號機組尾水支洞底部DN400的技術供水排水管進行了壓水試驗。壓水試驗結果表明，鋼襯鼓包鉆孔處外水流量及壓力變化與③號機組技術供水排水管內壓變化有著直接的水力聯系，據此基本可確定造成本次③號機組尾水支洞鋼襯鼓包隱患的原因為③號機組技術供水排水總管在③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號管節處存在破裂點或滲漏點所導致。

5 鋼管鼓包處理方案

鋼管鼓包事故發生后，經過分析，確定如下處理方案：

(1) 選取若干橫斷面進行實測，確定鋼襯鼓包范圍，將變形區域位置和擬切割范圍進行劃線，并進行切除。

(2) 鑿除鋼襯鼓包洞段范圍內底部③號機組技術供水排水管管槽回填素混凝土，找出③號機組技術供水排水管在③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號管節處的破損點(滲漏點)，并對該破損點進行修復，修復后應對③號機組技術供水排水管的修復焊縫進行探傷，并對整個管道進行壓水試驗。

(3) 在2號管節底部靠近上游加勁環側加焊?50 mm排水支管，并接入③號機組尾水支洞鋼襯底部?50 mm外排水主管內，回填C25自密實混凝土至鋼襯底部高程以下約5 cm處。

(4) 鑿除鋼襯周邊混凝土，范圍見圖4～5。混凝土徑向鑿除深3 cm，鋼板縱縫、橫縫以及灌漿孔補強板部位局部深5 cm，環向及軸向應超出鋼襯未切除端至少5 cm，以便于瓦片的安裝和焊接。

(5) 備換鋼襯瓦片安裝和焊接，瓦片采用Q345R，厚度22 mm。瓦片上應布置預留灌漿孔，備換鋼襯瓦片分割見圖6～7。

圖3 尾水支洞襯砌外水壓力變化過程線圖

圖4 2號管節混凝土鑿除范圍示意圖 單位：mm

圖5 3號管節混凝土鑿除范圍示意圖 單位：mm

圖6 2號管節備換瓦片示意圖

(6) 鋼襯焊接完畢后，采用鋼襯預留孔進行回填灌漿，以填充鋼襯與混凝土之間空腔，灌漿壓力0.2 MPa。接觸灌漿[1，12]經現場錘擊后采用化灌進行，灌漿壓力0.2 MPa。

(7) 灌漿結束后對灌漿孔進行封堵，并沿鋼襯內壁布置1圈套管[13]以增加鋼襯抗外壓穩定能力，套管材質與鋼襯一致，厚度22 mm、寬度400 mm。

(8) 除銹及防腐處理。

圖7 3號管節備換瓦片示意圖

6 結 語

③號機組尾水支洞鋼襯鼓包對水電站的運行存在一定的安全隱患，但鼓包出現在兩道加勁環之間，不會嚴重影響水電站的正常運行和危及工程安全，經有效處理后即可消除此隱患。造成鼓包隱患的原因為③號機組技術供水排水管在③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號管節處存在局部破損造成滲漏所導致。類似工程建設時，參建各方除鋼襯本身外，尚應對鋼襯附屬管道予以重視，避免類似事故產生。

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