某水电站尾水隧洞钢管鼓包现象的探讨

曹刘光

(中国水利水电建设工程咨询西北有限公司,西安　710061)



某水电站尾水隧洞钢管鼓包现象的探讨

曹刘光

(中国水利水电建设工程咨询西北有限公司,西安710061)

针对某水电站尾水隧洞钢管局部出现鼓包的现象，重点介绍了鼓包分布位置和产生时间，分析了产生鼓包的原因，并通过对尾水钢管承受的荷载做进一步分析探讨，提出鼓包的处理措施，处理效果满足质量要求。

水电站；尾水钢管；鼓包；荷载分析；探讨

1　工程概况

某水电站枢纽主要由上水库、水道系统、地下厂房系统及地面出线场、下水库拦河坝和拦排沙工程等建筑物组成。水道系统由上水库进/出水口、压力管道、尾水隧洞、下水库进/出水口、排水廊道组成。尾水系统采用1管1机的布置方式。4条尾水隧洞平行布置，斜出厂房，其中心线与机组中心线的夹角为83°，内径均为5.0 m。根据结构的设计特性，分为钢筋混凝土衬砌和钢管回填混凝土段2部分，其中钢管回填混凝土段长度为76 m，每条尾水隧洞29管节，由水平段、转弯段和斜段组成，标准管节21节，单节长度为3 m，剩余的始装节、凑合节及转弯段等部位为非标准钢管，钢管内径为5 m ，钢板材质为16MnR钢板，厚度为16 mm，标准管节钢管外侧设置有3道厚度为22 mm，宽度180 mm，间距1 m的加劲环。

尾水隧洞开挖体形为马蹄形状，采取锚喷混凝土或素喷混凝土支护，钢衬与围岩之间在斜段采用素混凝土进行回填，平段采用微膨胀混凝土进行回填。尾水隧洞钢管混凝土回填是按每安装3节钢管回填1次，混凝土泵入仓，泵管架空，泵管未与钢管的加劲环直接接触，两侧均匀上升。Ø50 mm软轴振捣棒振捣，仓号内外人员用既定信号联系，浇筑速度适中。顶部浇筑时，施工人员退出仓号，将上半圆部分模板封堵加固后，采用一级配混凝土进行混凝土封仓浇筑，模板、泵管及通风管经检查均未出现异常现象。

2　尾水钢管鼓包情况

尾水隧洞钢管局部出现鼓包后，引起了业主、设计、监理及施工单位的高度重视，参建各方曾多次派人到现场查看情况，分析原因。并加强了对钢管鼓包的监测和混凝土回填施工的质量监督，暂停回填灌浆施工。

尾水隧洞钢管局部出现鼓包的情况见图1所示。尾水隧洞钢管局部出现鼓包情况统计数据见表1。

图1　3号尾水隧洞钢管鼓包平面布置图

表1　尾水隧洞钢管局部出现鼓包情况统计表

2006年9月10日，监理和施工单位通过布设在鼓包部位的预留灌浆孔进行查看，卸开丝堵3个(鼓包上1个，鼓包外2个)，发现丝堵孔内的混凝土密实且干燥。随后敲击钢管发现鼓包部位混凝土密实，鼓包外有局部脱空现象。

9月13—14日，采用小直径冲击钻进行钻孔检查，由于钻具进深度的限制，后改用手风钻钻孔，钻进顺利，钻孔深度4 m，其中混凝土钻进0.8 m,没有空腔，岩石部分钻进3.2 m。从钻进过程看，岩石不破碎，未发现渗水现象。

9月15日监理单位与施工单位共同发现3、4号钢管鼓包部位的鼓包继续变形，有扩大、增高现象，开始对Ⅳ25-Ⅳ27、Ⅲ25-Ⅲ27部位的灌浆孔(2×9个孔)进行钻孔检查。

9月16—17日施工单位对1、3、4号第26节钢管的灌浆孔进行钻设，测量结果,见表2。

表2　测量结果表

9月18日以后各参建单位多次赴现场专门检查鼓包变化情况，Ⅲ、Ⅳ号钢管鼓包未再发现变化，钻孔内无渗水现象。

3　钢管鼓包产生的时间和位置

从尾水钢管局部出现鼓包情况的统计表中，不难看出钢管产生鼓包时间均在混凝土凝固期。施工期间，1、3、4号尾水钢管共发现10个鼓包，均分布在钢管腰线以上，其中4个鼓包发生在钢管的顶部。

4　尾水钢管承受的荷载分析

4.1钢管外水压力

围岩分担外水压力的比例取决于岩石的性质。当岩石坚硬、完整时，围岩承担较大的外水压力，甚至承担全部外水压力，钢板只起防渗作用。从钻孔资料上分析，不能证实围岩坍塌，并且钻孔内无渗水，说明围岩无断层及裂隙出现，可以承担外水压力，因此可以排除外水压力的影响。

4.2施工期钢管承受荷载分析

施工期钢管承受荷载理论分析主要由灌浆压力、混凝土自重、流态混凝土压力、空气压力、泵送压力等组成。施工情况的主要荷载是灌浆压力，针对尾水钢管出现的屈曲鼓包是在回填混凝土后的第3天到第20天内产生的，此时段是混凝土凝固期，没有进行灌浆，所以不存在灌浆压力。

根据钢管设计规范，按带加劲环(δ=16～20 mm，h=200 mm)管壁稳定压力估算，钢管的设计压力Prc=7.4～11.3 kg/cm2，即0.74～1.13 MPa。混凝土自重压力经计算约为2.4×10-3kg/cm2，不能造成钢管局部鼓包现象的发生。

回填混凝土时，流态混凝土的压力值取决于混凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次浇筑高度。据施工方案来看，钢管回填混凝土采用两侧均匀下料的方法，浇筑高度在控制范围之内；混凝土入仓时，混凝土泵的压力也在正常的工作范围内，即每小时的浇筑速度不大于7 m3。由此可排除流态混凝土压力的影响。

最后考虑空气压力和泵送压力的影响。由于下水库进/出水口受地质条件制约，使得尾水闸门在钢管回填施工前已经落下，进/出水口部位无法布设钢管回填浇筑平台，只能从尾水隧洞厂房端(低于进/出水口高程)进行回填，从而导致尾水钢管的回填混凝土方式与正常施工有所改变，正常施工为每安装3节钢管回填1次混凝土，采用混凝土泵入仓，泵管预设在混凝土浇筑层内，由每节钢管顶部下落，最后回填该节顶部封闭腔。而实际从尾水隧洞厂房端自下向上的回填方式增加了施工的控制难度，容易造成排气不畅，使入仓混凝土夹裹了空气。推测到施工单位为使混凝土充填的密实，加大了回填的泵送压力(泵送压力为瞬时动荷载，其大小与混凝土泵出厂参数、使用年限、管路损失等因素有关)，同时空腔内的空气受水泥水化温度变化的影响而膨胀，泵压加空气膨胀增压将导致钢管出现鼓包。

4.3采取的措施

经参建各方讨论决定在回填混凝土仓号增加1根回浆管，即在通气管下部增加1根Ø50 mm钢管作回浆管(通气管里口距顶拱超挖最大处约2 cm，回浆管里口距顶拱超挖最大处约8～10 cm)。收盘时以回浆管出浆作为收盘标准。整个浇筑过程，除个别仓号浇筑时出现泵管堵管、泵体出现故障外，混凝土仓号划分、入仓、振捣、排气、回浆、浇筑速度、混凝土泵及泵管布置等均符合要求。

5　鼓包处理方案

(1) 对于鼓包高度小于30 mm，在鼓包稳定条件下，又满足水力学的过流条件，可不进行处理。

(2) 对钢管顶拱鼓包位置钢板进行矩形切除。根据鼓包分布情况，确定切割范围，为保证钢板修复质量，鼓包需完全处于切割范围之内。

(3) 将鼓包位置钢板切除后，需对钢板后混凝土进行凿除。如钢衬段鼓包范围涉及到加劲环，就需对加劲环进行修复处理，否则不修复。

(4) 将鼓包位置混凝土凿除完成后，需进行钢板及加劲环的修复焊接工作。

(5) 钢管内壁涂装材料应采用超厚浆型环氧沥青防锈漆，防锈漆干膜总厚度为500 μm，分2层喷涂，每层漆膜厚度为总膜厚的1/2。焊缝无损探伤采用100%超声波检查，100%MT或PT。对于钢板修复范围内混凝土凿除较少的进行化学灌浆即可，而鼓包切割和凿除范围较大的，需进行sika混凝土回填。

6　结　语

某水电站尾水隧洞钢管在施工期间就出现鼓包现象，这是中国水电站所少见的，为此，电站的各参建单位均引起高度的重视，处理效果满足质量要求，并采取有效的措施防止再次出现此类问题。本文根据现场调查与分析，希望通过从不同角度的讨论加深对一些问题的认识，供其他水电工程参考借鉴。

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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

曹刘光(1981- )，男，河南省永城市人，工程师，从事水利水电工程监理与咨询工作.

TV732.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.009