崖羊山水电站尾水肘管钢衬破坏原因分析和回填灌浆处理

刘 坚

（云南大唐国际李仙江流域水电开发有限公司，云南普洱，665000）

崖羊山水电站尾水肘管钢衬破坏原因分析和回填灌浆处理

刘 坚

（云南大唐国际李仙江流域水电开发有限公司，云南普洱，665000）

崖羊山水电站在2016年低水位运行一年后，发现2号机组尾水肘管钢衬撕裂脱落、混凝土脱空，通过原因分析，制定回填灌浆处理措施。

尾水肘管；钢衬；破坏；分析；回填灌浆

0 前言

崖羊山水电站位于云南省思茅地区李仙江流域墨江哈尼族自治县（左岸）和普洱哈尼族彝族自治县（右岸）的界河把边江河段上，坝址位于把边江右岸支流普治河汇合口下游约4 km处，距普洱县城82 km，距昆明市429 km。本电站为李仙江七级开发的龙头工程，以发电为主。坝址以上控制流域面积6 130 km2，占全流域面积的31.75%，水库总库容2.47亿m3，具有季调节性能。电站装机容量为120 MW，保证出力23.2 MW，年发电量4.99亿kW·h，年利用小时数4 158 h。本工程枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸引水发电系统、泄洪洞、冲沙洞和地面厂房等组成。电站2号机组尾水肘管钢衬钢板厚10 mm，钢板材质Q235。

1 破坏情况

在对2号机组尾水管肘管的检查过程中发现，钢衬管底部长8.1 m、宽7.5 m被冲毁，左右两侧钢衬也存在高1.0 m、长1.5 m的区域被冲毁，且现有的钢衬局部有翘起，脱空、脱落面积共132.75 m2，钢衬冲毁部位的混凝土存在冲刷破坏，冲刷部位部分钢筋被冲走、部分出露，见图1。

图1 2号机组尾水钢衬管破坏示意图Fig.1 Failure of steel lining of the draft tube of unit No.2

2 原因分析

2.1 设计原因

设计尾水肘管部位时未设计钢衬锚固钢筋，焊口部位在尾水脉动作用下疲劳破坏。钢衬筋板预留回填灌浆孔孔径较小且存在埋入混凝土现象，不利于保障回填灌浆质量。

2.2 施工原因

钢板大面积脱空。施工期间回填灌浆质量不符合要求，现场检查发现脱空深度2～15 cm，且脱空部位靠撕裂顶部位置较为明显。

2.3 运行工况

2016年进入汛期后，机组长期在低水头下运行。混流式水轮机在非设计工况下运行时，尾水管内会出现周期性压力脉动，脱空钢板无法长时间承受此工况，即发生破坏。

3 回填灌浆处理

3.1 灌前工作

3.1.1 布置锚筋

锚筋埋设，用ϕ20钢筋做锚杆，锚固深度0.7 m，用以支撑和修补加固钢板。锚杆沿焊缝布置，间排距@45 cm×45 cm，插筋布置错开尾水管钢筋布置；钢板中部锚杆布置，在预留的钢板孔洞位置钻孔埋设锚杆，钢板开孔及锚筋应避开肘管预埋件。

锚筋钻孔应在钢板预留孔位置进行，钢板预留孔直径为40 mm。

在钢衬修复连接部位按照间排距@45 cm×45 cm布置锚筋，以便增加钢衬焊缝抗破坏能力。

锚杆埋设工艺要求，钻孔采用高压水冲洗，带压注入水灰比为0.5∶1的水泥浆，水泥浆注满后，插入73 cm长锚杆。

采用C40混凝土对脱空较深部位进行预回填处理，降低水泥浆收缩后的空隙率。脱空或冲刷较深区域在浇筑混凝土前需合理布置钢筋网片，钢筋网片与基础钢筋相连接。

3.1.2 脱空参数的确定

钢衬接触灌浆前第一项工作是脱空参数的确定，主要包含两个内容：一是脱空深度的确定；二是脱空范围的确定。前者主要采用捶击敲打法，即用锤子敲打钢衬确定，后者则是边捶击边用粉笔圈画出脱空范围，现场将两者绘制成图，以指导开孔和灌浆施工。捶击敲打时如响声为“咚咚咚”，则该处钢衬脱空较严重；如响声为“嗒嗒嗒”，则该处存在脱空，但深度不深；如响声为“当当当”，则该处钢衬与混凝土接触良好。检查完成后在钻孔阶段再利用钻孔以卷尺测量脱空深度进行校正。捶击敲打法操作时要求必须清理干净钢衬表面上的堆物、附浆等，敲打者尽量不穿软质鞋子，必要时搭架钢管，以使捶击敲打者的脚不踩在被捶击敲打的钢衬上。所有这些均是保证钢衬被捶击敲打时发出的响声清楚、真实的有效措施。

3.1.3 钻孔埋嘴

根据DL/T5148-2012《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》要求，每一个独立的脱空区布孔不应少于2个，最低处和最高处都应布孔，孔径不宜小于12 mm。钻孔的布设原则是在满足规范的前提下，尽量少布和减小孔径，以减少钢衬破坏。如脱空区相互连通，则位于低处的脱空区布设孔径较大的灌浆孔，位于高处的脱空区布设孔径较小的排气孔。钻孔的布设位置要避开钢衬的接头、加劲环等部位。造孔时先用小钻头ϕ12 mm将钢衬钻穿，用钢卷尺插入孔内测量脱空深度。通过对脱空面积、脱空深度及脱空区情况的计算分析，估算每个独立脱空灌区的需浆量，依据需浆量确定钻孔的数量及孔径。如果脱空灌区面积较大、脱空深度浅，则钻孔数量多、孔径小。反之，如果脱空灌区面积小、深度大，则钻孔数量少、孔径大。造孔完毕后即在孔内功丝，然后装上灌浆管、排气管。在此需要特别指出的是对脱空面积较大的灌区，尤其是对脱空深度较浅的大灌区，除了按照规范要求布设灌浆孔和排气孔外，尚应布设1～2个用于安装压力表的钻孔。一般布置在脱空区中间位置，以监测灌浆时钢衬的压力，以防抬动钢管。

3.1.4 冲洗

钢衬接触灌浆冲洗的目的有三：一是清除脱空区内的污物、积水；二是检查和掌握脱空区的串通情况；三是冲洗水中加入高锰酸钾等将水染色，计量注入量，以掌握脱空容积，以便准备充足的灌浆材料。钢衬底部冲洗时遵循先水洗后风吹的顺序。水洗时水从脱空高处孔注入，脱空低处孔排除污物积水。水循环冲洗各两次直至回水清洁、积水全部清除为止。冲洗时使用的风水压力一般控制在灌浆压力的80%。冲洗时观察脱空区的串通情况并将串通情况及时标记清楚，冲洗完毕后与其他检查成果一起绘制成图。

3.2 灌浆压力及浆液选定

灌浆压力和浆液浓度是直接影响灌浆效果的两个重要因素。使用较大的灌浆压力和浓度较高的浆液，填充脱空的效果较理想，因为大压力能使浆液填充充分，而浓浆则结实后收缩比小，能避免出现二次脱空。但钢衬能承受的最大压力有限，超过则钢衬被拱起。而浓浆流动性能较差，易引起堵塞，同时浓浆无法灌深度较浅的脱空区。根据不同部位钢衬承受能力和脱空面积大小，设计规定灌浆压力在0.1～0.3 MPa。对于无法使用较大灌浆压力的大面积脱空，为保证浆液的有效充填，采用多台灌浆泵及一台泵接多个灌浆管头，并延长屏浆时间，以保证灌浆质量。所有的灌浆区域均保留钢衬的内支撑，以达到使用较大灌浆压力的目的。浆液浓度取决于脱空深度。对于脱空区域较大的灌区，部分采用了浓浆的灌注方法。对脱空深度较浅的灌区，灌注稀浆。灌注水泥浆液的灌区，均采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1和0.5∶1比级，以先稀后浓的原则施灌，为增加浆液流动性、早强性，可按规范要求在浆液中掺入一定量的减水剂和早强剂。

3.3 灌浆

接触灌浆施工过程中严格遵循先稀浆后浓浆和先小压力后大压力的原则，初始注浆压力在0.1～0.3 MPa。灌浆时在进浆管、回浆管和脱空区都安装压力表，以监测各自的压力情况。在脱空区域内或其他未脱空但距灌区较近的部位安装千分表，用以监测钢衬在施灌过程中的变形情况。压力表和千分表都派有专人观测，每隔2 min向送浆人员读报一次数值。灌浆自低部位脱空区的低处孔开始，灌浆过程中敲击振动钢衬，待各高处孔分别排出浓浆后一次将其孔口关闭，灌浆压力控制由小到大逐级升压,压力最大不能超过0.3 MPa，在注浆速率不大于0.01 L/min时不增加压力，浆液输送均匀连续，坚决杜绝“吃一口、喂一口”或“一口喂饱”的做法。即使吃浆量较大也不过快加大送浆量，防止脱空区已被灌满而送浆尚在继续，引起钢衬“鼓包”。灌浆过程中严格控制供浆的连续性，灌浆过程中杜绝出现中断，导致进浆孔、送浆管堵塞的现象。脱空区未灌满而发生中断时的处理要求为：一旦发生供浆中断，则用水冲洗灌区，将脱空区内已灌进的浆液全部清除，以便重新灌浆，坚决杜绝因供浆中断导致进浆孔堵塞而进行二次布孔的现象。为防止灌浆突然中断事故，除保证水电供应及机械设备正常运行外，还要制备足够的浆材并保持管路畅通。钢衬接触灌浆停灌标准为：在设计给定的灌浆压力下，出浆孔排出的浆液浓度与灌入的浆液浓度相同，封闭排浆孔不再吸浆后，屏浆20 min，即可结束。为防止屏浆时钢衬拱起，在屏浆时对排气管的阀门进行适当调整。

3.4 质量检查与补灌

钢衬接触灌浆质量检查要求在灌浆结束14 d后进行。质量检查的主要内容是脱空范围和脱空深度。检查方法仍采用捶击敲打法检查脱空范围，并根据敲击的响声初步判断脱空范围和深度，对脱空区域布设一些小孔检查脱空深度，最后利用钻孔进行注水试验，了解脱空区的灌后串通情况。通过计算注水试验时的纯注入量得出脱空体积，根据对脱空面积、脱空深度及脱空体积的计算结果，分析评定灌浆质量及是否要进行补灌处理。为尽量提高钢衬整体强度，对灌后脱空面积大于0.5 m2的脱空区才要求进行补灌，并根据检查结果确定补灌措施。检查合格后或补灌合格后的脱空灌区，才可以将原埋设的灌浆管、排气管取下，清除钻孔周围浆液并将孔口削成倒角，扭上与钢衬材料相同的螺杆，在孔口倒角处进行焊补处理，较厚处用砂轮磨平，至此整个施工才算完成。

4 结语

（1）尾水管设计的合理性和尾水管施工质量好坏都影响到尾水管的长期安全稳定运行。钢衬底部回填灌浆不饱满造成的钢衬底部大面积脱空，及混凝土、砂浆强度低，灌浆孔封焊质量差等，在尾水管长期运行过程中都可能导致钢衬破坏，应引起设计和施工人员的足够重视。

（2）机组应在规定的运行范围内运行，尽可能减少在低水头、大开度、低负荷工况下运行。

[1]FJD 35180,水电站厂房尾水管技术设计大纲范本[S].

[2]郑源，汪宝罗，屈波.混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述[J].水力发电，2007，33(2):66-69.

2017-05-12；

2017-05-19

刘 坚（1986-），男，云南曲靖人，工程师，长期从事水利水电工程工作。

作者邮箱：786184105@qq.com

Cause for failure of steel lining of the elbow draught tube of Yayangshan hydropower station and backfill grouting

LIU Jian

Lixian River Hydropower Development Co.,Ltd.

By one-year operation of Yayangshan hydropower station with low water level,failure of steel lining of the draft tube of unit No.2 and separation between the tube and the concrete are found.By cause reason analysis,backfill grouting is adopted for treatment.

elbow draught tube;steel lining;failure;analysis;backfill grouting

TV698.2

B

1671-1092（2017）05-0072-03