某水电站高压明钢管变形事故分析

王景涛，赫庆彬，吕彦伟

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

非洲某引水式水电站，主要由大坝、溢洪道、引水系统、地面厂房和出线场等组成。大坝为均质土坝，最大坝高38 m，水库总库容为4.48亿m3，有效库容3.63亿m3；引水系统采用一洞两机的布置型式，厂房为地面式，总装机容量97 MW[1]。

电站引水系统由以下部分组成：①低压管道、隧洞，直径2.7 m，长度1 804 m；②调压井，简单圆筒式，直径3.0 m，高度89.3 m；③竖井，直径2.5 m，高220 m；④高压隧洞，马蹄形断面，直径2.6 m(末端为圆形断面，直径2.1 m)，长595 m，隧洞末端设事故蝶阀；⑤高压明管段，直径2.1 m，长度1 480 m；共设镇墩13个(含岔管处)，支墩134个。1～12号镇墩下游侧及进厂房前设伸缩节，共计14台(两台位于支管上)；⑥发电厂房装机两台，单机容量48.5 MW，总装机97 MW，发电额定水头614.5 m。

引水系统高压明管段纵剖图详见图1。

1 事故情况简述

该项目于2011年投产使用，2015年移交给业主，并于2011、2013年进行过两次修复及缺陷处理。

2011年9月，2号机组商业运行期间，因高压隧洞末端事故蝶阀突然关闭，高压明管段管轴线出现横向变形，伸缩节位置12号伸缩节发生扭转破坏，此后更换了12号伸缩节，并将3、7、9、10、11号伸缩节进行复位处理，对沿线部分支墩进行了修复和加固处理。

2012年10月，7、8号伸缩节及6～8号镇墩间压力钢管发生变形，部分支墩发生横向偏移，项目部于2013年3月初对相关的支墩和侧向限位挡板进行了加固处理。

图1 引水系统高压明管段纵剖图

2018年12月，电厂运行人员发现9号伸缩节异常，将(高压隧洞末端)事故蝶阀以下钢管排空后，发现9号伸缩节已呈破坏性变形。根据2019年1月的现场查勘情况，压力钢管9～10号管段情况最为严重，现场可以明显察看到的问题包括：9号伸缩节扭转失稳破坏，内外护套管破坏，拉杆拉压损坏，拉杆两端耳板变形或断裂，焊接耳板的刚性环变形，波纹外露。9-1L、9-2L、9-3L支墩挤压后严重变形或破坏，支墩混凝土局部破碎。9号伸缩节及其周边支墩限位破坏情况见图2。

图2 9号失稳伸缩节及损坏的支墩限位图

此外，现场还发现9号镇墩上游钢管入口位置被泥沙掩埋，镇墩下游钢管出口底部有水滴出，镇墩周围排水沟内有明显水流。

2 现场调查及技术资料复核

2.1 现场测量数据分析

根据2019年1月30日及2019年3月20日现场调查期间实测数据，压力钢管镇墩间轴线实测长度、镇支墩位置等参数，见表1及表2。

表1 各镇墩轴线距离偏差表 m

根据表1可知，各镇墩间的中心距离即管线长度与设计长度偏差较大，最大达0.895 m。

根据2019年3月20日现场提供的“高压明管实测中线”测量图，以两镇墩为基点连线，作为压力钢管轴线，对各管段支墩位置的轴线偏差分析详见表2。由表2可知，高压明管段管轴线在纵向和侧向均存在很大的变形。明钢管的轴线变形并不罕见[2]，但像本工程这么大的变形值比较少见。

由表1、2可以推测，压力钢管镇、支墩基础因坐落于覆盖层或全风化层上，已发生沉降，且沉降极不均匀，支墩沉降量已远超规范相关要求。

表2 镇墩间各支墩位置最大偏差统计表 mm

2.2 设计技术文件复核

2.2.1 镇、支墩设计

1)地质勘察。前期地质勘察沿管道轴线完成了连续的物探测试和5个探坑的开挖。

根据物探测试成果，管道沿线地层的主要特征为：表部为10～20 m的崩积覆盖层和强～全风化的砂岩，下伏10～20 m的弱风化砂岩。在20～40 m深度时为中等～稍微破碎的新鲜砂岩。

根据试坑开挖揭露，崩积物主要为含碎石和块石的粘质砂质粉土、密实，块石最大粒径达到30 cm。碎石和块石含量一般为5%～40%。

根据物探测试成果，发现有几条“疑似断层”，位移在10 m量级。推测这些断层为古滑坡形成的陡坡，而不是构造成因。经判断河谷下部的现状边坡是稳定的，没有发现有上述规模的滑坡倾向。

根据前期可行性阶段的研究，对于边坡表部较厚的覆盖层和强～全风化的岩石而言，允许的承载能力大约为175 kPa，基本设计阶段的基础承载力取值也为175 kPa。

根据详细设计阶段镇支墩稳定计算书，可以查到以下承载力数据，列于表3。根据工程经验判断，表3中镇、支墩地基允许承载力取值明显偏高。

表3 各镇墩地基允许承载力表 kPa

2)镇墩稳定计算及基础处理。根据详细设计阶段镇支墩稳定分析的计算结论。

因3号、5号、12号镇墩水平推力很大,单靠镇墩混凝土很难满足抗滑稳定要求,需设置桩基础。但在实际施工过程中，只有1号及12号镇墩设置了桩基础。3号、5号镇墩基础施工现场按设计通知进行了变更，采取深挖基础、增加锚杆或扩大基础等型式，取消桩基础施工。

3)镇、支墩沉降计算。本项目镇、支墩坐落于深厚覆盖层上，基础沉降是否满足规范要求，对整个压力管道系统结构安全至关重要。设计部分缺少沉降相关的分析及复核，也没有考虑防止沉降发生的相关措施。

4)上凸弯管镇墩锚筋计算。弯管置于镇墩混凝土内，相当于大体积混凝土内有一个大孔口，应力比较复杂。上凸弯管所承受的两轴向力的合力向外、向上，似有向上掀起、揭掉管轴以上混凝土的趋势，横断面的最小厚度处(轴线两侧和顶部)最易裂开，使镇墩混凝土上下分裂。为此上凸弯管处的镇墩应予特别重视，应经过验算并配置足以保证镇墩联成整体的锚筋或锚环(用型钢)，并将其插入底部混凝土内。锚筋布置方向随转弯半径方向布置。

本项目上凸弯管没有进行相关计算，经复核，只有1号镇墩配筋满足整体要求，5号、6号、8号、9号上凸弯管镇墩配筋不满足整体要求。

5)钢管镇、支墩出现的问题和处理措施。2014年8月，对高压明管段做了检查，除1号镇墩外，其它镇墩上部在机组运行后均出现了径向裂缝，每个镇墩顶部、两侧腰部裂缝基本上从上游贯穿到下游，镇墩混凝土的整体性受到一定程度的损坏。

据了解，现场对各镇墩裂缝进行了化学灌浆处理，墩体表面涂刷2～3 mm厚度改性沥青，但并没有按原定的处理方案进行镇墩加固处理。

2.2.2 明钢管结构设计复核

引水系统中的高压明管，长度约为1 480 m，直径为2.1 m，全线共设镇墩13个，支墩134个，下游紧邻镇墩处设伸缩节。钢管主材采用07MnMoVR，壁厚22～40 mm，支承环及加劲环采用Q345R。

经复核，在压力钢管轴线现状下，明钢管的跨中断面、支承环旁侧及支承环应力仍可满足允许应力要求，钢管的容许外压也大于设计的0.1 MPa。明钢管轴线经过调直后，钢管结构仍可利用。

2.3 施工记录调查分析

2.3.1 明钢管的施工顺序

高压明管施工安装顺序是从厂房侧13号镇墩开始，从低处往高处摞节施工，一直安装到蝶阀，再施工支腿、浇筑支墩二期混凝土，全长没有设置凑合节(原设计要求设置凑合节)，伸缩节也是在管节拼接到所在位置时安装的。镇墩混凝土浇筑是在管节、伸缩节安装完工后浇筑的。

高压明管施工完成后，没有及时测量管线偏差。有记录的第一次管线偏差测量是2011年10月16日，12号伸缩节更换之后测得，这时已经历了多次充、排水过程。

2.3.2 镇、支墩和沟槽护面混凝土的施工

1)据了解4号～5号镇墩间镇、支墩混凝土为雨季施工，根据收集的到资料表明，雨季施工没有相应的防护措施，基坑泡水，不满足混凝土施工规范要求。

2)12号～13号镇墩间钢管安装过程中，由于现场缺少水泥，一年后才开始浇筑支墩混凝土，钢管安装支撑不足。经复核，钢管在未设置侧向限位的情况，直接暴露在阳光下，因钢管阴、阳侧存在温度梯度会产生过大的侧向变形[3]，本项目钢管侧向变形可达700～900 mm。在未对侧向变位进行系统纠偏的情况下，后期浇筑支墩，已经存在缺陷。

3)支墩混凝土浇筑后由于水泥供应中断，支墩周围和沟槽的护面混凝土无法浇筑，沟槽开挖面没有及时封闭，经过了一个雨季的冲刷、固结和沉降，在空管状态下雨季过后出现约11个支墩滑移、或沉降脱空，后采用抬高垫板、砂浆填塞方式避免钢支腿脱空，并在2011年5月31日充水之前浇筑混凝土防护槽面。在2011年10月份12号伸缩节出现事故前没有镇、支墩测量资料。

2.4 运行期记录调查分析

该电站原设计为调峰电站，但根据电厂现任厂长介绍，该国电力异常紧张，机组在2012年元月完成720 h试运行后，长期24 h运行，除意外或组织停机以外。自投产到现在，电厂设备没有按照操作与运维手册规定频率进行大修。电站出现特别异常运行状况，包括：频繁甩全负荷，随后又自动开机，这种意外停启频率最多时为每周3次以上，出现异常且复杂的水力过渡过程，可能引起管道过频繁的压力脉动和过高的水击压力。对压力钢管弯管段及安装偏差或侧向变形较大的“大弯管段”稳定及应力产生不利的影响。

3 事故原因分析

现场提供的实测数据及查勘情况表明：高压明管段管轴线在纵向和侧向的变形以及支墩沉降量均已远超规范相关要求，需要进行系统加固处理。高压明管段管产生过大变形的原因有以下几方面。

3.1 地质勘察深度不足

1)原可研报告中建议应该在下一阶段对压力钢管沿线进行地质勘察工作，查明沿线覆盖层厚度和岩层分布，以及相应的物理力学特性。收集到的资料显示，基本及详细设计阶段均未进行压力钢管沿线的钻探工作，没有查明沿线的覆盖层厚度及强风化基岩的厚度。

2)可研报告提出的覆盖层承载力建议值为175 kPa。根据报告中对土性的描述，该建议值是比较中肯的，但原设计镇、支墩稳定及地基应力计算采用地基承载力特征值300～400 kPa明显偏高。

3)地质资料过于简单，仅有岩性的一般描述且不全面，缺少相应的力学指标和参数。原报告未指出软弱的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩存在遇水易软化、地基承载能力降低的问题。

现场发现8-8号～8-10号支墩(9号镇墩上游侧)处地下水出露，该地段地下水位远高于原压力钢管纵剖面中推测的地下水位，水文地质条件已经发生变化。9号镇墩基础遭地下水浸泡，地基承载力可能已大幅降低。

3.2 结构型式不妥

1)本工程压力钢管镇、支墩基础均坐落于覆盖层上，各镇、支墩下伏覆盖层厚度不同，地质条件较差。设计中对地基沉降、变形对镇、支墩及压力钢管结构、伸缩节的不利影响考虑不足。

2)镇、支墩间距偏大，选用的镇、支墩间距参数更适合于岩基上的刚性支撑。

3.3 施工工序不合理

据了解，高压明管施工顺序是从厂房侧开始，由下游向上游拼接钢管，伸缩节是在管节拼接到所在位置时安装的，一直拼接到蝶阀后，再施工支腿、浇筑支墩二期混凝土，全长没有设置凑合节，镇墩混凝土浇筑是在管线、伸缩节完工后浇筑的。高压明管施工完后，没有及时测量管线偏差。有记录的第一次管线偏差测量是2011年10月16日，12号伸缩节更换之后测得，这时已经过一个雨季，且管线经历过多次充、放水过程。

3.4 安装精度偏差大

相应规范对钢管安装、支墩施工的偏差有严格的规定。本工程钢管安装过程中，没有考虑温度对钢管变形的影响[4]，没有使用凑合节并在合适的温度实施钢管合拢，钢管试通水前没有进行相关的安装偏差验收、检验。钢管运行前各方向可能已存在较大偏差，运行后更会加剧这种偏差，从而导致运行期多次出现事故。

3.5 运行与维护

该水电站自投产以来，除意外停机或组织停机外，长期24 h运行，电厂设备没有按照操作与运维手册规定频率进行大修。电站出现特别异常运行状况，包括：频繁甩全负荷，随后又自动开机，这种意外停启频率最多时为每周3次以上，出现异常且复杂的水力过渡过程，会引起管道过频繁的压力脉动和过高的水击压力。对压力钢管弯管段及安装偏差或侧向变形较大的“大弯管段”稳定及应力产生不利的影响。

电站运行期间，高压明管段进行多次的管道充水排水程序没有按设计推荐的方案执行。排水时只排蝶阀以下，充水时直接从蝶阀旁通管往下游明管充水，导致蝶阀平压瞬间压力增长约2.5 MPa，给高压明管段造成冲击甚至振动。

本项目高压管段多个镇、支墩坐落在于覆盖层基础上，运行期钢管发生的水击或过大振动，在钢管轴线存在偏差的部位，会产生额外的、不可控的附加荷载，这种附加荷载作用于镇、支墩上，引起镇、支墩的不均匀沉降甚至影响稳定性，而钢管轴线会随着镇、支墩的沉降存在而加剧变形，反过来又会增大上述附加荷载的作用，致使高压管道系统整体变形超出规范要求。

3.6 工程处理措施不到位

1)收集到的资料显示，本工程自投入运行以来管道经历的3次较严重事故，均发现有管线位移、支座滑移、伸缩节损坏的情况出现。现场对支墩及侧向限位结构进行的历次局部加固处理，没有系统地分析发生变形的原因并采取有效的处理措施，致使支墩受力愈来愈不均匀，出现支墩混凝土局部压碎的现象。

2)经复核，镇墩混凝土配筋偏少，混凝土开裂后钢筋不足以抵抗弯管段所受不平衡合力，上凸弯管尤为突出，镇墩混凝土整体性较差，可能已起不到固定点的作用，存在安全隐患。

4 处理建议

鉴于以上原因，提出建议如下：

1)进行高压管道部位地形补充测量。控制测量两种设计方案，一是收集该电站施工控制网资料，平面控制点不少于3个，高程点2个。平面和高程控制测量分别布设四等GNSS控制网和四等高程控制网。二是若收集不到或点位破坏则建立工程独立坐标系。

2)建议补充钻探工作，查明覆盖层、全强风化基岩的厚度和性状，以及沿线的地下水情况。只有查明压力钢管镇支墩地基土层地层结构，才能提供有针对性的永久加固方案。

3)业主提出厂坝连接道路沿线频繁出现塌方体、滑坡体，担心管线沿线存在地层表面蠕动。现场查勘时也发现9号镇墩附近有地下水出露，地下水位线与原设计推测的地下水位线偏差较大，软弱的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩遇水易软化、地基承载能力大幅降低。建议对坡度较陡的、且地下水出露的管道基础、管槽边坡进行加固处理。

4)钢管镇、支墩基础均坐落于覆盖层上，仅有1号、12号镇墩基础设有桩基础。根据规范要求，镇墩宜坐落于岩石基础上，若坐落于软基上，需要进行必要的基础处理。本工程镇墩间距偏大，建议增设新镇墩减小镇墩间距，并对镇、支墩基础进行加固处理。

5)全面调整管道轴线及各支墩定位，修复或更换已损坏的伸缩节。在当前的管道现状下，管线竖向和侧向位移都远超过规范要求，管线变形后，管道产生了较大的附加应力，仅调整钢管支承环上的限位结构是不够的，需先调整管道轴线(侧向和竖向)偏差至合理范围内，再考虑管道的侧向限位的调整和加强措施。

6)加强支墩的侧向限位措施。

7)加强管槽边坡防水和管底排水措施，可重点对已发现地下水出露的镇墩下游侧设排水管，释放覆盖层中的地下水。

8)控制运行工况，避免钢管长时间空管曝晒，消除位移温度荷载。

9)增加镇墩、支墩位移的专项监测系统，并设置安全限值，确保工程安全可控。

5 结 语

本工程高压明管段的破坏很具代表性，经过详细的调查分析，得到以下几点结论：

1)应重视明钢管管线的前期地质勘察工作，包括压力钢管沿线覆盖层厚度及岩层分布和水文地质勘察，为结构设计提供全面有效的支撑。

2)镇墩尽量坐落在完整基岩上，如覆盖层埋深过大，应采取适当的基础处理措施，不能打折扣；上凸弯管镇墩受力条件差，是镇墩稳定分析和结构设计的重点。

3)土基上的镇支墩间距应当取规范的小值，过大的间距与不良地质条件的叠加将造成基础沉降、管线变形等一系列不利影响。

4)明钢管由于受力条件复杂，造成钢管变形的可能因素很多，伸缩节参数选取应有足够的安全储备。

5)明管施工应严格按照相关规程规范的施工顺序，做好加工及安装误差控制，避免施工期造成较大的永久变形。

6)海外工程由于所在国基础设施条件差，在施工期可能出现油料、建材等物资供应问题影响正常施工，在运行期电站很可能不按照操作规程正常运行且缺乏必要的检修和维护，因此前期设计时应留出足够的安全裕度，避免造成大的事故和经济损失，延长工程使用寿命。