引水式电站压力钢管局部屈曲变形处理

韦庆华

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

1 概述

某引水式水电站的压力隧洞全长2.39 km，包括上平段、10%斜井段、38.27%斜井段、下平段和岔管段。引水隧洞开挖洞径为2.8～3.1 m，呈马蹄形断面。斜井及下平洞段采用钢管衬砌，钢板为Q460C型号，厚度15～60 mm，从上至下共929 个管节，管背回填C30 混凝土，钢衬内径为2.2 m，最大内水水头685 m。在混凝土回填浇筑完成后的例行检查中发现，斜井段钢衬CHA.1+117.194～CHA.1+121.194之间管节顶拱的中间位置发生向下屈曲变形，变形横跨3 个2 m 的标准管节，编号分别为284、285 和286，壁厚均为15 mm。实测变形区域长度约为4 m，宽度约0.65 m，顶部最大下曲高度约10 cm。压力钢管变形将极大降低其对外水压力的承载能力[1]。

2 屈曲变形原因分析

通常，钢管发生变形的原因见图1。

图1 钢管屈曲变形原因

本工程屈曲变形事件发生在施工阶段，工程师和承包商现场展开联合调查，并逐一进行排查。

（1）钢管变形部位地下埋深约为320 m，回溯的开挖施工资料表明，该地段岩石较完整，无地质断层发育，为Ⅰ类围岩，透水性小，仅局部存在滴水现象，围岩稳定条件良好，失稳坍塌可能性极小，通过后续处理措施中的固结孔钻探结果也表明，钢管变形和围岩失稳无关。

（2）查阅钢管制作记录和安装验收资料，表明屈曲变形管节材料质量和施工质量均符合要求，无异常质量现象。通过对变形管节进行查验和探伤检测，所有焊缝饱满完整，无明显裂痕，探伤结果亦显示焊缝和板材内部无明显缺陷。因此，可以排除管材质量和施工质量是引起钢管变形的原因。

（3）斜井段钢衬背后回填的混凝土均通过溜槽自流入仓，不存在使用泵送方式导致钢管变形的可能性[2]。混凝土自流产生的荷载极小，同时斜井段所有回填混凝土在事发当日之前均已浇筑完成，所以可以排除浇筑荷载过大引起钢管变形。

（4）具有加劲环的钢管抵抗外荷载的能力在1.8 MPa 以上，在没有内水外渗情况下，要使外水压力突然变大几乎不太可能，从施工期已安装的渗压计读数基本稳定为0.3 MPa，可以排除外水压力突变。

（5）事发当天，在下游的503管节和上游的196管节进行固结灌浆施工，回填灌浆孔钻孔从下往上已到达274管节，钻进过程无异常，294管节一序孔在进行回填灌浆。

综上所述，可以初步判断钢管鼓包屈曲变形的原因为灌浆压力无法及时扩散引起的。

3 变形处理

3.1 施工工艺

（1）施工程序：变形钢板钻孔和管背固结灌浆→钢板割除→旧砼凿除→替换钢板制作和安装验收→空腔回填接触灌浆。

（2）钢板制安流程见图2。

图2 钢板制安流程

3.2 具体实施

（1）钢管钻孔。由于变形管节内部的混凝土和岩石情况处于隐蔽状态，无法直接判断管背是否存在塌方和混凝土是否受损。为保证安全施工，在割除钢板前，在管节变形区域内开设3个探孔（后续兼做固结灌浆孔），采用碳弧气刨法开孔，开孔尺寸50 mm×50 mm。

（2）固结灌浆。为保证钢板焊接环境处于干燥状态以及施工安全，需对变形钢板上部进行固结灌浆。固结灌浆压力选用0.4 MPa，孔深3 m，浆液比级采用2∶1、1∶1、0.6∶1三个级别。固结灌浆在规定的压力下，灌浆孔段注入率不大于1L／min时，延续30 min 结束。固结灌浆结束3 d后可进行变形钢板切割。

（3）变形钢板割除。割除区示意图见图3和图4（标注尺寸均以mm 计，下同），管节变形部分切除前，先在钢管内壁划出双线，其中一线为切割参考线，另一条为准确的对装线，参考线相比对装线内缩10 mm。复核尺寸后，采用碳弧气刨沿切割参考线从上往下的方向进行切割，全部变形钢板切除后，通过砂轮机对切割口进行打磨直至对装线，同时修磨出坡口。如此，既能保证尺寸的准确性，更是需要通过打磨去除切割口位置的渗碳层以保证焊缝质量。在切割方向上将变形钢板按500 mm左右宽度切成小块，以便于人工移除。

图3 钢板割除区平面展开示意图

图4 钢板割除区断面示意图

（4）混凝土凿除。钢板割除后，用破碎机对混凝土进行凿除，深度和宽度如图5所示。

图5 混凝土凿除范围示意图

（5）替换钢板制作和安装。替换钢板安装示意图见图6，替换钢板A尺寸为1250 mm×4000 mm，补强钢板B 和C 均为500 mm×4500 mm，3 块钢板均为弧形板。钢板A整体补至割除区，对接处即形成纵向焊缝1、纵向焊缝2 以及两条环向焊缝，钢板B 和钢板C分别对应贴焊至纵向焊缝1、纵向焊缝2的位置。需要注意的是，较窄的宽度和过长的卷制长度均不利于卷板控制，宜按1000 mm以上宽度卷板后再裁切组装成弧板。钢板对装前，先在钢管外侧坡口位置对装上40 mm×4 mm 背垫板，采用手拉葫芦临时固定并采用4个千斤顶顶撑就位钢板A。完成钢板A的对装后，采用二氧化碳保护焊的焊接方法进行施焊，焊接顺序是先进行286管节的环缝焊接，然后由286 管节起向上进行两侧纵缝的焊接，最后完成284 管节位置的环缝焊接。B 板和C 板对装就位同板A，然后对四周进行角焊缝焊接，按1∶3坡度打磨至平滑。

图6 替换钢板安装示意图

（6）焊缝探伤。焊接完成后，进行焊缝超声波探伤，若发现缺陷，立即进行返修处理，直至焊缝达到I类焊缝要求。

（7）回填接触灌浆。完成探伤工作后，对该位置形成的空腔依次进行回填和接触灌浆。回填灌浆压力不大于0.2 MPa，浆液比级分别为1∶1和0.6∶1；接触灌浆压力不大于0.2 MPa，浆液比级分别为1∶1、0.8∶1 和0.6∶1。

4 结语

本工程变形区域钢管割除后，管背混凝土没有变形且无异常裂隙，印证了钢管变形原因判断的正确性，最终判定为附近管节灌浆施工引起的气塞现象，此现象值得重视。灌浆施工过程中务必按照规程规范实施，分序加密，密切注意灌浆压力波动情况。钢管变形段经处理后，通过充水试验和试运行阶段的再次检查，各项设计技术指标满足要求，钢管衬砌段未发现异常，目前水电站正常运行，表明钢管屈曲变形处理措施可靠，可以为类似工程处理提供参考。