白鹤滩水电站大坝钢衬环缝凹陷控制技术

周 鹏

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 611130)

1 概 述

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处金沙江干流河段，是目前世界在建规模最大、单机容量最大、综合技术难度最高的水电工程，是中国水电引领全球的又一张“国家名片”，是我国“十四五”开局之年投产发电的超级工程，在水电工程建设史上，具有划时代的里程碑式意义。

该工程拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶为高程834 m，坝高289 m，坝下设水垫塘和二道坝。泄洪设施包括大坝6个表孔、7个深孔和3条泄洪隧洞。泄洪深孔布置在15～21号坝段，钢衬均为矩形断面，断面尺寸为12 m×5.5 m，设加劲肋板。深孔过流面钢衬采用不锈钢复合钢板，厚度24 mm，其中复层(厚度4 mm)为双相不锈钢022Cr23Ni5Mo3N(S22053)钢板，基层(厚度20 mm)为热轧低合金高强度Q345C钢板，所有钢衬肋板及加强板均采用热轧低合金高强度Q345C钢板，厚度20 mm[1]。

钢衬施工过程中发现环缝组拼、焊接成型后容易产生凹陷问题，且该凹陷的产生影响到钢衬整体外观质量以及后续高速水流冲刷磨损，降低钢衬使用寿命，直接关系到坝体的安危。为解决大坝钢衬环缝凹陷问题，对导致环缝凹陷的各方面因素进行了研究分析并制定了相应的解决措施。

2 钢衬环缝凹陷原因分析

通过其他工程类似项目的施工经验总结，结合相关技术资料及现场查勘，发现造成大坝深孔钢衬环缝凹陷的因素包含瓦片翘边、未预留反变形及焊接变形。

2.1 瓦片翘边

肋板与面板拼装时先将面板铺设于平台上，调整平直度并固定，然后划出各加劲肋板组拼线，按照从中间往四周先环肋后纵肋的方向依次拼装加强肋板。环向加劲肋间距500 mm，每张瓦片均设4～6列环向加劲肋，间隔小而密，肋板与面板加固焊接后，焊缝收缩会导致瓦片翘边，后续环缝焊接会出现环缝凹陷问题。

2.2 未预留反变形

通过前期钢衬环缝成型效果检查和复核，发现未预留反变形会致使不同程度环缝焊后平面度超标，局部产生凹陷，所以预留焊接反变形对控制环缝凹陷有较大影响。

2.3 焊接变形

(1)坡口。钢衬环缝坡口的型式不适用将会导致焊接变形的产生。原设计坡口型式为18 mm(基层)+6 mm(复合层)不对称坡口，单边坡口角度30 °，通过焊接试验得出单位条件下复合层焊接时输入的热量大于基层，致使环缝焊接变形，出现钢衬环缝凹陷。

(2)焊接电流。焊接电流过大会产生咬边、气孔等缺陷，并使焊缝过热，熔深较大，焊接收缩过大导致环缝焊接部位变形，平面度超标，产生环缝凹陷[2]。

(3)焊接顺序。焊接顺序的正确选择直接关系焊缝的成型质量，原定先采用不锈钢侧焊缝焊接，再碳钢面碳弧气刨清根、打磨，最后进行焊接的顺序，但通过焊接试验发现该焊接顺序使焊接变形较大，易导致环缝凹陷产生。

3 针对大坝钢衬环缝凹陷采取的控制措施

大坝钢衬环缝凹陷不仅涉及钢衬自身的质量问题，同时也影响大坝日后的长久运行。通过认真分析问题的根源，进行了充分的调研和试验，可以采取措施来有效预防和控制大坝钢衬环缝凹陷的产生，使其质量满足设计及规范要求。

3.1 保证装配质量，采取措施控制变形

钢衬的单件组装包括顶板、侧板、底板与纵、横肋的单件组装。组装时需注意控制加劲肋板与面板的垂直度、加劲肋板间垂直度，为减小焊接变形，加劲肋板与加劲肋板之间、加劲肋板与面板间均为顶紧装配。

肋板与面板的角焊缝焊接前需采取防止焊接变形的措施，在瓦片宽度方向上的中间和两侧均设置不锈钢块，中间的不锈钢块比两侧的不锈钢块高5 mm，瓦片四周使用压码加楔铁固定；肋板角焊缝选用CO2气体保护焊，多层多道焊接，从中心向四周对称焊接，也在一定程度上减少瓦片边缘焊接变形。

焊接完成后，检查瓦片变形情况，局部变形使用火焰进行校正，火焰校正禁止直接在复合板上进行，应通过烘烤肋板，由肋板受热后，膨胀与收缩来带动瓦片校正平面度。

3.1 环缝焊接变形的控制

(1)调整坡口型式。首先进行焊接工艺评定试验，根据焊接工艺评定报告，原设计坡口型式单位条件下复合层焊接时输入的热量大于基层，易出现钢衬环缝凹陷问题。因此将原设计的对接坡口型式调整为15 mm(基层)+9 mm(复合层)不对称坡口，单边坡口角度由30 °调整为25 °，坡口开设均匀，切割面光滑，有棱有角，调整后的坡口型式见图1。

图1 调整后坡口型式图

坡口制备必须在具有足够刚度的切割平台上进行，为确保切割精度，切割平台平面度不超过2 mm。采用数控切割机对工件正式切割前，均预运行一次，确认无误后方可进行切割，不锈钢复层采用等离子电弧切割，然后用角磨机打磨修整处理。

(2)严格执行焊接工艺评定报告焊接电流参数。为确定最佳的焊接电流参数，进行了焊接试验及焊接工艺评定，焊接试验覆盖环缝各种焊接位置及对应的焊接方法、焊接材料，通过多次试验不断对焊接电流进行优化，得到合适的焊接电流参数。焊接电流参数见表1。

表1 焊接电流参数表

焊接过程中，必须严格按照规定的焊接电流参数进行操作，坚决杜绝为了提高焊接速度，加大焊接电流的施工操作[3]。

(3)明确焊接顺序，现场严格执行。为保证焊接成型质量，选定最佳的焊接顺序，组织进行了焊接试验及焊接工艺评定。根据焊接工艺评定报告，确定了钢衬环缝分层分道的焊接顺序：先施焊钢衬外侧的基层焊缝，外侧焊缝焊接完成之后在不锈钢侧进行清根，然后打磨钢衬内部基层，再焊接过渡层和复合层焊缝。钢衬环缝焊接顺序见图2。

图2 钢衬环缝焊接顺序图

基层焊接时，其焊道不应触及和熔化复层，且其焊道根部或表面，不得超过过渡层，应距复合界面1～2 mm，以免造成过渡层受热过多及淬硬组织的出现，影响过渡层的焊接质量。为防止过大的焊接热输入量对复层金属的影响，保证双相不锈钢焊接质量，应严格限制基层的焊接热输入量，多层、多道焊的层间温度一般要求不超过100 ℃。

环缝施工采用偶数焊工进行对称焊焊接，焊工至少控制在10～12人，焊接参数、焊接顺序保持基本一致，焊接时遵循对称和分段退步焊的原则。钢衬焊接的辅助装置结构示意图见图3。

3.3 压缝预留焊接凹陷反变形

大坝钢衬吊装就位后进行压缝施工。钢衬压缝时先对钢衬4个角进行对位，保证钢衬的错边量，再焊接定位焊，然后以4个角为起点进行压缝，注意控制钢衬错边量和环缝间隙。

环缝压缝时预留3 mm反变形，向钢衬内侧环缝凸起3 mm，并及时将钢衬纵缝肋板安装到位，该肋板类似于骑马板，起到连接、固定作用。环缝复合层焊接时，采用直接勾在环向肋板的串浆孔上的弓字码加16 t千斤顶施加外力，创造出环缝焊接反变形施工条件。清根时最好选用Φ8 mm碳棒，焊缝分两次清根，第一次清根确定走向，保持与环缝一致，再进行第二次清根，两次清根后容易控制清根坡口宽度和深度，更能保证坡口相对均匀，减少焊缝工程量，从而减少焊接变形。环缝焊接后进行敲击消应，减少焊接应力产生的环缝凹陷[4]。

1为千斤顶；2为刚性顶举装置；3为钢衬环缝；4为钢衬环向肋板；5为钢衬衬板图3 钢衬焊接的辅助装置结构示意图

4 控制效果

采取上述措施后，对白鹤滩水电站大坝钢衬孔身段的环缝成型质量进行检查统计，一次验收合格率90%以上，部分焊缝存在局部凹陷或者人为打磨凹陷均可采取补焊、打磨的方式进行修补处理，同时通过挑选经验丰富、责任心强的打磨人员，提高打磨技术，降低人为操作失误，有利于钢衬焊缝整体外观高质量的形成。该措施技术可行，有效合理。

5 结 语

通过对白鹤滩水电站大坝钢衬环缝凹陷成因的分析与研究，针对其不同的成因，总结提炼出对应的钢衬环缝凹陷的控制措施。白鹤滩水电站大坝钢衬环缝焊接施工通过采取以上手段，使钢衬环缝凹陷得到了有效的防治和改善。减少了钢衬环缝的返工处理，提高了钢衬安装的工作效率，缩短了钢衬安装工期，从而降低了人工、设备、材料和时间的消耗，同时，减轻了后续深孔过流冲刷后的反复修补投入[5]，所取得的经验可为其他类似工程提供参考与借鉴。