某水电站尾水隧洞钢管鼓包现象的探讨.pdf

文章编号:10062610(2016)04003503 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) 摘 要: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。 关键词:水电站;尾水钢管;鼓包;荷载分析;探讨 中图分类号:TV732. 4 文献标识码:A DOI:10. 3969/ j. issn. 1006-2610. 2016. 04. 009 Study on Bulge of Steel Pipe in Tailrace Tunnel CAO Liuguang (China Hydro Consulting Engineering Corporation, Northwest Branch, Xian 710065,China) Abstract: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 han- dling effect satisfies quality requirement. Key words:hydropower station; tailrace steel pipe; bulge; load analysis; study 收稿日期:2016-03-22 作者简介: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. 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。 50 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 53西北水电2016 年第 4 期 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 项目 管号 出现鼓包 部位 混凝土浇筑 开/ 收盘时间 最早发现 鼓包时间 最早发现 鼓包面积 发现鼓包扩大 的时间及面积 准确测量 鼓包时间 鼓包稳定 时间 1 -22 21-22 焊缝 20061009T19:20 20061010T21:10 20061012 20061014 1 处 2 处;(最大 110 cm90 cm 最高 3.8 cm) 20061016 20061108 20061108 以后 326 20060818T23:00 20060820T05:00 20060830 1 处 (10 cm 15 cm 高 1cm) 4 处;20060906; (最大 78 cm65 cm 最高 4.6 cm) 20060910 20060915 以后 426 20060804T19:20 20060806T02:50 20060826 3 处(最大 40 cm 50 cm 高 2cm) 4 处;20060906; (最大 120 cm90 cm 最高 15 cm) 20060910 20060915 以后 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 1314 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25-27、25-27 部位的灌浆孔(2 9 个孔)进行钻孔检查。 9 月 1617 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 项目 总孔深 / m 基岩面孔深 / m 混凝土顶面 孔深/ m 备注 1 号尾水隧洞2.60.80.8无空腔 3 号尾水隧洞3.00.90.9无空腔 4 号尾水隧洞4.00.60.6无空腔 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,、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 63曹刘光. 某水电站尾水隧洞钢管鼓包现象的探讨 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( = 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. 410-3kg/ 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 50 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 m,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。 (下转第 43 页) 73西北水电2016 年第 4 期 带来明显的不利。 (2) 根据文献9,泄洪闸单体模型试验,正态 模型,模型比尺 1 50,3 孔泄洪(冲砂)闸及下游 100 m 范围。 试验表明: 1) 敞泄工况下流态稳定、水面波动小;局开工 况下闸后河道底部存在漩涡区,漩涡强度随着闸门 开度增加而增加,各试验工况最大临底流速为 1. 1 5. 3 m/ s,最大平均流速为 1. 6 6. 2 m/ s。 2) 在正常水位闸门局开 1 m 工况下,堰面斜坡 直线段上切点处存在 2. 35 kPa 的负压,其余测点均 为正压,溢流面流速约 8 m/ s,出现空蚀破坏的可能 性很小。 3) 在校核、设计及正常水位闸门开度小于 5 m 工况运行,冲坑均未到达基岩;在正常水位局开 7 m 及 9 m 工况,基岩冲刷深度为 1. 0 1.