水电厂引水管道钢衬脱空原因分析及处理

樊 锐

(大唐石泉水力发电厂，陕西石泉 725200)

1 工程概述

1.1 工程简介

石泉水电厂位于汉江上游陕西省石泉县城西1 km峡谷出口处，是汉江上游最早建设的一座大(2)型水电站,是以发电为主，兼有灌溉、养殖等综合效益的水利水电工程。工程控制流域面积23 400 km2，水库正常蓄水位410.00 m时，库容4.7亿m3，为季调节水库。

主厂房为坝后式厂房，厂内装3台水轮发电机，单机容量45 MW，总装机容量135 MW。发电引水管道布置在坝内，为单元引水，每台机组1条管道，共3条引水管道。压力引水管道分为进口段、上渐变段、上弯段、斜直段、下弯段、下直段、下渐变段等，每条管道全长55.4 m，圆管内径为5.5 m，单机引水流量为138.5 m3/s。

机组为中等水头，在斜直段末端净水头约46 m，为了节约钢材，在斜直段及以上部分，不设钢板衬砌。在下弯段及其以下部分由于水头较高，采用钢板衬砌，衬砌段长度为20.2 m。圆管段内衬钢板厚度为14 mm，下渐变段内衬钢板厚度为12 mm。

1.2 脱空情况

3台水轮发电机组于1974年6月正式并网运行，至今已运行40多a时间。机组每3年大修一次，每次大修中，对机组压力引水管道、蜗壳、尾水管锥管段进行外观检查，用铁榔头敲击钢衬板表面确定是否存在脱空现象。以3号机组钢衬部位检查为例，在检查中发现，各机组空穴面积已达检查总面积的20%～30%左右，呈逐年递增的趋势。空穴面积逐年变化情况见表1。

表1 3号机组钢衬空穴面积变化表

2 机组过流钢管道钢衬脱空分析

2.1 机组过流钢管道钢衬脱空成因分析

经分析，造成机组过流钢管道脱空问题的原因有以下几点：

(1) 基础混凝土本身密实性良好，但是在机组运行过程中，由于外力(如内水压力脉动、钢衬外静水压力、水流冲刷)作用，使得钢衬和混凝土在接触面产生裂隙，两者脱离。

石泉水电厂引水管道内水压力水头为49.5 m，水压力按高程呈梯形规律分布，在突然关机时，还要附加13.1 m的水锤压力,总压力达到6.26 kg/cm2，蜗壳顶部垂直载荷因为少了轴向水推力减小机组转动部分载荷，这时内水压力是作用在引水管道的主要载荷，基础混凝土本身密实性良好，但是在机组运行过程中，由于内水压力脉动，使得在上弯段混凝土和钢衬接触面产生裂隙，两者脱离，进入到钢衬背后，在管道放空的情况下因外水压力作用引起钢衬脱空或鼓包；其次，库水、坝体渗漏水在混凝土内形成通道，进入钢衬背后，再者，由于钢衬接缝处焊接质量不良，往往会产生气孔、裂纹、夹渣、咬边、未焊透等各种焊接缺陷，这些缺陷会减小焊缝的有效承载面积，造成应力集中引起断裂，形成水流通道，过流管道内水流会进入钢衬背面，对钢衬产生锈蚀破坏，并引起钢衬脱空，管道长期在充水和放空交替作用下使钢衬的脱空范围不断扩大，实际检查也发现脱空范围呈逐年递增的趋势。

图1 机组过流管道结构示意图

(2) 混凝土浇筑及灌浆后，在混凝土与钢衬之间存在间隙，没有密实地结合在一起。

基础混凝土本身不密实，出现蜂窝、麻面、孔洞、缝隙、分层离析、缺棱少角等浇筑缺陷。混凝土浇筑时，由于施工工艺设计不合理、混凝土配合比不合适、构件连接不当、钢管周边配筋较为密集，混凝土振搅不实易形成空隙、振捣不均匀或与钢衬接触处振捣不到位、质量控制不严等方面的原因，导致混凝土与钢衬之间出现脱空现象。

(3) 温度变化(包括温升和温降)，或者钢管道衬板冷缩、混凝土收缩、徐变[1]以及微膨胀剂失效等影响，使得钢衬和混凝土在接触面产生裂隙，两者脱离。

混凝土和钢衬板之间的缝隙值Δ按式(1)计算[2]：

Δ=Δ1+Δ2+Δ3

(1)

式中：Δ为混凝土和钢衬板之间的缝隙值，cm；Δ1为钢衬板冷缩缝隙，cm，Δ2为施工缝隙，cm,一般为0.2 mm；Δ3为混凝土徐变缝隙，cm。

钢衬板冷缩缝隙可按式(2)进行计算[2]：

Δ1=(1+μs)α×Δtr0

(2)

式中：α为钢板的线膨胀系数，1/℃；Δt为钢管的计算温降，℃；μs为钢衬板材料的泊松比；Δ1为钢衬板冷缩缝隙，mm；r0为钢管道内径，cm；将r0=550 cm,μs=0.3,α=0.000 012(1/℃)；Δt=15 ℃[3]代入式(2)得：Δ1=0.128 7 cm=1.287 mm。

混凝土徐变缝隙按式(3)计算[2]：

(3)

式中：p0为均匀内水压力，MPa；Ec为混凝土的弹性模量，MPa；Δ3为混凝土徐变缝隙，cm；r0为钢管道内径，cm。

将r0=550 cm,Ec=24 000 MPa,p0=0.614 6 MPa,代入式(2)得：Δ3=0.014 cm=0.14 mm。

在无外力因素作用下,石泉水电厂引水管道混凝土和钢衬板之间的理论缝隙值Δ大约为1.6 mm。

2.2 机组过流钢管道钢衬脱空的危害

第1种脱空现象对钢管道危害最大，在高水头作用下钢管处于放空状态，脱空部位会产生鼓包、撕裂甚至造成钢管失稳破坏。第2类脱空现象因外水压力较小危害次之，若此两类脱空现象联合作用将严重影响钢管道的正常运行，这两类脱空现象表现为脱空的深度、范围没有规律性，应当严格控制其出现。目前在中国水电站建设中，通过严格仔细的施工控制基本上可以有效避免此两类脱空。第3类脱空现象较为普遍，并随着温度变化和水压力作用因钢衬的微小形变而发生变化。

实际检查中，在机组引水管道下渐变段地板脱空处钻孔出现冒水现象，最大水柱高度约40 cm，然后逐渐减小，冒水时间持续约10 min。说明脱空区域处于浸水状态，对钢衬板是不利的。

脱空的钢衬板，无论是均匀内水压力(钢管内充水)还是承受外水压力(钢管内无水，钢衬板承受渗水压力)钢衬板均可作为周边固定的薄板[4]看待，钢管道钢衬与基础混凝土局部脱空后，之间的联合作用不存在了，将会造成局部应力集中，在内水压及脉动压力作用下，易形成钢衬及焊缝的危害性裂纹，从而影响结构的耐久性及安全性；另外钢管道钢衬没有了保护层，将可能引起钢衬锈蚀，使钢衬的有效厚度减少，承载能力下降。最终可能引起钢衬板的断裂破坏。

3 钢衬脱空灌浆处理

3.1 处理原则

灌浆的目的是填补脱空和缝隙，阻断渗水通道。石泉水电厂拟定的灌浆原则为：

(1) 面积小于0.3 m2、深度小于3 mm的空穴可以不进行灌浆处理。

(2) 对于脱空深度大于20 mm的脱空区域，采用水泥砂浆进行灌浆处理。

(3) 脱空深度为5～20 mm的区域采用纯水泥浆灌注。

(4) 脱空深度小于5 mm的细小裂缝采用化学灌浆。

3.2 方案的确定

灌浆材料主要考虑2种：一是用高分子化学材料，即化学灌浆[5]，此类材料强度高，胶结性好；二是水泥灌浆，即用水泥砂浆(或水泥浆),这种材料强度高，造价低。对大面积且深度较深的脱空部分采用水泥砂浆灌注[6]，对小面积或较浅的脱空部分采取灌注水泥浆和化学材料浆。

由于在实际检查中发现脱空深度均小于5 mm，且地板和侧壁下部脱空区域均有渗水。选择灌浆材料时主要考虑其可灌性、水中凝固性以及适应钢衬板因温度变化和水压力作用而产生的微变形等几方面的特性，只有选择化灌材料比较合适。

3.3 材料的选择

目前中国常用的化灌材料主要有7种[7]：水玻璃类、丙烯酰胺类、木质素类、环氧树脂类、聚氨酯类、甲基丙烯酸酯类和脲醛树脂类。聚氨酯化学灌浆材料是一种防渗堵漏能力较强、固结弹性和强度较好的防渗材料，属于聚氨基甲酸类的高聚物，是由多异氰酸酯和多羟化合物反应而成。由于浆液中含有未反应的异氰酸基因，遇水发生化学反应，交联生成不溶于水的聚合体，因此能达到防渗、堵漏和固结的目的。反应过程中产生二氧化碳，使体积膨胀，增加了固结体积比，且产生了大的膨胀压力，促使浆液二次扩散，从而增加扩散范围。浆液还有遇水不易被稀释和冲走，胶凝时间可以控制等特点，因而在国内外使用较多，已取得较好效果。

结合工程的具体情况，施工选用的灌浆材料为2种水溶性聚氨酯浆材[8-9]，即HW水溶性聚氨酯化学灌浆材料和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料，配合比为1∶1，这是经过改性的新型聚氨酯材料，其突出特点[10]之一是易分散于水中,遇水自乳化，立即进行聚合反应。固结物具有良好的弹性、抗渗性、耐低温性,对岩石、混凝土、土粒等具有良好的粘接性能，浆液及其固结体无害、无毒，对水质无污染；特点之二是固结物具有弹性止水和膨胀止水的双重作用，能适应钢衬板的微变形情况。

4 施工工艺

4.1 施工流程

搭设脚手架→检查空穴区域→布孔→打孔→连接灌浆嘴→灌浆→去掉灌浆嘴→扩孔塞焊→抛光磨平[11]。

4.2 施工技术要点

4.2.1 脱空区域确定

现场脱空区域检查方式主要为敲击检查，但锤击声音受外因影响较大，此方法需要经验丰富者才能进行判断,而且只能判断出有无明显脱空的板块，但对脱空的深度、微小空穴的检查有难度，因此，采用敲击法普查、振动法[4]复核和钻孔法测量空穴深度相结合的方式是一种短时间全面检测脱空区域的有效途径。可以避免漏检、判断偏差。

4.2.2 布 孔

布孔一般应在敲击检查完成后进行，从起灌段开始，布孔按尽量少的原则，最低处设灌浆孔，上部设通气孔，通气孔又作为第2层的灌浆孔。布孔时还应充分考虑脱空深度及在该位置开孔的可灌性，布置进浆孔和排气孔要充分考虑浆液排气的范围，尽量避免开孔后还存在浆液因无法排气造成的死角，影响灌浆效果。

4.2.3 钻 孔

钻孔前检查开孔位置，钻孔的布设位置要避开钢衬的接头、加筋环等部位。尽量避免因其它不明标识导致钻孔位置错误，对钢衬造成损伤。

4.2.4 通风和压水检查

通风和压水工作是用来检查脱空区域的串通情况，根据压水记录来预估灌浆量，还可检查外漏点。通风压水必须注意压水的压力一定要小，控制在0.1 MPa，压力过大容易形成新的脱空甚至造成钢衬板变形。

4.2.5 灌前资料分析

在敲击检查、布孔钻孔、通风压水等工作完成后，对上述工序作业记录进行分析，根据脱空深度的不同，配比不同浓度的浆液分区灌浆，避免脱空区域浆液无法进入，二次灌浆。譬如在灌浆中发现，下渐变段以上至下弯管段存在大面积的脱空区域，当化灌材料配比LW∶HW=3∶4的情况下[12]，采用一侧钻孔灌浆，在化学灌浆液还未到达另一侧最远端时，早起浆液已经凝结，阻碍灌液行进，经现场反复试验，化灌材料配比调整为LW∶HW=1∶4，并两侧同时进行灌浆处理则能较好地解决该问题。

4.2.6 灌 浆

灌浆施工前，要做好准备工作，根据脱空范围估算耗浆量，配备相应的灌浆设备、材料，杜绝灌浆过程中出现中断，造成进浆孔、送浆管堵塞。灌浆压力可根据钢衬的壁厚、脱空面积的大小等实际情况确定，一般压力控制在0.1～0.2 MPa[6]。

除控制好压力外，还应加强抬动观测，钢板的变形控制在0.05 mm[6]以内，一旦有异常变化，即可停止灌浆，防止钢衬发生变形。

灌注时自下而上分层进行，用锤子敲击震动钢衬保证浆液流通。待各高处孔分别排出浓浆后，依次将其孔口阀门关闭，同时记录各孔排出的浆量和浓度。以灌浆孔停止吸浆延续5 min结束。灌浆完毕后,拆卸灌浆嘴时会造成压力的损失,这点也是关系到灌浆效果,通常采用扎管，待浆液凝固后拆除。

4.2.7 质量检查

对钢衬脱空首轮灌浆后的情况进行检测，为快速高效，以振动法[13]检测为首选，在灌浆部位安装振动传感器，用锤子敲击衬砌表面，通过振动信号传到振动测试分析仪，分别记录振动历时和频谱分析信号，通过波形判定检测区域钢衬板是否存在微小间隙，以评定浆液的充填情况，对灌浆后未填充密实的区域，在钢衬上重新开孔进行二轮灌浆。

5 灌浆后效果

2014年再次对2008年处理过的3号机组蜗壳进行检查，钢衬表面光滑，未见鼓包、开裂现象，检查空穴面积为7.325 m2，较灌浆前脱空面积118.09 m2降低94%，其中0.3 m2以上范围集中的空穴面积只有1.45 m2，表明施工质量优良，效果良好。

6 结 语

石泉水电厂利用机组大修分别对3台机组引水钢管道空穴进行化学接触灌浆施工，有效地解决了管道存在的缺陷。化学接触灌浆[14]解决了水泥灌浆后由于水泥的干缩形成的二次脱空等难题，并达到非常好的效果。故聚氨酯类化学接触灌浆是根治钢管道钢衬板浅层脱空病害的一个最有效的办法。本次工程处理工期短，使用的化灌材料、施工工艺先进，技术成熟，不仅在汉江流域是项革新，也为其它类似工程提供了经验。