小湾2号机组压力钢管空鼓形成原因分析及其处理建议

翟　笠，张　鹏，周　健，廖贵能（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

小湾2号机组压力钢管空鼓形成原因分析及其处理建议

翟笠，张鹏，周健，廖贵能
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

引水隧洞压力管道是引水发电系统安全监测中的重要环节。通过安全监测自动化系统的离线分析功能，对小湾水电站2号机组压力钢管下平段反馈的监测数据进行分析，建立对压力管道安全性态的初步认识，推断压力钢管空鼓的成因。根据监测数据分析结果，为机组的安全运行和维护提供合理、可靠的决策信息。

压力管道；空鼓成因；离线分析；安全监测；小湾水电站

1　工程概述

小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干流河段与支流黑惠江交汇处下游1.5 km处，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级，是澜沧江中下游河段的龙头水库。小湾工程由混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞及右岸地下引水发电系统等组成。装机容量4 200（6×700）MW，保证出力1 778 MW，年发电量190万kW·h，属一等大（1）型工程，永久性主要水工建筑物等级为1级。小湾库区首次蓄水经历了4个阶段，库区库容近149亿m3，大坝承受近1 900万t水推力。

小湾电站的地下厂房洞室群总体位于右岸坝端上游，引水发电系统所处岩层地质条件较好，围岩坚硬，结构面挤压紧密，断裂不发育，透水性微弱，多属于Ⅰ、Ⅱ类围岩。引水发电系统分引水、厂房及尾水三大部分。其中，引水系统包括进水口和引水隧洞，引水隧洞中布置有压力管道，在2014年1 月15日检修期间对2号机组下平段的水工检查中，锤击压力钢管结果表明2号机组压力管道下平段的钢衬空鼓率为10.9%，相对其他机组偏高。

2　压力管道

（1）引水隧洞压力管道布置。小湾电厂引水隧洞压力管道采用单机单管的引水方式，依次由上平段、上弯段、竖井段、下弯段及下平段组成。引水隧洞下平段轴线高程为980.00 m，压力钢管通过长16 m渐变段由φ8.5 m束窄成φ6.5 m小直径钢管进入厂房。2号机组压力管道全长298.081 m，其中上平段长67.965 m，竖井高121 m，下平段长40 m，断面尺寸直径为9 m。其中下平段的钢管内径由8.5 m渐变为6.5 m，钢衬厚度由下弯段起始端向水轮机蜗壳方向逐渐加厚。

（2）2号机组压力钢管下平段监测布置。压力钢管下平段监测仪器布置在垂直于其水平轴线的横断面，桩号为2号0+260.081，该断面中纳入大坝安全信息管理系统的自动化采集的监测仪器有渗压计、测缝计、钢板计。对应测点编号分别是C6B-YLG-IIP-01～04（渗压计），C6B-YLG-II-J-01～08（测缝计），C6B-YLG-II-GB-01～04（钢板计）。其中，渗压计布置在混凝土与围岩之间；测缝计布置在围岩与混凝土或钢管与混凝土之间，钢板计布置在钢板与混凝土间。

3　2号机组压力钢管下平段监测数据分析

3.1离线分析系统功能简介

离线分析功能是小湾大坝安全信息管理系统DSIMS4.0的一个功能模块。该模块可以对工程安全监测的数据进行处理与分析，通过确定监测项目（单点模型或分布模型），对所确定监测项的数据进行影响量和测值的初步分析与评判，形成定量或定性的分析结果，是对安全监测数据的分析与应用。该模块还可进行建模分析，进行测值预警与安全评判。离线分析功能是数据分析模块，与数据采集、图形报表等形成安全监测自动化系统的整理功能序列。

3.22号机组压力钢管下平段测点监测数据分析

2号机组压力钢管下平段的性态，可以通过测点的渗透压力和裂缝开度、钢衬应力等监测数据进行综合评判。首先，以渗压计为例，对监测数据进行分析，并根据初步分析结果判断渗透水压力对桩号2号0+260.081区域压力钢管的影响。

（1）确定监测项目类型。在离线分析系统提供了单点模型和分布模型两种模型创建方法。其中，分布模型研究的是测点位移与外界影响因素以及测点之间的统计相关关系。与单点模型的主要区别在于，分布模型中包含了反映测点空间位置的变量。由于压力钢管下平段的Ⅱ-Ⅱ横断面布置的4个渗压计测点会存在空间上的相互影响，所以先将分析的4个渗压计测点C6B-YLG-II-P-01～04增加到项目内容中建立分布模型。

（2）环境影响量分析。通过上一步确定的渗压计分布模型这组监测项目进行环境影响量分析，通过已经确定的渗压计分布模型计算得出了环境影响量特征值见表1。由表1可以看出，2009年上游水位变幅最大为140.45 m，2012年、2013年上游水位均达到了最大蓄水位1 240 m，库区平均气温比较恒定为20°C左右。环境量影响量相关性系数见图1，相关性系数越接近1，二者相关性越好。由图1可知，下游水位和库区气温的相关系数最大为0.5；上游水位和库区气温相关性为0.35；上游水位和降雨量的相关性差，相关系数为0.01。通过以上数据可以初步推测，影响渗压计测值的主要环境影响量为上、下游水位和库区温度。其中，上游水位越高，地下水渗透压力越大，对渗压计的测值影响越大。由此，可以确定渗压计测值的最主要环境影响量是上游水位。

图1　环境量影响量相关性系数

表1　环境影响量特征值

（3）渗压计测值过程线分析。测值过程线分析前，设置数据过滤条件，对测值过程线进行粗差处理。图2为渗压计测值过程线可知，2009年9月1日至2011年1月10日渗压计B-YLG-II-P-01测值呈上升趋势，由0到0.18 MPa，逐年增大。到2011年1月15日降低，直至2011年3月1日恢复，此后呈下降趋势，逐年减小。结合小湾库区首次蓄水期各蓄水阶段来分析，2009年6月29日1号导流底孔下闸封堵，第2阶段蓄水开始。坝前水位由1 038 m上升到1 167.41 m，并维持在1 161～1 166 m，整个第2蓄水阶段，水位增幅达129.41 m。第3蓄水阶段，前期水位依然呈上升趋势，2010年10月22日上升至最大值1 210.58 m。第3阶段蓄水及其前期，水位累计最大增幅约172.58 m，坝前水位的大幅抬升使得地下水位升高，渗透水压力增大。第3阶段蓄水后期，渗压计B-YLG-II-P-01测值逐渐减小，说明在经历了上游水位大幅抬升的影响后，地下水位快速上升到某个限值后开始下降，排水情况也趋于良好，二者共同趋于平衡。再结合各年度特征水位对应的测值进行比较分析，即分别对比4个渗压计从2011年至2013年，1 200、1 240 m两个特定水位情况下钢管外渗透水压力的变化，见表2。可知位于Ⅱ-Ⅱ横断面顶拱部位的渗压计B-YLG-II-P-01、底板部位渗压计C6B-YLG-II-P-04处的渗透水压力呈现逐年减小趋势，而分别位于Ⅱ-Ⅱ横断面右边墙和左边墙处的渗压计C6B-YLG-II-P-02、C6B-YLG-II-P-03的测值为负值。综上分析，压力管道左右边墙处无渗透水压力，说明围岩和混凝土间灌浆效果很好，无地下水侵入。顶拱部位和底板部位的渗透水压力减小，一定程度上反映了地下水位在下降，压力钢管外排水情况良好，地下水对压力钢管造成的渗透压力正在逐步改善，呈减小趋势。

图2　渗压计测值过程线

表2　特定水位（1 200、1 240 m）下钢管外渗透水压力的变化情况

（4）测缝计测值及其过程线分析。图3为2号机组压力管道下平段的测缝计测值过程线，可知压2 号0+260.081断面围岩与混凝土间的开合度或钢管与混凝土开合度，其变化量在0.5 mm范围内，从量值来看多为负值，呈闭合状态，并无明显张开迹象。

（5）钢板计测值及其过程线分析。2号机组压力管道下平段（0+260.081）断面钢板应力检修期前后钢板计测值过程线见图4，可知0+260.081断面除了C6B-YLG-II-GB-01于2009年4月16日后仪器异常外，其余3支来看钢板应变变化在40～72με内。如果假设钢管弹性模量系数为0.21，换算应力变化量为9～15 MPa，说明检修前后钢管应变曲线平缓且在检修期间压力钢管停止过流对其影响较小。

4　空鼓成因分析及处理建议

（1）分析2号机组压力管道下平段监测断面布置的3类监测仪器检修期间测值变化，可知：①渗透水压力除了2011年度检修期间渗透压力减小或无压力外，其他年度检修期前后渗透水压力变化不明显。运行期，混凝土与围岩间的渗透水压力呈明显下降趋势，逐渐减小，说明地下水位在降低，压力钢管外排水情况良好。②围岩与混凝土以及钢管与混凝土间裂缝开合度从量值上看呈闭合状态，并无张开迹象。③钢管应力应变比较稳定，从量值及变化量来看波动较小，检修前后变化不明显。综上分析的3类监测数据比较稳定，表面钢管未发生明显变形。运行期地下水位不高，推测脱空大并非在运行期逐渐发展形成，压力钢管下部钢筋、预埋件多，阴角部位多，混凝土施工中排气困难，虽然施工期虽采取了接触灌浆措施，但不易灌满，推测为脱空的主要成因。

图3　测缝计测值过程线

图4　钢板计测值过程线

（2）处理建议。国内外大多数水电厂的压力管道都存在局部空鼓现象，通常采取接触灌浆等措施进行消缺。检查过程中，可利用锤击或物探设备对空鼓部位进行具体详查，确定其空鼓区域和面积，记录并建立台账。接触灌浆的消缺工序为定位、造空（灌浆孔和排气孔）、分序灌浆（从最低处开始灌浆，逐渐向高处推移）、质量检查、封孔。同时，在年度检修期间对处理的缺陷加强检测。

5　结语

本文利用安全监测自动化系统的离线分析功能对小湾水电站2号机组压力钢管下平段反馈的监测数据进行分析，建立对压力管道安全性态的初步认识，推断压力钢管空鼓的成因。根据监测数据分析结果，对机组的安全运行和维护提供合理、可靠的决策信息。

［1］DL/5178—2003混凝土坝安全监测技术规范［S］.

［2］赵志勇，张礼兵，肖胜昌，等.枢纽区工程安全监测设计专题报告［R］.昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2008.

［3］杨百银，王惠明，侯红英，等.小湾水电站枢纽工程竣工安全鉴定报告［R］.北京：中国水电工程顾问集团公司，2013.

（责任编辑王琪）

Analysis on Penstock Hollowing Causes of Unit 2 in Xiaowan Hydropower Station and Its Treatment Suggestions

ZHAI Li，ZHANG Peng，ZHOU Jian，LIAO Guineng
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The penstock of diversion tunnel system is an important part of diversion-generating system safety monitoring in a hydropower station.Through using the off-line analysis function of automatic safety monitoring system，the monitoring data of lower horizontal section of penstock of Unit 2 in Xiaowan Hydropower Station are analyzed.And then the safety state of penstock is preliminarily understood and the causes of hollowing around penstock are deduced.The analysis results provide reasonable and reliable decision-making information for the safe operation and maintenance of unit.

penstock；hollowing causes；off-line analysis；safety monitoring；Xiaowan Hydropower Station

TM312.1（274）

B

0559-9342（2015）10-0082-05

2015-07-29

翟笠（1989—），男，云南保山人，主要从事水工维护及安全监测工作.