冗各水电站3号机组尾水管里衬脱落原因分析及处理

葛 曦，张 华

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002；2.贵州省农村水电及电气化发展局，贵州 贵阳 550002)

1 概述

贵州省冗各水电站位于贵州省黔南布依族苗族自治州罗甸县逢亭镇冗各乡，是蒙江流域的第八级电站，上游为双河口水电站，下游为石门坎水电站，装机容量为3×30MW，电站最大水头50.29m，加权平均水头47.43m，最小水头44.31m，电站在系统中主要担任峰荷、调频作用。水轮机型号为HLA551c-LJ-288。

2 尾水管脱落情况

冗各水电站于2012年10月开工建设，2016年6月底首台机(3号机组)投产发电，2017年11月，电站运行人员对机组进行冬季巡检，发现3号机组尾水管里衬局部剥落，具体位置在水轮机尾水肘管里衬出水尾端底部及顺水流方向左侧尾端下部，底部剥落断面形状为等腰梯形，上底约6.1m，下底约8.7m，高约3.5m；左侧尾端下部剥落断面形状为矩形，高约1m，宽约2m。如图1所示。

图1 尾水肘管里衬剥落位置及尺寸图

3 尾水管脱落原因分析

3.1 电站安装高程复核

根据电站的实际运行情况，电站装机三台时，按一台机的额定过流量从下游水位与流量关系曲线中确定设计尾水位。该电站一台机的额定过流量为74.1m3/s，该设计尾水位为445.17m，推荐的水轮机吸出高度Hs≤-0.32m(转轮叶片和下环采用不锈钢)。为不影响总体枢纽布置，并留足安全余量(地下式厂房，工程量影响不大)，最终取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定导叶高度为2.52m。因此，确定水轮机的安装高程为442.00m，该安装高程是合适的。

3.2 电站长期运行在低水头低负荷区域

电站3号机组运行初期，水库的蓄水未达到正常蓄水位，电站尾水河道尚有弃渣未清理，因此电站的实际运行水头较低。根据电站的统计数据，3号机在47m水头以下运行占一年72.3%的时段，同时由于受来水影响，全年有64.7%的时段运行在机组额定出力的45%以下(即≤13.5MW)，低于混流式机组的稳定运行范围。但机组水导、上导、下导轴承温升在允许的范围内，所测各部振摆度也满足要求。

结合以上运行数据，可以得出机组运行范围如图2所示。

图2 3号机水轮机运行范围图

图2中，右侧部分是根据水轮机的水头范围及45%出力限制，绘制的HLA551c-LJ-288水轮机运行范围图，可以看出，机组运行范围较优，涵盖了较宽的高效区。左侧阴影部分是根据电站运行初期的数据统计进行绘制的运行范围图，阴影较密部分占据了约3/4的运行时间，该部分区域效率低，完全属于水轮机需要避开运行的范围。该区域气蚀性能差，机组振动严重，长期运行在该区域，对机组十分不利。

根据电站的实际运行情况，电站装机三台时，按一台机的额定过流量从下游水位与流量关系曲线中确定设计尾水位。水文专业提供了厂址处尾水位与流量关系曲线，该电站一台机的额定过流量为74.1m3/s，该设计尾水位按下厂尾确定为445.17m，推荐的水轮机吸出高度Hs≤-0.32m(转轮叶片和下环采用不锈钢)。为不影响总体枢纽布置，并留足安全余量(地下式厂房，工程量影响不大)，最终取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定导叶高度为2.52m。因此，确定水轮机的安装高程为442.00m。

3.3 施工过程中灌浆不密实的影响

如图1所示，尾水管底部是从分节缝处整齐地剥落的，侧面看出沿分节缝较为整齐的断面。根据厂家设计：尾水管采用符合HLA551c流道的肘形尾水管。尾水管里衬为Q235-A金属里衬，厚度为10mm，在锥管的进口段设有500mm长的不锈钢段，肘管段采用Q235-A焊接而成，分节运输，工地组焊成整体，在底板处电站配割灌浆孔，待灌浆孔有砂浆冒出后再封焊牢，并打磨光滑。

在实际施工过程中，安装单位并未在底板处配割灌浆孔，由于尾水管分段处有100mm的加强环筋，在尾水管底部混凝土浇筑时，由于灌浆的不密实，因此导致两个加强环筋之间有空气存在，形成空腔，水流长期冲刷振荡，为之后的里衬剥落埋下隐患。

3.4 焊缝质量不高及拉筋数量不够

在肘管分节运输至工地后，从后期整齐断开的焊缝位置可以看得出来，组焊的过程中，焊缝质量把控不到位，存在点焊现象，导致后期机组运行过程中，水流长期冲刷导致焊缝撕开卷起，伴随着尾水涡带的作用，进一步撕裂拉大，而厂家所供的拉筋为扁钢所制的Y型拉筋，一台机的数量为90个，因此拉筋的间距较大，并且拉筋尺寸较短，长度仅为150mm，因此不能很好地与混凝土钢筋焊接在一起，没有起到加强稳固的作用。

4 尾水管里衬脱落处理方案

根据现场破坏情况，决定采取混凝土回填、恢复钢衬及灌浆的修补方案。具体处理方法如下：

(1)钢板割除。将已破坏区域四周卷起及脱空钢板整齐割除。

(2)原混凝土凿除/凿毛。将底板钢板剥落及割除区域内的混凝土凿除30cm深(凿除时注意保护钢筋)。将左侧墙钢板剥落及割除区域内的混凝土凿毛冲洗干净。

(3)钢板安装。根据破坏区域及厂家要求，将钢板按原设计体型进行恢复。恢复钢板保证与原钢板牢固焊接；恢复钢板端部，做好封口。

(4)锚筋布设。在修补区域内布设锚筋。锚筋采用C25钢筋，间排距0.8m，梅花形布置，锚筋长度1.2m，锚固长度≥1.0m，锚筋采用微膨胀砂浆锚固。将钢板与锚筋牢固焊接(钢板预留锚固焊接孔)。

(5)新浇混凝土。凿除区域采用C30细石混凝土回填振捣密实。

(6)环氧浆液灌注。根据钢板上预留灌浆孔进行灌浆。灌浆应自低处孔开始灌注，灌浆浆液选用低稠度环氧灌浆树脂，灌浆压力0.3～0.5MPa，具体根据实际情况确定。

(7)平整钢板。灌浆完成后，割除灌浆管、排气管及外露锚筋，用焊补法封孔，将钢板打磨平整，以恢复过流面的平整度。施工过程中注意保护止水环不被破坏。

建议对右边墙采用锚筋加固，锚筋采用C25钢筋，间排距1m，锚筋长度1.2m，锚固长度≥1.0m，锚筋采用微膨胀砂浆锚固。

由于肘管为地下密闭空间，为保证施工安全，肘管修补处理施工过程中严格遵循相关施工规程规范的要求，施工前需编制专项安全文明施工方案，确保安全。

5 结语

从电站的运行资料进行分析，可以看出冗各电站在机组选型方面是合适的，考虑到电站的水头变幅不大，对选用的机型都留有一定的出力储备，由HLA551c的气蚀性能结合设计尾水位所定的安装高程留有余量，但电站在实际初期运行阶段存在低水头部分负荷的工况，偏离了机组合理的运行范围，施工过程存在一定的缺陷，施工工艺也存在一定的不足。

总的来说，破坏并非单一的因素导致，而是以上几种问题集中在一起，导致破坏积聚、形成、产生、加剧。在水电站的运行前期，往往追求发电效益而忽略了机组稳定运行的前提，特别是要注意低水头、低负荷运行时机组的性能监测，以保证机组稳定安全地运行。