坪頭水電站岔支管整體洞內水壓試驗

陳亞琴,李 建

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

通常情況下，壓力管道岔管在鋼管制造廠做完單體水壓試驗后再整體運輸就位安裝。坪頭水電站廠區岔管運輸交通洞開挖揭示圍巖破碎，且噴錨支護后放置時間較長，掉塊現象嚴重，嚴重影響施工安全，故對交通洞增加了鋼筋混凝土襯護，而襯砌之后的斷面尺寸不能滿足岔管整體運輸的要求。經過權衡，最終實際采取瓦片運輸、洞內拼裝成型、岔支管整體洞內水壓試驗，很好地解決了試驗場地選擇和運輸通道凈空不足的矛盾。但需要重點關注和解決幾個問題。此外，筆者也探討了壓力管道鋼岔管水壓試驗的利和弊。

2 坪頭水電站岔支管布置及設計

坪頭水電站壓力管道采用一管三機的布置型式，主管直徑4.4m，總長約667m，支管直徑2.3m，三條支管總長約98m，全部采用鋼板襯砌。

壓力管道主管末端設置兩個內置式月牙肋岔管，設計壓力4.0MPa。1號岔管為不對稱“Y”形，分岔角60°，板厚36～38 mm，肋板厚76mm，主管內徑4.4m，支管內徑3.4m、2.3m；2號岔管為“卜”形，分岔角60°，板厚28～32mm，肋板厚64mm，主管內徑3.4m，支管內徑2.3m；岔管材料均為610MPa級高強鋼WDB620，岔管結構布置圖見圖1。

岔管末端分別設置1號、2號、3號支管，其中1

圖1 岔管結構布置(mm)

號、2號支管與2號岔管末端相接，長度分別為37m、30m；3號支管與1號岔管末端相接，長度為38m；均采用Q345R鋼。1號、2號岔管之間用直徑為3.4m的610MPa級高強鋼WDB620相接。需要參加試驗的岔管主要為A、B、C三個基本錐和肋板焊接好的整體。1號岔管的凈尺寸為7.2m×6.4m×4.9m(長×寬×高)，2號岔管凈尺寸為4.9m×5.4m×4.1m(長×寬×高)。

3 水壓試驗布置及準備工作

水壓試驗平面布置見圖2，包括2個岔管和3條支管。所有岔管、岔管之間連接段及支管的全部縱、環焊縫在試驗前均需焊縫探傷檢查，全部合格后才能試驗。

洞內整體岔支管整體水壓試驗需要重點關注和解決的問題有：(1)1號、2號岔管鞍形托架支撐的強度和剛度復核；(2)1號岔管主管及三個支管的悶頭設計；(3)實驗用表的布置；(4)安全保障措施及應急預案。

3.1 岔管支撐布置及設計

水壓試驗包括1號、2號岔管和三條支管段,三條支管段已回填外包微膨脹混凝土與圍巖形成整體。兩岔管底部加裝鞍形托架支撐，鞍形托架與地面的預埋鋼板焊接，托架之間用槽鋼聯接形成整體以增加剛度。鞍型托架的布置見圖3。

圖2 水壓試驗平面布置示意

圖3 鞍型托架的布置

支撐梁的復核計算按照簡支梁進行計算，支撐槽鋼的復核計算按照軸心抗壓結構進行計算。計算結果表明，支撐梁的剛度、強度滿足要求，支撐槽鋼的穩定滿足要求。

3.2 悶頭布置及設計

1號岔管上游的主管及三個支管的末端各焊一個打壓過渡段，過渡段末端焊接悶頭，這樣可以減小悶頭的規模。在過渡段上焊接進水管、排水管，進氣管、排氣管和壓力表等。

(1)主管悶頭1個， 材質Q345R，壁厚δ=50mm，D0=2 260mm，h=660mm，悶頭直邊量hz=50mm，已知最大試驗壓力P=4.5MPa。

(2)支管悶頭3個，材質Q345R，壁厚δ=30mm，D0=1 220mm，h=330mm，悶頭直邊量hz=50mm，已知最大試驗壓力P=4.5MPa。

根據DL/T5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》中明管表6.1.4.1，在管壁厚35<δ≤50時fs=280N/mm2，根據GB 150-1998《鋼制壓力容器》的第3.7條，對于焊接接頭系數n，當單面焊對接接頭、若局部無損探傷時取n=0.8。

根據《水電站機電設計手冊—金屬結構(二)》公式：

式中c——考慮鋼板的負偏差和加工成型時的減薄量等附加量。

計算得主管悶頭壁厚24 mm，實際壁厚50mm，滿足試驗要求；支管悶頭壁厚15 mm，實際壁厚30mm，滿足試驗要求。

3.3 試驗用表布置

在3個支管末端悶頭過渡段的底部各安裝1個φ20的排水管和球閥，在1號支管悶頭過渡段的頂部安裝一塊壓力表，作為試驗壓力的輔助觀察點。1號岔管上游端悶頭過渡段的底部安裝1個φ50的進水排水管和球閥，腰部安裝試壓泵φ20進水管和球閥，頂部安裝φ20排氣進氣管和球閥和一塊壓力表，此壓力表作為試驗壓力的主觀察點，排氣管在岔管內一直延伸至1號、2號岔管的頂部，便于岔管內的氣體盡可能地排出去。百分表主要布置在兩個岔管及其肋板上，用于測量水壓試驗時結構發生的應變值。另外，在3個支管回填混凝土的臨界面位置各增設兩個百分表，試驗過程中由專人觀察該位置百分表的指針擺動，如出現異常應立即停止試驗。

3.4 安全保證措施及應急預案

盡管作了充分準備，但也不能完全排除試驗過程中可能發生諸如電源突然消失、運行設備發生短路、焊縫破裂、支撐垮塌等意外狀況。鑒于此，根據洞內場地狹窄的特點，制定了詳細的安全保證措施及應急預案：

(1)試驗前應對所有參加水壓試驗的人員進行技術、安全交底，嚴格按照試驗技術要求及試驗程序執行。壓力表和百分表安裝前應送檢率定。

(2)在試驗過程中，所有參加試驗的人員必須服從現場試驗領導小組的統一指揮，避免多人指揮導致誤操作。試驗現場使用對講機進行通訊聯絡。

(3)在試驗區域設置明確的警示牌，在下平洞施工支洞處用警示條進行圍隔，禁止非相關人員進入，保證試驗現場不受干擾。洞內光線較差，配置了充足照明，特別是對岔管的下部，在打壓過程中進行仔細檢查。

(4)悶頭封焊前徹底清理管道內設備、工器具、材料及其它雜物。悶頭與鋼管的連接焊縫按一類焊縫焊接、檢驗。臨近充水結束時，徹底排出管道內空

氣，避免加壓時壓力管道內出現空氣腔導致壓力表指針顫動。排氣管出水后，可以關閉排氣管閥門，靜置3～5min再開啟閥門，如此反復進行排氣，直到管口再沒有空氣排出為止。

(5)充水后，在開始加壓前對壓力管道做徹底的檢查，包括管道本體、悶頭、進水及排水管路、排氣管路、法蘭、閥門等。應無滲水、無異常移位等其他異常情況。整個水壓試驗過程對試驗管道做全面的監控，密切注意試驗過程管道及附件的變化情況，如出現異常情況，立即終止加壓，進行分析，確保可以繼續試驗后，方可繼續加壓。

(6)試驗過程中禁止任何人員正對悶頭、焊縫、排水管口、排氣管口(包括操作過程)，所有施工人員必須處在安全區域。加壓過程需緩慢進行，并且密切監控壓力變化。管道內壓力較高，閥門操作需緩慢進行，避免因操作過快而導致排水時的高壓水柱沖擊人員及其設備。緊急松散通道應暢通無阻，便于人員迅速撤離到安全位置。

(7)為保證試驗各項數據的精確度和試驗安全，在試驗場地禁止進行有振動的工作。電焊機、空壓機、敲擊、爆破作業等應停止。

4 水壓試驗程序

4.1 充 水

記錄當天的氣溫、濕度等條件，開啟1號岔管前端悶頭過渡段頂部進水管球閥向各岔支管內充水，注水量控制在不大于20m3/h，至排氣閥溢水關閉充水閥，然后關閉排氣閥。全面檢查岔管的支撐結構有無變形或位移等情況，若無異常情況則進入下一步。

4.2 水壓試驗

按照規范要求，水壓試驗壓力值為設計壓力值的1.25倍，應為5.0 MPa，但因為在洞內進行整體水壓試驗，廠區地質條件較差，為了保證安全，試驗壓力值采用4.5MPa，為設計壓力的1.125倍。試壓泵加壓按表1分段進行。

通過試壓泵向岔管內加壓，試壓泵加壓、減壓應緩慢、均勻，壓力變化速率不得大于0.05MPa/min。在每次試壓泵加壓、減壓操作前應記錄各監測設備、壓力表、百分表讀數；全面檢查岔管、悶頭有無射水、漏水、滲水情況，并記錄；全面檢查岔管的支撐結構有無變形或位移等異常情況，并記錄。當試壓泵加壓達到最大壓力4.5MPa后，穩壓60min，期間應用0.5～1kg的小木錘在焊縫兩側各15～20cm處輕輕敲擊，并且每20min進行一次觀測數據記錄。試驗過程中，如果出現滲漏等異常情況，應將管內水壓緩慢降至自然狀態，且壓力變化速率不得大于0.05MPa/min，然后開啟排氣閥、排水閥，將岔管內水體排空后進行處理；如無異常情況可進入下一步。

表1 水壓試驗壓力變化過程

說明：上排為穩壓時間，單位“min”；中排為水泵加壓壓力，單位“MPa”。

水壓試驗全部完成后，確認岔管安全即可進行放水，結束試驗。

5 結語及探討

坪頭水電站岔支管洞內整體水壓試驗方案前期工作準備充分，安全保證措施及應急預案合理可行，岔支管未出現異常狀況，試驗過程中各項監測指標均在允許范圍內，證明岔管設計合理，施工質量達到要求，可保證電站安全運行。

坪頭水電站洞內岔支管整體水壓試驗很好地解決了試驗場地選擇和運輸通道凈空不足的矛盾。

另外，筆者在此想探討水壓試驗的利和弊。

水壓試驗的好處有：(1)水壓試驗以超載內壓暴露結構缺陷、檢驗結構整體安全度，為岔管的長期安全運行提供可靠保證。(2)通過水壓試驗可以削減焊接殘余應力及不連續部位的峰值應力。(3)通過水壓試驗，在緩慢加載條件下，缺陷尖端發生塑性變形，使缺陷尖端鈍化，卸載后產生預壓應力。

水壓試驗的弊端是占一定的直線工期且會產生直接費用、間接費用。

可見，水壓試驗的利和弊就是工程局部工期、局部費用和鋼管安全的矛盾。目前，隨著鋼材性能改善，施工時焊接工藝改進且焊縫完全通過射線檢查和超聲波檢查的“雙100%探傷”，水壓試驗的功能是否可以放到引水系統試運行時一并進行呢？這需要設計人員、施工人員及鋼材制造等多專業人員作進一步的探索和總結。

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