某水電站高壓明鋼管變形事故分析

王景濤，赫慶彬，呂彥偉

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

非洲某引水式水電站，主要由大壩、溢洪道、引水系統、地面廠房和出線場等組成。大壩為均質土壩，最大壩高38 m，水庫總庫容為4.48億m3，有效庫容3.63億m3；引水系統采用一洞兩機的布置型式，廠房為地面式，總裝機容量97 MW[1]。

電站引水系統由以下部分組成：①低壓管道、隧洞，直徑2.7 m，長度1 804 m；②調壓井，簡單圓筒式，直徑3.0 m，高度89.3 m；③豎井，直徑2.5 m，高220 m；④高壓隧洞，馬蹄形斷面，直徑2.6 m(末端為圓形斷面，直徑2.1 m)，長595 m，隧洞末端設事故蝶閥；⑤高壓明管段，直徑2.1 m，長度1 480 m；共設鎮墩13個(含岔管處)，支墩134個。1～12號鎮墩下游側及進廠房前設伸縮節，共計14臺(兩臺位于支管上)；⑥發電廠房裝機兩臺，單機容量48.5 MW，總裝機97 MW，發電額定水頭614.5 m。

引水系統高壓明管段縱剖圖詳見圖1。

1 事故情況簡述

該項目于2011年投產使用，2015年移交給業主，并于2011、2013年進行過兩次修復及缺陷處理。

2011年9月，2號機組商業運行期間，因高壓隧洞末端事故蝶閥突然關閉，高壓明管段管軸線出現橫向變形，伸縮節位置12號伸縮節發生扭轉破壞，此后更換了12號伸縮節，并將3、7、9、10、11號伸縮節進行復位處理，對沿線部分支墩進行了修復和加固處理。

2012年10月，7、8號伸縮節及6～8號鎮墩間壓力鋼管發生變形，部分支墩發生橫向偏移，項目部于2013年3月初對相關的支墩和側向限位擋板進行了加固處理。

圖1 引水系統高壓明管段縱剖圖

2018年12月，電廠運行人員發現9號伸縮節異常，將(高壓隧洞末端)事故蝶閥以下鋼管排空后，發現9號伸縮節已呈破壞性變形。根據2019年1月的現場查勘情況，壓力鋼管9～10號管段情況最為嚴重，現場可以明顯察看到的問題包括：9號伸縮節扭轉失穩破壞，內外護套管破壞，拉桿拉壓損壞，拉桿兩端耳板變形或斷裂，焊接耳板的剛性環變形，波紋外露。9-1L、9-2L、9-3L支墩擠壓后嚴重變形或破壞，支墩混凝土局部破碎。9號伸縮節及其周邊支墩限位破壞情況見圖2。

圖2 9號失穩伸縮節及損壞的支墩限位圖

此外，現場還發現9號鎮墩上游鋼管入口位置被泥沙掩埋，鎮墩下游鋼管出口底部有水滴出，鎮墩周圍排水溝內有明顯水流。

2 現場調查及技術資料復核

2.1 現場測量數據分析

根據2019年1月30日及2019年3月20日現場調查期間實測數據，壓力鋼管鎮墩間軸線實測長度、鎮支墩位置等參數，見表1及表2。

表1 各鎮墩軸線距離偏差表 m

根據表1可知，各鎮墩間的中心距離即管線長度與設計長度偏差較大，最大達0.895 m。

根據2019年3月20日現場提供的“高壓明管實測中線”測量圖，以兩鎮墩為基點連線，作為壓力鋼管軸線，對各管段支墩位置的軸線偏差分析詳見表2。由表2可知，高壓明管段管軸線在縱向和側向均存在很大的變形。明鋼管的軸線變形并不罕見[2]，但像本工程這么大的變形值比較少見。

由表1、2可以推測，壓力鋼管鎮、支墩基礎因坐落于覆蓋層或全風化層上，已發生沉降，且沉降極不均勻，支墩沉降量已遠超規范相關要求。

表2 鎮墩間各支墩位置最大偏差統計表 mm

2.2 設計技術文件復核

2.2.1 鎮、支墩設計

1)地質勘察。前期地質勘察沿管道軸線完成了連續的物探測試和5個探坑的開挖。

根據物探測試成果，管道沿線地層的主要特征為：表部為10～20 m的崩積覆蓋層和強～全風化的砂巖，下伏10～20 m的弱風化砂巖。在20～40 m深度時為中等～稍微破碎的新鮮砂巖。

根據試坑開挖揭露，崩積物主要為含碎石和塊石的粘質砂質粉土、密實，塊石最大粒徑達到30 cm。碎石和塊石含量一般為5%～40%。

根據物探測試成果，發現有幾條“疑似斷層”，位移在10 m量級。推測這些斷層為古滑坡形成的陡坡，而不是構造成因。經判斷河谷下部的現狀邊坡是穩定的，沒有發現有上述規模的滑坡傾向。

根據前期可行性階段的研究，對于邊坡表部較厚的覆蓋層和強～全風化的巖石而言，允許的承載能力大約為175 kPa，基本設計階段的基礎承載力取值也為175 kPa。

根據詳細設計階段鎮支墩穩定計算書，可以查到以下承載力數據，列于表3。根據工程經驗判斷，表3中鎮、支墩地基允許承載力取值明顯偏高。

表3 各鎮墩地基允許承載力表 kPa

2)鎮墩穩定計算及基礎處理。根據詳細設計階段鎮支墩穩定分析的計算結論。

因3號、5號、12號鎮墩水平推力很大,單靠鎮墩混凝土很難滿足抗滑穩定要求,需設置樁基礎。但在實際施工過程中，只有1號及12號鎮墩設置了樁基礎。3號、5號鎮墩基礎施工現場按設計通知進行了變更，采取深挖基礎、增加錨桿或擴大基礎等型式，取消樁基礎施工。

3)鎮、支墩沉降計算。本項目鎮、支墩坐落于深厚覆蓋層上，基礎沉降是否滿足規范要求，對整個壓力管道系統結構安全至關重要。設計部分缺少沉降相關的分析及復核，也沒有考慮防止沉降發生的相關措施。

4)上凸彎管鎮墩錨筋計算。彎管置于鎮墩混凝土內，相當于大體積混凝土內有一個大孔口，應力比較復雜。上凸彎管所承受的兩軸向力的合力向外、向上，似有向上掀起、揭掉管軸以上混凝土的趨勢，橫斷面的最小厚度處(軸線兩側和頂部)最易裂開，使鎮墩混凝土上下分裂。為此上凸彎管處的鎮墩應予特別重視，應經過驗算并配置足以保證鎮墩聯成整體的錨筋或錨環(用型鋼)，并將其插入底部混凝土內。錨筋布置方向隨轉彎半徑方向布置。

本項目上凸彎管沒有進行相關計算，經復核，只有1號鎮墩配筋滿足整體要求，5號、6號、8號、9號上凸彎管鎮墩配筋不滿足整體要求。

5)鋼管鎮、支墩出現的問題和處理措施。2014年8月，對高壓明管段做了檢查，除1號鎮墩外，其它鎮墩上部在機組運行后均出現了徑向裂縫，每個鎮墩頂部、兩側腰部裂縫基本上從上游貫穿到下游，鎮墩混凝土的整體性受到一定程度的損壞。

據了解，現場對各鎮墩裂縫進行了化學灌漿處理，墩體表面涂刷2～3 mm厚度改性瀝青，但并沒有按原定的處理方案進行鎮墩加固處理。

2.2.2 明鋼管結構設計復核

引水系統中的高壓明管，長度約為1 480 m，直徑為2.1 m，全線共設鎮墩13個，支墩134個，下游緊鄰鎮墩處設伸縮節。鋼管主材采用07MnMoVR，壁厚22～40 mm，支承環及加勁環采用Q345R。

經復核，在壓力鋼管軸線現狀下，明鋼管的跨中斷面、支承環旁側及支承環應力仍可滿足允許應力要求，鋼管的容許外壓也大于設計的0.1 MPa。明鋼管軸線經過調直后，鋼管結構仍可利用。

2.3 施工記錄調查分析

2.3.1 明鋼管的施工順序

高壓明管施工安裝順序是從廠房側13號鎮墩開始，從低處往高處摞節施工，一直安裝到蝶閥，再施工支腿、澆筑支墩二期混凝土，全長沒有設置湊合節(原設計要求設置湊合節)，伸縮節也是在管節拼接到所在位置時安裝的。鎮墩混凝土澆筑是在管節、伸縮節安裝完工后澆筑的。

高壓明管施工完成后，沒有及時測量管線偏差。有記錄的第一次管線偏差測量是2011年10月16日，12號伸縮節更換之后測得，這時已經歷了多次充、排水過程。

2.3.2 鎮、支墩和溝槽護面混凝土的施工

1)據了解4號～5號鎮墩間鎮、支墩混凝土為雨季施工，根據收集的到資料表明，雨季施工沒有相應的防護措施，基坑泡水，不滿足混凝土施工規范要求。

2)12號～13號鎮墩間鋼管安裝過程中，由于現場缺少水泥，一年后才開始澆筑支墩混凝土，鋼管安裝支撐不足。經復核，鋼管在未設置側向限位的情況，直接暴露在陽光下，因鋼管陰、陽側存在溫度梯度會產生過大的側向變形[3]，本項目鋼管側向變形可達700～900 mm。在未對側向變位進行系統糾偏的情況下，后期澆筑支墩，已經存在缺陷。

3)支墩混凝土澆筑后由于水泥供應中斷，支墩周圍和溝槽的護面混凝土無法澆筑，溝槽開挖面沒有及時封閉，經過了一個雨季的沖刷、固結和沉降，在空管狀態下雨季過后出現約11個支墩滑移、或沉降脫空，后采用抬高墊板、砂漿填塞方式避免鋼支腿脫空，并在2011年5月31日充水之前澆筑混凝土防護槽面。在2011年10月份12號伸縮節出現事故前沒有鎮、支墩測量資料。

2.4 運行期記錄調查分析

該電站原設計為調峰電站，但根據電廠現任廠長介紹，該國電力異常緊張，機組在2012年元月完成720 h試運行后，長期24 h運行，除意外或組織停機以外。自投產到現在，電廠設備沒有按照操作與運維手冊規定頻率進行大修。電站出現特別異常運行狀況，包括：頻繁甩全負荷，隨后又自動開機，這種意外停啟頻率最多時為每周3次以上，出現異常且復雜的水力過渡過程，可能引起管道過頻繁的壓力脈動和過高的水擊壓力。對壓力鋼管彎管段及安裝偏差或側向變形較大的“大彎管段”穩定及應力產生不利的影響。

3 事故原因分析

現場提供的實測數據及查勘情況表明：高壓明管段管軸線在縱向和側向的變形以及支墩沉降量均已遠超規范相關要求，需要進行系統加固處理。高壓明管段管產生過大變形的原因有以下幾方面。

3.1 地質勘察深度不足

1)原可研報告中建議應該在下一階段對壓力鋼管沿線進行地質勘察工作，查明沿線覆蓋層厚度和巖層分布，以及相應的物理力學特性。收集到的資料顯示，基本及詳細設計階段均未進行壓力鋼管沿線的鉆探工作，沒有查明沿線的覆蓋層厚度及強風化基巖的厚度。

2)可研報告提出的覆蓋層承載力建議值為175 kPa。根據報告中對土性的描述，該建議值是比較中肯的，但原設計鎮、支墩穩定及地基應力計算采用地基承載力特征值300～400 kPa明顯偏高。

3)地質資料過于簡單，僅有巖性的一般描述且不全面，缺少相應的力學指標和參數。原報告未指出軟弱的粉砂質泥巖和泥質粉砂巖存在遇水易軟化、地基承載能力降低的問題。

現場發現8-8號～8-10號支墩(9號鎮墩上游側)處地下水出露，該地段地下水位遠高于原壓力鋼管縱剖面中推測的地下水位，水文地質條件已經發生變化。9號鎮墩基礎遭地下水浸泡，地基承載力可能已大幅降低。

3.2 結構型式不妥

1)本工程壓力鋼管鎮、支墩基礎均坐落于覆蓋層上，各鎮、支墩下伏覆蓋層厚度不同，地質條件較差。設計中對地基沉降、變形對鎮、支墩及壓力鋼管結構、伸縮節的不利影響考慮不足。

2)鎮、支墩間距偏大，選用的鎮、支墩間距參數更適合于巖基上的剛性支撐。

3.3 施工工序不合理

據了解，高壓明管施工順序是從廠房側開始，由下游向上游拼接鋼管，伸縮節是在管節拼接到所在位置時安裝的，一直拼接到蝶閥后，再施工支腿、澆筑支墩二期混凝土，全長沒有設置湊合節，鎮墩混凝土澆筑是在管線、伸縮節完工后澆筑的。高壓明管施工完后，沒有及時測量管線偏差。有記錄的第一次管線偏差測量是2011年10月16日，12號伸縮節更換之后測得，這時已經過一個雨季，且管線經歷過多次充、放水過程。

3.4 安裝精度偏差大

相應規范對鋼管安裝、支墩施工的偏差有嚴格的規定。本工程鋼管安裝過程中，沒有考慮溫度對鋼管變形的影響[4]，沒有使用湊合節并在合適的溫度實施鋼管合攏，鋼管試通水前沒有進行相關的安裝偏差驗收、檢驗。鋼管運行前各方向可能已存在較大偏差，運行后更會加劇這種偏差，從而導致運行期多次出現事故。

3.5 運行與維護

該水電站自投產以來，除意外停機或組織停機外，長期24 h運行，電廠設備沒有按照操作與運維手冊規定頻率進行大修。電站出現特別異常運行狀況，包括：頻繁甩全負荷，隨后又自動開機，這種意外停啟頻率最多時為每周3次以上，出現異常且復雜的水力過渡過程，會引起管道過頻繁的壓力脈動和過高的水擊壓力。對壓力鋼管彎管段及安裝偏差或側向變形較大的“大彎管段”穩定及應力產生不利的影響。

電站運行期間，高壓明管段進行多次的管道充水排水程序沒有按設計推薦的方案執行。排水時只排蝶閥以下，充水時直接從蝶閥旁通管往下游明管充水，導致蝶閥平壓瞬間壓力增長約2.5 MPa，給高壓明管段造成沖擊甚至振動。

本項目高壓管段多個鎮、支墩坐落在于覆蓋層基礎上，運行期鋼管發生的水擊或過大振動，在鋼管軸線存在偏差的部位，會產生額外的、不可控的附加荷載，這種附加荷載作用于鎮、支墩上，引起鎮、支墩的不均勻沉降甚至影響穩定性，而鋼管軸線會隨著鎮、支墩的沉降存在而加劇變形，反過來又會增大上述附加荷載的作用，致使高壓管道系統整體變形超出規范要求。

3.6 工程處理措施不到位

1)收集到的資料顯示，本工程自投入運行以來管道經歷的3次較嚴重事故，均發現有管線位移、支座滑移、伸縮節損壞的情況出現?，F場對支墩及側向限位結構進行的歷次局部加固處理，沒有系統地分析發生變形的原因并采取有效的處理措施，致使支墩受力愈來愈不均勻，出現支墩混凝土局部壓碎的現象。

2)經復核，鎮墩混凝土配筋偏少，混凝土開裂后鋼筋不足以抵抗彎管段所受不平衡合力，上凸彎管尤為突出，鎮墩混凝土整體性較差，可能已起不到固定點的作用，存在安全隱患。

4 處理建議

鑒于以上原因，提出建議如下：

1)進行高壓管道部位地形補充測量?？刂茰y量兩種設計方案，一是收集該電站施工控制網資料，平面控制點不少于3個，高程點2個。平面和高程控制測量分別布設四等GNSS控制網和四等高程控制網。二是若收集不到或點位破壞則建立工程獨立坐標系。

2)建議補充鉆探工作，查明覆蓋層、全強風化基巖的厚度和性狀，以及沿線的地下水情況。只有查明壓力鋼管鎮支墩地基土層地層結構，才能提供有針對性的永久加固方案。

3)業主提出廠壩連接道路沿線頻繁出現塌方體、滑坡體，擔心管線沿線存在地層表面蠕動?，F場查勘時也發現9號鎮墩附近有地下水出露，地下水位線與原設計推測的地下水位線偏差較大，軟弱的粉砂質泥巖和泥質粉砂巖遇水易軟化、地基承載能力大幅降低。建議對坡度較陡的、且地下水出露的管道基礎、管槽邊坡進行加固處理。

4)鋼管鎮、支墩基礎均坐落于覆蓋層上，僅有1號、12號鎮墩基礎設有樁基礎。根據規范要求，鎮墩宜坐落于巖石基礎上，若坐落于軟基上，需要進行必要的基礎處理。本工程鎮墩間距偏大，建議增設新鎮墩減小鎮墩間距，并對鎮、支墩基礎進行加固處理。

5)全面調整管道軸線及各支墩定位，修復或更換已損壞的伸縮節。在當前的管道現狀下，管線豎向和側向位移都遠超過規范要求，管線變形后，管道產生了較大的附加應力，僅調整鋼管支承環上的限位結構是不夠的，需先調整管道軸線(側向和豎向)偏差至合理范圍內，再考慮管道的側向限位的調整和加強措施。

6)加強支墩的側向限位措施。

7)加強管槽邊坡防水和管底排水措施，可重點對已發現地下水出露的鎮墩下游側設排水管，釋放覆蓋層中的地下水。

8)控制運行工況，避免鋼管長時間空管曝曬，消除位移溫度荷載。

9)增加鎮墩、支墩位移的專項監測系統，并設置安全限值，確保工程安全可控。

5 結 語

本工程高壓明管段的破壞很具代表性，經過詳細的調查分析，得到以下幾點結論：

1)應重視明鋼管管線的前期地質勘察工作，包括壓力鋼管沿線覆蓋層厚度及巖層分布和水文地質勘察，為結構設計提供全面有效的支撐。

2)鎮墩盡量坐落在完整基巖上，如覆蓋層埋深過大，應采取適當的基礎處理措施，不能打折扣；上凸彎管鎮墩受力條件差，是鎮墩穩定分析和結構設計的重點。

3)土基上的鎮支墩間距應當取規范的小值，過大的間距與不良地質條件的疊加將造成基礎沉降、管線變形等一系列不利影響。

4)明鋼管由于受力條件復雜，造成鋼管變形的可能因素很多，伸縮節參數選取應有足夠的安全儲備。

5)明管施工應嚴格按照相關規程規范的施工順序，做好加工及安裝誤差控制，避免施工期造成較大的永久變形。

6)海外工程由于所在國基礎設施條件差，在施工期可能出現油料、建材等物資供應問題影響正常施工，在運行期電站很可能不按照操作規程正常運行且缺乏必要的檢修和維護，因此前期設計時應留出足夠的安全裕度，避免造成大的事故和經濟損失，延長工程使用壽命。