巴貴善

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊 830000)

趙志敏

(新疆博湖揚(yáng)水管理處 庫爾勒 841000)

1 工程概況

博湖揚(yáng)水站始建于20 世紀(jì)70年代末，原規(guī)劃整個(gè)工程由引水渠、攔污閘、進(jìn)水池、主廠房、副廠房、出水池、輸水渠、降壓站、機(jī)修間、生活區(qū)等組成。揚(yáng)水站設(shè)計(jì)流量為75m3/s，在非常情況下加大流量為90m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程7m，采用立式軸流泵，總裝機(jī)容量12×800kW，由于當(dāng)時(shí)建設(shè)資金的限制，工程分為兩期建設(shè)，一期先建西泵站和公用設(shè)施，裝機(jī)容量6×800kW。

一期西泵站始建于1978年，1980年投入運(yùn)行，1983年竣工驗(yàn)收。二期東泵站(將原規(guī)劃裝機(jī)容量6×800kW 改為5×1100kW) 于2003年開工，2006年完工，2008年底投運(yùn)。東、西泵站相距650m。東、西泵站采用聯(lián)合運(yùn)行方式互為備用。東泵站的建成使得運(yùn)行30年的西泵站有了停機(jī)檢修改造的可能。

西泵站建成投運(yùn)30年來，長期以一當(dāng)二，超負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)備老化嚴(yán)重加劇，機(jī)組振動(dòng)，噪聲超標(biāo)，機(jī)組的大修周期越來越短。水工建筑物年久失修，出水流量不足，效率下降，揚(yáng)水功耗增加，影響和制約了泵站整體效益的發(fā)揮，機(jī)組處于帶病運(yùn)行狀態(tài)。盡快改造西泵站是保證下游9.3萬hm2農(nóng)田安全供水的急需，符合國家加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展農(nóng)民增收的大政方針，也是向下游孔雀河灌區(qū)年輸送10.55億m3的生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水，每年保證向塔河下游塔里木墾區(qū)輸生產(chǎn)、生活用水2.5億m3，向塔河下游綠色走廊輸2.0億m3生態(tài)用水的關(guān)鍵工程，盡早改建西泵站已成為巴州人民的迫切要求。按照水利部(辦規(guī)計(jì)［2008］330號(hào)) 文件精神，西泵站列入全國大型泵站更新改造計(jì)劃之內(nèi)。

2008年5月由水利部泵站測試中心及武漢大學(xué)為西泵站做了安全檢測及工程復(fù)核分析，2009年3月水利部灌排中心組織專家評(píng)審?fù)ㄟ^了西泵站安全鑒定報(bào)告。

2 出水流道結(jié)構(gòu)、裂縫漏氣致因及檢測結(jié)果

2.1 出水流道布置結(jié)構(gòu)

西泵站6臺(tái)機(jī)組虹吸式出水流道中心軸線長19.85m，進(jìn)口段圓形斷面D=1.67m，中心高程為1044.78m，駝峰斷面b×h=2.5m×1.2m，駝峰頂部高程1051.70m，出口方形斷面b×h=5m×3m，出口上緣高程為1046.90m。單流道內(nèi)表面積為179m2，六臺(tái)機(jī)組流道總面積為1074m2。詳見下頁圖。

2.2 裂縫漏氣漏水致因分析

受流道內(nèi)工作條件限制，多年來一直未進(jìn)行泵站虹吸式出水流道裂縫的詳細(xì)檢查，但6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行過程中，在虹吸流道內(nèi)漏氣漏水現(xiàn)象均有存在。起因主要有地基不均勻沉降裂縫、施工期下層結(jié)構(gòu)對(duì)上層結(jié)構(gòu)約束裂縫、施工期混凝土干縮縫和運(yùn)行期剛性修補(bǔ)后溫差梯度原因拉裂等四方面。具體分析如下：

2.2.1 地基不均勻沉降裂縫原因

西泵站主廠房水下部分為濕式塊基整體結(jié)構(gòu)，順?biāo)飨蜷L度為21.3m，垂直流向基礎(chǔ)寬度為36.02m，寬度方向中間沉陷縫寬20mm，將6臺(tái)機(jī)組分為對(duì)稱兩段，寬各為18m?；A(chǔ)高程為1035.85m，地基為粉質(zhì)黏土，無濕陷性，在飽和狀態(tài)下具有中等壓縮性。因上部不均勻的靜荷載和動(dòng)荷載由縱橫隔墻傳遞到底板下地基應(yīng)力不均勻，致使粉質(zhì)黏土地基壓縮沉降是不均一的。導(dǎo)致縱、橫隔墻支承的剛性流道管體產(chǎn)生不均勻的變形裂縫。

西泵站出水流道中心剖面圖

2.2.2 施工期下層結(jié)構(gòu)對(duì)上層結(jié)構(gòu)約束裂縫原因

主廠房上下游墻、左右端墻和底板為封閉結(jié)構(gòu)，機(jī)組間距為5.6m，每臺(tái)機(jī)間隔墻厚為0.6m，上游排架柱下水下墻厚0.8m，下游排架柱下縱向隔墻一道厚0.8m，流道底板和頂板連續(xù)穿過機(jī)組間隔墻。流道混凝土澆筑時(shí)和其下縱、橫墻成為剛性約束，促成了流道混凝土的初期裂縫。

2.2.3 施工期混凝土干縮縫原因

流道混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)不到位，同樣發(fā)生常規(guī)的混凝土干縮性慣穿裂縫。

2.2.4 運(yùn)行期剛性修補(bǔ)方案與溫差梯度原因

頂板處于常溫室內(nèi)，底板處于自然室內(nèi)，使流道長期處于溫度梯度變化中，加上動(dòng)、靜荷載不均作用，使運(yùn)行期剛性修補(bǔ)后依然被拉裂，故泵站投產(chǎn)后多次采取的剛性材料灌漿修補(bǔ)是不甚合適的。另外，裂縫寬度隨季節(jié)的開合，有時(shí)是不可見的細(xì)小裂縫，不可能一一得以全部修補(bǔ)，故隨季節(jié)或溫差梯度開合的裂縫未被發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象也有可能一并存在。

2.3 現(xiàn)狀調(diào)查情況及檢測結(jié)果

a.泵站虹吸式出水流道的駝峰頂部因混凝土裂縫而漏氣(尤其以5號(hào)、6號(hào)機(jī)組出水流道駝峰漏氣較為嚴(yán)重) ，自泵站建成竣工交付使用以來，就作為遺留問題一直未能解決。據(jù)測試，該泵站駝峰處真空度僅在20～27kPa 之間(150～200mmHg) ，均達(dá)不到設(shè)計(jì)40kPa的要求。這影響了開機(jī)時(shí)的抽真空啟動(dòng)及正常運(yùn)行時(shí)駝峰處的真空度。正常運(yùn)行期間增大了水泵揚(yáng)程，增加了不必要的耗電量。當(dāng)漏氣嚴(yán)重時(shí)水泵無法正常運(yùn)行，并且在高峰期運(yùn)行時(shí)，該裂縫的滲水將流至主泵房的主機(jī)高壓柜旁，以致威脅電氣設(shè)備的運(yùn)行安全。針對(duì)這一問題，泵站管理處曾多次嘗試用環(huán)氧樹脂修補(bǔ)封堵，但一直沒有取得理想的效果。

b.博斯騰湖水位已由2002年的最高水位1049.39 m 降至2007年12月的1046.20m，湖水位下降最大值為3.19m，年均下降0.638m，且水位仍有繼續(xù)下降的趨勢，湖水位如下降至1045.5m 時(shí)機(jī)組將啟動(dòng)困難，根據(jù)該泵站軸流泵特性分析，湖水位下降至1045m 時(shí)泵站將無法正常運(yùn)行。2007年7月18日3號(hào)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)啟動(dòng)困難的情況，出現(xiàn)超負(fù)荷信號(hào)，不得不利用4號(hào)、5號(hào)機(jī)抽真空，啟動(dòng)了3 次才使3號(hào)機(jī)投入正常運(yùn)行。正常開機(jī)率下降。

2.4 安全鑒定報(bào)告復(fù)核結(jié)論

從現(xiàn)場檢測看出，虹吸式出水流道因地基不均沉陷，產(chǎn)生裂縫，機(jī)組啟動(dòng)抽真空困難，甚至完全不能啟動(dòng)，因此需要借助已啟動(dòng)機(jī)組抽氣來完成啟動(dòng)過程。

現(xiàn)有水泵在凈揚(yáng)程6.23m 及以上時(shí)，已進(jìn)入性能不穩(wěn)定區(qū)(馬鞍區(qū)) ，且水泵將出現(xiàn)汽蝕。針對(duì)目前虹吸式出水流道現(xiàn)狀，建議：?對(duì)虹吸式出水流道進(jìn)行除險(xiǎn)加固，修補(bǔ)裂縫;?更換抽真空設(shè)備，加大真空泵容量。

3 出水流道加固、修補(bǔ)方案比選

總結(jié)國內(nèi)水工建筑物裂縫處理工程經(jīng)驗(yàn)，裂縫修補(bǔ)處理措施主要有：環(huán)氧類漿液灌漿、高壓聚氨酯灌漿、化灌加表面改性聚合物砂漿(PCC) 抹面;裂縫補(bǔ)漏阻氣處理措施主要有：裂縫化灌加柔性材料面層法、裂縫化灌加鋼板內(nèi)襯法和裂縫化灌加纖維布法。

針對(duì)西泵站虹吸式出水流道因地基不均沉陷裂縫而產(chǎn)生的漏氣漏水問題，結(jié)合西泵站虹吸式出水流道可停水處于干燥狀態(tài)，最小高度為1.2m、最小寬度為2.5m、工作空間較適宜的修補(bǔ)操作條件，本階段以技術(shù)成熟、耐久可靠為原則，擬定以下兩個(gè)流道裂縫處理方案。

3.1 流道內(nèi)粘鋼襯方案

在流道內(nèi)壁全長范圍全斷面內(nèi)襯粘貼鋼板加固，該方案是徹底解決虹吸流道裂縫漏氣的最佳方案。將6mm 厚鋼板粘貼在流道內(nèi)壁表面，因鋼板薄，對(duì)過流截面影響小，采取滿襯方式，可將流道全斷面內(nèi)壁完全封死，不會(huì)產(chǎn)生漏氣、滲水的現(xiàn)象。為防止鋼板因負(fù)壓向內(nèi)屈曲，鋼板采用錨桿錨固到原結(jié)構(gòu)為止。為了使鋼板內(nèi)表面平整，要求錨桿與鋼板之間塞焊，不留螺栓頭。現(xiàn)有的植筋技術(shù)不耐濕、不耐高溫，采用自鎖錨桿能很好地滿足耐高溫、耐濕的環(huán)境要求。內(nèi)襯鋼板除了能起補(bǔ)強(qiáng)加固、封堵裂縫的作用外，若原結(jié)構(gòu)有新的微小變形，鋼材的塑性性能不致使內(nèi)襯拉裂，有較好的抗變形能力。

采用裂縫化灌加內(nèi)表面鋼襯封閉相結(jié)合的修補(bǔ)措施，可以達(dá)到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和耐久性的目的。

存在的問題：?施工難度大，流道自進(jìn)口至出口呈圓形斷面漸變上升為方形四角貼角斷面至駝峰頂部，再從頂部向下游斜向擴(kuò)散，管壁屬不規(guī)則多變曲面，鋼板分塊、卷曲、固定、對(duì)接作業(yè)非常復(fù)雜;?造價(jià)高，6臺(tái)機(jī)流道鋼襯概算直接費(fèi)為198.66萬元。

3.2 涂刷聚脲防護(hù)處理方案

3.2.1 聚脲彈性體材料的定義和特性

美國聚脲發(fā)展協(xié)會(huì)對(duì)涂刷聚脲的定義如下：由異氰酸酯組分(簡稱A 組分) 與氨基化合物組分(簡稱R組分) 反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)。其中的A 組分可以是單體、聚合體、異氰酸酯的衍生物、預(yù)聚物和半預(yù)聚物。預(yù)聚物和半預(yù)聚物是由端氨基或者端羥基化合物與異氰酸酯反應(yīng)制得的。其中的R 組分必須是由端氨基樹脂和端氨基擴(kuò)鏈劑組成的，在端氨基樹脂中，不得含有任何羥基成分和催化劑，但可以含有便于顏料分散的助劑。

聚脲彈性體材料是質(zhì)感類似于塑料、橡膠、玻璃鋼的SPUA 材料，它以涂料所特有的常溫固化、任意形狀施工的方式，應(yīng)用于千變?nèi)f化的各行各業(yè)。它已成為一種集塑料、橡膠、玻璃鋼、涂料優(yōu)點(diǎn)于一身的高技術(shù)新材料。聚脲材料的特性如下：

a.無毒性，100%固含量，不含有機(jī)揮發(fā)物，符合環(huán)保要求。

b.良好的不透水性，2MPa 壓力下24h 不透水，材料無任何變化。

c.抗沖耐磨特性，其抗沖磨能力是C60 混凝土的10 倍以上。

d.聚脲材料與多種底材，如：混凝土、砂漿、鋼材、瀝青、塑料、鋁及木材等，都有很好的附著力，潮濕面附著力不小于2MPa。

e.具有很強(qiáng)的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度不小于18MPa、撕裂強(qiáng)度不小于50kN/m，扯斷伸長率不小于380%。

f.聚脲彈性體材料具有良好的手刷和噴涂適應(yīng)性，可據(jù)不同要求和場合采用不同方法。手刷聚脲彈性體材料與噴涂聚脲具有同樣優(yōu)異的防滲、抗沖磨及防腐等多種功能。

3.2.2 手刷聚脲彈性體的適用性

手刷聚脲施工為人工涂刷，聚脲固化時(shí)間較長(4～6h) ，通過涂刷遍數(shù)，可以較好地控制涂刷厚度及均勻性。手刷聚脲與基底混凝土的粘接強(qiáng)度高，抗紫外線性能和抗太陽暴曬性能強(qiáng)，在陽光照射下，手刮聚脲本身有30年以上的使用壽命，并且手刷聚脲具有－40℃的低溫柔性，能適應(yīng)高寒地區(qū)的低溫環(huán)境，尤其是能抵抗低溫時(shí)混凝土開裂引起的形變而不滲漏。

該技術(shù)已在小浪底水電站排沙洞、北京京密引水渡槽、青海龍羊峽水電站表孔溢洪道、南水北調(diào)渡槽、青海李家峽水電站左中孔泄洪道、貴州構(gòu)皮灘水電站水墊塘、河南寶泉水電站上庫進(jìn)水口、張家口清水河防滲墻、新疆喀臘塑克混凝土壩底孔泄洪道、云南景洪水電站溢流壩伸縮縫等水利水電工程中應(yīng)用。

經(jīng)濟(jì)性方面，本工程6臺(tái)機(jī)虹吸流道手刷聚脲彈性體概算直接費(fèi)為123.27萬元。

3.3 方案比選

上述兩方案均為成熟技術(shù)，措施上耐久可靠，經(jīng)濟(jì)上方案二優(yōu)于方案一，鑒于本項(xiàng)目修補(bǔ)工程量不大，流道自進(jìn)口至出口呈圓形斷面，漸變上升為方形四角貼角斷面至駝峰頂部，再從頂部向下游斜向擴(kuò)散，管壁屬不規(guī)則多變曲面，鋼板分塊、卷曲、固定、對(duì)接作業(yè)非常復(fù)雜，手刮聚脲粘接強(qiáng)度稍高于噴涂聚脲，故采用了手刮雙組分聚脲彈性體方案。

4 流道內(nèi)手刮聚脲彈體施工工藝

4.1 底面處理

混凝土底面處理首先用角磨機(jī)對(duì)混凝土表面進(jìn)行打磨，清除原混凝土表面浮漿、脫模劑及表面的棱角，用高壓水槍沖洗表面的灰塵、浮渣，待水分完全揮發(fā)后，對(duì)混凝土表面局部孔洞用高強(qiáng)找平膩?zhàn)犹钛a(bǔ)，使用的膩?zhàn)右蟛涣魈?，并且與混凝土粘結(jié)良好，找平材料固化后，再使用角磨機(jī)對(duì)混凝土表面進(jìn)行打磨、清洗，要求混凝土表明平整、堅(jiān)固、無孔洞。

對(duì)大于0.15mm的混凝土裂縫表面要增加胎基布。對(duì)于漏水裂縫需要化學(xué)灌漿處理。

4.2 涂刷BE14 潮濕面界面劑

聚脲涂層與底材的粘接面采用BE14 專用潮濕面界面劑，這是一種100%固含量的環(huán)氧底漆，該底漆可在飽和水或干表面施工。底面處理后，在混凝土表面涂刷BE14 界面劑，涂刷厚度要求薄而均勻，無漏涂現(xiàn)象。保證聚脲與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度大于2MPa。

4.3 刮涂SK 手刮聚脲涂層

a.流道全斷面大面積刮涂SK 手刮聚脲，聚脲厚度為2mm，先在混凝土伸縮縫30cm 范圍內(nèi)，裂縫及拐角10～15cm 范圍內(nèi)涂刷1mm 厚的聚脲彈性體，粘貼胎基布，然后再大面積涂刷聚脲。伸縮縫、裂縫及拐角部位聚脲厚度大于3mm。

b.毛刷配合刮板分層刮涂，一般一層厚度在0.5～0.7mm，刮涂時(shí)來回用力，做到涂層壓實(shí)，前遍涂層干燥后再刮下一遍，依次類推，直至涂層達(dá)到設(shè)計(jì)厚度2mm。

c.聚脲涂層厚度要均勻，由于SK 手刷聚脲各層之間的粘接很好，聚脲涂層的間隔時(shí)間不受限制，但要保證層間清潔、干燥。

4.4 周邊處理

在聚脲彈性體涂刷范圍的周邊，為了保證聚脲涂層與周圍混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流沖刷下開口掀起，收邊處混凝土打磨成倒三角，邊緣聚脲厚度大于4mm，并保證聚脲與周圍混凝土搭接邊處采用平滑過渡。

5 結(jié) 語

a.本次流道修補(bǔ)設(shè)計(jì)提出的內(nèi)壁鋼襯和內(nèi)壁聚脲防護(hù)兩方案，均不影響流道斷面在流道型線的平順、沿程流速和壓力分布的均勻性，在技術(shù)上可行，耐久性良好，經(jīng)經(jīng)濟(jì)性和施工便利性對(duì)比分析后采用了后一方案證明是合適的。

b.通過內(nèi)壁聚脲防護(hù)技術(shù)可提高抗沖耐磨性能，可降低原過流面的糙率，從而使水泵裝置效率比改造前有一定的改善。

c.2011年12月21日起，西泵站工程投入聯(lián)調(diào)試運(yùn)行，對(duì)該工程更新改造分項(xiàng)內(nèi)容，逐一檢查，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，特別對(duì)虹吸出水流道相關(guān)的機(jī)組啟動(dòng)、駝峰抽真空性能、泵機(jī)組功耗檢驗(yàn)結(jié)果可知，虹吸出水流道經(jīng)過全斷面聚脲防護(hù)，效果良好。?

1 新疆巴州博湖揚(yáng)水工程管理處.新疆巴州博湖西泵站安全鑒定現(xiàn)狀調(diào)查分析報(bào)告［R］.2008.

2 水利部泵站測試中心.博湖西泵站現(xiàn)場安全檢測報(bào)告［R］.2008.

3 武漢大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院.新疆巴州博湖西泵站安全鑒定工程復(fù)核分析報(bào)告［R］.2008.

4 孫志恒.聚脲彈性體技術(shù)及其在水利水電工程中的應(yīng)用［M］.中國水利學(xué)會(huì)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)，2008.

5 魯一暉，孫志恒.水工混凝土建筑物評(píng)估與修補(bǔ)［M］.北京：海洋出版社，2007.

6 袁文陽，陳尚建，阮永懷.工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固實(shí)用設(shè)計(jì)及典型實(shí)例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.