桑興旭

（五凌電力有限公司碗米坡水電廠 湘西州 416500）

前 言

水工建筑物中的引、輸水管、排沙管和水力發(fā)電工程中的蝸殼、管形座、轉(zhuǎn)輪室、尾水管和引水壓力鋼管常采用鋼板襯砌澆注混凝土結(jié)構(gòu)的工藝。由于施工質(zhì)量、鋼襯外包混凝土凝固干縮等原因，常會導(dǎo)致混凝土與鋼板之間產(chǎn)生脫空或空洞缺陷，從而影響工程運(yùn)行安全。水輪機(jī)蝸殼脫空是電廠運(yùn)行后普遍存在的缺陷，脫空嚴(yán)重時將導(dǎo)致機(jī)組振動加大，會造成如下危害:

（1）機(jī)組各連接部件松動，使各轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞。

（2）引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂。

為提高鋼襯整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證水輪機(jī)安全運(yùn)行，通常都對蝸殼脫空進(jìn)行接觸灌漿。接觸灌漿主要有水泥灌漿、化學(xué)灌漿兩種。下面通過兩種灌漿材料力學(xué)性能分析、碗米坡工程實例應(yīng)用效果檢驗，闡述兩種方法的應(yīng)用特點。

1 灌漿材料特性

1.1 水泥灌漿材料特性

水泥作為灌漿材料具有強(qiáng)度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價格低廉等優(yōu)點，它是使用最早、應(yīng)用最廣的灌漿材料之一。因此，水泥漿在國內(nèi)外灌漿工程中一直是用途最廣和用量最大的漿材。

接觸灌漿使用的漿液為純水泥漿液，水泥一般選用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5或以上，細(xì)度為通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%。漿液水灰比分為 1∶1、0.8∶1、0.6∶1 三個比級。 0.6∶1 的漿液中需摻入緩凝高效減水劑提高流動性，減水劑質(zhì)量應(yīng)符合 《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》DL／T5 100-1999的規(guī)定，漿液使用高速攪拌機(jī)攪拌時問不少于30 s。表1為泥灌漿漿液的基本性能指標(biāo)。

表1 泥灌漿漿液的基本性能指標(biāo)

1.2 化學(xué)灌漿材料特性

化學(xué)灌漿的主要材料為環(huán)氧樹脂，其具有強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、收縮小、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。目前蝸殼脫空鋼襯灌漿中主要采用HK－G－2環(huán)氧灌漿材料。HK－G－2環(huán)氧灌漿材料是由新型環(huán)氧樹脂、稀釋劑、固化劑等組成的雙組分環(huán)氧灌漿材料，具有以下特點：

（1）粘度小，可灌性好，可以灌注0.2 mm左右的細(xì)縫。

（2）和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度高，一般都大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度。

（3）具有較好的力學(xué)性能，漿液固化后的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都很好，有較好的補(bǔ)強(qiáng)加固作用。

（4）漿液有親水性，對潮濕基面的親和力好。

（5）凝固時間可以調(diào)節(jié)，范圍可在數(shù)小時至數(shù)十小時之內(nèi)，便于現(xiàn)場施工調(diào)配。

（6）操作方便，不需繁雜配制，只需將A、B 組分按比例均勻混合后即可灌漿。

（7）固結(jié)體為無毒類，純漿液為低毒類，對人體、環(huán)保危害小。

表2為HK－G－2環(huán)氧灌漿材料主要性能指標(biāo)。

表2 HK－G－2環(huán)氧灌漿材料主要性能指標(biāo)

固化劑用量對環(huán)氧灌漿材料力學(xué)指標(biāo)也有較大的影響，從表3（固化劑用量對性能的影響）可見材料凝膠時間隨著固化劑用量增加而縮短，同齡期抗壓強(qiáng)度隨著固化劑用量增加而增大。實際施工過程中，應(yīng)從抗壓強(qiáng)度增長快慢要求及施工操作時間綜合考慮，選擇合適的固化劑用量。

表3 固化劑用量對性能的影響 （溫度25℃）

1.3 性能對比分析

通過水泥灌漿材料和化學(xué)灌漿材料性能對比發(fā)現(xiàn)：

（1）水泥漿液強(qiáng)度遠(yuǎn)低于環(huán)氧灌漿材料，雖然降低水灰比可提高結(jié)石率，增加抗壓強(qiáng)度，但同時因粘度迅速提高使?jié){液流動性、可灌性嚴(yán)重降低，細(xì)小脫空面無法有效灌注漿液。

（2）水泥漿液凝固收縮較環(huán)氧灌漿材料大，減水劑的使用會增大其收縮，降低材料體積穩(wěn)定性。

（3）水泥漿液材料來源廣、價格低廉，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)氧灌漿材料，在較大灌漿工程中其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。

2 碗米坡水電站水輪機(jī)蝸殼接觸灌漿工程實例

2.1 概 況

碗米坡水電站位于酉水中游，在湖南省湘西自治州保靖縣境內(nèi)，下距保靖縣20 km，是沅水一級支流的第4個梯級電廠。電廠壩址控制流域面積10 415 km2，多年平均徑流量94.3億m3，水庫正常蓄水位248.00 m，相應(yīng)庫容為2.56億m3，具有不完全季調(diào)節(jié)性能，裝機(jī)3臺，單機(jī)80 MW，總?cè)萘?40 MW，保證出力18.6 MW，年設(shè)計發(fā)電量7.92億kW·h。

電廠2#機(jī)組在2006年進(jìn)行了蝸殼脫空情況初步檢查，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組蝸殼鋼襯腰線（中心線高程▽205.21 m）以下部位均存在與混凝土脫空現(xiàn)象，當(dāng)時統(tǒng)計總面積約50 m2。2006年汛期，機(jī)組在高水位滿負(fù)荷運(yùn)行時，蝸殼振動噪音與其他兩臺機(jī)組相比比較，聲音明顯偏大。結(jié)合前期檢查情況基本確定蝸殼脫空現(xiàn)象惡化導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行期間振動加劇。電廠在2007年、2010年先后進(jìn)行水泥灌漿、化學(xué)灌漿處理該問題。

2.2 水泥灌漿的應(yīng)用

2007年底2#機(jī)組蝸殼脫空區(qū)域檢查發(fā)現(xiàn)蝸殼下半圓靠底部1/4的部位大部分與外包混凝土面脫空，整個蝸殼脫空面積為160 m2。通過對脫空部位鋼襯進(jìn)行鉆孔檢查，發(fā)現(xiàn)鋼襯與混凝土面脫空間隙均較小，一般在1 mm左右，但靠近操作廊道位置近5 m范圍脫空較嚴(yán)重，局部脫空間隙達(dá)到10 mm以上。因脫空區(qū)域面積大、脫空縫隙寬，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，采用水泥灌漿工藝進(jìn)行施工。

2.2.1 施工流程

（1）布孔。鋼襯接觸灌漿孔的位置宜在現(xiàn)場經(jīng)錘擊檢查確定。每一個獨立的脫空區(qū)布孔不應(yīng)少于2個，最低處和最高處都應(yīng)布孔。為減少開孔數(shù)量，孔距按1.5 m控制，并在脫空部位周邊布孔，確保灌漿漿液能夠到達(dá)灌漿區(qū)域邊緣。對于孔距的控制，在施工過程中距離按1.5 m太遠(yuǎn)，脫空間隙小區(qū)域根本灌不進(jìn)，為了達(dá)到灌漿密實效果，布孔間距進(jìn)行了調(diào)整，個別間距達(dá)到了1.1 m。由于蝸殼腰線以上部分鋼襯與外包混凝土之間設(shè)置有彈性墊層，腰線以上部分不需進(jìn)行接觸灌漿，故布孔位置最高處以不超過蝸殼腰線以下50 cm為標(biāo)準(zhǔn)。共完成布孔83個。

（2）鉆孔、攻絲。先用磁力電鉆在鋼板上鉆出孔徑Ф16 mm的圓孔，每孔宜測記鋼襯與混凝土之間的間隙尺寸。再用電錘通過鋼板圓孔在混凝土內(nèi)繼續(xù)鉆孔，孔深（5～10）cm，最后進(jìn)行攻絲，攻絲后孔徑為Ф18 mm。

鉆孔攻絲后，應(yīng)采取措施（如刮刀）將鋼襯里側(cè)因鉆孔而翻卷的鋼板表層氧化保護(hù)膜清除掉，防止其從孔口處堵塞漿液向四周擴(kuò)散。

（3）裝管、壓風(fēng)連通試驗。用空心外絲接頭纏生料帶后擰入鋼襯鉆孔內(nèi)，外絲一端接特制專用高壓灌漿短管，利用壓風(fēng)檢查灌漿孔的貫通和閉氣情況，吹除空隙內(nèi)的污物和積水。風(fēng)壓必須小于灌漿壓力。

（4） 配漿。 漿液水灰比采用 1∶1、0.8∶1、0.6∶1 三個比級。

（5）灌漿。首先灌入稀漿，最高處排漿通暢后，換濃一級水泥漿。盡量多灌注較濃級漿液，減少水泥漿的析水量，提高結(jié)石率。

灌漿壓力控制鋼襯變形一般不超過設(shè)計規(guī)定值為準(zhǔn)，可根據(jù)鋼襯的壁厚、脫空面積的大小以及脫空的程度等實際情況確定，一般不大于0.1MPa。同時根據(jù)孔內(nèi)吸漿量調(diào)整灌漿壓力，吸漿量小時采用較大的灌漿壓力，反之采用較小的灌漿壓力。灌漿應(yīng)自低處孔開始，并在灌漿過程中敲擊震動鋼襯，待各高處孔分別排出濃漿后，屏漿5min后依次將其孔口封堵，同時應(yīng)記錄各孔排出的漿量和濃度。累計完成配漿、灌漿1m3。

（6）封孔。用高強(qiáng)絲堵擰入孔內(nèi)封孔，擰入深度以絲堵外端低于鋼內(nèi)襯表面5 mm，表面再采用E5015（牌號CHE507）焊條分兩層封焊，然后采用砂輪機(jī)打磨平整后涂環(huán)氧樹脂進(jìn)行保護(hù)。

（7）驗收。經(jīng)灌漿完成7天后驗收，蝸殼無大于1 m2脫空區(qū)，灌漿密實度為95%，基本上達(dá)到了預(yù)期的灌漿效果。

2.2.2 效果檢驗

水泥灌漿完成后，2008年高水位滿負(fù)荷運(yùn)行時，機(jī)組振動、噪聲等明顯減小，達(dá)到預(yù)期效果。2009年初對2#機(jī)蝸殼進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)靠近操作廊道位置原脫空嚴(yán)重處，又出現(xiàn)較為嚴(yán)重的脫空，面積在10 m2左右。2009年汛期，機(jī)組高水位滿負(fù)荷運(yùn)行時又出現(xiàn)與2006年相似異常振動。初步判斷，因水泥漿流動性欠佳、凝固后干縮等特性，導(dǎo)致灌漿完成后經(jīng)過2年運(yùn)行，蝸殼脫空情況劣化。

2.3 化學(xué)灌漿的應(yīng)用

2010年初檢查發(fā)現(xiàn)，靠近操作廊道位置原脫空嚴(yán)重處，又出現(xiàn)30 m2的大面積脫空情況，其他區(qū)域也出現(xiàn)較大面積脫空區(qū)，總脫空面積達(dá)80 m2，占2007年水泥灌漿面積的50%。為保證灌漿質(zhì)量，電廠此次采用化學(xué)灌漿方法進(jìn)行施工。

2.3.1 施工流程

化學(xué)灌漿主要施工流程基本與水泥灌漿相同，但施工相對更加方便簡單。

（1）無需復(fù)雜的配漿過程及相關(guān)實驗，制漿方便，設(shè)備操作簡單。

（2）漿液流動性更強(qiáng)，孔距可按3 m控制。2010年化學(xué)灌漿中累計布孔31個，比上次水泥灌漿83個大幅減小，一定程度避免破壞鋼襯的整體性。

（3）漿液可灌性好，整個灌漿過程中灌漿壓力更小，鋼襯應(yīng)力小。

（4）灌漿密實度高，經(jīng)驗收蝸殼無大于0.5 m2脫空區(qū)，灌漿密實度達(dá)99%。

2.3.2 效果檢驗

2010年、2011年兩個汛期，機(jī)組高水位滿負(fù)荷運(yùn)行均未出現(xiàn)振動加大、異常噪聲等情況。2010年復(fù)查中，化學(xué)灌漿區(qū)僅發(fā)現(xiàn)1處面積1 m2左右的脫空區(qū)，效果明顯好于水泥灌漿。

3 結(jié)語

（1）水泥灌漿因材料流動性較弱，在縫隙較小的水輪機(jī)蝸殼脫空接觸灌漿中，可灌性較差。工程應(yīng)用中應(yīng)盡量選用超細(xì)水泥，適當(dāng)加入減水劑，以增加水泥漿的流動性。

（2）水泥灌漿材料收縮性可能導(dǎo)致在灌漿后因材料收縮再次出現(xiàn)脫空縫隙。

（3）化學(xué)灌漿材料粘度低、力學(xué)性能好、操作方便，相比水泥灌漿，更加適合對可灌性要求較高的水輪機(jī)蝸殼脫空補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

（4）在大面積的灌漿工程中，若考慮經(jīng)濟(jì)型，可先采用水泥灌漿，再利用化學(xué)灌漿進(jìn)行后期輔助補(bǔ)強(qiáng)。

1 DKT5148-2001.水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].

2蔣碩忠.HK-G系列環(huán)氧灌漿材料性能及應(yīng)用，綠色化學(xué)灌漿技術(shù)[M].武漢：長江出版社，2006.