水泥灌漿與化學灌漿在水輪機蝸殼脫空處理中的應用

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、排沙管和水力發電工程中的蝸殼、管形座、轉輪室、尾水管和引水壓力鋼管常采用鋼板襯砌澆注混凝土結構的工藝。由于施工質量、鋼襯外包混凝土凝固干縮等原因，常會導致混凝土與鋼板之間產生脫空或空洞缺陷，從而影響工程運行安全。水輪機蝸殼脫空是電廠運行后普遍存在的缺陷，脫空嚴重時將導致機組振動加大，會造成如下危害:

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

（2）引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴大裂縫甚至斷裂。

為提高鋼襯整體結構的穩定性，保證水輪機安全運行，通常都對蝸殼脫空進行接觸灌漿。接觸灌漿主要有水泥灌漿、化學灌漿兩種。下面通過兩種灌漿材料力學性能分析、碗米坡工程實例應用效果檢驗，闡述兩種方法的應用特點。

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度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價格低廉等優點，它是使用最早、應用最廣的灌漿材料之一。因此，水泥漿在國內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，強度等級為42.5或以上，細度為通過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，減水劑質量應符合 《水工混凝土外加劑技術規程》DL／T5 100-1999的規定，漿液使用高速攪拌機攪拌時問不少于30 s。表1為泥灌漿漿液的基本性能指標。

表1 泥灌漿漿液的基本性能指標

1.2 化學灌漿材料特性

化學灌漿的主要材料為環氧樹脂，其具有強度高、粘結力強、收縮小、化學穩定性好等優點。目前蝸殼脫空鋼襯灌漿中主要采用HK－G－2環氧灌漿材料。HK－G－2環氧灌漿材料是由新型環氧樹脂、稀釋劑、固化劑等組成的雙組分環氧灌漿材料，具有以下特點：

（1）粘度小，可灌性好，可以灌注0.2 mm左右的細縫。

（2）和混凝土的粘結強度高，一般都大于混凝土本身的抗拉強度。

（3）具有較好的力學性能，漿液固化后的抗壓強度和抗拉強度都很好，有較好的補強加固作用。

（4）漿液有親水性，對潮濕基面的親和力好。

（5）凝固時間可以調節，范圍可在數小時至數十小時之內，便于現場施工調配。

（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）固結體為無毒類，純漿液為低毒類，對人體、環保危害小。

表2為HK－G－2環氧灌漿材料主要性能指標。

表2 HK－G－2環氧灌漿材料主要性能指標

固化劑用量對環氧灌漿材料力學指標也有較大的影響，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，同齡期抗壓強度隨著固化劑用量增加而增大。實際施工過程中，應從抗壓強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灌漿材料性能對比發現：

（1）水泥漿液強度遠低于環氧灌漿材料，雖然降低水灰比可提高結石率，增加抗壓強度，但同時因粘度迅速提高使漿液流動性、可灌性嚴重降低，細小脫空面無法有效灌注漿液。

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

（3）水泥漿液材料來源廣、價格低廉，成本遠遠低于環氧灌漿材料，在較大灌漿工程中其經濟性優勢明顯。

2 碗米坡水電站水輪機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，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，相應庫容為2.56億m3，具有不完全季調節性能，裝機3臺，單機80 MW，總容量240 MW，保證出力18.6 MW，年設計發電量7.92億kW·h。

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

2.2 水泥灌漿的應用

2007年底2#機組蝸殼脫空區域檢查發現蝸殼下半圓靠底部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行鉆孔檢查，發現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范圍脫空較嚴重，局部脫空間隙達到10 mm以上。因脫空區域面積大、脫空縫隙寬，從經濟角度出發，采用水泥灌漿工藝進行施工。

2.2.1 施工流程

（1）布孔。鋼襯接觸灌漿孔的位置宜在現場經錘擊檢查確定。每一個獨立的脫空區布孔不應少于2個，最低處和最高處都應布孔。為減少開孔數量，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灌漿區域邊緣。對于孔距的控制，在施工過程中距離按1.5 m太遠，脫空間隙小區域根本灌不進，為了達到灌漿密實效果，布孔間距進行了調整，個別間距達到了1.1 m。由于蝸殼腰線以上部分鋼襯與外包混凝土之間設置有彈性墊層，腰線以上部分不需進行接觸灌漿，故布孔位置最高處以不超過蝸殼腰線以下50 cm為標準。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繼續鉆孔，孔深（5～10）cm，最后進行攻絲，攻絲后孔徑為Ф18 mm。

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

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

灌漿壓力控制鋼襯變形一般不超過設計規定值為準，可根據鋼襯的壁厚、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。同時根據孔內吸漿量調整灌漿壓力，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。用高強絲堵擰入孔內封孔，擰入深度以絲堵外端低于鋼內襯表面5 mm，表面再采用E5015（牌號CHE507）焊條分兩層封焊，然后采用砂輪機打磨平整后涂環氧樹脂進行保護。

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

2.2.2 效果檢驗

水泥灌漿完成后，2008年高水位滿負荷運行時，機組振動、噪聲等明顯減小，達到預期效果。2009年初對2#機蝸殼進行復查，發現靠近操作廊道位置原脫空嚴重處，又出現較為嚴重的脫空，面積在10 m2左右。2009年汛期，機組高水位滿負荷運行時又出現與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，導致灌漿完成后經過2年運行，蝸殼脫空情況劣化。

2.3 化學灌漿的應用

2010年初檢查發現，靠近操作廊道位置原脫空嚴重處，又出現30 m2的大面積脫空情況，其他區域也出現較大面積脫空區，總脫空面積達80 m2，占2007年水泥灌漿面積的50%。為保證灌漿質量，電廠此次采用化學灌漿方法進行施工。

2.3.1 施工流程

化學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）無需復雜的配漿過程及相關實驗，制漿方便，設備操作簡單。

（2）漿液流動性更強，孔距可按3 m控制。2010年化學灌漿中累計布孔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，鋼襯應力小。

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

2.3.2 效果檢驗

2010年、2011年兩個汛期，機組高水位滿負荷運行均未出現振動加大、異常噪聲等情況。2010年復查中，化學灌漿區僅發現1處面積1 m2左右的脫空區，效果明顯好于水泥灌漿。

3 結語

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

（2）水泥灌漿材料收縮性可能導致在灌漿后因材料收縮再次出現脫空縫隙。

（3）化學灌漿材料粘度低、力學性能好、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蝸殼脫空補強灌漿。

（4）在大面積的灌漿工程中，若考慮經濟型，可先采用水泥灌漿，再利用化學灌漿進行后期輔助補強。

1 DKT5148-2001.水工建筑物水泥灌漿施工技術規范[S].

2蔣碩忠.HK-G系列環氧灌漿材料性能及應用，綠色化學灌漿技術[M].武漢：長江出版社，2006.