博湖西泵站虹吸式出水流道裂縫修補設計

巴貴善

(新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000)

趙志敏

(新疆博湖揚水管理處 庫爾勒 841000)

1 工程概況

博湖揚水站始建于20 世紀70年代末，原規劃整個工程由引水渠、攔污閘、進水池、主廠房、副廠房、出水池、輸水渠、降壓站、機修間、生活區等組成。揚水站設計流量為75m3/s，在非常情況下加大流量為90m3/s，設計揚程7m，采用立式軸流泵，總裝機容量12×800kW，由于當時建設資金的限制，工程分為兩期建設，一期先建西泵站和公用設施，裝機容量6×800kW。

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

西泵站建成投運30年來，長期以一當二，超負荷運行，設備老化嚴重加劇，機組振動，噪聲超標，機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，揚水功耗增加，影響和制約了泵站整體效益的發揮，機組處于帶病運行狀態。盡快改造西泵站是保證下游9.3萬hm2農田安全供水的急需，符合國家加強農業基礎建設，促進農業發展農民增收的大政方針，也是向下游孔雀河灌區年輸送10.55億m3的生產、生活和生態用水，每年保證向塔河下游塔里木墾區輸生產、生活用水2.5億m3，向塔河下游綠色走廊輸2.0億m3生態用水的關鍵工程，盡早改建西泵站已成為巴州人民的迫切要求。按照水利部(辦規計［2008］330號) 文件精神，西泵站列入全國大型泵站更新改造計劃之內。

2008年5月由水利部泵站測試中心及武漢大學為西泵站做了安全檢測及工程復核分析，2009年3月水利部灌排中心組織專家評審通過了西泵站安全鑒定報告。

2 出水流道結構、裂縫漏氣致因及檢測結果

2.1 出水流道布置結構

西泵站6臺機組虹吸式出水流道中心軸線長19.85m，進口段圓形斷面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。單流道內表面積為179m2，六臺機組流道總面積為1074m2。詳見下頁圖。

2.2 裂縫漏氣漏水致因分析

受流道內工作條件限制，多年來一直未進行泵站虹吸式出水流道裂縫的詳細檢查，但6臺機組運行過程中，在虹吸流道內漏氣漏水現象均有存在。起因主要有地基不均勻沉降裂縫、施工期下層結構對上層結構約束裂縫、施工期混凝土干縮縫和運行期剛性修補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構，順水流向長度為21.3m，垂直流向基礎寬度為36.02m，寬度方向中間沉陷縫寬20mm，將6臺機組分為對稱兩段，寬各為18m。基礎高程為1035.85m，地基為粉質黏土，無濕陷性，在飽和狀態下具有中等壓縮性。因上部不均勻的靜荷載和動荷載由縱橫隔墻傳遞到底板下地基應力不均勻，致使粉質黏土地基壓縮沉降是不均一的。導致縱、橫隔墻支承的剛性流道管體產生不均勻的變形裂縫。

西泵站出水流道中心剖面圖

2.2.2 施工期下層結構對上層結構約束裂縫原因

主廠房上下游墻、左右端墻和底板為封閉結構，機組間距為5.6m，每臺機間隔墻厚為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穿過機組間隔墻。流道混凝土澆筑時和其下縱、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護不到位，同樣發生常規的混凝土干縮性慣穿裂縫。

2.2.4 運行期剛性修補方案與溫差梯度原因

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

2.3 現狀調查情況及檢測結果

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、6號機組出水流道駝峰漏氣較為嚴重) ，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。據測試，該泵站駝峰處真空度僅在20～27kPa 之間(150～200mmHg) ，均達不到設計40kPa的要求。這影響了開機時的抽真空啟動及正常運行時駝峰處的真空度。正常運行期間增大了水泵揚程，增加了不必要的耗電量。當漏氣嚴重時水泵無法正常運行，并且在高峰期運行時，該裂縫的滲水將流至主泵房的主機高壓柜旁，以致威脅電氣設備的運行安全。針對這一問題，泵站管理處曾多次嘗試用環氧樹脂修補封堵，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，且水位仍有繼續下降的趨勢，湖水位如下降至1045.5m 時機組將啟動困難，根據該泵站軸流泵特性分析，湖水位下降至1045m 時泵站將無法正常運行。2007年7月18日3號機已經出現啟動困難的情況，出現超負荷信號，不得不利用4號、5號機抽真空，啟動了3 次才使3號機投入正常運行。正常開機率下降。

2.4 安全鑒定報告復核結論

從現場檢測看出，虹吸式出水流道因地基不均沉陷，產生裂縫，機組啟動抽真空困難，甚至完全不能啟動，因此需要借助已啟動機組抽氣來完成啟動過程。

現有水泵在凈揚程6.23m 及以上時，已進入性能不穩定區(馬鞍區) ，且水泵將出現汽蝕。針對目前虹吸式出水流道現狀，建議：?對虹吸式出水流道進行除險加固，修補裂縫;?更換抽真空設備，加大真空泵容量。

3 出水流道加固、修補方案比選

總結國內水工建筑物裂縫處理工程經驗，裂縫修補處理措施主要有：環氧類漿液灌漿、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、裂縫化灌加鋼板內襯法和裂縫化灌加纖維布法。

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

3.1 流道內粘鋼襯方案

在流道內壁全長范圍全斷面內襯粘貼鋼板加固，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壁表面，因鋼板薄，對過流截面影響小，采取滿襯方式，可將流道全斷面內壁完全封死，不會產生漏氣、滲水的現象。為防止鋼板因負壓向內屈曲，鋼板采用錨桿錨固到原結構為止。為了使鋼板內表面平整，要求錨桿與鋼板之間塞焊，不留螺栓頭。現有的植筋技術不耐濕、不耐高溫，采用自鎖錨桿能很好地滿足耐高溫、耐濕的環境要求。內襯鋼板除了能起補強加固、封堵裂縫的作用外，若原結構有新的微小變形，鋼材的塑性性能不致使內襯拉裂，有較好的抗變形能力。

采用裂縫化灌加內表面鋼襯封閉相結合的修補措施，可以達到加強結構整體性和耐久性的目的。

存在的問題：?施工難度大，流道自進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散，管壁屬不規則多變曲面，鋼板分塊、卷曲、固定、對接作業非常復雜;?造價高，6臺機流道鋼襯概算直接費為198.66萬元。

3.2 涂刷聚脲防護處理方案

3.2.1 聚脲彈性體材料的定義和特性

美國聚脲發展協會對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) 反應生成的一種彈性體物質。其中的A 組分可以是單體、聚合體、異氰酸酯的衍生物、預聚物和半預聚物。預聚物和半預聚物是由端氨基或者端羥基化合物與異氰酸酯反應制得的。其中的R 組分必須是由端氨基樹脂和端氨基擴鏈劑組成的，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，應用于千變萬化的各行各業。它已成為一種集塑料、橡膠、玻璃鋼、涂料優點于一身的高技術新材料。聚脲材料的特性如下：

a.無毒性，100%固含量，不含有機揮發物，符合環保要求。

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.具有很強的力學性能，拉伸強度不小于18MPa、撕裂強度不小于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性，可據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，聚脲固化時間較長(4～6h) ，通過涂刷遍數，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度高，抗紫外線性能和抗太陽暴曬性能強，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，能適應高寒地區的低溫環境，尤其是能抵抗低溫時混凝土開裂引起的形變而不滲漏。

該技術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、南水北調渡槽、青海李家峽水電站左中孔泄洪道、貴州構皮灘水電站水墊塘、河南寶泉水電站上庫進水口、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用。

經濟性方面，本工程6臺機虹吸流道手刷聚脲彈性體概算直接費為123.27萬元。

3.3 方案比選

上述兩方案均為成熟技術，措施上耐久可靠，經濟上方案二優于方案一，鑒于本項目修補工程量不大，流道自進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散，管壁屬不規則多變曲面，鋼板分塊、卷曲、固定、對接作業非常復雜，手刮聚脲粘接強度稍高于噴涂聚脲，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對混凝土表面進行打磨，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，待水分完全揮發后，對混凝土表面局部孔洞用高強找平膩子填補，使用的膩子要求不流淌，并且與混凝土粘結良好，找平材料固化后，再使用角磨機對混凝土表面進行打磨、清洗，要求混凝土表明平整、堅固、無孔洞。

對大于0.15mm的混凝土裂縫表面要增加胎基布。對于漏水裂縫需要化學灌漿處理。

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，無漏涂現象。保證聚脲與混凝土之間的粘結強度大于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，裂縫及拐角10～15cm 范圍內涂刷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，刮涂時來回用力，做到涂層壓實，前遍涂層干燥后再刮下一遍，依次類推，直至涂層達到設計厚度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 語

a.本次流道修補設計提出的內壁鋼襯和內壁聚脲防護兩方案，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，在技術上可行，耐久性良好，經經濟性和施工便利性對比分析后采用了后一方案證明是合適的。

b.通過內壁聚脲防護技術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，西泵站工程投入聯調試運行，對該工程更新改造分項內容，逐一檢查，未發現異常現象，特別對虹吸出水流道相關的機組啟動、駝峰抽真空性能、泵機組功耗檢驗結果可知，虹吸出水流道經過全斷面聚脲防護，效果良好。?

1 新疆巴州博湖揚水工程管理處.新疆巴州博湖西泵站安全鑒定現狀調查分析報告［R］.2008.

2 水利部泵站測試中心.博湖西泵站現場安全檢測報告［R］.2008.

3 武漢大學設計研究總院.新疆巴州博湖西泵站安全鑒定工程復核分析報告［R］.2008.

4 孫志恒.聚脲彈性體技術及其在水利水電工程中的應用［M］.中國水利學會水工結構專業委員會，2008.

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

6 袁文陽，陳尚建，阮永懷.工程結構補強加固實用設計及典型實例［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.