聚脲在回龍抽水蓄能電站上水庫全庫盆防滲工程中的應用

李東輝，馬 峰，宋海峰，左 厲

（國網新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000）

0 引言

抽水蓄能電站上水庫因海拔較高、地形地質條件復雜、氣候條件相對惡劣、基建期施工質量管控難度大等原因，水庫首次蓄水或運行多年后，庫盆普遍容易出現滲漏現象，影響電站經濟效益的發揮?；佚埑樗钅茈娬?001年開工建設，2004年上水庫首次蓄水發現滲漏量較大，隨即進行全庫盆PVC改性瀝青優化防滲處理，投運10年后，PVC防滲層普遍老化失效，2017年進行全庫盆噴涂聚脲防滲處理，在全國水庫大面積聚脲防滲工程中尚屬首例，運行一年多以來，防滲效果顯著，對抽水蓄能電站水庫與大壩防滲治理提供成功案例[1]。

1 工程概況

回龍抽水蓄能電站位于河南南召縣城東北16km的岳莊附近，坐落于江淮分水嶺黃鴨河支流九江河上游。電站總裝機容量為120MW，安裝2×60MW單級可逆式水泵水輪機組，最大水頭416m，主要建筑物有下水庫、上水庫、輸水系統、地下廠房、地面開關站等。本工程等別為Ⅲ等，大壩等建筑物等級為3級，下水庫總庫容168萬m3，上水庫總庫容118萬m3。本電站為專門解決南陽地區的供電調峰問題的日調節電站，無其他綜合利用要求。電站主體工程于2001年6月開工，2003年6月下庫下閘蓄水，2005年1月首臺機組并網發電，2005年10月通過工程竣工安全鑒定，2005年12月全部機組投產發電。

上水庫為一小型集水盆地，流域面積0.144km2，位于回龍溝支溝石撞溝洼地，壩址位于庫盆北西方向峽谷出口。上水庫工程由主壩、庫盆、引水發電系統進/出水口、副壩等組成。主壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程900.0m，最大壩高54.0m，共分7個壩段，總長208.0m；水庫校核洪水位899.4m，正常蓄水位899.0m，相應庫容118萬m3；正常低水位885.0m，死水位876.4m，相應庫容13.9萬m3。上庫庫盆采用混凝土面板與掛網噴混凝土面層相結合的全封閉防滲形式，2005年庫盆表面采用熔抹PVC改性瀝青防滲層、澆筑砂漿保護層進行防滲優化處理（見圖1）。

回龍電站于2001年6月開工建設，因上庫設計庫容已可滿足機組容量與運行時長的要求，無需挖除庫盆內全部山體，對庫內山體采用削坡、掛網噴混凝土面層防滲形式，噴混凝土區與陡峭混凝土面板區施工難度較大，混凝土密實度低、缺陷較多，2004年上庫首次蓄水時發現庫盆滲漏量遠大于設計允許值2000m3/d，2005年對庫盆噴混凝土面層與部分混凝土面板進行熔抹PVC改性瀝青優化防滲處理，因該防滲材料壽命為8～10年，經過10余年運行，受日常機組啟停頻繁、水庫水位驟變及外部環境等因素影響，庫盆大部分表面PVC防滲層與砂漿保護層存在老化、空鼓、破損與脫落等現象，水庫滲漏量持續較大，多次超過設計允許值，最大滲漏量約4300m3/d。為解決上水庫滲漏量日益增大、可能導致水庫結構安全的問題，2015～2016年實施了庫盆結構安全檢測、水下檢查、滲漏原因分析、防滲材料論證試驗、防滲方案設計等工作。2017年實施上水庫全庫盆放空與防滲治理工程，主要包括噴混凝土基層缺陷處理、高強砂漿抹面找平、滲水點處理、混凝土面板結構縫與裂縫處理、大壩結構縫與裂縫處理、庫盆與大壩雙組分聚脲噴涂等。上水庫庫盆蓄水后，經過一年來的滲漏監測，水庫滲漏量由治理前的4300m3/d降至30m3/d，滲漏量降幅達到99.3%，防滲治理成效顯著。

圖1 上水庫庫盆防滲布置總平面圖Figure 1 General plan of impermeable layout of upper reservoir basin

2 聚脲防護技術在水利水電工程中的應用

聚脲材料具有致密無接縫、附著力高、柔韌性好、伸長率高等優異的物理性能，其反應活性高、固化速度快，可完全隔絕空氣中水分和氧氣的滲入，具有良好的防水、防腐、抗沖磨、抗老化、耐溫度壓力等突出性能，能夠很好地保護混凝土、橡膠、玻璃鋼、木材、鋼、鋁等材料，國內外應用領域廣泛。

聚脲防護技術在國內已廣泛應用。云南小灣水電站混凝土雙曲拱壩最大壩高2920m，為世界最高的雙曲拱壩，其壩踵高應力區采用了噴涂聚脲技術，防滲面積約2萬m2。四川大渡河大崗山水電站最大壩高210m，為防范壩踵、壩面高拉應力區可能出現裂縫引起高壓水力劈裂的隱患，減輕橫縫張開對壩體的可能不利影響，在拱壩上游壩面一定范圍采用聚脲材料進行加強防滲處理。河南寶泉抽水蓄能電站上水庫副壩為漿砌石重力壩，壩高55m，壩軸線長220m，壩體上游面采用混凝土防滲面板護面，工程完工后，由于混凝土面板出現面滲及裂縫等缺陷，導致壩體發生滲漏，采用聚脲防滲對大壩上游面進行了處理，處理后滲漏問題得以完全解決。四川猴子巖水電站總裝機容量170萬kW，壩面裂縫用聚脲進行修補，效果顯著。青海黃河公伯峽水電站溢洪道伸縮縫、裂縫及混凝土脫空和龜裂進行單組分手刮聚脲處理，效果很好，保證了溢洪道的安全。

另外，聚脲防護技術在北京十三陵抽水蓄能電站上水庫庫盆混凝土面板裂縫處理、京密引水渠渡槽、北京三家店攔河閘、北京黃松峪水庫溢洪道、懷柔水庫西溢洪道、山西大同御河大壩、尼爾基水電站蝸殼、廣東鶴山攔河閘、山西龍口水電站、四川雅安大崗山水電站、安徽安慶花亭湖水庫水壩、浙江天臺里石門水庫大壩、新安江水電站溢洪道反弧段、富春江水電站船閘、景洪水電站廠房頂、拉西瓦水電站底孔抗沖磨防護、李家峽、龍羊峽、公伯峽溢流面抗沖磨防護、新疆某碾壓混凝土重力壩溢流面抗沖磨、防凍融破壞等工程得到廣泛應用[2-4]。

3 噴涂聚脲彈性體技術

3.1 雙組分噴涂聚脲防滲材料介紹

雙組分噴涂聚脲彈性體技術是國外近二十年來，為適應環保需求而研制、開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色環保施工技術。其主要原料是端氨基聚氧化丙烯醚（端氨基聚醚），由端氨基聚醚、液態胺擴鏈劑、顏料、填料以及助劑組成色漿（R組份），另一組份則由異氰酸酯與低聚物二元醇或三元醇反應制得（A組份），A組份與R組份通過專用噴槍進行噴涂。施工方面具有工藝簡單、施工速度快、可方便地在曲面、斜面和立面上噴涂成型，不產生流掛現象，施工工藝和配套機械成熟可靠。

回龍電站上水庫防滲治理工程中主要應用單組分涂刷聚脲及雙組分噴涂聚脲兩種材料，單組分涂刷聚脲主要應用于庫盆混凝土面板、壩體裂縫與結構縫防滲處理，雙組分噴涂聚脲主要應用于全庫盆表面與大壩迎水面大面積防滲處理。單組分涂刷聚脲與雙組分噴涂聚脲具有良好的結合性，本文已介紹雙組分噴涂聚脲彈性體防滲技術為主。

3.2 雙組分噴涂聚脲主要特性

雙組分噴涂聚脲具有主要特性如下：

（1）無毒性：100%固含量，不含有機揮發物，符合環保要求，在施工和使用中，無毒、無污染，被譽為“綠色材料、綠色技術”。

（2）優異的物理性能：涂層致密、連續、無接縫，防護性能十分突出；拉伸強度可達20MPa以上，斷裂伸長率可達300%以上，撕裂強度為40～80.4kN/m，硬度從邵A30（軟橡皮）到邵D65（硬彈性體），耐磨、抗沖擊等。

（3）良好的不透水性：3.0MPa壓力下24h不透水，材料無任何變化。

（4）低溫柔性好：在-30℃下對折不產生裂紋，其拉伸強度、撕裂強度和剪切強度在低溫下均有一定程度的提高，而伸長率則稍有下降。

（5）耐腐蝕性：由于不含催化劑，分子結構穩定，噴涂聚脲表現出優異的耐水、耐化學腐蝕及耐老化等性能，在水、酸、堿、油等介質中長期浸泡，性能不降低。

（6）快速固化：反應速度快，10s凝結，3min可達到步行強度。由于固化快速，解決了傳統噴涂工藝中易流掛的現象，可在任意曲面、斜面及立面上噴涂成型，涂層表面平整、光滑，對基材形成良好的保護和裝飾作用。

（7）施工效率高：采用成套噴涂設備，可連續操作，一次噴涂施工厚度可達1～10mm，克服多層施工的弊病；施工速度快，單機日施工1000m2以上，最大限度地減少了天氣對施工進度的影響。

（8）可以連續噴涂而不會因反應熱過于集中而導致鼓泡、焦化等現象，可在120℃下長期使用，并可承受250℃短時熱沖擊。

（9）戶外使用可達30年，投入使用后基本無維護成本。

（10）成品色彩艷麗，可根據工程需要任意調配材料顏色。

其主要技術指標見表1。

表1 雙組分噴涂聚脲性能要求和試驗方法Table1 Performance requirements and test methods of two-component spraying polyurea

3.3 全庫盆聚脲施工的技術難點

聚脲技術自在水利工程中應用以來，經歷了應用技術研究，現場工程推廣，逐漸為建設單位和設計單位所認識和了解，在水利水電工程防滲、表面防護、抗沖刷等方面得到推廣和應用，并發揮了巨大的工程效益，但由于水利工程的特點和聚脲材料自身的特性，對其在水利工程中的應用也有特殊的要求。

（1）由于水工建筑物環境潮濕，基面處理難度大。由于水工建筑物環境普遍比較潮濕，影響聚脲涂層與混凝土基面的附著力，容易出現鼓包，嚴重時可能出現脫空導致防滲失效。為解決此問題，嚴格根據《水利水電工程聚脲層施工技術規程》（DL/T 5317—2014）施工要求，在基層表面含水率達到7%以下，作業環境溫度應高于5℃、相對濕度小于85%，施工應在基層溫度比露點溫度至少高3℃的條件下進行噴涂聚脲作業，嚴禁在雨天實施露天噴涂及涂刷作業。

（2）施工專業性強，技術要求高。聚脲材料雖然施工難度不大，但施工專業性強、技術要求高，施工中易出現各種施工質量問題，如混凝土基面處理不滿足技術要求導致聚脲涂層鼓包；雙組分噴涂聚脲施工時，如果噴涂設備控制不好導致聚脲兩組份不能按比例混合，影響聚脲涂層的性能；施工技術人員不熟練噴涂厚度不均勻等。為解決此問題，必須選擇技術熟練的噴涂槍手，選擇帶有兩組份壓力差超過限值自動停機保護的噴涂機，且施工前與過程中對噴涂機及管道等附屬設備進行嚴格檢查與維護。

（3）回龍電站上水庫庫盆大部分采用噴射混凝土，表面粗糙不平，2005年采用PVC瀝青涂層進行防滲處理時，為了對基面找平，首先采用水泥砂漿對噴射混凝土進行了找平，2015年對瀝青涂層進行檢查時，清除了表面的瀝青涂層，發現砂漿基礎表面十分粗糙，如果采用聚脲材料作為防滲材料，需要首先清除表面所有的PVC涂層，并對基礎進行打磨沖洗，然后采用高強度抗裂抗滲砂漿進行找平，最后才能進行噴涂雙組分聚脲表面防滲處理（見圖2）。

（4）對于上水庫庫盆地下水位線較高、存在地基節理裂隙和節理密集帶的區域，庫盆背面反向水甚至地下泉眼較多，若不封堵或者引排處理，基本無法進行聚脲噴涂。施工過程中對庫盆反向水或泉眼區域噴混凝土層鑿除后，基底基本為強風化或全風化巖石，先將強風化或全風化巖石清除，若滲水量較小，則先采用堵漏劑封堵；若滲水量較大則采用鉆孔、安裝DN50排水管、管底包裹土工布，管口安裝單向逆止閥引排，周邊回填C30細石混凝土澆筑至與面板齊平，5～7d后在細石混凝土面上再涂抹高強砂漿（見圖3），最后才能進行噴涂雙組分聚脲表面防滲處理。

圖2 庫盆原防滲層鏟除和基層底油打磨（a）原防滲層鏟除；（b）基層底油打磨Figure 2 Exhaust of original impermeable layer ztand basic base oil grinding（a）Exhaust of original impermeable layer；（b）Basic base oil grinding

圖3 庫盆噴混凝土區高強砂漿澆筑（a）貼坡腳手架區；（b）較平整區Figure 3 High strength mortar pouring on the sprayed concrete area of reservoir（a）Slope scaffolding area ；（b）More level area

圖4 庫盆滲水點較大部位處理圖和現場實物（a）處理圖；（b）現場實物Figure 4 Treatment chart and field material of large water seepage point in reservoir（a）Treatment chart；（b）Field material

4 聚脲施工工藝與質量控制

4.1 聚脲施工工藝

上水庫庫盆與大壩噴涂聚脲主要施工工藝如下：

4.1.1 基面清理

（1）噴混凝土區域。

用磨光機將高強砂漿表面的浮漿、顆粒物及酥松物打磨干凈，再用吹風機或高壓水槍將表面的灰塵清除干凈。當基層表面含水率達到7%以下時，具備施工下道工序的條件。

（2）混凝土面板區域。

PVC覆蓋區域：首先確保基層表面的PVC等原有防水材料已打磨干凈，然后采用吹風機將表面的灰塵清除干凈，然后對于基層表面深度大于5mm的氣孔、蜂窩麻面，預先用膩子進行修補。

PVC未覆蓋區域：用角磨機將基層表面的泥皮、青苔、雜物及酥松砂漿等徹底清除干凈。對于基層表面深度大于5mm的氣孔、蜂窩麻面，預先用膩子進行修補（見圖4）。

4.1.2 滾涂SWD8009聚脲界面劑

（1）檢查前道工序合格后，配制界面劑。

（2）配制時應用電子秤計量，根據1h操作時間內滾涂界面劑的總量進行計算配制（否則界面劑操作時間長會影響產品質量）。

（3）首先將SWD8009B組份攪拌均勻，倒入配料桶中計量，然后將SWD8009A組份搖晃或攪拌均勻，按重量比A∶B=3∶2的比例計算，將適量的A組份倒入B組份中，用電動攪拌器攪拌2～3min至均勻為止。

（4）滾涂界面劑時，應均勻滾涂，在保證均勻前提下越薄越好，滾涂后的表面應均勻，無漏涂，無流掛。

4.1.3 涂刮SWD168L聚脲專用封孔膩子

（1）檢查前道工序合格后，配制膩子。

（2）配制時，應用電子秤計量，根據45min涂刮總用量，進行計算配制。

（3）首先將SWD168L-B組份攪拌均勻，倒入配料桶中計量，然后將另一組份攪拌均勻后，按重量比A：B=1：1的比例計算，將適量的A組份倒入B組份中，用電動攪拌器攪拌2～3min至均勻為止。

（4）SWD168L液體組份攪拌均勻后，再按A、B總量的1.5～1.8倍加入石英砂和石英粉的混合物（石英砂：石英粉=1：2）后再次攪拌均勻。

（5）涂刮膩子時，應預先將大的凹坑填補，然后滿刮，涂刮厚度以將基層表面的孔隙封住為準。

（6）涂刮后的膩子表面應無針孔，無較深的刮痕和雜物（若有較深刮痕，局部用砂紙打磨），允許有平滑的凹坑。

4.1.4 滾涂SWD8009聚脲界面劑

（1）滾涂前應掌握天氣情況，避開雨天施工。

（2）配制時應用電子秤計量，根據1h操作時間內滾涂界面劑的總量進行計算配制（否則界面劑操作時間長會影響產品質量）。

（3）首先將SWD8009B組份攪拌均勻，倒入配料桶中計量，然后將SWD8009A組份搖晃或攪拌均勻，按重量比A∶B=3∶2的比例計算，將適量的A組份倒入B組份中，用電動攪拌器攪拌2～3min至均勻為止。

（4）滾涂界面劑時，應均勻滾涂，在保證均勻覆蓋前提下越薄越好，滾涂后的表面應均勻，無漏涂，無流掛。

4.1.5 噴涂SWD900聚脲彈性體防腐防水防護涂層

（1）嚴禁雨天、四級風及以上施工，施工溫度在5～45℃，空氣濕度在85%以下。

（2）噴涂聚脲施工前，檢查基層表面，對界面劑局部粘附的蚊、蟲和砂石顆粒物等進行鏟除，然后用吹風機將表面再清潔一遍。

（3）噴涂前，首先要把A、B兩組份攪拌均勻，特別是B組份，由于B組份中添加有少量無機顏料，容易沉淀，所以將氣動攪拌器插入三口B料桶（200L大桶）內邊攪拌，邊施工。

（4）聚脲彈性體噴涂機：靜態壓力調到2200～2500psi，動態壓力2000～2200psi，系統溫度調到55～60℃，原料溫度應該保持在15℃以上，各系統運轉正常后，開始噴涂聚脲材料。

（5）聚脲噴涂在4h（30℃以上）內搭接噴涂，不需處理，可直接在邊緣處重疊200mm寬的范圍內噴涂聚脲，搭接處的厚度在3mm左右。聚脲噴涂超過4h（30℃以上），后再搭接噴涂，必須在聚脲涂層邊緣200mm寬的范圍涂刷界面劑（起到層間黏結作用）后再噴涂聚脲，搭接處的厚度在3mm左右，搭接處應盡量平滑過渡（見圖5）。

圖5 庫盆基層與噴涂聚脲工藝圖Figure 5 Process diagram of the base and spraying polyurea process of storage basin

4.1.6 滾涂SWD8029聚天門冬氨酸酯抗紫外線不變色面漆

（1）檢查噴涂的聚脲合格后，滾涂SWD8029聚天門冬氨酸酯抗紫外線不變色面漆。

（2）配制SWD8029面漆時，應用電子秤計量，首先將SWD8029B組份攪拌均勻，倒入配料桶中計量，然后將SWD8029A組份搖晃或攪拌均勻后，按重量比A：B=1：1的比例將A組份倒入B組份中，用電動攪拌器攪拌2～3min至均勻為止。

（3）滾涂SWD8029聚天門冬氨酸酯面漆時，應采用優質，不掉毛的滾筒施工（滾涂前應用透明膠帶將滾筒表面的毛粘幾遍），施工時應均勻交叉滾涂，滾涂厚度控制在30～50μm為宜，滾涂后的表面應色澤均勻，無漏涂，無流掛（見圖6）。

圖6 庫盆噴涂聚脲前序作業（a）涂刷底漆；（b）刮涂膩子Figure 6 Preface job on spraying polyurea in storage basin（a）Brushing primer；（b）Scratching putty

圖7 庫盆噴涂聚脲作業（a）混凝土面板區；（b）噴混凝土區Figure 7 Spraying polyurea operation in storage basin（a）Concrete panel area ；（b）Sprayed concrete area

4.2 聚脲施工質量控制要求

（1）基面處理：目測基層應無油污、灰塵、污物、浮漿和松散的表層；目測或敲擊檢查，修補后的基層表面應無裂紋、孔洞、空鼓、松動、蜂窩麻面等缺陷；目測細部構造的基層表面處理應滿足設計要求；采用靠尺檢測的基層平整度應滿足設計要求。

（2）滾涂SWD8009聚脲界面劑：目測涂刷的界面劑應均勻、固化正常、無漏涂、無堆積。

（3）涂刮SWD168L聚脲專用封孔膩子：涂刮膩子時，應預先將大的凹坑填補，然后滿刮，涂刮厚度將基層表面的孔隙封住前提下越薄越好。涂刮后的膩子表面應無針孔，無較深的刮痕和雜物（若有較深刮痕，局部用砂紙打磨），允許有平滑的凹坑。

（4）噴涂SW900聚脲彈性體防腐防水防護涂層：噴涂后的涂層表面應顏色均勻、平滑、無流掛、無漏涂，無起泡、無針孔、無開裂，無異物混入。涂層平均厚度應符合設計要求，檢測的最小厚度（2mm）不小于設計的90%。涂層黏結強度應≥2.5MPa。

（5）滾涂SWD8029聚天門冬氨酸酯抗紫外線不變色面漆：施工時應均勻滾涂，滾涂厚度控制在30～50μm，滾涂后的表面應色澤均勻，無漏涂，無流掛（見圖7）。

4.3 防滲治理成效

2017年，經歷10個月的上水庫防滲治理工程施工，全庫盆形成近10萬m2的聚脲防滲處理面積。上水庫蓄水后，公司大壩安全監測人員對庫盆與大壩進行加密監測與巡視檢查。經過一年的滲漏監測，冬季水庫滲水量約為80m3/d，其他季節滲水量約為30m3/d，遠低于《抽水蓄能電站設計導則》 DL/T 5208—2005推薦的“在無天然徑流補給的情況下，日調節的水庫一般可按每晝夜滲漏量不大于總庫容的0.5‰（590m3/d）估計”；大壩迎水面、廊道內壩體排水管與壩后均無滲水現象。

上水庫滲漏量由最大值4300m3/d降至30m3/d，節約大量的回抽電費、回抽泵等設備運維成本，消除了水庫滲漏量日益增大可能導致的庫盆結構安全隱患，保障了電站經濟效益和電網安全運行。上水庫防滲治理效果顯著，遠遠高于預期防滲治理目標。為保證全庫盆聚脲防滲層30年的設計使用壽命，后續仍需繼續加強大壩安全監測、水庫巡視檢查以及聚脲層維護保養等工作。

5 后期庫盆聚脲防滲層運維要點

為保證上水庫庫盆聚脲防滲層30年的設計使用壽命，后期運維工作中應做到以下要點：

（1）電站運維人員繼續加強庫盆與主壩的滲漏觀測，加強庫盆聚脲防滲層、接地網、排水管、庫周山體等巡視檢查，增設上庫庫周地下水位觀測項目，及時對異常情況進行分析。

（2）冬季，提前根據降雪預報情況，向省調度中心申請上水庫水位能夠較長時間接近正常蓄水位的運行方式，以避免庫盆內壁積雪結冰，消除冰雪對庫盆接地網銅排與支座的不利影響等。

（3）提高上庫庫區安全防護等級，增設專門的安全警示標識、維護周邊防護網與工業攝像頭，防止無關人員對庫盆聚脲防滲層造成的意外破壞。

（4）每次降雨后，及時關注大壩壩頂路面、電纜溝以及庫周排水溝是否存在積水，避免因上述部位滲水造成周邊部分反向水壓增大對聚脲層的不利影響。

（5）已建立防滲治理項目長效機制，在防滲設計年限內定期向各參建單位通報后期防滲效果與可能存在的問題，需要時組織各方項目負責人召開工程專題會，及時解決后期運行過程中可能暴露的問題。

6 結束語

回龍抽水蓄能電站上水庫全庫盆采用噴涂聚脲防滲處理方式，全庫盆近10萬m2采用雙組分聚脲防滲為全國首例，之前未有成熟經驗，經各單位的精誠協作、攻堅克難，保證保量完成水庫防滲治理，使抽蓄電站水庫防滲治理提升了新的高度，保障了水庫安全性與經濟性，對今后籌建、基建及運行的抽水蓄能電站水庫與大壩防滲治理具有良好的推廣應用前景。