新疆瑪納斯河四級水電站蝸殼、座環增容改造

王曉東

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子832000）

1 工程概況

新疆兵團第八師瑪納斯河四級水電站于1961年建設完成，現共布置4臺立軸混流式水輪機機組。原設計水頭為31.5m，設計引水流量51.6m3/s，總裝機容量1.3萬kW（已擴容1×4000kW+原有3×3000kW），多年平均發電量約為4862萬kW·h，為當地的經濟建設發揮了重要的作用。

水電站由于運行時間長，存在建筑物凍融破壞，混凝土結構老化、破損滲漏，金屬結構銹蝕、啟閉困難，機電設備普遍磨損、老化、故障率高等問題。在2013年農村水電增效擴容改造批復內容為：對引水渠道進行裁彎取直和防滲改建、拆除并重建排冰閘及退水渠，對前池、溢流堰、尾水平臺進行改造加固處理，更換電站的機電設備及金屬結構設備等。

增容改造后設計水頭31.6m，設計引水流量62.0m3/s，總 裝 機 容 量 1.60萬 kW（1×4000kW+改造3×4000kW），多年平均年發電量為6088萬kW·h（年均增發電量1226萬kW·h），裝機利用小時數為3805h，設計發電流量59.6m3/s。

2 存在問題及改造要求

瑪納斯河徑流年際變化平緩，年內分配集中，6月～9月的水量占全年徑流量的76.6%，冬季水量僅占7.3%。多年平均年徑流量為13.23億m3/s，多年平均流量為41.9m3/s；90%頻率的保證流量為5.98m3/s。河水含沙量大，多年平均含沙量2.73kg/m3，水中泥砂懸移質約占87%，并且泥沙中石英含量多，對水輪機機組磨損影響較大。

改造前瑪納斯河四級水電站機組每2～3年須進行一次大修。轉輪、底環、頂蓋、導葉、蝸殼等過流部件空蝕和磨蝕最嚴重，導致機組運行效率低下，機組振動大、噪音大，長時間處在不穩定運行狀態，嚴重影響了電站運行安全和經濟效益。本次增容改造更新3臺老機組，將除尾水管的肘管段和擴散段外的所有水輪機部件進行更換（含轉輪、導葉、頂蓋、座環、蝸殼、尾水管直錐管等）。

經過參建方的多次現場檢查和技術討論，確定通過調整座環高度和蝸殼直徑，增加機組過流能力，以達成水輪機增容改造的目標。考慮到金屬蝸殼外包混凝土厚度較小的現狀，工程難點在于：保證蝸殼的結構安全，蝸殼和座環聯合受力，控制機組振動在允許范圍。

3 改造設計方案

本工程混凝土蝸殼承擔機墩傳下來的荷載、水輪機層設備重量和活荷載。原鋼蝸殼與外圍混凝土之間設置有彈性墊層，用以減少鋼蝸殼的振動，混凝土蝸殼承擔部分內水壓力。根據增容要求，鋼制蝸殼需要增加內徑，最寬部位達23cm，為此需要對原混凝土蝸殼內側進行鑿除拓寬，須鑿除鋼蝸殼外部彈性層、多余混凝土層和鋼筋網。工程技術改造如何不影響混凝土蝸殼結構安全，保證鋼蝸殼、座環與混凝土蝸殼之間的荷載傳遞，避免混凝土澆筑和干縮產生空腔，造成水輪機組的振動和氣蝕，是設計考慮的主要問題。

結構安全方面考慮混凝土蝸殼擴徑后，結構厚度減少14%，經計算，混凝土蝸殼上部鋼筋拉應力增加較大，為此須采取混凝土蝸殼補強措施，考慮了2種方案。方案1：加強混凝土蝸殼內側配筋，將橫向鋼筋與座環焊接，改善蝸殼受力條件；方案2：在鋼蝸殼外側設置多道加勁環，由混凝土蝸殼和鋼蝸殼共同承擔上部荷載。考慮到方案2加勁環寬度較大，相應混凝土鑿除厚度大損害結構安全，并且豎向加勁環影響混凝土澆筑，故選擇加固方案1。

對鋼蝸殼與澆筑混凝土存在的干縮空腔考慮進行灌漿處理，灌漿材料進行水泥灌漿和化學灌漿材料的比較。水泥灌漿凝結強度高，而化學灌漿固結體可以具有一定的彈性，達到減輕鋼蝸殼振動的效果，故鋼蝸殼外側空腔選擇化學灌漿。經比較選用LW水溶性聚氨酯，其具有良好的親水性能，漿液遇水后先分散乳化，進而凝膠固結；固結體為彈性體，可遇水膨脹，具有彈性止水和以水止水的雙重功能，主要性能指標見表1。

表1 LW水溶性聚氨酯主要性能

經比較確定結構加固措施如下：1）拆除原鋼蝸殼和座環，按設計斷面鑿除混凝土和鋼筋；2）剔出座環錨筋，將改造座環與錨筋固定；3）在混凝土蝸殼內側鑿除部位恢復鋼筋網，并適當加大鋼筋網中的鋼筋直徑，橫向鋼筋兩端與座環上下焊接，鋼筋網通過焊接錨筋與混凝土蝸殼錨固；4）逐節安裝鋼蝸殼，將鋼蝸殼外側錨筋與鋼筋網焊接固定；5）鋼蝸殼預留混凝土灌注管和振搗孔，灌注高標號混凝土，待混凝土干縮后，進行聚氨脂灌漿。改造措施設計見圖1。

4 改造措施和設計要求

圖1 鋼蝸殼、座環改造圖

4.1 制造要求

座環采用組焊式，鋼材材質為Q345E，固定導葉數24個，外形尺寸2.36m×1.557m×0.992m，分成4 瓣，總重量 5.2t，單重 1.3t。

蝸殼平面直徑5.13m，設計壓力0.4MPa，進水口內徑1.75m，出水口內徑0.5m，蝸殼壁厚16～12mm，材質為Q345E，分22段運輸，單段最大件寬度0.3～0.8m，相應重量350kg，總重量約6t。

4.2 安裝措施

（1）切割、拆除已磨損鋼內襯，清洗混凝土蝸殼表面松動的混凝土塊、沉積泥沙，進行鋼筋除銹和混凝土表面鑿毛和清洗，混凝土最大鑿除厚度25cm，最小鑿除厚度16cm。

（2）混凝土修補要求剔除原有鋼筋網，重新焊接鋼筋網片。為確保鋼筋接頭焊接質量，采用砂輪打磨焊接部位殘渣。增大鋼筋網片的鋼筋直徑，設計鋼筋直徑φ25mm，間距20cm，并與φ25植筋錨桿焊接，錨桿錨固長度不小于30cm，間距40cm布置。

（3）其余混凝土蝸殼表面按間距30～40cm設置植筋錨桿，要求與金屬蝸殼管節焊縫距離不大于20cm。植筋錨桿采用Ⅲ級φ25mm鋼筋加工，設計強度360MPa，錨孔孔徑32mm；錨桿植筋膠采用改性環氧類、A級膠，設計環境溫度為-5～35℃，約束拉拔條件下與混凝土的粘結強度≥11.0MPa。

（4）蝸殼外包鋼筋網要求與座環焊接；座環分4片焊接，并預留直徑3cm灌漿孔、排氣孔16個。

（5）金屬蝸殼材質為 Q345E，板厚 16～12mm，在對應混凝土錨桿的位置開孔，孔徑36mm。蝸殼管節分段編號后，利用鉸鏈依次拖運到指定位置。

（6）通過拉緊桿、松緊螺栓、支座、千斤頂、墊板等連接定位件，分別進行座環、蝸殼安裝調整，并與錨桿焊接固定。

（7）金屬蝸殼上預留一定數量的混凝土灌注孔，孔徑6cm，灌注C25混凝土（14d限制膨脹率大于0.02%），進行震搗后用Q345E等厚鋼板焊接封孔。

（8）錐管與下部蝸殼間的空腔混凝土，常規澆筑措施難以保證混凝土澆筑質量，經考慮采用蝸殼下開口上部預留孔洞，并焊接40cm長，直徑5cm導管，通過導管灌注C25混凝土，并進行震搗密實。

（9）通過錘擊金屬蝸殼進行混凝土灌注密實度檢查，如有空腔聲，進行接觸灌漿處理，灌漿壓力0.2MPa，灌漿孔孔徑2cm，灌漿材料為聚氨脂。

（10）對錨桿孔、灌漿孔堆焊封孔，打磨光滑。

5 效果

瑪納斯河四級水電站蝸殼改造工程于2014年完工并投入發電，經過3年的運行，已通過竣工驗收，水輪機機組運行良好，平均較改造前增發電量12%，蝸殼振幅在規范允許范圍內，達到了增效擴容目標，工程改造效益顯著。