水泥灌浆与化学灌浆在水轮机蜗壳脱空处理中的应用

桑兴旭

（五凌电力有限公司碗米坡水电厂 湘西州 416500）

前 言

水工建筑物中的引、输水管、排沙管和水力发电工程中的蜗壳、管形座、转轮室、尾水管和引水压力钢管常采用钢板衬砌浇注混凝土结构的工艺。由于施工质量、钢衬外包混凝土凝固干缩等原因，常会导致混凝土与钢板之间产生脱空或空洞缺陷，从而影响工程运行安全。水轮机蜗壳脱空是电厂运行后普遍存在的缺陷，脱空严重时将导致机组振动加大，会造成如下危害:

（1）机组各连接部件松动，使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏。

（2）引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂。

为提高钢衬整体结构的稳定性，保证水轮机安全运行，通常都对蜗壳脱空进行接触灌浆。接触灌浆主要有水泥灌浆、化学灌浆两种。下面通过两种灌浆材料力学性能分析、碗米坡工程实例应用效果检验，阐述两种方法的应用特点。

1 灌浆材料特性

1.1 水泥灌浆材料特性

水泥作为灌浆材料具有强度高、耐久性好、无毒、材料来源广、价格低廉等优点，它是使用最早、应用最广的灌浆材料之一。因此，水泥浆在国内外灌浆工程中一直是用途最广和用量最大的浆材。

接触灌浆使用的浆液为纯水泥浆液，水泥一般选用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或以上，细度为通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%。浆液水灰比分为 1∶1、0.8∶1、0.6∶1 三个比级。 0.6∶1 的浆液中需掺入缓凝高效减水剂提高流动性，减水剂质量应符合 《水工混凝土外加剂技术规程》DL／T5 100-1999的规定，浆液使用高速搅拌机搅拌时问不少于30 s。表1为泥灌浆浆液的基本性能指标。

表1 泥灌浆浆液的基本性能指标

1.2 化学灌浆材料特性

化学灌浆的主要材料为环氧树脂，其具有强度高、粘结力强、收缩小、化学稳定性好等优点。目前蜗壳脱空钢衬灌浆中主要采用HK－G－2环氧灌浆材料。HK－G－2环氧灌浆材料是由新型环氧树脂、稀释剂、固化剂等组成的双组分环氧灌浆材料，具有以下特点：

（1）粘度小，可灌性好，可以灌注0.2 mm左右的细缝。

（2）和混凝土的粘结强度高，一般都大于混凝土本身的抗拉强度。

（3）具有较好的力学性能，浆液固化后的抗压强度和抗拉强度都很好，有较好的补强加固作用。

（4）浆液有亲水性，对潮湿基面的亲和力好。

（5）凝固时间可以调节，范围可在数小时至数十小时之内，便于现场施工调配。

（6）操作方便，不需繁杂配制，只需将A、B 组分按比例均匀混合后即可灌浆。

（7）固结体为无毒类，纯浆液为低毒类，对人体、环保危害小。

表2为HK－G－2环氧灌浆材料主要性能指标。

表2 HK－G－2环氧灌浆材料主要性能指标

固化剂用量对环氧灌浆材料力学指标也有较大的影响，从表3（固化剂用量对性能的影响）可见材料凝胶时间随着固化剂用量增加而缩短，同龄期抗压强度随着固化剂用量增加而增大。实际施工过程中，应从抗压强度增长快慢要求及施工操作时间综合考虑，选择合适的固化剂用量。

表3 固化剂用量对性能的影响 （温度25℃）

1.3 性能对比分析

通过水泥灌浆材料和化学灌浆材料性能对比发现：

（1）水泥浆液强度远低于环氧灌浆材料，虽然降低水灰比可提高结石率，增加抗压强度，但同时因粘度迅速提高使浆液流动性、可灌性严重降低，细小脱空面无法有效灌注浆液。

（2）水泥浆液凝固收缩较环氧灌浆材料大，减水剂的使用会增大其收缩，降低材料体积稳定性。

（3）水泥浆液材料来源广、价格低廉，成本远远低于环氧灌浆材料，在较大灌浆工程中其经济性优势明显。

2 碗米坡水电站水轮机蜗壳接触灌浆工程实例

2.1 概 况

碗米坡水电站位于酉水中游，在湖南省湘西自治州保靖县境内，下距保靖县20 km，是沅水一级支流的第4个梯级电厂。电厂坝址控制流域面积10 415 km2，多年平均径流量94.3亿m3，水库正常蓄水位248.00 m，相应库容为2.56亿m3，具有不完全季调节性能，装机3台，单机80 MW，总容量240 MW，保证出力18.6 MW，年设计发电量7.92亿kW·h。

电厂2#机组在2006年进行了蜗壳脱空情况初步检查，发现该机组蜗壳钢衬腰线（中心线高程▽205.21 m）以下部位均存在与混凝土脱空现象，当时统计总面积约50 m2。2006年汛期，机组在高水位满负荷运行时，蜗壳振动噪音与其他两台机组相比比较，声音明显偏大。结合前期检查情况基本确定蜗壳脱空现象恶化导致机组运行期间振动加剧。电厂在2007年、2010年先后进行水泥灌浆、化学灌浆处理该问题。

2.2 水泥灌浆的应用

2007年底2#机组蜗壳脱空区域检查发现蜗壳下半圆靠底部1/4的部位大部分与外包混凝土面脱空，整个蜗壳脱空面积为160 m2。通过对脱空部位钢衬进行钻孔检查，发现钢衬与混凝土面脱空间隙均较小，一般在1 mm左右，但靠近操作廊道位置近5 m范围脱空较严重，局部脱空间隙达到10 mm以上。因脱空区域面积大、脱空缝隙宽，从经济角度出发，采用水泥灌浆工艺进行施工。

2.2.1 施工流程

（1）布孔。钢衬接触灌浆孔的位置宜在现场经锤击检查确定。每一个独立的脱空区布孔不应少于2个，最低处和最高处都应布孔。为减少开孔数量，孔距按1.5 m控制，并在脱空部位周边布孔，确保灌浆浆液能够到达灌浆区域边缘。对于孔距的控制，在施工过程中距离按1.5 m太远，脱空间隙小区域根本灌不进，为了达到灌浆密实效果，布孔间距进行了调整，个别间距达到了1.1 m。由于蜗壳腰线以上部分钢衬与外包混凝土之间设置有弹性垫层，腰线以上部分不需进行接触灌浆，故布孔位置最高处以不超过蜗壳腰线以下50 cm为标准。共完成布孔83个。

（2）钻孔、攻丝。先用磁力电钻在钢板上钻出孔径Ф16 mm的圆孔，每孔宜测记钢衬与混凝土之间的间隙尺寸。再用电锤通过钢板圆孔在混凝土内继续钻孔，孔深（5～10）cm，最后进行攻丝，攻丝后孔径为Ф18 mm。

钻孔攻丝后，应采取措施（如刮刀）将钢衬里侧因钻孔而翻卷的钢板表层氧化保护膜清除掉，防止其从孔口处堵塞浆液向四周扩散。

（3）装管、压风连通试验。用空心外丝接头缠生料带后拧入钢衬钻孔内，外丝一端接特制专用高压灌浆短管，利用压风检查灌浆孔的贯通和闭气情况，吹除空隙内的污物和积水。风压必须小于灌浆压力。

（4） 配浆。 浆液水灰比采用 1∶1、0.8∶1、0.6∶1 三个比级。

（5）灌浆。首先灌入稀浆，最高处排浆通畅后，换浓一级水泥浆。尽量多灌注较浓级浆液，减少水泥浆的析水量，提高结石率。

灌浆压力控制钢衬变形一般不超过设计规定值为准，可根据钢衬的壁厚、脱空面积的大小以及脱空的程度等实际情况确定，一般不大于0.1MPa。同时根据孔内吸浆量调整灌浆压力，吸浆量小时采用较大的灌浆压力，反之采用较小的灌浆压力。灌浆应自低处孔开始，并在灌浆过程中敲击震动钢衬，待各高处孔分别排出浓浆后，屏浆5min后依次将其孔口封堵，同时应记录各孔排出的浆量和浓度。累计完成配浆、灌浆1m3。

（6）封孔。用高强丝堵拧入孔内封孔，拧入深度以丝堵外端低于钢内衬表面5 mm，表面再采用E5015（牌号CHE507）焊条分两层封焊，然后采用砂轮机打磨平整后涂环氧树脂进行保护。

（7）验收。经灌浆完成7天后验收，蜗壳无大于1 m2脱空区，灌浆密实度为95%，基本上达到了预期的灌浆效果。

2.2.2 效果检验

水泥灌浆完成后，2008年高水位满负荷运行时，机组振动、噪声等明显减小，达到预期效果。2009年初对2#机蜗壳进行复查，发现靠近操作廊道位置原脱空严重处，又出现较为严重的脱空，面积在10 m2左右。2009年汛期，机组高水位满负荷运行时又出现与2006年相似异常振动。初步判断，因水泥浆流动性欠佳、凝固后干缩等特性，导致灌浆完成后经过2年运行，蜗壳脱空情况劣化。

2.3 化学灌浆的应用

2010年初检查发现，靠近操作廊道位置原脱空严重处，又出现30 m2的大面积脱空情况，其他区域也出现较大面积脱空区，总脱空面积达80 m2，占2007年水泥灌浆面积的50%。为保证灌浆质量，电厂此次采用化学灌浆方法进行施工。

2.3.1 施工流程

化学灌浆主要施工流程基本与水泥灌浆相同，但施工相对更加方便简单。

（1）无需复杂的配浆过程及相关实验，制浆方便，设备操作简单。

（2）浆液流动性更强，孔距可按3 m控制。2010年化学灌浆中累计布孔31个，比上次水泥灌浆83个大幅减小，一定程度避免破坏钢衬的整体性。

（3）浆液可灌性好，整个灌浆过程中灌浆压力更小，钢衬应力小。

（4）灌浆密实度高，经验收蜗壳无大于0.5 m2脱空区，灌浆密实度达99%。

2.3.2 效果检验

2010年、2011年两个汛期，机组高水位满负荷运行均未出现振动加大、异常噪声等情况。2010年复查中，化学灌浆区仅发现1处面积1 m2左右的脱空区，效果明显好于水泥灌浆。

3 结语

（1）水泥灌浆因材料流动性较弱，在缝隙较小的水轮机蜗壳脱空接触灌浆中，可灌性较差。工程应用中应尽量选用超细水泥，适当加入减水剂，以增加水泥浆的流动性。

（2）水泥灌浆材料收缩性可能导致在灌浆后因材料收缩再次出现脱空缝隙。

（3）化学灌浆材料粘度低、力学性能好、操作方便，相比水泥灌浆，更加适合对可灌性要求较高的水轮机蜗壳脱空补强灌浆。

（4）在大面积的灌浆工程中，若考虑经济型，可先采用水泥灌浆，再利用化学灌浆进行后期辅助补强。

1 DKT5148-2001.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

2蒋硕忠.HK-G系列环氧灌浆材料性能及应用，绿色化学灌浆技术[M].武汉：长江出版社，2006.