博湖西泵站虹吸式出水流道裂缝修补设计

巴贵善

(新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000)

赵志敏

(新疆博湖扬水管理处 库尔勒 841000)

1 工程概况

博湖扬水站始建于20 世纪70年代末，原规划整个工程由引水渠、拦污闸、进水池、主厂房、副厂房、出水池、输水渠、降压站、机修间、生活区等组成。扬水站设计流量为75m3/s，在非常情况下加大流量为90m3/s，设计扬程7m，采用立式轴流泵，总装机容量12×800kW，由于当时建设资金的限制，工程分为两期建设，一期先建西泵站和公用设施，装机容量6×800kW。

一期西泵站始建于1978年，1980年投入运行，1983年竣工验收。二期东泵站(将原规划装机容量6×800kW 改为5×1100kW) 于2003年开工，2006年完工，2008年底投运。东、西泵站相距650m。东、西泵站采用联合运行方式互为备用。东泵站的建成使得运行30年的西泵站有了停机检修改造的可能。

西泵站建成投运30年来，长期以一当二，超负荷运行，设备老化严重加剧，机组振动，噪声超标，机组的大修周期越来越短。水工建筑物年久失修，出水流量不足，效率下降，扬水功耗增加，影响和制约了泵站整体效益的发挥，机组处于带病运行状态。尽快改造西泵站是保证下游9.3万hm2农田安全供水的急需，符合国家加强农业基础建设，促进农业发展农民增收的大政方针，也是向下游孔雀河灌区年输送10.55亿m3的生产、生活和生态用水，每年保证向塔河下游塔里木垦区输生产、生活用水2.5亿m3，向塔河下游绿色走廊输2.0亿m3生态用水的关键工程，尽早改建西泵站已成为巴州人民的迫切要求。按照水利部(办规计［2008］330号) 文件精神，西泵站列入全国大型泵站更新改造计划之内。

2008年5月由水利部泵站测试中心及武汉大学为西泵站做了安全检测及工程复核分析，2009年3月水利部灌排中心组织专家评审通过了西泵站安全鉴定报告。

2 出水流道结构、裂缝漏气致因及检测结果

2.1 出水流道布置结构

西泵站6台机组虹吸式出水流道中心轴线长19.85m，进口段圆形断面D=1.67m，中心高程为1044.78m，驼峰断面b×h=2.5m×1.2m，驼峰顶部高程1051.70m，出口方形断面b×h=5m×3m，出口上缘高程为1046.90m。单流道内表面积为179m2，六台机组流道总面积为1074m2。详见下页图。

2.2 裂缝漏气漏水致因分析

受流道内工作条件限制，多年来一直未进行泵站虹吸式出水流道裂缝的详细检查，但6台机组运行过程中，在虹吸流道内漏气漏水现象均有存在。起因主要有地基不均匀沉降裂缝、施工期下层结构对上层结构约束裂缝、施工期混凝土干缩缝和运行期刚性修补后温差梯度原因拉裂等四方面。具体分析如下：

2.2.1 地基不均匀沉降裂缝原因

西泵站主厂房水下部分为湿式块基整体结构，顺水流向长度为21.3m，垂直流向基础宽度为36.02m，宽度方向中间沉陷缝宽20mm，将6台机组分为对称两段，宽各为18m。基础高程为1035.85m，地基为粉质黏土，无湿陷性，在饱和状态下具有中等压缩性。因上部不均匀的静荷载和动荷载由纵横隔墙传递到底板下地基应力不均匀，致使粉质黏土地基压缩沉降是不均一的。导致纵、横隔墙支承的刚性流道管体产生不均匀的变形裂缝。

西泵站出水流道中心剖面图

2.2.2 施工期下层结构对上层结构约束裂缝原因

主厂房上下游墙、左右端墙和底板为封闭结构，机组间距为5.6m，每台机间隔墙厚为0.6m，上游排架柱下水下墙厚0.8m，下游排架柱下纵向隔墙一道厚0.8m，流道底板和顶板连续穿过机组间隔墙。流道混凝土浇筑时和其下纵、横墙成为刚性约束，促成了流道混凝土的初期裂缝。

2.2.3 施工期混凝土干缩缝原因

流道混凝土浇筑后养护不到位，同样发生常规的混凝土干缩性惯穿裂缝。

2.2.4 运行期刚性修补方案与温差梯度原因

顶板处于常温室内，底板处于自然室内，使流道长期处于温度梯度变化中，加上动、静荷载不均作用，使运行期刚性修补后依然被拉裂，故泵站投产后多次采取的刚性材料灌浆修补是不甚合适的。另外，裂缝宽度随季节的开合，有时是不可见的细小裂缝，不可能一一得以全部修补，故随季节或温差梯度开合的裂缝未被发现而产生漏气现象也有可能一并存在。

2.3 现状调查情况及检测结果

a.泵站虹吸式出水流道的驼峰顶部因混凝土裂缝而漏气(尤其以5号、6号机组出水流道驼峰漏气较为严重) ，自泵站建成竣工交付使用以来，就作为遗留问题一直未能解决。据测试，该泵站驼峰处真空度仅在20～27kPa 之间(150～200mmHg) ，均达不到设计40kPa的要求。这影响了开机时的抽真空启动及正常运行时驼峰处的真空度。正常运行期间增大了水泵扬程，增加了不必要的耗电量。当漏气严重时水泵无法正常运行，并且在高峰期运行时，该裂缝的渗水将流至主泵房的主机高压柜旁，以致威胁电气设备的运行安全。针对这一问题，泵站管理处曾多次尝试用环氧树脂修补封堵，但一直没有取得理想的效果。

b.博斯腾湖水位已由2002年的最高水位1049.39 m 降至2007年12月的1046.20m，湖水位下降最大值为3.19m，年均下降0.638m，且水位仍有继续下降的趋势，湖水位如下降至1045.5m 时机组将启动困难，根据该泵站轴流泵特性分析，湖水位下降至1045m 时泵站将无法正常运行。2007年7月18日3号机已经出现启动困难的情况，出现超负荷信号，不得不利用4号、5号机抽真空，启动了3 次才使3号机投入正常运行。正常开机率下降。

2.4 安全鉴定报告复核结论

从现场检测看出，虹吸式出水流道因地基不均沉陷，产生裂缝，机组启动抽真空困难，甚至完全不能启动，因此需要借助已启动机组抽气来完成启动过程。

现有水泵在净扬程6.23m 及以上时，已进入性能不稳定区(马鞍区) ，且水泵将出现汽蚀。针对目前虹吸式出水流道现状，建议：ⓐ对虹吸式出水流道进行除险加固，修补裂缝;ⓑ更换抽真空设备，加大真空泵容量。

3 出水流道加固、修补方案比选

总结国内水工建筑物裂缝处理工程经验，裂缝修补处理措施主要有：环氧类浆液灌浆、高压聚氨酯灌浆、化灌加表面改性聚合物砂浆(PCC) 抹面;裂缝补漏阻气处理措施主要有：裂缝化灌加柔性材料面层法、裂缝化灌加钢板内衬法和裂缝化灌加纤维布法。

针对西泵站虹吸式出水流道因地基不均沉陷裂缝而产生的漏气漏水问题，结合西泵站虹吸式出水流道可停水处于干燥状态，最小高度为1.2m、最小宽度为2.5m、工作空间较适宜的修补操作条件，本阶段以技术成熟、耐久可靠为原则，拟定以下两个流道裂缝处理方案。

3.1 流道内粘钢衬方案

在流道内壁全长范围全断面内衬粘贴钢板加固，该方案是彻底解决虹吸流道裂缝漏气的最佳方案。将6mm 厚钢板粘贴在流道内壁表面，因钢板薄，对过流截面影响小，采取满衬方式，可将流道全断面内壁完全封死，不会产生漏气、渗水的现象。为防止钢板因负压向内屈曲，钢板采用锚杆锚固到原结构为止。为了使钢板内表面平整，要求锚杆与钢板之间塞焊，不留螺栓头。现有的植筋技术不耐湿、不耐高温，采用自锁锚杆能很好地满足耐高温、耐湿的环境要求。内衬钢板除了能起补强加固、封堵裂缝的作用外，若原结构有新的微小变形，钢材的塑性性能不致使内衬拉裂，有较好的抗变形能力。

采用裂缝化灌加内表面钢衬封闭相结合的修补措施，可以达到加强结构整体性和耐久性的目的。

存在的问题：ⓐ施工难度大，流道自进口至出口呈圆形断面渐变上升为方形四角贴角断面至驼峰顶部，再从顶部向下游斜向扩散，管壁属不规则多变曲面，钢板分块、卷曲、固定、对接作业非常复杂;ⓑ造价高，6台机流道钢衬概算直接费为198.66万元。

3.2 涂刷聚脲防护处理方案

3.2.1 聚脲弹性体材料的定义和特性

美国聚脲发展协会对涂刷聚脲的定义如下：由异氰酸酯组分(简称A 组分) 与氨基化合物组分(简称R组分) 反应生成的一种弹性体物质。其中的A 组分可以是单体、聚合体、异氰酸酯的衍生物、预聚物和半预聚物。预聚物和半预聚物是由端氨基或者端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的。其中的R 组分必须是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成的，在端氨基树脂中，不得含有任何羟基成分和催化剂，但可以含有便于颜料分散的助剂。

聚脲弹性体材料是质感类似于塑料、橡胶、玻璃钢的SPUA 材料，它以涂料所特有的常温固化、任意形状施工的方式，应用于千变万化的各行各业。它已成为一种集塑料、橡胶、玻璃钢、涂料优点于一身的高技术新材料。聚脲材料的特性如下：

a.无毒性，100%固含量，不含有机挥发物，符合环保要求。

b.良好的不透水性，2MPa 压力下24h 不透水，材料无任何变化。

c.抗冲耐磨特性，其抗冲磨能力是C60 混凝土的10 倍以上。

d.聚脲材料与多种底材，如：混凝土、砂浆、钢材、沥青、塑料、铝及木材等，都有很好的附着力，潮湿面附着力不小于2MPa。

e.具有很强的力学性能，拉伸强度不小于18MPa、撕裂强度不小于50kN/m，扯断伸长率不小于380%。

f.聚脲弹性体材料具有良好的手刷和喷涂适应性，可据不同要求和场合采用不同方法。手刷聚脲弹性体材料与喷涂聚脲具有同样优异的防渗、抗冲磨及防腐等多种功能。

3.2.2 手刷聚脲弹性体的适用性

手刷聚脲施工为人工涂刷，聚脲固化时间较长(4～6h) ，通过涂刷遍数，可以较好地控制涂刷厚度及均匀性。手刷聚脲与基底混凝土的粘接强度高，抗紫外线性能和抗太阳暴晒性能强，在阳光照射下，手刮聚脲本身有30年以上的使用寿命，并且手刷聚脲具有－40℃的低温柔性，能适应高寒地区的低温环境，尤其是能抵抗低温时混凝土开裂引起的形变而不渗漏。

该技术已在小浪底水电站排沙洞、北京京密引水渡槽、青海龙羊峡水电站表孔溢洪道、南水北调渡槽、青海李家峡水电站左中孔泄洪道、贵州构皮滩水电站水垫塘、河南宝泉水电站上库进水口、张家口清水河防渗墙、新疆喀腊塑克混凝土坝底孔泄洪道、云南景洪水电站溢流坝伸缩缝等水利水电工程中应用。

经济性方面，本工程6台机虹吸流道手刷聚脲弹性体概算直接费为123.27万元。

3.3 方案比选

上述两方案均为成熟技术，措施上耐久可靠，经济上方案二优于方案一，鉴于本项目修补工程量不大，流道自进口至出口呈圆形断面，渐变上升为方形四角贴角断面至驼峰顶部，再从顶部向下游斜向扩散，管壁属不规则多变曲面，钢板分块、卷曲、固定、对接作业非常复杂，手刮聚脲粘接强度稍高于喷涂聚脲，故采用了手刮双组分聚脲弹性体方案。

4 流道内手刮聚脲弹体施工工艺

4.1 底面处理

混凝土底面处理首先用角磨机对混凝土表面进行打磨，清除原混凝土表面浮浆、脱模剂及表面的棱角，用高压水枪冲洗表面的灰尘、浮渣，待水分完全挥发后，对混凝土表面局部孔洞用高强找平腻子填补，使用的腻子要求不流淌，并且与混凝土粘结良好，找平材料固化后，再使用角磨机对混凝土表面进行打磨、清洗，要求混凝土表明平整、坚固、无孔洞。

对大于0.15mm的混凝土裂缝表面要增加胎基布。对于漏水裂缝需要化学灌浆处理。

4.2 涂刷BE14 潮湿面界面剂

聚脲涂层与底材的粘接面采用BE14 专用潮湿面界面剂，这是一种100%固含量的环氧底漆，该底漆可在饱和水或干表面施工。底面处理后，在混凝土表面涂刷BE14 界面剂，涂刷厚度要求薄而均匀，无漏涂现象。保证聚脲与混凝土之间的粘结强度大于2MPa。

4.3 刮涂SK 手刮聚脲涂层

a.流道全断面大面积刮涂SK 手刮聚脲，聚脲厚度为2mm，先在混凝土伸缩缝30cm 范围内，裂缝及拐角10～15cm 范围内涂刷1mm 厚的聚脲弹性体，粘贴胎基布，然后再大面积涂刷聚脲。伸缩缝、裂缝及拐角部位聚脲厚度大于3mm。

b.毛刷配合刮板分层刮涂，一般一层厚度在0.5～0.7mm，刮涂时来回用力，做到涂层压实，前遍涂层干燥后再刮下一遍，依次类推，直至涂层达到设计厚度2mm。

c.聚脲涂层厚度要均匀，由于SK 手刷聚脲各层之间的粘接很好，聚脲涂层的间隔时间不受限制，但要保证层间清洁、干燥。

4.4 周边处理

在聚脲弹性体涂刷范围的周边，为了保证聚脲涂层与周围混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流冲刷下开口掀起，收边处混凝土打磨成倒三角，边缘聚脲厚度大于4mm，并保证聚脲与周围混凝土搭接边处采用平滑过渡。

5 结 语

a.本次流道修补设计提出的内壁钢衬和内壁聚脲防护两方案，均不影响流道断面在流道型线的平顺、沿程流速和压力分布的均匀性，在技术上可行，耐久性良好，经经济性和施工便利性对比分析后采用了后一方案证明是合适的。

b.通过内壁聚脲防护技术可提高抗冲耐磨性能，可降低原过流面的糙率，从而使水泵装置效率比改造前有一定的改善。

c.2011年12月21日起，西泵站工程投入联调试运行，对该工程更新改造分项内容，逐一检查，未发现异常现象，特别对虹吸出水流道相关的机组启动、驼峰抽真空性能、泵机组功耗检验结果可知，虹吸出水流道经过全断面聚脲防护，效果良好。❋

1 新疆巴州博湖扬水工程管理处.新疆巴州博湖西泵站安全鉴定现状调查分析报告［R］.2008.

2 水利部泵站测试中心.博湖西泵站现场安全检测报告［R］.2008.

3 武汉大学设计研究总院.新疆巴州博湖西泵站安全鉴定工程复核分析报告［R］.2008.

4 孙志恒.聚脲弹性体技术及其在水利水电工程中的应用［M］.中国水利学会水工结构专业委员会，2008.

5 鲁一晖，孙志恒.水工混凝土建筑物评估与修补［M］.北京：海洋出版社，2007.

6 袁文阳，陈尚建，阮永怀.工程结构补强加固实用设计及典型实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.