王曉東

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 石河子832000）

1 工程概況

新疆兵團(tuán)第八師瑪納斯河四級(jí)水電站于1961年建設(shè)完成，現(xiàn)共布置4臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)機(jī)組。原設(shè)計(jì)水頭為31.5m，設(shè)計(jì)引水流量51.6m3/s，總裝機(jī)容量1.3萬kW（已擴(kuò)容1×4000kW+原有3×3000kW），多年平均發(fā)電量約為4862萬kW·h，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。

水電站由于運(yùn)行時(shí)間長，存在建筑物凍融破壞，混凝土結(jié)構(gòu)老化、破損滲漏，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、啟閉困難，機(jī)電設(shè)備普遍磨損、老化、故障率高等問題。在2013年農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造批復(fù)內(nèi)容為：對(duì)引水渠道進(jìn)行裁彎取直和防滲改建、拆除并重建排冰閘及退水渠，對(duì)前池、溢流堰、尾水平臺(tái)進(jìn)行改造加固處理，更換電站的機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備等。

增容改造后設(shè)計(jì)水頭31.6m，設(shè)計(jì)引水流量62.0m3/s，總 裝 機(jī) 容 量 1.60萬 kW（1×4000kW+改造3×4000kW），多年平均年發(fā)電量為6088萬kW·h（年均增發(fā)電量1226萬kW·h），裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)為3805h，設(shè)計(jì)發(fā)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(nèi)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(zhì)約占87%，并且泥沙中石英含量多，對(duì)水輪機(jī)機(jī)組磨損影響較大。

改造前瑪納斯河四級(jí)水電站機(jī)組每2～3年須進(jìn)行一次大修。轉(zhuǎn)輪、底環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉、蝸殼等過流部件空蝕和磨蝕最嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效率低下，機(jī)組振動(dòng)大、噪音大，長時(shí)間處在不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重影響了電站運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益。本次增容改造更新3臺(tái)老機(jī)組，將除尾水管的肘管段和擴(kuò)散段外的所有水輪機(jī)部件進(jìn)行更換（含轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋、座環(huán)、蝸殼、尾水管直錐管等）。

經(jīng)過參建方的多次現(xiàn)場檢查和技術(shù)討論，確定通過調(diào)整座環(huán)高度和蝸殼直徑，增加機(jī)組過流能力，以達(dá)成水輪機(jī)增容改造的目標(biāo)?？紤]到金屬蝸殼外包混凝土厚度較小的現(xiàn)狀，工程難點(diǎn)在于：保證蝸殼的結(jié)構(gòu)安全，蝸殼和座環(huán)聯(lián)合受力，控制機(jī)組振動(dòng)在允許范圍。

3 改造設(shè)計(jì)方案

本工程混凝土蝸殼承擔(dān)機(jī)墩傳下來的荷載、水輪機(jī)層設(shè)備重量和活荷載。原鋼蝸殼與外圍混凝土之間設(shè)置有彈性墊層，用以減少鋼蝸殼的振動(dòng)，混凝土蝸殼承擔(dān)部分內(nèi)水壓力。根據(jù)增容要求，鋼制蝸殼需要增加內(nèi)徑，最寬部位達(dá)23cm，為此需要對(duì)原混凝土蝸殼內(nèi)側(cè)進(jìn)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(wǎng)。工程技術(shù)改造如何不影響混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)安全，保證鋼蝸殼、座環(huán)與混凝土蝸殼之間的荷載傳遞，避免混凝土澆筑和干縮產(chǎn)生空腔，造成水輪機(jī)組的振動(dòng)和氣蝕，是設(shè)計(jì)考慮的主要問題。

結(jié)構(gòu)安全方面考慮混凝土蝸殼擴(kuò)徑后，結(jié)構(gòu)厚度減少14%，經(jīng)計(jì)算，混凝土蝸殼上部鋼筋拉應(yīng)力增加較大，為此須采取混凝土蝸殼補(bǔ)強(qiáng)措施，考慮了2種方案。方案1：加強(qiáng)混凝土蝸殼內(nèi)側(cè)配筋，將橫向鋼筋與座環(huán)焊接，改善蝸殼受力條件；方案2：在鋼蝸殼外側(cè)設(shè)置多道加勁環(huán)，由混凝土蝸殼和鋼蝸殼共同承擔(dān)上部荷載。考慮到方案2加勁環(huán)寬度較大，相應(yīng)混凝土鑿除厚度大損害結(jié)構(gòu)安全，并且豎向加勁環(huán)影響混凝土澆筑，故選擇加固方案1。

對(duì)鋼蝸殼與澆筑混凝土存在的干縮空腔考慮進(jìn)行灌漿處理，灌漿材料進(jìn)行水泥灌漿和化學(xué)灌漿材料的比較。水泥灌漿凝結(jié)強(qiáng)度高，而化學(xué)灌漿固結(jié)體可以具有一定的彈性，達(dá)到減輕鋼蝸殼振動(dòng)的效果，故鋼蝸殼外側(cè)空腔選擇化學(xué)灌漿。經(jīng)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(jìn)而凝膠固結(jié)；固結(jié)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(biāo)見表1。

表1 LW水溶性聚氨酯主要性能

經(jīng)比較確定結(jié)構(gòu)加固措施如下：1）拆除原鋼蝸殼和座環(huán)，按設(shè)計(jì)斷面鑿除混凝土和鋼筋；2）剔出座環(huán)錨筋，將改造座環(huán)與錨筋固定；3）在混凝土蝸殼內(nèi)側(cè)鑿除部位恢復(fù)鋼筋網(wǎng)，并適當(dāng)加大鋼筋網(wǎng)中的鋼筋直徑，橫向鋼筋兩端與座環(huán)上下焊接，鋼筋網(wǎng)通過焊接錨筋與混凝土蝸殼錨固；4）逐節(jié)安裝鋼蝸殼，將鋼蝸殼外側(cè)錨筋與鋼筋網(wǎng)焊接固定；5）鋼蝸殼預(yù)留混凝土灌注管和振搗孔，灌注高標(biāo)號(hào)混凝土，待混凝土干縮后，進(jìn)行聚氨脂灌漿。改造措施設(shè)計(jì)見圖1。

4 改造措施和設(shè)計(jì)要求

圖1 鋼蝸殼、座環(huán)改造圖

4.1 制造要求

座環(huán)采用組焊式，鋼材材質(zhì)為Q345E，固定導(dǎo)葉數(shù)24個(gè)，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(shè)計(jì)壓力0.4MPa，進(jìn)水口內(nèi)徑1.75m，出水口內(nèi)徑0.5m，蝸殼壁厚16～12mm，材質(zhì)為Q345E，分22段運(yùn)輸，單段最大件寬度0.3～0.8m，相應(yīng)重量350kg，總重量約6t。

4.2 安裝措施

（1）切割、拆除已磨損鋼內(nèi)襯，清洗混凝土蝸殼表面松動(dòng)的混凝土塊、沉積泥沙，進(jìn)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(bǔ)要求剔除原有鋼筋網(wǎng)，重新焊接鋼筋網(wǎng)片。為確保鋼筋接頭焊接質(zhì)量，采用砂輪打磨焊接部位殘?jiān)?。增大鋼筋網(wǎng)片的鋼筋直徑，設(shè)計(jì)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(shè)置植筋錨桿，要求與金屬蝸殼管節(jié)焊縫距離不大于20cm。植筋錨桿采用Ⅲ級(jí)φ25mm鋼筋加工，設(shè)計(jì)強(qiáng)度360MPa，錨孔孔徑32mm；錨桿植筋膠采用改性環(huán)氧類、A級(jí)膠，設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為-5～35℃，約束拉拔條件下與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度≥11.0MPa。

（4）蝸殼外包鋼筋網(wǎng)要求與座環(huán)焊接；座環(huán)分4片焊接，并預(yù)留直徑3cm灌漿孔、排氣孔16個(gè)。

（5）金屬蝸殼材質(zhì)為 Q345E，板厚 16～12mm，在對(duì)應(yīng)混凝土錨桿的位置開孔，孔徑36mm。蝸殼管節(jié)分段編號(hào)后，利用鉸鏈依次拖運(yùn)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(jìn)行座環(huán)、蝸殼安裝調(diào)整，并與錨桿焊接固定。

（7）金屬蝸殼上預(yù)留一定數(shù)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(jìn)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(guī)澆筑措施難以保證混凝土澆筑質(zhì)量，經(jīng)考慮采用蝸殼下開口上部預(yù)留孔洞，并焊接40cm長，直徑5cm導(dǎo)管，通過導(dǎo)管灌注C25混凝土，并進(jìn)行震搗密實(shí)。

（9）通過錘擊金屬蝸殼進(jìn)行混凝土灌注密實(shí)度檢查，如有空腔聲，進(jìn)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(duì)錨桿孔、灌漿孔堆焊封孔，打磨光滑。

5 效果

瑪納斯河四級(jí)水電站蝸殼改造工程于2014年完工并投入發(fā)電，經(jīng)過3年的運(yùn)行，已通過竣工驗(yàn)收，水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行良好，平均較改造前增發(fā)電量12%，蝸殼振幅在規(guī)范允許范圍內(nèi)，達(dá)到了增效擴(kuò)容目標(biāo)，工程改造效益顯著。