聚脲在回龙抽水蓄能电站上水库全库盆防渗工程中的应用

李东辉，马 峰，宋海峰，左 厉

（国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473000）

0 引言

抽水蓄能电站上水库因海拔较高、地形地质条件复杂、气候条件相对恶劣、基建期施工质量管控难度大等原因，水库首次蓄水或运行多年后，库盆普遍容易出现渗漏现象，影响电站经济效益的发挥。回龙抽水蓄能电站2001年开工建设，2004年上水库首次蓄水发现渗漏量较大，随即进行全库盆PVC改性沥青优化防渗处理，投运10年后，PVC防渗层普遍老化失效，2017年进行全库盆喷涂聚脲防渗处理，在全国水库大面积聚脲防渗工程中尚属首例，运行一年多以来，防渗效果显著，对抽水蓄能电站水库与大坝防渗治理提供成功案例[1]。

1 工程概况

回龙抽水蓄能电站位于河南南召县城东北16km的岳庄附近，坐落于江淮分水岭黄鸭河支流九江河上游。电站总装机容量为120MW，安装2×60MW单级可逆式水泵水轮机组，最大水头416m，主要建筑物有下水库、上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站等。本工程等别为Ⅲ等，大坝等建筑物等级为3级，下水库总库容168万m3，上水库总库容118万m3。本电站为专门解决南阳地区的供电调峰问题的日调节电站，无其他综合利用要求。电站主体工程于2001年6月开工，2003年6月下库下闸蓄水，2005年1月首台机组并网发电，2005年10月通过工程竣工安全鉴定，2005年12月全部机组投产发电。

上水库为一小型集水盆地，流域面积0.144km2，位于回龙沟支沟石撞沟洼地，坝址位于库盆北西方向峡谷出口。上水库工程由主坝、库盆、引水发电系统进/出水口、副坝等组成。主坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程900.0m，最大坝高54.0m，共分7个坝段，总长208.0m；水库校核洪水位899.4m，正常蓄水位899.0m，相应库容118万m3；正常低水位885.0m，死水位876.4m，相应库容13.9万m3。上库库盆采用混凝土面板与挂网喷混凝土面层相结合的全封闭防渗形式，2005年库盆表面采用熔抹PVC改性沥青防渗层、浇筑砂浆保护层进行防渗优化处理（见图1）。

回龙电站于2001年6月开工建设，因上库设计库容已可满足机组容量与运行时长的要求，无需挖除库盆内全部山体，对库内山体采用削坡、挂网喷混凝土面层防渗形式，喷混凝土区与陡峭混凝土面板区施工难度较大，混凝土密实度低、缺陷较多，2004年上库首次蓄水时发现库盆渗漏量远大于设计允许值2000m3/d，2005年对库盆喷混凝土面层与部分混凝土面板进行熔抹PVC改性沥青优化防渗处理，因该防渗材料寿命为8～10年，经过10余年运行，受日常机组启停频繁、水库水位骤变及外部环境等因素影响，库盆大部分表面PVC防渗层与砂浆保护层存在老化、空鼓、破损与脱落等现象，水库渗漏量持续较大，多次超过设计允许值，最大渗漏量约4300m3/d。为解决上水库渗漏量日益增大、可能导致水库结构安全的问题，2015～2016年实施了库盆结构安全检测、水下检查、渗漏原因分析、防渗材料论证试验、防渗方案设计等工作。2017年实施上水库全库盆放空与防渗治理工程，主要包括喷混凝土基层缺陷处理、高强砂浆抹面找平、渗水点处理、混凝土面板结构缝与裂缝处理、大坝结构缝与裂缝处理、库盆与大坝双组分聚脲喷涂等。上水库库盆蓄水后，经过一年来的渗漏监测，水库渗漏量由治理前的4300m3/d降至30m3/d，渗漏量降幅达到99.3%，防渗治理成效显著。

图1 上水库库盆防渗布置总平面图Figure 1 General plan of impermeable layout of upper reservoir basin

2 聚脲防护技术在水利水电工程中的应用

聚脲材料具有致密无接缝、附着力高、柔韧性好、伸长率高等优异的物理性能，其反应活性高、固化速度快，可完全隔绝空气中水分和氧气的渗入，具有良好的防水、防腐、抗冲磨、抗老化、耐温度压力等突出性能，能够很好地保护混凝土、橡胶、玻璃钢、木材、钢、铝等材料，国内外应用领域广泛。

聚脲防护技术在国内已广泛应用。云南小湾水电站混凝土双曲拱坝最大坝高2920m，为世界最高的双曲拱坝，其坝踵高应力区采用了喷涂聚脲技术，防渗面积约2万m2。四川大渡河大岗山水电站最大坝高210m，为防范坝踵、坝面高拉应力区可能出现裂缝引起高压水力劈裂的隐患，减轻横缝张开对坝体的可能不利影响，在拱坝上游坝面一定范围采用聚脲材料进行加强防渗处理。河南宝泉抽水蓄能电站上水库副坝为浆砌石重力坝，坝高55m，坝轴线长220m，坝体上游面采用混凝土防渗面板护面，工程完工后，由于混凝土面板出现面渗及裂缝等缺陷，导致坝体发生渗漏，采用聚脲防渗对大坝上游面进行了处理，处理后渗漏问题得以完全解决。四川猴子岩水电站总装机容量170万kW，坝面裂缝用聚脲进行修补，效果显著。青海黄河公伯峡水电站溢洪道伸缩缝、裂缝及混凝土脱空和龟裂进行单组分手刮聚脲处理，效果很好，保证了溢洪道的安全。

另外，聚脲防护技术在北京十三陵抽水蓄能电站上水库库盆混凝土面板裂缝处理、京密引水渠渡槽、北京三家店拦河闸、北京黄松峪水库溢洪道、怀柔水库西溢洪道、山西大同御河大坝、尼尔基水电站蜗壳、广东鹤山拦河闸、山西龙口水电站、四川雅安大岗山水电站、安徽安庆花亭湖水库水坝、浙江天台里石门水库大坝、新安江水电站溢洪道反弧段、富春江水电站船闸、景洪水电站厂房顶、拉西瓦水电站底孔抗冲磨防护、李家峡、龙羊峡、公伯峡溢流面抗冲磨防护、新疆某碾压混凝土重力坝溢流面抗冲磨、防冻融破坏等工程得到广泛应用[2-4]。

3 喷涂聚脲弹性体技术

3.1 双组分喷涂聚脲防渗材料介绍

双组分喷涂聚脲弹性体技术是国外近二十年来，为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色环保施工技术。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、液态胺扩链剂、颜料、填料以及助剂组成色浆（R组份），另一组份则由异氰酸酯与低聚物二元醇或三元醇反应制得（A组份），A组份与R组份通过专用喷枪进行喷涂。施工方面具有工艺简单、施工速度快、可方便地在曲面、斜面和立面上喷涂成型，不产生流挂现象，施工工艺和配套机械成熟可靠。

回龙电站上水库防渗治理工程中主要应用单组分涂刷聚脲及双组分喷涂聚脲两种材料，单组分涂刷聚脲主要应用于库盆混凝土面板、坝体裂缝与结构缝防渗处理，双组分喷涂聚脲主要应用于全库盆表面与大坝迎水面大面积防渗处理。单组分涂刷聚脲与双组分喷涂聚脲具有良好的结合性，本文已介绍双组分喷涂聚脲弹性体防渗技术为主。

3.2 双组分喷涂聚脲主要特性

双组分喷涂聚脲具有主要特性如下：

（1）无毒性：100%固含量，不含有机挥发物，符合环保要求，在施工和使用中，无毒、无污染，被誉为“绿色材料、绿色技术”。

（2）优异的物理性能：涂层致密、连续、无接缝，防护性能十分突出；拉伸强度可达20MPa以上，断裂伸长率可达300%以上，撕裂强度为40～80.4kN/m，硬度从邵A30（软橡皮）到邵D65（硬弹性体），耐磨、抗冲击等。

（3）良好的不透水性：3.0MPa压力下24h不透水，材料无任何变化。

（4）低温柔性好：在-30℃下对折不产生裂纹，其拉伸强度、撕裂强度和剪切强度在低温下均有一定程度的提高，而伸长率则稍有下降。

（5）耐腐蚀性：由于不含催化剂，分子结构稳定，喷涂聚脲表现出优异的耐水、耐化学腐蚀及耐老化等性能，在水、酸、碱、油等介质中长期浸泡，性能不降低。

（6）快速固化：反应速度快，10s凝结，3min可达到步行强度。由于固化快速，解决了传统喷涂工艺中易流挂的现象，可在任意曲面、斜面及立面上喷涂成型，涂层表面平整、光滑，对基材形成良好的保护和装饰作用。

（7）施工效率高：采用成套喷涂设备，可连续操作，一次喷涂施工厚度可达1～10mm，克服多层施工的弊病；施工速度快，单机日施工1000m2以上，最大限度地减少了天气对施工进度的影响。

（8）可以连续喷涂而不会因反应热过于集中而导致鼓泡、焦化等现象，可在120℃下长期使用，并可承受250℃短时热冲击。

（9）户外使用可达30年，投入使用后基本无维护成本。

（10）成品色彩艳丽，可根据工程需要任意调配材料颜色。

其主要技术指标见表1。

表1 双组分喷涂聚脲性能要求和试验方法Table1 Performance requirements and test methods of two-component spraying polyurea

3.3 全库盆聚脲施工的技术难点

聚脲技术自在水利工程中应用以来，经历了应用技术研究，现场工程推广，逐渐为建设单位和设计单位所认识和了解，在水利水电工程防渗、表面防护、抗冲刷等方面得到推广和应用，并发挥了巨大的工程效益，但由于水利工程的特点和聚脲材料自身的特性，对其在水利工程中的应用也有特殊的要求。

（1）由于水工建筑物环境潮湿，基面处理难度大。由于水工建筑物环境普遍比较潮湿，影响聚脲涂层与混凝土基面的附着力，容易出现鼓包，严重时可能出现脱空导致防渗失效。为解决此问题，严格根据《水利水电工程聚脲层施工技术规程》（DL/T 5317—2014）施工要求，在基层表面含水率达到7%以下，作业环境温度应高于5℃、相对湿度小于85%，施工应在基层温度比露点温度至少高3℃的条件下进行喷涂聚脲作业，严禁在雨天实施露天喷涂及涂刷作业。

（2）施工专业性强，技术要求高。聚脲材料虽然施工难度不大，但施工专业性强、技术要求高，施工中易出现各种施工质量问题，如混凝土基面处理不满足技术要求导致聚脲涂层鼓包；双组分喷涂聚脲施工时，如果喷涂设备控制不好导致聚脲两组份不能按比例混合，影响聚脲涂层的性能；施工技术人员不熟练喷涂厚度不均匀等。为解决此问题，必须选择技术熟练的喷涂枪手，选择带有两组份压力差超过限值自动停机保护的喷涂机，且施工前与过程中对喷涂机及管道等附属设备进行严格检查与维护。

（3）回龙电站上水库库盆大部分采用喷射混凝土，表面粗糙不平，2005年采用PVC沥青涂层进行防渗处理时，为了对基面找平，首先采用水泥砂浆对喷射混凝土进行了找平，2015年对沥青涂层进行检查时，清除了表面的沥青涂层，发现砂浆基础表面十分粗糙，如果采用聚脲材料作为防渗材料，需要首先清除表面所有的PVC涂层，并对基础进行打磨冲洗，然后采用高强度抗裂抗渗砂浆进行找平，最后才能进行喷涂双组分聚脲表面防渗处理（见图2）。

（4）对于上水库库盆地下水位线较高、存在地基节理裂隙和节理密集带的区域，库盆背面反向水甚至地下泉眼较多，若不封堵或者引排处理，基本无法进行聚脲喷涂。施工过程中对库盆反向水或泉眼区域喷混凝土层凿除后，基底基本为强风化或全风化岩石，先将强风化或全风化岩石清除，若渗水量较小，则先采用堵漏剂封堵；若渗水量较大则采用钻孔、安装DN50排水管、管底包裹土工布，管口安装单向逆止阀引排，周边回填C30细石混凝土浇筑至与面板齐平，5～7d后在细石混凝土面上再涂抹高强砂浆（见图3），最后才能进行喷涂双组分聚脲表面防渗处理。

图2 库盆原防渗层铲除和基层底油打磨（a）原防渗层铲除；（b）基层底油打磨Figure 2 Exhaust of original impermeable layer ztand basic base oil grinding（a）Exhaust of original impermeable layer；（b）Basic base oil grinding

图3 库盆喷混凝土区高强砂浆浇筑（a）贴坡脚手架区；（b）较平整区Figure 3 High strength mortar pouring on the sprayed concrete area of reservoir（a）Slope scaffolding area ；（b）More level area

图4 库盆渗水点较大部位处理图和现场实物（a）处理图；（b）现场实物Figure 4 Treatment chart and field material of large water seepage point in reservoir（a）Treatment chart；（b）Field material

4 聚脲施工工艺与质量控制

4.1 聚脲施工工艺

上水库库盆与大坝喷涂聚脲主要施工工艺如下：

4.1.1 基面清理

（1）喷混凝土区域。

用磨光机将高强砂浆表面的浮浆、颗粒物及酥松物打磨干净，再用吹风机或高压水枪将表面的灰尘清除干净。当基层表面含水率达到7%以下时，具备施工下道工序的条件。

（2）混凝土面板区域。

PVC覆盖区域：首先确保基层表面的PVC等原有防水材料已打磨干净，然后采用吹风机将表面的灰尘清除干净，然后对于基层表面深度大于5mm的气孔、蜂窝麻面，预先用腻子进行修补。

PVC未覆盖区域：用角磨机将基层表面的泥皮、青苔、杂物及酥松砂浆等彻底清除干净。对于基层表面深度大于5mm的气孔、蜂窝麻面，预先用腻子进行修补（见图4）。

4.1.2 滚涂SWD8009聚脲界面剂

（1）检查前道工序合格后，配制界面剂。

（2）配制时应用电子秤计量，根据1h操作时间内滚涂界面剂的总量进行计算配制（否则界面剂操作时间长会影响产品质量）。

（3）首先将SWD8009B组份搅拌均匀，倒入配料桶中计量，然后将SWD8009A组份摇晃或搅拌均匀，按重量比A∶B=3∶2的比例计算，将适量的A组份倒入B组份中，用电动搅拌器搅拌2～3min至均匀为止。

（4）滚涂界面剂时，应均匀滚涂，在保证均匀前提下越薄越好，滚涂后的表面应均匀，无漏涂，无流挂。

4.1.3 涂刮SWD168L聚脲专用封孔腻子

（1）检查前道工序合格后，配制腻子。

（2）配制时，应用电子秤计量，根据45min涂刮总用量，进行计算配制。

（3）首先将SWD168L-B组份搅拌均匀，倒入配料桶中计量，然后将另一组份搅拌均匀后，按重量比A：B=1：1的比例计算，将适量的A组份倒入B组份中，用电动搅拌器搅拌2～3min至均匀为止。

（4）SWD168L液体组份搅拌均匀后，再按A、B总量的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）后再次搅拌均匀。

（5）涂刮腻子时，应预先将大的凹坑填补，然后满刮，涂刮厚度以将基层表面的孔隙封住为准。

（6）涂刮后的腻子表面应无针孔，无较深的刮痕和杂物（若有较深刮痕，局部用砂纸打磨），允许有平滑的凹坑。

4.1.4 滚涂SWD8009聚脲界面剂

（1）滚涂前应掌握天气情况，避开雨天施工。

（2）配制时应用电子秤计量，根据1h操作时间内滚涂界面剂的总量进行计算配制（否则界面剂操作时间长会影响产品质量）。

（3）首先将SWD8009B组份搅拌均匀，倒入配料桶中计量，然后将SWD8009A组份摇晃或搅拌均匀，按重量比A∶B=3∶2的比例计算，将适量的A组份倒入B组份中，用电动搅拌器搅拌2～3min至均匀为止。

（4）滚涂界面剂时，应均匀滚涂，在保证均匀覆盖前提下越薄越好，滚涂后的表面应均匀，无漏涂，无流挂。

4.1.5 喷涂SWD900聚脲弹性体防腐防水防护涂层

（1）严禁雨天、四级风及以上施工，施工温度在5～45℃，空气湿度在85%以下。

（2）喷涂聚脲施工前，检查基层表面，对界面剂局部粘附的蚊、虫和砂石颗粒物等进行铲除，然后用吹风机将表面再清洁一遍。

（3）喷涂前，首先要把A、B两组份搅拌均匀，特别是B组份，由于B组份中添加有少量无机颜料，容易沉淀，所以将气动搅拌器插入三口B料桶（200L大桶）内边搅拌，边施工。

（4）聚脲弹性体喷涂机：静态压力调到2200～2500psi，动态压力2000～2200psi，系统温度调到55～60℃，原料温度应该保持在15℃以上，各系统运转正常后，开始喷涂聚脲材料。

（5）聚脲喷涂在4h（30℃以上）内搭接喷涂，不需处理，可直接在边缘处重叠200mm宽的范围内喷涂聚脲，搭接处的厚度在3mm左右。聚脲喷涂超过4h（30℃以上），后再搭接喷涂，必须在聚脲涂层边缘200mm宽的范围涂刷界面剂（起到层间黏结作用）后再喷涂聚脲，搭接处的厚度在3mm左右，搭接处应尽量平滑过渡（见图5）。

图5 库盆基层与喷涂聚脲工艺图Figure 5 Process diagram of the base and spraying polyurea process of storage basin

4.1.6 滚涂SWD8029聚天门冬氨酸酯抗紫外线不变色面漆

（1）检查喷涂的聚脲合格后，滚涂SWD8029聚天门冬氨酸酯抗紫外线不变色面漆。

（2）配制SWD8029面漆时，应用电子秤计量，首先将SWD8029B组份搅拌均匀，倒入配料桶中计量，然后将SWD8029A组份摇晃或搅拌均匀后，按重量比A：B=1：1的比例将A组份倒入B组份中，用电动搅拌器搅拌2～3min至均匀为止。

（3）滚涂SWD8029聚天门冬氨酸酯面漆时，应采用优质，不掉毛的滚筒施工（滚涂前应用透明胶带将滚筒表面的毛粘几遍），施工时应均匀交叉滚涂，滚涂厚度控制在30～50μm为宜，滚涂后的表面应色泽均匀，无漏涂，无流挂（见图6）。

图6 库盆喷涂聚脲前序作业（a）涂刷底漆；（b）刮涂腻子Figure 6 Preface job on spraying polyurea in storage basin（a）Brushing primer；（b）Scratching putty

图7 库盆喷涂聚脲作业（a）混凝土面板区；（b）喷混凝土区Figure 7 Spraying polyurea operation in storage basin（a）Concrete panel area ；（b）Sprayed concrete area

4.2 聚脲施工质量控制要求

（1）基面处理：目测基层应无油污、灰尘、污物、浮浆和松散的表层；目测或敲击检查，修补后的基层表面应无裂纹、孔洞、空鼓、松动、蜂窝麻面等缺陷；目测细部构造的基层表面处理应满足设计要求；采用靠尺检测的基层平整度应满足设计要求。

（2）滚涂SWD8009聚脲界面剂：目测涂刷的界面剂应均匀、固化正常、无漏涂、无堆积。

（3）涂刮SWD168L聚脲专用封孔腻子：涂刮腻子时，应预先将大的凹坑填补，然后满刮，涂刮厚度将基层表面的孔隙封住前提下越薄越好。涂刮后的腻子表面应无针孔，无较深的刮痕和杂物（若有较深刮痕，局部用砂纸打磨），允许有平滑的凹坑。

（4）喷涂SW900聚脲弹性体防腐防水防护涂层：喷涂后的涂层表面应颜色均匀、平滑、无流挂、无漏涂，无起泡、无针孔、无开裂，无异物混入。涂层平均厚度应符合设计要求，检测的最小厚度（2mm）不小于设计的90%。涂层黏结强度应≥2.5MPa。

（5）滚涂SWD8029聚天门冬氨酸酯抗紫外线不变色面漆：施工时应均匀滚涂，滚涂厚度控制在30～50μm，滚涂后的表面应色泽均匀，无漏涂，无流挂（见图7）。

4.3 防渗治理成效

2017年，经历10个月的上水库防渗治理工程施工，全库盆形成近10万m2的聚脲防渗处理面积。上水库蓄水后，公司大坝安全监测人员对库盆与大坝进行加密监测与巡视检查。经过一年的渗漏监测，冬季水库渗水量约为80m3/d，其他季节渗水量约为30m3/d，远低于《抽水蓄能电站设计导则》 DL/T 5208—2005推荐的“在无天然径流补给的情况下，日调节的水库一般可按每昼夜渗漏量不大于总库容的0.5‰（590m3/d）估计”；大坝迎水面、廊道内坝体排水管与坝后均无渗水现象。

上水库渗漏量由最大值4300m3/d降至30m3/d，节约大量的回抽电费、回抽泵等设备运维成本，消除了水库渗漏量日益增大可能导致的库盆结构安全隐患，保障了电站经济效益和电网安全运行。上水库防渗治理效果显著，远远高于预期防渗治理目标。为保证全库盆聚脲防渗层30年的设计使用寿命，后续仍需继续加强大坝安全监测、水库巡视检查以及聚脲层维护保养等工作。

5 后期库盆聚脲防渗层运维要点

为保证上水库库盆聚脲防渗层30年的设计使用寿命，后期运维工作中应做到以下要点：

（1）电站运维人员继续加强库盆与主坝的渗漏观测，加强库盆聚脲防渗层、接地网、排水管、库周山体等巡视检查，增设上库库周地下水位观测项目，及时对异常情况进行分析。

（2）冬季，提前根据降雪预报情况，向省调度中心申请上水库水位能够较长时间接近正常蓄水位的运行方式，以避免库盆内壁积雪结冰，消除冰雪对库盆接地网铜排与支座的不利影响等。

（3）提高上库库区安全防护等级，增设专门的安全警示标识、维护周边防护网与工业摄像头，防止无关人员对库盆聚脲防渗层造成的意外破坏。

（4）每次降雨后，及时关注大坝坝顶路面、电缆沟以及库周排水沟是否存在积水，避免因上述部位渗水造成周边部分反向水压增大对聚脲层的不利影响。

（5）已建立防渗治理项目长效机制，在防渗设计年限内定期向各参建单位通报后期防渗效果与可能存在的问题，需要时组织各方项目负责人召开工程专题会，及时解决后期运行过程中可能暴露的问题。

6 结束语

回龙抽水蓄能电站上水库全库盆采用喷涂聚脲防渗处理方式，全库盆近10万m2采用双组分聚脲防渗为全国首例，之前未有成熟经验，经各单位的精诚协作、攻坚克难，保证保量完成水库防渗治理，使抽蓄电站水库防渗治理提升了新的高度，保障了水库安全性与经济性，对今后筹建、基建及运行的抽水蓄能电站水库与大坝防渗治理具有良好的推广应用前景。