新疆玛纳斯河四级水电站蜗壳、座环增容改造

王晓东

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 石河子832000）

1 工程概况

新疆兵团第八师玛纳斯河四级水电站于1961年建设完成，现共布置4台立轴混流式水轮机机组。原设计水头为31.5m，设计引水流量51.6m3/s，总装机容量1.3万kW（已扩容1×4000kW+原有3×3000kW），多年平均发电量约为4862万kW·h，为当地的经济建设发挥了重要的作用。

水电站由于运行时间长，存在建筑物冻融破坏，混凝土结构老化、破损渗漏，金属结构锈蚀、启闭困难，机电设备普遍磨损、老化、故障率高等问题。在2013年农村水电增效扩容改造批复内容为：对引水渠道进行裁弯取直和防渗改建、拆除并重建排冰闸及退水渠，对前池、溢流堰、尾水平台进行改造加固处理，更换电站的机电设备及金属结构设备等。

增容改造后设计水头31.6m，设计引水流量62.0m3/s，总 装 机 容 量 1.60万 kW（1×4000kW+改造3×4000kW），多年平均年发电量为6088万kW·h（年均增发电量1226万kW·h），装机利用小时数为3805h，设计发电流量59.6m3/s。

2 存在问题及改造要求

玛纳斯河径流年际变化平缓，年内分配集中，6月～9月的水量占全年径流量的76.6%，冬季水量仅占7.3%。多年平均年径流量为13.23亿m3/s，多年平均流量为41.9m3/s；90%频率的保证流量为5.98m3/s。河水含沙量大，多年平均含沙量2.73kg/m3，水中泥砂悬移质约占87%，并且泥沙中石英含量多，对水轮机机组磨损影响较大。

改造前玛纳斯河四级水电站机组每2～3年须进行一次大修。转轮、底环、顶盖、导叶、蜗壳等过流部件空蚀和磨蚀最严重，导致机组运行效率低下，机组振动大、噪音大，长时间处在不稳定运行状态，严重影响了电站运行安全和经济效益。本次增容改造更新3台老机组，将除尾水管的肘管段和扩散段外的所有水轮机部件进行更换（含转轮、导叶、顶盖、座环、蜗壳、尾水管直锥管等）。

经过参建方的多次现场检查和技术讨论，确定通过调整座环高度和蜗壳直径，增加机组过流能力，以达成水轮机增容改造的目标。考虑到金属蜗壳外包混凝土厚度较小的现状，工程难点在于：保证蜗壳的结构安全，蜗壳和座环联合受力，控制机组振动在允许范围。

3 改造设计方案

本工程混凝土蜗壳承担机墩传下来的荷载、水轮机层设备重量和活荷载。原钢蜗壳与外围混凝土之间设置有弹性垫层，用以减少钢蜗壳的振动，混凝土蜗壳承担部分内水压力。根据增容要求，钢制蜗壳需要增加内径，最宽部位达23cm，为此需要对原混凝土蜗壳内侧进行凿除拓宽，须凿除钢蜗壳外部弹性层、多余混凝土层和钢筋网。工程技术改造如何不影响混凝土蜗壳结构安全，保证钢蜗壳、座环与混凝土蜗壳之间的荷载传递，避免混凝土浇筑和干缩产生空腔，造成水轮机组的振动和气蚀，是设计考虑的主要问题。

结构安全方面考虑混凝土蜗壳扩径后，结构厚度减少14%，经计算，混凝土蜗壳上部钢筋拉应力增加较大，为此须采取混凝土蜗壳补强措施，考虑了2种方案。方案1：加强混凝土蜗壳内侧配筋，将横向钢筋与座环焊接，改善蜗壳受力条件；方案2：在钢蜗壳外侧设置多道加劲环，由混凝土蜗壳和钢蜗壳共同承担上部荷载。考虑到方案2加劲环宽度较大，相应混凝土凿除厚度大损害结构安全，并且竖向加劲环影响混凝土浇筑，故选择加固方案1。

对钢蜗壳与浇筑混凝土存在的干缩空腔考虑进行灌浆处理，灌浆材料进行水泥灌浆和化学灌浆材料的比较。水泥灌浆凝结强度高，而化学灌浆固结体可以具有一定的弹性，达到减轻钢蜗壳振动的效果，故钢蜗壳外侧空腔选择化学灌浆。经比较选用LW水溶性聚氨酯，其具有良好的亲水性能，浆液遇水后先分散乳化，进而凝胶固结；固结体为弹性体，可遇水膨胀，具有弹性止水和以水止水的双重功能，主要性能指标见表1。

表1 LW水溶性聚氨酯主要性能

经比较确定结构加固措施如下：1）拆除原钢蜗壳和座环，按设计断面凿除混凝土和钢筋；2）剔出座环锚筋，将改造座环与锚筋固定；3）在混凝土蜗壳内侧凿除部位恢复钢筋网，并适当加大钢筋网中的钢筋直径，横向钢筋两端与座环上下焊接，钢筋网通过焊接锚筋与混凝土蜗壳锚固；4）逐节安装钢蜗壳，将钢蜗壳外侧锚筋与钢筋网焊接固定；5）钢蜗壳预留混凝土灌注管和振捣孔，灌注高标号混凝土，待混凝土干缩后，进行聚氨脂灌浆。改造措施设计见图1。

4 改造措施和设计要求

图1 钢蜗壳、座环改造图

4.1 制造要求

座环采用组焊式，钢材材质为Q345E，固定导叶数24个，外形尺寸2.36m×1.557m×0.992m，分成4 瓣，总重量 5.2t，单重 1.3t。

蜗壳平面直径5.13m，设计压力0.4MPa，进水口内径1.75m，出水口内径0.5m，蜗壳壁厚16～12mm，材质为Q345E，分22段运输，单段最大件宽度0.3～0.8m，相应重量350kg，总重量约6t。

4.2 安装措施

（1）切割、拆除已磨损钢内衬，清洗混凝土蜗壳表面松动的混凝土块、沉积泥沙，进行钢筋除锈和混凝土表面凿毛和清洗，混凝土最大凿除厚度25cm，最小凿除厚度16cm。

（2）混凝土修补要求剔除原有钢筋网，重新焊接钢筋网片。为确保钢筋接头焊接质量，采用砂轮打磨焊接部位残渣。增大钢筋网片的钢筋直径，设计钢筋直径φ25mm，间距20cm，并与φ25植筋锚杆焊接，锚杆锚固长度不小于30cm，间距40cm布置。

（3）其余混凝土蜗壳表面按间距30～40cm设置植筋锚杆，要求与金属蜗壳管节焊缝距离不大于20cm。植筋锚杆采用Ⅲ级φ25mm钢筋加工，设计强度360MPa，锚孔孔径32mm；锚杆植筋胶采用改性环氧类、A级胶，设计环境温度为-5～35℃，约束拉拔条件下与混凝土的粘结强度≥11.0MPa。

（4）蜗壳外包钢筋网要求与座环焊接；座环分4片焊接，并预留直径3cm灌浆孔、排气孔16个。

（5）金属蜗壳材质为 Q345E，板厚 16～12mm，在对应混凝土锚杆的位置开孔，孔径36mm。蜗壳管节分段编号后，利用铰链依次拖运到指定位置。

（6）通过拉紧杆、松紧螺栓、支座、千斤顶、垫板等连接定位件，分别进行座环、蜗壳安装调整，并与锚杆焊接固定。

（7）金属蜗壳上预留一定数量的混凝土灌注孔，孔径6cm，灌注C25混凝土（14d限制膨胀率大于0.02%），进行震捣后用Q345E等厚钢板焊接封孔。

（8）锥管与下部蜗壳间的空腔混凝土，常规浇筑措施难以保证混凝土浇筑质量，经考虑采用蜗壳下开口上部预留孔洞，并焊接40cm长，直径5cm导管，通过导管灌注C25混凝土，并进行震捣密实。

（9）通过锤击金属蜗壳进行混凝土灌注密实度检查，如有空腔声，进行接触灌浆处理，灌浆压力0.2MPa，灌浆孔孔径2cm，灌浆材料为聚氨脂。

（10）对锚杆孔、灌浆孔堆焊封孔，打磨光滑。

5 效果

玛纳斯河四级水电站蜗壳改造工程于2014年完工并投入发电，经过3年的运行，已通过竣工验收，水轮机机组运行良好，平均较改造前增发电量12%，蜗壳振幅在规范允许范围内，达到了增效扩容目标，工程改造效益显著。