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水轮机蜗壳灌浆技术在西洱河水电站中应用

摘 要:水力发电工程中的灌浆技术主要有水泥灌浆和化学灌桨两种方法,水轮机蜗壳灌浆技术主要用于处理水轮机蜗壳的钢衬和混凝土结合部分的脱空问题.文章通过西洱河水电厂工程实例,重点阐述了水泥灌浆和化学灌浆两种方法在水轮机蜗壳脱空处理中的应用及效果.

关键词:水轮机蜗壳;接触灌浆;灌浆材料;水泥灌浆;化学灌浆

水力发电工程中的蜗壳、管形座、转轮室、尾水管和水工建筑物中的引、输水管、排沙管、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縮等原因,常会导致混凝土和钢板之间产生脱空或空洞缺陷,从而影响工程运行安全.水轮机蜗壳的钢衬和混凝土脱结合部脱空是水电站普遍存在的问题,脱空严重时将导致机组振动加大,会造成如下危害:

第一,机组各连接部件松动,使各转动部件和静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏.

第二,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和西洱河水电站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

水泥作为灌浆材料是工程建设中使用最早、应用最广的灌浆材料之一,但其优点和缺点都较为突出.

表1 水泥灌浆浆液的基本性能指标

水灰比粘度

(mm2/s)密度

(g/cm3)凝结时间(h)结石率

(%)抗压强度

初凝终凝 14d28d

0.6:1861.749159810.416.6

0.8:1301.61121954.810.6

1:1181.51525852.48.9

其优点主要表现在强度高,耐久性好,无毒,无味,材料来源方便,价格低廉等.其缺点主要是水泥粒径较大,粗颗粒多,水灰比较大时,浆液的稳定性差,易析水回浓,不能有效灌入细微裂隙;且硬化时伴有析水,固相体积收缩,使硬化结石和被灌基体的粘结强度降低,形成新的渗水通道.

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:

1.2.1 粘度小,可灌性好,可以灌注0.2mm左右的细缝.

1.2.2 粘结强度高,一般都大于混凝土本身的抗拉强度.

1.2.3 具有较好的力学性能,桨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.

1.2.4 浆液有亲水性,对潮湿基面的亲和力好.

1.2.5 凝固时间可以调节,范围可在数小时至数至数十小时之内,便于现场施工调配.

1.2.6 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.

1.2.7 固结体为无毒类,纯浆液为低毒类,对人体、环保危害小.

表2 HK-G-2环氧灌浆材料主要性能指标

项目指标

颜 色棕色或棕红色透明液体

密度/g.cm-31.05+0.05

初始粘度/MPa.s-1≤30

可操作时间/h≥4

抗压强度/MPa≥50

抗拉强度/MPa≥10

粘接强度/MPa≥3

1.3 材料性能对 析

通过水泥灌浆材料和化学灌浆材料性能对比发现:第一,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.第二,水泥浆液凝固收縮较环氧灌浆材料大,减水剂的使用会增大其收缩,降低材料体积稳定性.第三,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 西洱河水电站水轮机蜗壳脱空灌浆工程实例

2.1 工程概况

西洱河水电站位于洱海出海口的西洱河上,河道全长23km,天然落差约610m.水电站总装机容量255mW,属于4级开发的引水式电站,共13台机组,首台机组于1961年竣工投运.由于电站建设年代久远,经过多年运行,水轮机蜗壳都出现了不同程度的脱空现象,目前四个电站的13台水轮发电机组都进行过蜗壳灌浆处理,其中二级电站的2#机,分别于2007年和2012年进行过水泥灌浆和化学灌浆处理.

2.2 水泥灌浆的应用

2007年汛期,二级电站2#机在满负荷运行时,蜗壳振动噪音和其它机组相比较,声音明显偏大.结合前期检查情况,基本判定属于蜗壳脱空现象恶化导致机组运行期间振动加剧.同年,在进行2#机组大修时,发现蜗壳钢衬和外包混凝土面多处有脱空现象,整个蜗壳脱空面积约为18m2.通过对脱空部位钢衬进行钻孔检查,发现钢衬和混凝土面脱空间隙均较小,一般在1mm左右,但蜗壳下半圆靠底部1/4的部位脱空较严重,局部脱空间隙达到10mm以上.因脱空区域面积大、脱空缝隙宽,考虑到经济因素及以往的处理经验,采用了水泥灌浆方法进行处理.

2.2.1 施工流程

2.2.1.1 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1.0m设计,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.然而在施工过程中发现按1.0m的孔距太大,脱空间隙小的区域根本灌不进.为了达到灌桨密实效果,对布孔间距进行了调整,个别间距仅为0.4m.由于蜗壳腰线以上部分钢衬和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20cm为标准,共完成布孔28个.

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