变电站建筑承载重型设备屋面综合防水技术研究

 姜太荣1，张翼虎1，王  亮1，于  彬1，张元良1，刘家彬2

（1．江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏  南京  210036;2．东南大学土木工程学院，江苏  南京  210096）

[摘要]结合河北武强220kV变电站承载重型GIS设备屋面防水工程的特殊要求，从屋面混凝土结构抗裂优化设计、屋面混凝土施工和屋面防水层施工综合技术3个方面，采用建模分析、优化结构设计、试验研究确定防水设计方案，通过严格、合理的综合施工技术措施，较好地解决了重载屋面的开裂渗水问题。

[关键词]防水工程；变电站；屋面；混凝土结构；设计；施工技术

[中图分类号] TU761.1+1  [文章编号]1002:8498( 2016) 09-0084-05

1  工程概况

 目前变电站的常规做法是采用户内和户外变电站两种形式。电气设备放置于室内或室外地面，占地面积较大，为节省土地资源，河北武强220kV变电站采取将电气设备放置于屋顶的方式。武强变电站综合楼屋面板长50. 00m，宽13.58m，楼板厚150mm，最大梁跨9.50m。设备基础采用整体板式基础，坐落在楼板之上，并与楼板整体浇筑。设备基础区域如图1阴影部分所示，设备基础A厚度为300mm，B厚度为385mm。

 在屋面上布置电气设备，由于预埋件及设备基础的存在，增加了屋面防水的复杂性；电气设备操作时动荷载较大，对屋面的振动较大，易增大屋面漏水的可能；而且屋面在长期荷载及外界环境的影响下，易出现较大变形，导致混凝土结构开裂，对屋面防水的完整性产生不利影响。在安装、运行与检修的生产活动下，如何保证变电站屋面防水工程的可靠性变得极为重要。

 本文通过屋面混凝土结构抗裂优化设计、屋面混凝土施工和屋面防水层施工综合技术研究，解决该变电站建筑承载重型设备屋面防水问题。

2  屋面混凝土结构设计

 变电站屋面在施工和长期使用过程中，由于混凝土收缩、设备自重及运行时的动荷载等因素影响，屋面易出现较大变形，导致混凝土结构开裂，对屋面防水的完整性产生不利影响。因此，应对施工阶段和使用阶段的屋面混凝土结构进行有限元分析，找出屋面应力集中及变形较大的薄弱部位，然后采取合理措施控制裂缝的产生与发展。结构框架如图2所示。

2.1施工阶段分析

 在施工阶段主要分析温度应力的影响。通常将混凝土收缩换算成等效温差，与结构的温度变化叠加，得到计算温差，然后按计算温差对结构进行温度应力分析。参数取值时，考虑了本工程对混凝土配合比进行优化设计以及采取相应的抗裂措施（如掺入外加剂）。

 在温度荷载作用下，混凝土收缩戈向（屋面板长边方向）收缩值约6mm（见图3）。板的最大拉应力位于x向两端的梁柱附近，x向和y向板顶拉应力在2MPa以内（见图4），均小于C30混凝土强度标准值f=2. 01MPa的要求，在采取合理的养护措施情况下可以保证混凝土板在施工阶段不开裂。

2.2使用阶段分析

 在使用阶段，电气设备的自重及运行时的动荷载引起结构性裂缝，同时季节温度变化也会产生温度应力，因此需要对屋面结构的应力分布和变形进行分析。分析时考虑以下2种情况：①把设备基础作为恒载（使用阶段a）；②把设备基础作为楼板厚度的一部分（使用阶段b）。

 1)位移分析  屋面板的水平位移，沿板x向的伸长与收缩范围近±10mm，较板长50m可达0. 04%，对结构沿x向两端的梁柱内力影响非常明显。使用阶段a最大下挠挠度9.3 mm，位于⑫轴和⑬轴之间；使用阶段b最大下挠挠度为6.3 mm，同样位于⑫轴和⑬轴之间。把设备基础作为楼板厚度的一部分时，挠度较小。

2.3  薄弱部位处理措施

 根据以上建模分析，屋面薄弱部位需加强配筋，增设附加钢筋。同时在满足荷载要求和配筋率要求的前提下，多采用较细而分布较密的钢筋，使钢筋的分布接近网状，提高混凝土结构的极限应变，提高混凝土的抗裂能力。在满足规范要求条件下，楼板分布钢筋的直径最小选用6mm，小跨度楼板受力筋的直径选用8mm;非受力分布筋及楼板简支端钢筋间距控制在200mm以内，受力钢筋间距控制在150mm以内较为理想。

2.4屋面防水构造设计

 河北武强220kV变电站对于屋面防水的要求比保温更为严格，故采用倒置式屋面的做法，即防水层在下而保温层在上，保温层对防水层起保护作用。除采用常规的倒置式屋面构造层次外，本工程还采用“刚柔并济”的复合防水层，并通过试验环节进行对比，选取结构与防水材料变形协调好、多道设防的防水设计。

2.4.1试验过程

 依据“相容性原则、互补性原则、层次性原则”，设计了6个试件进行试验研究。各试件防水层的具体做法（由下至上）如表1所示。

整个试验过程为升温-淋雨一静置循环80次，每次6h:①升温3h:使试样表面升温至70℃，并恒温在(70 +5) ℃（其中升温时间为1h）；②淋水1h:向试样表面淋水，水温为(15±5)℃，水量为1.0~1. 511( m2．min)；③静置2h。试验设备与装置如图5所示。

 在升温-淋雨一静置循环过程中，采用DH3816静态应变测试系统，测试卷材及混凝土板随温度改变时应变的变化情况。应变片第1层粘贴在最上层防水卷材表面；第2层粘贴在混凝土板上表面。

 对TPO，EPDM和SBS 3种卷材分别铺贴在单组分聚氨酯涂料防水层和聚合物防水砂浆层上的温度应变进行测试，铺贴在聚合物防水砂浆层上时，TPO卷材的温度应变最小。同时对混凝土板上表面的温度应变进行测试，上部刚性材料采用20mm厚聚合物防水砂浆时，混凝土板在温度变化下的应变较小。防水层（由下至上）采用“单组分聚氨酯涂料防水层+聚合物防水砂浆层+热塑性聚烯烃TPO防水卷材”的组合形式，整体变形协调性能最好。

2.4.2  防水方案

 根据上述试验结果，并结合现行规范《屋面工程技术规范》GB50345-2012，河北武强220kV变电站屋面防水详细做法如图6所示。

 为提高基层刚度，控制结构变形，排水坡宜采用结构找坡，同时采用结构找坡可以简化屋面的构造层次，利于防水。结合倒置式屋面的做法，坡度为3%。

3  屋面混凝土施工

 混凝土屋面板作为屋面防水的最后一道防线，为保证其施工质量，提高其刚性自防水能力，着重对混凝土原材料的选取、配合比设计、浇筑、振捣和养护等进行多点控制。

3.1  原材料的选取

3.1.1  水泥

 同样成分的水泥，颗粒越细、与水接触的表面积越大、水化速度越快、其早期强度越高；但是颗粒过细，水泥硬化时收缩大，易产生裂缝。选用普通硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥，且水泥细度应控制在一定范围内。

3.1.2骨料

 粗骨料最大粒径不宜大于31.5 mm，连续级配。且粗骨料通常以堆积密度较大、用水量较小时的级配为宜，利于提高混凝土工作性，又可以提高混凝土的密实性和抗渗性。细骨料宜选用级配良好、细度模数2.6以上的中砂。

 骨料中的含泥量对混凝土的抗渗性能有很大影响。含泥量过大，泥土降低了水泥和砂石的黏结力；而且体积不稳定，干燥时收缩，潮湿膨胀，易导致混凝土开裂。所以粗骨料含泥量≤1.0%，泥块含量≤0. 5%；细骨料含泥量≤2.0%，泥块含量≤1.0%。

3.1.3掺和料

 在配制防水混凝土时优先选用优质粉煤灰。优质粉煤灰可以降低温升、增强后期强度、改善工作性能，并可改善混凝土内部结构，提高耐久性和抗渗性。采用I级粉煤灰，烧失量< 5%，掺量≤20%。

3.1.4外加剂

 膨胀剂对混凝土的收缩进行补偿，并具有填塞毛细孔的作用，提高混凝土的抗渗性能；高效减水剂可以有效延缓水泥水化热的释放，降低水化热温升峰值，避免中心温度急剧上升导致温差增大。选用UEA膨胀剂和聚羧酸高效减水剂。

3.2配合比设计

 河北武强220kV变电站抗渗等级为P8。混凝土配合比设计除满足强度要求外，主要考虑减小混凝土的自身收缩和补偿混凝土的收缩。

 为减小混凝土的收缩，适当减缓混凝土早期水化速度，减少胶凝材料用量。在保证混凝土强度和耐久性的同时尽量降低单位用水量，以减少水泥用量；同时，在保证强度及坍落度的前提下，提高掺和料及骨料的含量，采用高效聚羧酸减水剂以降低每m3混凝土的水泥用量。每m3混凝土中的水泥、膨胀剂和矿物掺和料总量≥320kg。

 根据以上配合比设计思路，河北武强220kV变电站屋面混凝土结构最终所采用的配合比为：水泥：砂：石子：粉煤灰：膨胀剂：聚羧酸减水剂：水=316: 720:1 152: 43:3.86:4.0：181，坍落度为(16±2) cm。

3.3  混凝土浇筑、振捣和养护

 安排合理的施工工序，分层、分块浇筑，以利于散热，降低温度应力。尽量避开在太阳辐射较高的时间浇筑混凝土。在高温季节泵送混凝土时，采用湿润草袋覆盖管道进行降温，以降低入模温度。

 对已浇筑的混凝土在终凝前进行二次振捣，排出混凝土在石子和水平钢筋下部形成的空隙和水分，减少内部裂缝和气孔，提高抗裂性能。浇筑完毕后，表面要压实抹平，防止产生表面裂缝。

 考虑补偿收缩混凝土，特别加强养护，混凝土浇筑完毕后，及时覆盖和洒水养护，保持混凝土表面经常湿润，防止干缩裂缝产生。在浇筑完毕后12~18h内立即开始养护，连续浇水覆盖养护时间≥28d或设计龄期。保持浇筑完成的混凝土在潮湿环境中养护，延缓水分的蒸发速度，使水泥、膨胀剂充分水化，增加混凝土的密实性，提高抗渗性能。

4  防水层施工

 屋面防水技术是综合性很强的应用科学技术，涉及面广，施工操作是保证工程质量的关键。只有通过合理的施工技术和现场操作，才能确保设计目的的实现和材料功能的有效发挥。

4.1  聚氨酯涂膜防水层施工

 屋面基层表面要抹平压光，表面平整，无起砂掉灰等缺陷存在。先做好细部处理，再进行大面积涂布。均匀涂刷基层处理剂目的是隔断基层潮气，防止防水涂膜起鼓脱落；同时加固基层，提高涂膜与基层的黏结强度，防止涂层出现针气孔等缺陷。

 1)第1遍涂层施工  在基层处理剂基本干燥固化后，用塑料或橡胶刮板均匀涂刮第1层涂料，涂刮厚度一般为0. 8mm左右为宜，4h内涂刮完毕，防止涂料固化不能使用。开始涂刮时，应根据施工面积大小、形状和用料，统一考虑施工退路和涂刮顺序。

 2)胎体网格布铺贴  边涂布防水涂料边铺聚酯无纺布胎体，靠聚氨酯的粘接力将其粘牢，铺贴时要求平整，排除气泡。铺贴方式由屋面最低标高向上铺贴，平行屋脊的搭接缝应顺流水方向。胎体长边搭接宽度≥50mm，短边搭接宽度≥70mm。

 3)第2遍涂层施工  在第1遍涂层基本固化后，再在其表面刮涂第2遍涂层，涂刮方法同第1遍涂层。为确保防水工程质量，涂刮的方向必须与第1层的涂刮方向垂直。重涂时间的间隔由施工时的温度和涂膜固化的程度（以手触不粘）来确定。在胎体上涂布涂料时，使涂料浸透胎体，覆盖完全，不得有胎体外露现象，最上面的涂层厚度≥1.0mm。

 在第2遍涂膜施工完毕又未完全固化时，在其表面稀撒上少量干净的砂粒（直径≤2mm），以增加涂膜层与将要覆盖的水泥砂浆之间的黏结力。当涂膜固化完全和检查验收合格后，抹防水砂浆找平层。

4.2  聚合物砂浆层施工

 清理干净聚氨酯涂层表面浮动的砂粒，铺设砂浆时，按由远及近、由高到低的顺序进行，每分格内一次连续铺成，按设计控制好坡度。12h后用草袋覆盖，浇水养护，养护时间≥7d。分隔缝的纵向和横向间距≤6m，缝宽20mm，分隔缝设在防水层与突出屋面构件的交接处、防水层与女儿墙交接处等位置，且与板端缝对齐，均匀顺直。分隔缝中嵌填密封材料。

4.3 TPO防水卷材施工

 将聚合物砂浆基层表面的灰尘、杂物清理干净，保持干燥，在阴阳角处应抹成半径为50mm以上的圆角。

 均匀涂刷基层处理剂。基层处理剂与卷材相容，配比准确，干燥后及时进行卷材施工。

 铺贴卷材时将自粘胶底面的隔离纸完全撕净，施工温度≥10℃，低温施工时，立面、大坡面及搭接部位宜采用热风机加热，加热后随即粘贴牢固。由屋面最低标高向上铺贴，用木抹子或橡胶板拍打卷材表面，排出卷材下表面空气，使卷材与聚合物砂浆基层紧密贴合。

 平行屋脊的卷材搭接缝应顺流水方向，搭接宽度≥80mm。相邻两幅卷材短边搭接缝错开，且≥500mm。搭接缝口采用材性相容的密封材料封严，宽度≥10mm。

4.4设备基础细部防水处理

 由于变电站屋面设备基础的存在，卷材需要分块铺贴，铺贴到设备基础位置时，设备基础周围增设附加层，附加层在平面的宽度≥250mm，具体做法如图7所示。地脚螺栓预埋在设备基础之上，螺栓周围用密封膏密封，具体做法如图8所示。

5  结语

 针对河北武强变电站重载屋面难以解决的防水问题进行具体研究和施工实践，采用建模分析、优化结构设计，试验研究确定防水设计方案，严格、合理的施工技术等综合措施，变电站建筑承载重型设备屋面使用正常，未发现任何渗漏现象，较好地解决了重载屋面的开裂渗水问题。