变电站建筑布置GIS设备屋面综合防水技术探讨

变电站建筑布置GIS设备屋面综合防水技术探讨

于彬张元良姜太荣张翼虎王亮

（江苏科能电力工程咨询有限公司江苏南京211100）

摘要：本文结合变电站建筑承载重型设备屋面防水的特殊要求，从屋面防水设计、防水混凝土施工和倒置式复合防水屋面施工三方面深入探讨变电站建筑承载重型设备屋面的综合防水技术。

关键词：变电站；防水混凝土结构；倒置式复合防水屋面；设计；施工

前言：目前变电站的常规做法采用户内和户外变电站两种型式。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，将电气设备放置于变电站屋顶。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，易增加屋面漏水的可能性；而且屋面在长期使用过程中，由于外界环境的影响，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。在安装、运行与检修的生产活动下，如何增强变电站屋面防水工程的可靠性，成为了一个难题。

本文通过屋面防水设计优化、防水混凝土施工优化和倒置式复合防水屋面施工优化，深入探讨变电站建筑承载重型设备屋面的综合防水技术。

1防水设计

变电站建筑承载重型设备屋面的防水设计必须根据建筑物的功能要求、建筑物类别以及建筑物所处的环境等综合考虑。本文对防水混凝土结构设计和倒置式复合防水屋面构造设计进行优化，提高了屋面混凝土结构的自防水能力和防水层外防水的可靠性。

1.1防水混凝土结构设计

防水混凝土结构设计除了确保混凝土的密实度达到要求，即对混凝土的抗渗等级提出要求外，重点应考虑如何减少或防止混凝土结构的开裂。屋面混凝土结构的开裂是造成屋面渗漏的一个重要原因。导致混凝土开裂的原因，吴中伟院士认为：当混凝土的最终变形值D>混凝土的极限拉伸值Sk时，混凝土就出现开裂。可用式（1）表达：

(1)

式中D——最终变形值（胀缩变形之和）；ε2——湿养期间的最大限制膨胀变形；εr——弹性伸长；εp——塑性伸长；S2——限制收缩之和；C——徐变；Sk——极限拉伸值。

为了防止裂缝的出现，在结构设计方面，着重考虑增大混凝土极限拉伸值Sk；在配合比设计方面，着重考虑减小混凝土限制收缩之和S2及增大限制膨胀变形ε2。

1.1.1结构分析

变电站屋面在施工和长期使用过程中，由于混凝土收缩、设备自重及操作时的动荷载等因素的影响，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变电站进行有限元分析，找出屋面应力集中部位，然后采取合理措施控制裂缝的产生与发展。

在屋面混凝土结构的施工阶段，温度变化和混凝土收缩引起变形裂缝，而结构的温度应力与温度变化、混凝土收缩等有直接关系，因此温度应力的正确分析对控制变形裂缝的产生非常重要。分析温度应力时，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。

在变电站的使用阶段，电气设备的自重及操作时的动荷载引起结构性裂缝，同时温度变化也会产生温度应力，因此需要对屋面结构的承载力和安全性能进行分析。分析时考虑以下两种情况：一是把设备基础作为恒载；二是把设备基础作为楼板厚度的一部分。

1.1.2裂缝控制

合理配筋可以提高混凝土结构的极限拉伸应变，从而提高混凝土的抗裂能力；还可以有效减小开裂处混凝土的应变集中，从而有效控制裂缝宽度。王铁梦先生认为，进行适当配筋，钢筋将分担混凝土的内应力，从而约束混凝土的塑性变形，推迟混凝土裂缝的出现，提高了混凝土的弹性极限拉伸。并且他提供了齐斯克列里经验公式：

(2)

式中εpa——配筋后的混凝土极限拉伸应变；Rf——混凝土轴心抗拉强度标准值（MPa）；ρ——截面配筋率；d——钢筋直径（cm）。

齐斯克列里经验公式体现了屋面板裂缝控制“抗”的思想，具有重要的工程实践意义。根据上述公式可知，对应力较大部位（如设备基础与板的交界处、结构尺寸急剧变形处、角隅开口处等）在满足荷载要求和配筋率要求的前提下，多设计使用较细而分布较密的钢筋，使钢筋的分布接近网状，从而提高混凝土的极限拉伸应变，提高混凝土的抗裂能力。然而，过细的楼板钢筋在施工过程中容易被踩弯，钢筋保护层厚度不能得到保证。按规范要求，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，大跨度屋面板受力钢筋的直径选用10mm或12mm；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。

1.2倒置式复合防水屋面构造设计

综合考虑变电站建筑的功能要求，对屋面防水的要求比保温更为重要，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，使其不易受到机械损伤、化学侵蚀；同时降低了防水层的最高温度，延缓了防水层的老化速度，减小了温度应力对防水层的影响，提高了屋面防水系统的可靠性。除了常规的倒置式屋面构造层次外，还采用了足够弹性的“刚柔并济”复合防水层以及可自由伸缩且具有防水功能的保护层，详细做法如图1。

1.2.1坡度设计。为提高基层刚度，控制结构变形，排水坡宜采用结构找坡。而且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，坡度宜为3%。规范规定的2%~3%，是一般平屋面，明面排水；而倒置式屋面的排水一部分为暗排，水受阻滞，因此，坡度应取上限。

1.2.2弹性复合防水层设计。为了充分利用不同材料的优势，形成防水的多道防线，同时保证各防水层之间有较好的变形协调能力，从下到上采用“涂膜防水+刚性防水+卷材防水”的构造形式，整体变形协调性能较好，可以适应屋面因温差、材料收缩以及振动荷载等引起的变形，有效调整各构造层之间的变形差异。

1.2.3可自由伸缩且具有防水功能的保护层设计。为了最大可能的使屋面刚性防水层（兼保护层）具有自由变形的空间，在刚性防水层下面设置了低强度的砂浆或无纺布、玻纤布等物作为隔离层，使其与基层、保温层和防水层脱离开，以此减小约束，进一步避免刚性防水层的开裂。同时，隔离层保护着保温层，使其不遭受上层施工时而引起的破坏。

2防水混凝土施工

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。

2.1原材料的选取

2.1.1水泥。水泥应选用低水化热和凝结时间长的水泥，如低热矿渣水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。水泥细度应控制在一定范围内。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，宜产生裂缝。

2.1.2骨料。在一定荷载作用下，界面裂缝首先在粒径较大的粗骨料处开裂。选择骨料时，粗骨料的最大粒径不宜大于40mm，最好是连续级配。而且，粗骨料通常以堆积密度较大、用水量较小时的级配为宜，这样不仅利于提高混凝土工作性，而且可提高混凝土的密实性和抗渗性。细骨料宜选用级配良好的中砂。

严格控制骨料的含泥量。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粘结力；而且体积不稳定，干燥时收缩，潮湿膨胀，对混凝土产生破坏较大。粗骨料含泥量不得大于1.0%，泥块含量不得大于0.5%；细骨料含泥量不得大于3.0%，泥块含量不得大于1.0%。

2.1.3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，并可以改善混凝土内部结构，提高耐久性和抗渗性。粉煤灰应不低于Ⅱ级，烧失量小于5％；掺量不宜大于20%。

2.1.4外加剂。在选择外加剂前，应检验水泥与外加剂间的适应性，在工程中，应优先选用低收缩比的外加剂，收缩比不宜大于125%。防水混凝土优先选用膨胀剂和减水剂。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；高效聚羧酸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。

2.2配合比设计

防水混凝土除要满足强度等级外，还要满足所需的抗渗等级。防水混凝土的配合比设计主要考虑减小混凝土的收缩、补偿混凝土的收缩、改善体积稳定性和提高施工性能等方面。

2.2.1减小混凝土的收缩。为了减小混凝土的收缩，应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；在保证强度及坍落度要求的前提下，应提高掺和料及骨料的含量，以降低每立方米混凝土的水泥用量。每立方米混凝土中的水泥和矿物掺和料总量不宜小于320kg。

2.2.2补偿混凝土的收缩。增大混凝土限制膨胀变形ε2，即在混凝土内导入一定的膨胀能，可以在一定程度上补偿混凝土的收缩，减少或者避免混凝土的开裂。目前较为普遍的做法是在混凝土内加入一定量的膨胀剂（主要为钙矾石类膨胀剂），通过膨胀剂中的Al2O3、SO3与水泥水化物Ca（OH）2发生反应生成具有膨胀效应的钙矾石。它随着水泥水化反应的不断进行而逐渐长大，在混凝土内产生一定的膨胀应力形成膨胀能。在约束的条件下，这些膨胀性产物具有填充、堵塞毛细孔的作用，可以改善孔结构，使混凝土孔隙率减少，孔隙直径减小，从而提高混凝土的抗渗性。同时，膨胀性产物在约束条件下还可以改善混凝土内的应力状态，膨胀能转变为自应力，抵消混凝土因收缩引起的拉应力，提高混凝土的抗裂性能。

2.2.3改善混凝土的体积稳定性。改善混凝土的体积稳定性，可以提高混凝土自身的抗裂性能。保证一定的粗骨料含量可以有效改善混凝土的抗裂能力，在满足强度和施工可操作性的前提下，尽量采用低的砂率（砂率宜为35%-45%），使混凝土有足够的粗骨料。

2.2.4提高混凝土的施工性能。混凝土施工性能的好坏，也在一定程度上影响混凝土的防水性能。施工性能较好的混凝土，通常具有足够的流动性、良好的和易性、较低的泌水率，可以保证混凝土容易振捣密实，不发生明显收缩或不均匀沉降现象，确保混凝土具有良好的密实性。

2.2.5以富砂浆理论指导混凝土的配制。所谓富砂浆理论，是指混凝土配制中，一定数量并合乎质量要求的水泥砂浆非常重要，它使粗骨料颗粒被充分隔开，互不接触并保持一定距离，减少和切断彼此连通的毛细管路，从而显著提高混凝土的抗渗性。

2.3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，释放温度应力。对已经浇筑的混凝土，在终凝前进行二次振捣，排除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。

尽量避开在太阳辐射较高的时间浇筑混凝土，若由于工程需要在夏季施工，则尽量避开中午高温时段。在高温季节泵送混凝土时，宜采用湿润草袋覆盖管道进行降温，以降低入模温度。

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，防止干缩裂缝的产生。一般在浇筑完毕后12~18h内立即开始养护，连续养护时间不少于28d或设计龄期。当在水中或潮湿环境中养护时，可以延缓水分的蒸发速度，而且随着水泥水化的不断深入，水化生成的胶体和晶体体积将不断增大，它将填充一部分原来水占据的空间，阻塞水分蒸发的毛细管通道，破坏彼此连通的网状毛细管体系，因此可以增加混凝土的密实性，提高抗渗性能。

3倒置式复合防水屋面施工

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。

3.1大面积整体防水施工

基层处理：基层表面要抹平压光，不允许有凹凸不平、松动和起砂掉灰等缺陷存在。基层含水率小于8%为宜。

涂膜防水层胎体网格布的铺贴：边涂布防水涂料边铺聚酯无纺布胎体，铺贴时要求平整，并应排除气泡。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。胎体长边搭接宽度不应小于50mm，短边搭接宽度不应小于70mm。

聚合物防水砂浆找平层分隔缝的留设：分隔缝的纵向和横向间距不大于6m，缝宽20mm，分隔缝应设在屋面转角处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，且应与板端缝对齐，均匀顺直。分隔缝中嵌填密封材料。

自粘性防水卷材的搭接：平行屋脊的卷材搭接缝应顺流水方向，搭接宽度不宜小于80mm。相邻两幅卷材短边搭接缝应错开，且不得小于500mm。搭接缝口应采用材性相容的密封材料封严，宽度不应小于10mm。

3.2细部防水处理

细部节点位置是屋面防水工程中最容易出现渗漏的薄弱环节，最常发生问题的节点为设备基础、泛水处、落水口、伸出屋面管道及屋面出入口等位置。结构的自变形、温度变形和振动等因素会直接在这些薄弱部位得到反应，细部节点的合理处理可以有效的提高防水的可靠程度。

3.2.1屋面设备基础防水施工。基础周围应增设附加层，附加层在平面的宽度不应小于250mm，立面收头压入凹槽内；涂膜防水层应直接涂刷至基础顶部，收用防水涂料多遍涂刷封严；卷材应满粘，卷材收头用水泥钉固定，并用密封材料封严；基础顶部做涂膜防水层，涂层固结后做保护层。

3.2.2女儿墙泛水施工。女儿墙泛水处的防水层下应增设附加层，附加层在平面和立面的宽度均不应小于250mm；涂膜防水层应直接涂刷至女儿墙压顶下，收头处用防水涂料多遍涂刷封严；女儿墙的卷材应满粘，卷材收头用水泥钉固定，并用密封材料封严。

3.2.3穿女儿墙落水口施工。水落口杯下口应在沟底的最低处，水落口应安装牢固；水落口周围500mm范围内坡度不应小于5%，并用防水材料或密封材料涂封；防水层及附加层深入水落口杯内不应小于50mm，并应粘结牢固。

3.2.4伸出屋面的管道处防水施工。管道根部直径500mm范围内，找平层应抹出高度不小于30mm的排水坡；管道根部周围应增设附加层，附加层在平面和立面的宽度均不应小于250mm；卷材防水层收头应用金属箍固定，并用密封材料封严；涂膜防水层收头应用防水涂料多遍涂刷。

3.2.5屋面出入口防水施工。屋面水平出入口防水层收头应压在混凝土踏步下；屋面出入口的泛水高度不应小于250mm。

四、结语

对变电站建筑承载重型设备屋面的防水问题进行具体剖析，以合理的设计为基础，以性能优异的防水材料为核心，以科学的施工技术为关键环节，综合以上三个方面才能真正意义上的实现防水的最佳效果。

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