廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房補強加固

張家宏，吳秋芬，呂小彬

（1.中國水利水電科學研究院，北京市 100038；2.廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣東省廣州市 510635）

廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房補強加固

張家宏1，吳秋芬2，呂小彬1

（1.中國水利水電科學研究院，北京市 100038；2.廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣東省廣州市 510635）

針對廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房出現的裂縫，開展了檢測和成因分析工作，并在此基礎上完成了修復方案論證工作。最終選定了結構補強修復方案，即對施工縫附近、吊物孔周邊及檢測有裂縫的梁板進行補強修復處理，該方案具有對現有結構損傷小、不影響機電設備布置、工程投資省、施工難度相對最低、工期最短等優點。

抽水蓄能電站；地下廠房；補強加固

1 概況

廣州抽水蓄能電站是我國第一座高水頭、大容量抽水蓄能電站，裝機容量2400MW，分為A、B兩個廠房。A廠廠房于1994年全面竣工投產，廠內共設4臺機組，主廠房長92.5m、寬21.0m。

廠房主體結構為鋼筋混凝土樓板、梁、柱及混凝土邊墻組成的框架結構，由上到下分為電動發電機層、中間層、水泵水輪機層、蝸殼層以及底部的管廊道、集水廊道等。機組中心線距上游側11.5m、下游側9.5m，機組由蝸殼外包混凝土、機墩、風罩等結構支撐。發電機層樓板厚0.25m，中間層樓板厚0.2m，水泵水輪機層樓板厚0.3m，蝸殼層底板厚1.0m。蝸殼層上、下游側均設置1.0m厚混凝土邊墻，水泵水輪機層（▽207.60m）以上設有斷面尺寸為0.60m×0.85m的框架柱，柱與柱之間砌筑0.18m厚防潮墻，墻與巖面之間形成通風通道及電纜通道。

2 質量檢測情況

A廠主廠房結構原設計為兩機一縫，即在2～3號機組之間設有一條結構縫，施工圖設計階段為滿足各臺機組先后投產需要，在1～2號、3～4號機組之間的樓板、梁各增設一條施工縫。廠房出現的結構裂縫均集中在施工縫處的發電機層、中間層、水泵水輪機層樓板、梁、柱牛腿、梁挑耳等處。

2011年7月，電廠委托武漢大學土木建筑工程學院對A廠的梁板柱結構進行了全面的檢查和檢測，結果如下[1]：

（1）發電機層和中間層梁板測點的強度推定值離散性較大，個別測點強度推定值低于混凝土設計強度等級較多。

（2）發電機層和中間層的鋼筋混凝土保護層厚度均滿足設計要求，目前混凝土處于輕微碳化階段，鋼筋沒有受到銹蝕的威脅。

（3）出現裂縫的梁和板主要集中在吊物孔、樓梯口附近，梁的裂縫多分布于兩側。發電機層被測22根梁的縫深在84～202mm之間，除4L10-4（位于3號發電機球閥吊物孔下游，搭接在風罩混凝土上）縫寬0.4mm外，其余梁縫寬均小于0.3mm。中間層被測23根梁的縫深在88～220mm之間，其中3L33-4和3L34（中間層靠近安裝間一側）縫寬分別為0.35mm和0.4mm，其余梁縫寬均小于0.3mm。

3 安全性評價

通過裂縫檢測、碳化深度檢測、鋼筋保護層厚度檢測，以及結構的靜力和動力計算分析得出如下結論[2～5]

（1）結構構件的靜力復核計算和疲勞驗算表明，結構的承載力和抗疲勞問題均滿足規程規范要求。

（2）從裂縫檢測結果可知，主廠房結構的主要支承結構機墩、風罩和柱均未發現裂縫。在經過多年運行使用后，部分樓板、梁上發現有裂縫，但裂縫寬度除個別梁以外均小于0.3mm，滿足混凝土結構設計規范對限裂結構的裂縫寬度要求，不影響結構的正常使用。

（3）主廠房樓板混凝土的檢測表明，發電機層和中間層樓板的混凝土碳化速率很慢，還處于輕微碳化階段；鋼筋的保護層厚度也滿足規范的要求。因此，中間層內的鋼筋沒有受到銹蝕的威脅。

（4）結構的動力測試和動力計算均表明，結構的主要自振頻率與廠房機組的強迫振動頻率相差較大，不存在結構共振的可能性。

綜上所述，從現場質量檢測、結構靜力復核、疲勞驗算及廠房共振復核等方面的工作成果來看，A廠主廠房的結構整體是安全的，不存在影響結構正常使用的重大問題。

4 加固方案論證

4.1 實施加固的必要性

雖然結構總體上是安全的，不存在影響結構正常使用的重大問題，但存在施工縫設置不合理、施工縫及孔洞周邊結構存在薄弱部位和受損情況、部分構件混凝土存在缺陷、機組開停機工況結構動力響應偏大等問題。鑒于抽水蓄能電站的機組啟停機次數遠比常規水電站頻繁，機組和結構振動問題更需重視，混凝土裂縫問題如果得不到及時、有效的解決，將會對混凝土的耐久性產生不利的影響，并有可能加劇構件的疲勞損傷。故對結構進行加固是十分必要的。

4.2 加固方案制定的思路

針對A廠主廠房結構存在的問題，為減少廠房長期振動可能帶來的危害，廠房結構加固改造主要從以下幾方面考慮[2]：

（1）對強度偏低、已經出現裂縫的梁板采取修復補強的方法，比如采用碳纖維或粘鋼對結構進行補強，彌補梁構造配筋上的不足，限制長期振動條件下可能帶來的裂縫發展，提高構件抗疲勞儲備能力。該方法在限制裂縫發展的同時，不改變現有結構的剛度特性，不會改變結構的耗能機理，從而減少結構加固后形成新的裂縫的可能性。

（2）對施工縫附近、大的孔洞周邊樓板結構剛度相對不足的部位進行剛度加強，比如采取加大梁斷面或加強樓板與梁的節點等措施，從而減少結構的動力響應，達到限制裂縫發展的目的。

（3）將施工縫改造成徹底的結構縫，使主廠房變成一機一縫結構，從而消除該施工縫的缺陷，減少相鄰機組段的振動傳遞。

（4）考慮到樓板的豎向振動響應值較大，通過加厚樓板來增加廠房樓板的豎向剛度。

（5）考慮到主廠房結構的一階振型為廠房長軸方向的平動，通過填充上下游邊墻并與邊柱、邊梁連接來增加主廠房結構水平剛度，加強主廠房圍巖對結構邊界的約束，以達到減小廠房結構動力響應的目的。

根據上述加固改造思路，形成以下4個加固方案：

（1）方案A——結構補強修復方案。即對施工縫附近、吊物孔周邊以及檢測有裂縫的梁板進行補強修復處理。

（2）方案B——結構局部改造方案。即對施工縫附近、吊物孔周邊以及檢測裂縫較多部位采取加大梁柱截面尺寸的局部改造，同時對梁板進行補強修復處理。

（3）方案C——把主廠房現有結構改造成一機一縫，同時加厚樓板的方案。

（4）方案D——在方案B的基礎上，在上下游邊柱之間增加混凝土邊墻方案。

4.3 加固方案的比選

方案D能降低廠房部分構件的動力響應，將施工縫和受損構件進行加固改造后，能修補構件的損傷，并進一步提高該構件的承載力。對原結構動力特性改變較大，減振效果并不理想，反而有加大發電機層構件動力響應的反作用。工程投資大，施工難度高，結構改造和機電設備改造調試均存在較高風險。

方案C將施工縫徹底改造成結構縫，能夠減少相鄰機組段的振動影響，相應減少結構由于機組開停機所受到的沖擊次數，對于結構抗疲勞承受能力是有利的，這是方案C的最大優點。本方案能夠一定程度降低廠房樓板的動力響應，但工程投資大，施工難度高，結構改造和機電設備改造調試均存在很高風險。

方案B在一定程度上減小廠房樓板的動力響應，但效果并不十分明顯。與方案A相比，施工難度和投資增加，對原有結構會造成一定的損傷，也存在一定的結構風險。

方案A一方面，基本不改變原整體結構的剛度，對提高廠房整體抗振性能作用不大，但能夠修復補強混凝土結構缺陷，改變梁板構造鋼筋不足的現狀，進一步提高結構的承載能力，增加抗振和抗疲勞的強度儲備，限制結構裂縫的進一步發展。另一方面，方案A對現有結構損傷較小，基本不影響機電設備布置，工程投資較省，施工難度相對最低、工期最短。

（1）識別是否進入油氣層。圖1中進入D區前3H曲線狀態為WH 為高值且較穩定，CH和BH值較接近，偶爾交叉重合；進入D區后3H曲線變化較大，CH 曲線和BH 曲線突然交叉，CH 值減小，BH值增大，WH 值也緩慢增大，最終形成WH＞BH＞CH的格局，且在D區內趨勢較穩定。進入D區后，甲烷相對含量驟然增大，雖然D區下部氣測值有較大降幅，但其甲烷相對含量依然保持較穩定的狀態。從圖1還可看出，CH曲線和BH 曲線的交叉點及甲烷相對含量突變點正好與電阻率高值半幅點基本吻合，再結合現場巖屑和熒光錄井資料，可判斷D區進入了油氣層。

綜上所述，在考慮到A廠主廠房現狀結構總體安全、不存在影響結構正常使用的前提下，推薦采用方案A（結構補強修復方案）進行加固處理，同時該方案在實施之后仍為以后采取其他更為先進的加固技術和改造措施留下了余地。

5 加固方案概述

5.1 加固原則

加固方案遵循適度原則，在滿足規范要求的前提下，不過度加重廠房結構負擔，合理選擇施工材料，避免或盡量降低對原結構造成損傷。

采用局部構件補強加固的措施，即對發電機層和中間層的施工縫附近、吊物孔周邊、混凝土強度偏低、動力響應較大及出現裂縫的梁板進行補強修復處理，限制裂縫的進一步發展，提高構件抗疲勞的安全儲備。

5.2 加固范圍

根據上述加固原則，確定發電機層和中間層需要補強加固的梁共計102根，中間層樓板共計3塊。另外，對發電機層和中間層的施工縫進行處理。

5.3 加固措施

（1）對于加固范圍內梁、板的裂縫部位進行改性環氧化學灌漿（見圖1）。

（2）在被加固梁的兩側面及底部采用黏貼碳纖維布進行補強，在被加固樓板的底面采用黏貼碳纖維布進行補強（見圖2）。

（4）對于中間層跨度較大的B3、B4樓板增設鋼次梁以加強其剛度（見圖3）。

圖1 典型梁加固示意圖Fig.1 The sketch of typical beams reinforcement

圖2 典型樓板粘貼碳纖維布加固示意圖Fig.2 The sketch of typical slabs reinforcement with CFRP

圖3 典型樓板鋼次梁加固示意圖Fig.3 The sketch of typical slabs reinforcement with steel secondary beams

（5）采用柔性填料，對發電機層和中間層的施工縫進行嵌填處理，并對地面裝飾層重新分縫（見圖4）。

圖4 樓板處施工縫處理示意圖Fig.4 The sketch of construction joins repairing

5.4 防護與環保措施

施工過程中，除了加強人員安防措施外，為保證發電廠房的環境不受污染，施工作業的區域需進行封閉，施工影響范圍內的機械與機電設備需進行必要的覆蓋防護，施工機械應選用防塵機具，確保施工過程中產生的粉塵和煙塵等得到有效收集和排放。

6 結束語

廣州抽水蓄能電站A廠房加固方案是在多家科研、院校及設計單位的成果基礎上，經過多次論證而確定下來的。實踐證明加固方案的選擇是正確的，加固措施是有效的。本文論述的結構加固方案，可為我國類似的運行多年的水電站廠房提供可借鑒的經驗。

[1] 武漢大學.廣蓄水電廠地下廠房結構檢測[R].2011.Wuhan University.Structure Detection on Underground Powerhouse in Guangzhou Pumped-Storage Power Station[R].2011.

[2] 廣東省水利電力勘測設計研究院.廣州抽水蓄能電站A廠主廠房結構評價與加固方案初步設計報告[R].2012.Guangdong Hydropower Planning & Design Institute.The Structure Evaluation and Draft Design of reinforcement scheme in Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A[R].2012.

[3] 武漢大學，廣東省水利電力勘測設計研究院.廣州抽水蓄能電站A廠結構靜動力分析評估及整體結構加固改造方案研究[R].2011.Wuhan University，Guangdong Hydropower Planning & Design Institute.The static and dynamic analysis and Research on the Overall Structure Reconstruction plan in Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A[R].2011.

[4] 廣州大學工程抗震研究中心，廣東省地震工程與應用技術重點實驗室.廣州抽水蓄能電站A廠振動測試分析報告[R].2010.Earthquake engineering center of Guangzhou University，Guangdong Key Laboratory of Earthquake Engineering & Applied Technique.Vibration Test and Analysis on Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A[R].2010.

[5] 中國水利水電科學研究院.廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結構抗振加固計算分析[R].2012.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，The Seismic Analysis of Structures of Underground Powerhouse in Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A[R].2012.

[6] 中國水利水電科學研究院.廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結構加固設計說明與技術要求[R].2013.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，The Design Specification on Structural strengthening of Underground Powerhouse in Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A[R].2014.

[7] 李趁趁，高丹盈，趙軍.碳纖維布增強鋼筋混凝土梁正截面抗裂性能研究[J].工業建筑，2004（增刊）.LI Chenchen，GAO Danying，ZHAO Jun.The Research on Crack Resistant Performance of Reinforced Concrete Beam Strengthened by Carbon Fiber Sheet[J].Industrial Construction，2004.

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[9] 蔣文勇，李碧雄，甘立剛.碳纖維在土木工程加固中的應用研究[J].四川建筑科學研究.2007.JIANG Wenyong，LI Bixiong，GAN Ligang.The Research on Application of Carbon Fiber Reinforcing in Civil Engineering[J].Sichuan Building Science.2007.

2017-06-15

2017-07-18

張家宏（1976—），男，高級工程師，主要研究方向：水利水電工程檢測與評估、修補加固技術等。E-mail：zhangjh@iwhr.com

Reinforcement and Strengthening of Underground Powerhouse in Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A in GPSPS

ZHANG Jiahong1，WU Qiufen2，LV Xiaobin1
（1.China Institute of Water Resource and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Guangdong Hydropower Planning &Design Institute，Guangzhou 510635，China）

Cracks were found in the underground powerhouse of Guangzhou Pumped-Storage Power Station Plant A，the verification of strengthening scheme was finished which based on quality inspection and genetic analysis.Finally the structure strengthening as the repairing scheme was adopted，which reinforced the beams and floor slabs near the construction joins or hanging hole，and other parts cracks appeared.There are so many advantages about the structure strengthening scheme，such as small structure damage，no effect on equipment layout，low construction difficulty，small investment and short terms etc.

pumped-storage power station；underground powerhouse；reinforcement and strengthening

TV32

A學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.011