廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房補(bǔ)強(qiáng)加固

張家宏，吳秋芬，呂小彬

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038；2.廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)加固

張家宏1，吳秋芬2，呂小彬1

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038；2.廣東省水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東省廣州市 510635）

針對(duì)廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房出現(xiàn)的裂縫，開(kāi)展了檢測(cè)和成因分析工作，并在此基礎(chǔ)上完成了修復(fù)方案論證工作。最終選定了結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)方案，即對(duì)施工縫附近、吊物孔周邊及檢測(cè)有裂縫的梁板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)處理，該方案具有對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷小、不影響機(jī)電設(shè)備布置、工程投資省、施工難度相對(duì)最低、工期最短等優(yōu)點(diǎn)。

抽水蓄能電站；地下廠房；補(bǔ)強(qiáng)加固

1 概況

廣州抽水蓄能電站是我國(guó)第一座高水頭、大容量抽水蓄能電站，裝機(jī)容量2400MW，分為A、B兩個(gè)廠房。A廠廠房于1994年全面竣工投產(chǎn)，廠內(nèi)共設(shè)4臺(tái)機(jī)組，主廠房長(zhǎng)92.5m、寬21.0m。

廠房主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土樓板、梁、柱及混凝土邊墻組成的框架結(jié)構(gòu)，由上到下分為電動(dòng)發(fā)電機(jī)層、中間層、水泵水輪機(jī)層、蝸殼層以及底部的管廊道、集水廊道等。機(jī)組中心線距上游側(cè)11.5m、下游側(cè)9.5m，機(jī)組由蝸殼外包混凝土、機(jī)墩、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)支撐。發(fā)電機(jī)層樓板厚0.25m，中間層樓板厚0.2m，水泵水輪機(jī)層樓板厚0.3m，蝸殼層底板厚1.0m。蝸殼層上、下游側(cè)均設(shè)置1.0m厚混凝土邊墻，水泵水輪機(jī)層（▽207.60m）以上設(shè)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(fēng)通道及電纜通道。

2 質(zhì)量檢測(cè)情況

A廠主廠房結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)為兩機(jī)一縫，即在2～3號(hào)機(jī)組之間設(shè)有一條結(jié)構(gòu)縫，施工圖設(shè)計(jì)階段為滿足各臺(tái)機(jī)組先后投產(chǎn)需要，在1～2號(hào)、3～4號(hào)機(jī)組之間的樓板、梁各增設(shè)一條施工縫。廠房出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫均集中在施工縫處的發(fā)電機(jī)層、中間層、水泵水輪機(jī)層樓板、梁、柱牛腿、梁挑耳等處。

2011年7月，電廠委托武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院對(duì)A廠的梁板柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的檢查和檢測(cè)，結(jié)果如下[1]：

（1）發(fā)電機(jī)層和中間層梁板測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度推定值離散性較大，個(gè)別測(cè)點(diǎn)強(qiáng)度推定值低于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)較多。

（2）發(fā)電機(jī)層和中間層的鋼筋混凝土保護(hù)層厚度均滿足設(shè)計(jì)要求，目前混凝土處于輕微碳化階段，鋼筋沒(méi)有受到銹蝕的威脅。

（3）出現(xiàn)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(cè)。發(fā)電機(jī)層被測(cè)22根梁的縫深在84～202mm之間，除4L10-4（位于3號(hào)發(fā)電機(jī)球閥吊物孔下游，搭接在風(fēng)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(cè)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(cè)）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(píng)價(jià)

通過(guò)裂縫檢測(cè)、碳化深度檢測(cè)、鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)，以及結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力計(jì)算分析得出如下結(jié)論[2～5]

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的靜力復(fù)核計(jì)算和疲勞驗(yàn)算表明，結(jié)構(gòu)的承載力和抗疲勞問(wèn)題均滿足規(guī)程規(guī)范要求。

（2）從裂縫檢測(cè)結(jié)果可知，主廠房結(jié)構(gòu)的主要支承結(jié)構(gòu)機(jī)墩、風(fēng)罩和柱均未發(fā)現(xiàn)裂縫。在經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行使用后，部分樓板、梁上發(fā)現(xiàn)有裂縫，但裂縫寬度除個(gè)別梁以外均小于0.3mm，滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)限裂結(jié)構(gòu)的裂縫寬度要求，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

（3）主廠房樓板混凝土的檢測(cè)表明，發(fā)電機(jī)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(hù)層厚度也滿足規(guī)范的要求。因此，中間層內(nèi)的鋼筋沒(méi)有受到銹蝕的威脅。

（4）結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試和動(dòng)力計(jì)算均表明，結(jié)構(gòu)的主要自振頻率與廠房機(jī)組的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率相差較大，不存在結(jié)構(gòu)共振的可能性。

綜上所述，從現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)、結(jié)構(gòu)靜力復(fù)核、疲勞驗(yàn)算及廠房共振復(fù)核等方面的工作成果來(lái)看，A廠主廠房的結(jié)構(gòu)整體是安全的，不存在影響結(jié)構(gòu)正常使用的重大問(wèn)題。

4 加固方案論證

4.1 實(shí)施加固的必要性

雖然結(jié)構(gòu)總體上是安全的，不存在影響結(jié)構(gòu)正常使用的重大問(wèn)題，但存在施工縫設(shè)置不合理、施工縫及孔洞周邊結(jié)構(gòu)存在薄弱部位和受損情況、部分構(gòu)件混凝土存在缺陷、機(jī)組開(kāi)停機(jī)工況結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)偏大等問(wèn)題。鑒于抽水蓄能電站的機(jī)組啟停機(jī)次數(shù)遠(yuǎn)比常規(guī)水電站頻繁，機(jī)組和結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題更需重視，混凝土裂縫問(wèn)題如果得不到及時(shí)、有效的解決，將會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利的影響，并有可能加劇構(gòu)件的疲勞損傷。故對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是十分必要的。

4.2 加固方案制定的思路

針對(duì)A廠主廠房結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，為減少?gòu)S房長(zhǎng)期振動(dòng)可能帶來(lái)的危害，廠房結(jié)構(gòu)加固改造主要從以下幾方面考慮[2]：

（1）對(duì)強(qiáng)度偏低、已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的梁板采取修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的方法，比如采用碳纖維或粘鋼對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，彌補(bǔ)梁構(gòu)造配筋上的不足，限制長(zhǎng)期振動(dòng)條件下可能帶來(lái)的裂縫發(fā)展，提高構(gòu)件抗疲勞儲(chǔ)備能力。該方法在限制裂縫發(fā)展的同時(shí)，不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的剛度特性，不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)理，從而減少結(jié)構(gòu)加固后形成新的裂縫的可能性。

（2）對(duì)施工縫附近、大的孔洞周邊樓板結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)不足的部位進(jìn)行剛度加強(qiáng)，比如采取加大梁斷面或加強(qiáng)樓板與梁的節(jié)點(diǎn)等措施，從而減少結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，達(dá)到限制裂縫發(fā)展的目的。

（3）將施工縫改造成徹底的結(jié)構(gòu)縫，使主廠房變成一機(jī)一縫結(jié)構(gòu)，從而消除該施工縫的缺陷，減少相鄰機(jī)組段的振動(dòng)傳遞。

（4）考慮到樓板的豎向振動(dòng)響應(yīng)值較大，通過(guò)加厚樓板來(lái)增加廠房樓板的豎向剛度。

（5）考慮到主廠房結(jié)構(gòu)的一階振型為廠房長(zhǎng)軸方向的平動(dòng)，通過(guò)填充上下游邊墻并與邊柱、邊梁連接來(lái)增加主廠房結(jié)構(gòu)水平剛度，加強(qiáng)主廠房圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)邊界的約束，以達(dá)到減小廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的目的。

根據(jù)上述加固改造思路，形成以下4個(gè)加固方案：

（1）方案A——結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)方案。即對(duì)施工縫附近、吊物孔周邊以及檢測(cè)有裂縫的梁板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)處理。

（2）方案B——結(jié)構(gòu)局部改造方案。即對(duì)施工縫附近、吊物孔周邊以及檢測(cè)裂縫較多部位采取加大梁柱截面尺寸的局部改造，同時(shí)對(duì)梁板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)處理。

（3）方案C——把主廠房現(xiàn)有結(jié)構(gòu)改造成一機(jī)一縫，同時(shí)加厚樓板的方案。

（4）方案D——在方案B的基礎(chǔ)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(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)，將施工縫和受損構(gòu)件進(jìn)行加固改造后，能修補(bǔ)構(gòu)件的損傷，并進(jìn)一步提高該構(gòu)件的承載力。對(duì)原結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性改變較大，減振效果并不理想，反而有加大發(fā)電機(jī)層構(gòu)件動(dòng)力響應(yīng)的反作用。工程投資大，施工難度高，結(jié)構(gòu)改造和機(jī)電設(shè)備改造調(diào)試均存在較高風(fēng)險(xiǎn)。

方案C將施工縫徹底改造成結(jié)構(gòu)縫，能夠減少相鄰機(jī)組段的振動(dòng)影響，相應(yīng)減少結(jié)構(gòu)由于機(jī)組開(kāi)停機(jī)所受到的沖擊次數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗疲勞承受能力是有利的，這是方案C的最大優(yōu)點(diǎn)。本方案能夠一定程度降低廠房樓板的動(dòng)力響應(yīng)，但工程投資大，施工難度高，結(jié)構(gòu)改造和機(jī)電設(shè)備改造調(diào)試均存在很高風(fēng)險(xiǎn)。

方案B在一定程度上減小廠房樓板的動(dòng)力響應(yīng)，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(duì)原有結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的損傷，也存在一定的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。

方案A一方面，基本不改變?cè)w結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)提高廠房整體抗振性能作用不大，但能夠修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷，改變梁板構(gòu)造鋼筋不足的現(xiàn)狀，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力，增加抗振和抗疲勞的強(qiáng)度儲(chǔ)備，限制結(jié)構(gòu)裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。另一方面，方案A對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷較小，基本不影響機(jī)電設(shè)備布置，工程投資較省，施工難度相對(duì)最低、工期最短。

（1）識(shí)別是否進(jìn)入油氣層。圖1中進(jìn)入D區(qū)前3H曲線狀態(tài)為WH 為高值且較穩(wěn)定，CH和BH值較接近，偶爾交叉重合；進(jìn)入D區(qū)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(qū)內(nèi)趨勢(shì)較穩(wěn)定。進(jìn)入D區(qū)后，甲烷相對(duì)含量驟然增大，雖然D區(qū)下部氣測(cè)值有較大降幅，但其甲烷相對(duì)含量依然保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。從圖1還可看出，CH曲線和BH 曲線的交叉點(diǎn)及甲烷相對(duì)含量突變點(diǎn)正好與電阻率高值半幅點(diǎn)基本吻合，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖屑和熒光錄井資料，可判斷D區(qū)進(jìn)入了油氣層。

綜上所述，在考慮到A廠主廠房現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)總體安全、不存在影響結(jié)構(gòu)正常使用的前提下，推薦采用方案A（結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)方案）進(jìn)行加固處理，同時(shí)該方案在實(shí)施之后仍為以后采取其他更為先進(jìn)的加固技術(shù)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(guī)范要求的前提下，不過(guò)度加重廠房結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，合理選擇施工材料，避免或盡量降低對(duì)原結(jié)構(gòu)造成損傷。

采用局部構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固的措施，即對(duì)發(fā)電機(jī)層和中間層的施工縫附近、吊物孔周邊、混凝土強(qiáng)度偏低、動(dòng)力響應(yīng)較大及出現(xiàn)裂縫的梁板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)處理，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，提高構(gòu)件抗疲勞的安全儲(chǔ)備。

5.2 加固范圍

根據(jù)上述加固原則，確定發(fā)電機(jī)層和中間層需要補(bǔ)強(qiáng)加固的梁共計(jì)102根，中間層樓板共計(jì)3塊。另外，對(duì)發(fā)電機(jī)層和中間層的施工縫進(jìn)行處理。

5.3 加固措施

（1）對(duì)于加固范圍內(nèi)梁、板的裂縫部位進(jìn)行改性環(huán)氧化學(xué)灌漿（見(jiàn)圖1）。

（2）在被加固梁的兩側(cè)面及底部采用黏貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在被加固樓板的底面采用黏貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)（見(jiàn)圖2）。

（4）對(duì)于中間層跨度較大的B3、B4樓板增設(shè)鋼次梁以加強(qiáng)其剛度（見(jiàn)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(duì)發(fā)電機(jī)層和中間層的施工縫進(jìn)行嵌填處理，并對(duì)地面裝飾層重新分縫（見(jiàn)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(hù)與環(huán)保措施

施工過(guò)程中，除了加強(qiáng)人員安防措施外，為保證發(fā)電廠房的環(huán)境不受污染，施工作業(yè)的區(qū)域需進(jìn)行封閉，施工影響范圍內(nèi)的機(jī)械與機(jī)電設(shè)備需進(jìn)行必要的覆蓋防護(hù)，施工機(jī)械應(yīng)選用防塵機(jī)具，確保施工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和煙塵等得到有效收集和排放。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(shè)計(jì)單位的成果基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多次論證而確定下來(lái)的。實(shí)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(jié)構(gòu)加固方案，可為我國(guó)類似的運(yùn)行多年的水電站廠房提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 武漢大學(xué).廣蓄水電廠地下廠房結(jié)構(gòu)檢測(cè)[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(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠主廠房結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與加固方案初步設(shè)計(jì)報(bào)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(xué)，廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析評(píng)估及整體結(jié)構(gòu)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(xué)工程抗震研究中心，廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.廣州抽水蓄能電站A廠振動(dòng)測(cè)試分析報(bào)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(guó)水利水電科學(xué)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結(jié)構(gòu)抗振加固計(jì)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(guó)水利水電科學(xué)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)說(shuō)明與技術(shù)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(qiáng)鋼筋混凝土梁正截面抗裂性能研究[J].工業(yè)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.

[8] 楊進(jìn)波，張飛雁，趙鐵軍.碳纖維布加固技術(shù)[J].海岸工程，2004.YANG Jinbo，ZHANG Feiyan，ZHAO Tiejun.Reinforcing Technique with Carbon Fiber Reinforced Fabrics[J].Coastal Engineering，2004.

[9] 蔣文勇，李碧雄，甘立剛.碳纖維在土木工程加固中的應(yīng)用研究[J].四川建筑科學(xué)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(jí)工程師，主要研究方向：水利水電工程檢測(cè)與評(píng)估、修補(bǔ)加固技術(shù)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(xué)科代碼：570.25

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