广州抽水蓄能电站A厂地下厂房补强加固

张家宏，吴秋芬，吕小彬

（1.中国水利水电科学研究院，北京市 100038；2.广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东省广州市 510635）

广州抽水蓄能电站A厂地下厂房补强加固

张家宏1，吴秋芬2，吕小彬1

（1.中国水利水电科学研究院，北京市 100038；2.广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东省广州市 510635）

针对广州抽水蓄能电站A厂地下厂房出现的裂缝，开展了检测和成因分析工作，并在此基础上完成了修复方案论证工作。最终选定了结构补强修复方案，即对施工缝附近、吊物孔周边及检测有裂缝的梁板进行补强修复处理，该方案具有对现有结构损伤小、不影响机电设备布置、工程投资省、施工难度相对最低、工期最短等优点。

抽水蓄能电站；地下厂房；补强加固

1 概况

广州抽水蓄能电站是我国第一座高水头、大容量抽水蓄能电站，装机容量2400MW，分为A、B两个厂房。A厂厂房于1994年全面竣工投产，厂内共设4台机组，主厂房长92.5m、宽21.0m。

厂房主体结构为钢筋混凝土楼板、梁、柱及混凝土边墙组成的框架结构，由上到下分为电动发电机层、中间层、水泵水轮机层、蜗壳层以及底部的管廊道、集水廊道等。机组中心线距上游侧11.5m、下游侧9.5m，机组由蜗壳外包混凝土、机墩、风罩等结构支撑。发电机层楼板厚0.25m，中间层楼板厚0.2m，水泵水轮机层楼板厚0.3m，蜗壳层底板厚1.0m。蜗壳层上、下游侧均设置1.0m厚混凝土边墙，水泵水轮机层（▽207.60m）以上设有断面尺寸为0.60m×0.85m的框架柱，柱与柱之间砌筑0.18m厚防潮墙，墙与岩面之间形成通风通道及电缆通道。

2 质量检测情况

A厂主厂房结构原设计为两机一缝，即在2～3号机组之间设有一条结构缝，施工图设计阶段为满足各台机组先后投产需要，在1～2号、3～4号机组之间的楼板、梁各增设一条施工缝。厂房出现的结构裂缝均集中在施工缝处的发电机层、中间层、水泵水轮机层楼板、梁、柱牛腿、梁挑耳等处。

2011年7月，电厂委托武汉大学土木建筑工程学院对A厂的梁板柱结构进行了全面的检查和检测，结果如下[1]：

（1）发电机层和中间层梁板测点的强度推定值离散性较大，个别测点强度推定值低于混凝土设计强度等级较多。

（2）发电机层和中间层的钢筋混凝土保护层厚度均满足设计要求，目前混凝土处于轻微碳化阶段，钢筋没有受到锈蚀的威胁。

（3）出现裂缝的梁和板主要集中在吊物孔、楼梯口附近，梁的裂缝多分布于两侧。发电机层被测22根梁的缝深在84～202mm之间，除4L10-4（位于3号发电机球阀吊物孔下游，搭接在风罩混凝土上）缝宽0.4mm外，其余梁缝宽均小于0.3mm。中间层被测23根梁的缝深在88～220mm之间，其中3L33-4和3L34（中间层靠近安装间一侧）缝宽分别为0.35mm和0.4mm，其余梁缝宽均小于0.3mm。

3 安全性评价

通过裂缝检测、碳化深度检测、钢筋保护层厚度检测，以及结构的静力和动力计算分析得出如下结论[2～5]

（1）结构构件的静力复核计算和疲劳验算表明，结构的承载力和抗疲劳问题均满足规程规范要求。

（2）从裂缝检测结果可知，主厂房结构的主要支承结构机墩、风罩和柱均未发现裂缝。在经过多年运行使用后，部分楼板、梁上发现有裂缝，但裂缝宽度除个别梁以外均小于0.3mm，满足混凝土结构设计规范对限裂结构的裂缝宽度要求，不影响结构的正常使用。

（3）主厂房楼板混凝土的检测表明，发电机层和中间层楼板的混凝土碳化速率很慢，还处于轻微碳化阶段；钢筋的保护层厚度也满足规范的要求。因此，中间层内的钢筋没有受到锈蚀的威胁。

（4）结构的动力测试和动力计算均表明，结构的主要自振频率与厂房机组的强迫振动频率相差较大，不存在结构共振的可能性。

综上所述，从现场质量检测、结构静力复核、疲劳验算及厂房共振复核等方面的工作成果来看，A厂主厂房的结构整体是安全的，不存在影响结构正常使用的重大问题。

4 加固方案论证

4.1 实施加固的必要性

虽然结构总体上是安全的，不存在影响结构正常使用的重大问题，但存在施工缝设置不合理、施工缝及孔洞周边结构存在薄弱部位和受损情况、部分构件混凝土存在缺陷、机组开停机工况结构动力响应偏大等问题。鉴于抽水蓄能电站的机组启停机次数远比常规水电站频繁，机组和结构振动问题更需重视，混凝土裂缝问题如果得不到及时、有效的解决，将会对混凝土的耐久性产生不利的影响，并有可能加剧构件的疲劳损伤。故对结构进行加固是十分必要的。

4.2 加固方案制定的思路

针对A厂主厂房结构存在的问题，为减少厂房长期振动可能带来的危害，厂房结构加固改造主要从以下几方面考虑[2]：

（1）对强度偏低、已经出现裂缝的梁板采取修复补强的方法，比如采用碳纤维或粘钢对结构进行补强，弥补梁构造配筋上的不足，限制长期振动条件下可能带来的裂缝发展，提高构件抗疲劳储备能力。该方法在限制裂缝发展的同时，不改变现有结构的刚度特性，不会改变结构的耗能机理，从而减少结构加固后形成新的裂缝的可能性。

（2）对施工缝附近、大的孔洞周边楼板结构刚度相对不足的部位进行刚度加强，比如采取加大梁断面或加强楼板与梁的节点等措施，从而减少结构的动力响应，达到限制裂缝发展的目的。

（3）将施工缝改造成彻底的结构缝，使主厂房变成一机一缝结构，从而消除该施工缝的缺陷，减少相邻机组段的振动传递。

（4）考虑到楼板的竖向振动响应值较大，通过加厚楼板来增加厂房楼板的竖向刚度。

（5）考虑到主厂房结构的一阶振型为厂房长轴方向的平动，通过填充上下游边墙并与边柱、边梁连接来增加主厂房结构水平刚度，加强主厂房围岩对结构边界的约束，以达到减小厂房结构动力响应的目的。

根据上述加固改造思路，形成以下4个加固方案：

（1）方案A——结构补强修复方案。即对施工缝附近、吊物孔周边以及检测有裂缝的梁板进行补强修复处理。

（2）方案B——结构局部改造方案。即对施工缝附近、吊物孔周边以及检测裂缝较多部位采取加大梁柱截面尺寸的局部改造，同时对梁板进行补强修复处理。

（3）方案C——把主厂房现有结构改造成一机一缝，同时加厚楼板的方案。

（4）方案D——在方案B的基础上，在上下游边柱之间增加混凝土边墙方案。

4.3 加固方案的比选

方案D能降低厂房部分构件的动力响应，将施工缝和受损构件进行加固改造后，能修补构件的损伤，并进一步提高该构件的承载力。对原结构动力特性改变较大，减振效果并不理想，反而有加大发电机层构件动力响应的反作用。工程投资大，施工难度高，结构改造和机电设备改造调试均存在较高风险。

方案C将施工缝彻底改造成结构缝，能够减少相邻机组段的振动影响，相应减少结构由于机组开停机所受到的冲击次数，对于结构抗疲劳承受能力是有利的，这是方案C的最大优点。本方案能够一定程度降低厂房楼板的动力响应，但工程投资大，施工难度高，结构改造和机电设备改造调试均存在很高风险。

方案B在一定程度上减小厂房楼板的动力响应，但效果并不十分明显。与方案A相比，施工难度和投资增加，对原有结构会造成一定的损伤，也存在一定的结构风险。

方案A一方面，基本不改变原整体结构的刚度，对提高厂房整体抗振性能作用不大，但能够修复补强混凝土结构缺陷，改变梁板构造钢筋不足的现状，进一步提高结构的承载能力，增加抗振和抗疲劳的强度储备，限制结构裂缝的进一步发展。另一方面，方案A对现有结构损伤较小，基本不影响机电设备布置，工程投资较省，施工难度相对最低、工期最短。

（1）识别是否进入油气层。图1中进入D区前3H曲线状态为WH 为高值且较稳定，CH和BH值较接近，偶尔交叉重合；进入D区后3H曲线变化较大，CH 曲线和BH 曲线突然交叉，CH 值减小，BH值增大，WH 值也缓慢增大，最终形成WH＞BH＞CH的格局，且在D区内趋势较稳定。进入D区后，甲烷相对含量骤然增大，虽然D区下部气测值有较大降幅，但其甲烷相对含量依然保持较稳定的状态。从图1还可看出，CH曲线和BH 曲线的交叉点及甲烷相对含量突变点正好与电阻率高值半幅点基本吻合，再结合现场岩屑和荧光录井资料，可判断D区进入了油气层。

综上所述，在考虑到A厂主厂房现状结构总体安全、不存在影响结构正常使用的前提下，推荐采用方案A（结构补强修复方案）进行加固处理，同时该方案在实施之后仍为以后采取其他更为先进的加固技术和改造措施留下了余地。

5 加固方案概述

5.1 加固原则

加固方案遵循适度原则，在满足规范要求的前提下，不过度加重厂房结构负担，合理选择施工材料，避免或尽量降低对原结构造成损伤。

采用局部构件补强加固的措施，即对发电机层和中间层的施工缝附近、吊物孔周边、混凝土强度偏低、动力响应较大及出现裂缝的梁板进行补强修复处理，限制裂缝的进一步发展，提高构件抗疲劳的安全储备。

5.2 加固范围

根据上述加固原则，确定发电机层和中间层需要补强加固的梁共计102根，中间层楼板共计3块。另外，对发电机层和中间层的施工缝进行处理。

5.3 加固措施

（1）对于加固范围内梁、板的裂缝部位进行改性环氧化学灌浆（见图1）。

（2）在被加固梁的两侧面及底部采用黏贴碳纤维布进行补强，在被加固楼板的底面采用黏贴碳纤维布进行补强（见图2）。

（4）对于中间层跨度较大的B3、B4楼板增设钢次梁以加强其刚度（见图3）。

图1 典型梁加固示意图Fig.1 The sketch of typical beams reinforcement

图2 典型楼板粘贴碳纤维布加固示意图Fig.2 The sketch of typical slabs reinforcement with CFRP

图3 典型楼板钢次梁加固示意图Fig.3 The sketch of typical slabs reinforcement with steel secondary beams

（5）采用柔性填料，对发电机层和中间层的施工缝进行嵌填处理，并对地面装饰层重新分缝（见图4）。

图4 楼板处施工缝处理示意图Fig.4 The sketch of construction joins repairing

5.4 防护与环保措施

施工过程中，除了加强人员安防措施外，为保证发电厂房的环境不受污染，施工作业的区域需进行封闭，施工影响范围内的机械与机电设备需进行必要的覆盖防护，施工机械应选用防尘机具，确保施工过程中产生的粉尘和烟尘等得到有效收集和排放。

6 结束语

广州抽水蓄能电站A厂房加固方案是在多家科研、院校及设计单位的成果基础上，经过多次论证而确定下来的。实践证明加固方案的选择是正确的，加固措施是有效的。本文论述的结构加固方案，可为我国类似的运行多年的水电站厂房提供可借鉴的经验。

[1] 武汉大学.广蓄水电厂地下厂房结构检测[R].2011.Wuhan University.Structure Detection on Underground Powerhouse in Guangzhou Pumped-Storage Power Station[R].2011.

[2] 广东省水利电力勘测设计研究院.广州抽水蓄能电站A厂主厂房结构评价与加固方案初步设计报告[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] 武汉大学，广东省水利电力勘测设计研究院.广州抽水蓄能电站A厂结构静动力分析评估及整体结构加固改造方案研究[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] 广州大学工程抗震研究中心，广东省地震工程与应用技术重点实验室.广州抽水蓄能电站A厂振动测试分析报告[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] 中国水利水电科学研究院.广州抽水蓄能电站A厂地下厂房结构抗振加固计算分析[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] 中国水利水电科学研究院.广州抽水蓄能电站A厂地下厂房结构加固设计说明与技术要求[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，赵军.碳纤维布增强钢筋混凝土梁正截面抗裂性能研究[J].工业建筑，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] 杨进波，张飞雁，赵铁军.碳纤维布加固技术[J].海岸工程，2004.YANG Jinbo，ZHANG Feiyan，ZHAO Tiejun.Reinforcing Technique with Carbon Fiber Reinforced Fabrics[J].Coastal Engineering，2004.

[9] 蒋文勇，李碧雄，甘立刚.碳纤维在土木工程加固中的应用研究[J].四川建筑科学研究.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

张家宏（1976—），男，高级工程师，主要研究方向：水利水电工程检测与评估、修补加固技术等。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学科代码：570.25

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