朱艷華

（福建水口發(fā)電有限公司，福建福州350800）

1 工程概況

水口水電站位于閩江干流中段，上游距南平市94 km，下游距福州市84 km。水口電站屬一等工程，樞紐由混凝土重力壩、壩后式廠房、一線三級船閘、一線垂直升船機、220 kV開關(guān)站、500 kV升壓站等組成。混凝土重力壩最大壩高101 m，總裝機容量1400 MW，擔任福建電網(wǎng)基荷、調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用等任務。水口水電站發(fā)電引水系統(tǒng)和廠房位于左岸壩后，為壩后式半封閉廠房，內(nèi)裝7臺200 MW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組。裝配場位于主廠房左側(cè)，副廠房分別設(shè)在主廠房上、下游側(cè)，主變壓器布置在廠壩間的上游副廠房頂。地震設(shè)防烈度7度。電站已投產(chǎn)10年，2007年3月檢查發(fā)現(xiàn)，1～7號所有機組段的發(fā)電機層樓板、排架柱以及牛腿與樓板接觸處等出現(xiàn)較多裂縫，對水電站的運行構(gòu)成了安全隱患。本文主要根據(jù)裂縫檢測結(jié)果，結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)特性與荷載情況，對裂縫進行成因分析。

2 主廠房裂縫主要分布情況

采用現(xiàn)場照相、圖像校正和描繪方法，獲得裂縫分布。對寬度相對較大的裂縫，采用數(shù)字近景攝影測量的方法量測裂縫寬度。對寬度小于2 mm的裂縫，采用刻度放大鏡量測裂縫寬度。采用現(xiàn)代先進的鋼筋混凝土無損檢測手段——超聲波檢測儀，通過對構(gòu)筑物裂縫的現(xiàn)場檢測，獲得裂縫的深度分布規(guī)律。典型平面布置如圖1，星號為測點。

圖1 發(fā)電機層示意圖Fig.1 Layout of the generator floor

2.1 1～7號機組發(fā)電機層樓板裂縫

1號、2號、3號、4號及7號機組裂縫分布較多，其中1號機組裂縫分布最多，6號機組裂縫分布最少。裂縫主要分布方向為沿著機組圓心點的徑向分布、順河向分布及橫河向分布；裂縫寬度范圍為0～1.5 mm；裂縫分布深度范圍為0～146 mm。以1號機組為例，1號機組發(fā)電機層樓板裂縫大部分都是沿著機組圓心點的徑向分布，部分沿著切向分布，位于上游側(cè)并與2號機組靠近的部位存在部分順河向分布裂縫，與安裝場靠近的部位存在小部分斜河向裂縫。通過現(xiàn)場觀測，對其中寬度大于0.2 mm和長度較大的7條裂縫（見圖2中深色標記線）進行了寬度、深度和長度量測，量測結(jié)果見表1。

圖2 1號發(fā)電機層樓板裂縫示意圖Fig.2 Cracks of the generator floor of 1#generating unit

表1 1號機組部分明顯裂縫特性表Table 1:Characteristics of apparent cracks of the unit 1

2.2 下游排架柱與發(fā)電機層樓板主梁連接部位裂縫

（1）下游排架柱與發(fā)電機層樓板主梁連接部位的裂縫主要表現(xiàn)為樓板主梁與下游排架柱II期與I期混凝土的連接部位出現(xiàn)了裂縫，幾乎所有下游排架柱與樓板主梁新老混凝土的接觸部位都出現(xiàn)了這種裂縫。裂縫的寬度范圍為1.0～10.2 mm，裂縫最大寬度出現(xiàn)的位置為4號機組2號排架柱2面與樓板主梁新老混凝土的接觸部位，2～4號機組的寬度較大，1號、5號、6號及7號機組相對較小，其中1號機組最小。裂縫整體沿廠房軸線方向貫穿排架柱，深度為1500 mm。

（2）下游排架柱與發(fā)電機層樓板主梁連接部位的裂縫還表現(xiàn)為下游排架柱牛腿出現(xiàn)了斜縫，斜縫的寬度范圍為0～10.0 mm,最大寬度裂縫出現(xiàn)在6號機組2號排架柱2面的牛腿上；裂縫深度范圍為0～100.2 mm，最大深度裂縫分別出現(xiàn)在2號及3號機組1號排架柱2面的牛腿上。

（3）下游排架柱與發(fā)電機層樓板主梁連接部位的裂縫還表現(xiàn)為發(fā)電機層樓板主梁出現(xiàn)了斜縫，斜縫的寬度范圍為0～4.0 mm,最大寬度裂縫出現(xiàn)在2號機組3號排架柱2面的發(fā)電機層樓板主梁上；裂縫深度范圍為0～50.1 mm，最大深度裂縫出現(xiàn)在2號機組3號排架柱2面的發(fā)電機層樓板主梁上。

2.3 下游排架柱及下游側(cè)墻與樓板接觸處部位裂縫

1～7號機組下游排架柱與發(fā)電機層樓板接觸部位裂縫皆屬表層抹灰開裂，而排架柱與樓板接觸部位本身的混凝土結(jié)構(gòu)并未開裂。

3 構(gòu)件裂縫成因初步分析

3.1 廠房發(fā)電機層樓板裂縫

（1）廠房各臺機組發(fā)電機層樓板都存在沿著機組圓心的徑向分布裂縫，該類型裂縫的主要成因是機組運行振動引起環(huán)向拉應力大于混凝土的抗拉強度（該抗拉強度為疲勞抗拉強度），其中，1號機組樓板裂縫沿著機組圓心的徑向分布條數(shù)最多，這主要是由于1號機組投產(chǎn)最早、運行時間最長，振動引起的樓板混凝土疲勞損傷累積最大。

（2）廠房各臺機組徑向分布的裂縫隨著遠離機組圓心而減少。分析其原因，應是離機組圓心越近，機組運行振動對樓板混凝土的結(jié)構(gòu)影響越大。

（3）廠房樓板裂縫在每臺機組靠近上游往右岸方向（面向下游）一側(cè)明顯多于其它部位。通過分析結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，發(fā)現(xiàn)每臺機組靠近上游往右岸方向的樓板配筋率小于其它部位，且機組垂直向中軸線也相對偏向右岸，因此機組振動對該部分樓板混凝土影響大于其它位置，從而產(chǎn)生上述裂縫分布。

（4）廠房樓板振動檢測表明[6]，所有測點中最大振動分量除少部分為100 Hz及50 Hz外，大多數(shù)都是42.81～42.88 Hz，可見42.81～42.88 Hz的振動與廠方樓板振動密切相關(guān)。根據(jù)水電站廠房振動振源分析理論及經(jīng)驗，水口電站可能出現(xiàn)的振源主要有機械、水力和電磁振源，相應的振動頻率范圍如下：

①機械振源主要為額定轉(zhuǎn)頻：fn=1.785 Hz；

②水力振源有：尾水管低頻渦帶振動：f=fn/（3～6）=0.595～0.2975 Hz；尾水管中頻渦帶振動：f=（0.8～1.2）fn=1.428～2.242 Hz；空化誘發(fā)振動：高頻300～600 Hz；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)振動：f=Zrfn=6×1.785=10.71 Hz；導葉后脈動壓力振動：f=Zgfn=24×1.785=42.84 Hz；導葉后的卡門渦旋振動：30 Hz左右；

③電磁振源一般為50 Hz及其倍頻。

可以看出，42.81～42.88 Hz的振頻與機組導葉頻率一致，因此廠房樓板振動應與水輪機導葉后水力激振引起的壓力脈動，即蝸殼水流脈沖壓力有關(guān)。

（5）廠房發(fā)電機層樓板相對于工程竣工時樓板完整無裂縫的狀態(tài)而言，目前出現(xiàn)了不同程度的裂縫，深度范圍為0～146 mm＜500 mm（廠房發(fā)電機層樓板的厚度），說明目前廠房樓板裂縫未貫通，但機組的持續(xù)運行將使發(fā)電機層樓板混凝土強度進一步減小，這將對廠房的后續(xù)安全運行造成不利影響。

3.2 下游排架柱與發(fā)電機層樓板混凝土主梁間裂縫

（1）下游排架柱與發(fā)電機層樓板混凝土主梁之間的裂縫主要表現(xiàn)為I期與II期新老混凝土之間的接觸裂縫，該部分裂縫的出現(xiàn)主要由排架柱與樓板混凝土主梁間相互錯動拉開所致，從上游排架柱與樓板未出現(xiàn)明顯裂縫來判斷，該錯動可能主要由下游排架柱出現(xiàn)沉降或往下游方向移動引起。

（2）部分發(fā)電機層樓板主梁上出現(xiàn)的斜向裂縫，主要是由于發(fā)電機層樓板主梁II期混凝土及下游排架柱I期混凝土構(gòu)件之間相互錯動，引起發(fā)電機層樓板主梁上的端部應力集中，導致結(jié)構(gòu)拉應力大于混凝土的抗拉強度，產(chǎn)生裂縫。

（3）在下游排架柱牛腿上出現(xiàn)的斜向裂縫，則是由于發(fā)電機層樓板主梁II期混凝土及下游排架柱I期混凝土構(gòu)件之間相互錯動，引起了排架柱牛腿混凝土保護層出現(xiàn)拉裂縫。

3.3 下游側(cè)墻與樓板接觸部位的裂縫

下游側(cè)墻與樓板接觸部位的裂縫，主要是表面抹灰出現(xiàn)了裂縫，原因是下游側(cè)墻與排架柱連接的部位為直角連接，該直角連接部位的表面抹灰容易在自重情況下出現(xiàn)干縮脫落而出現(xiàn)表面裂縫；同時下游側(cè)墻可能的沉降或向下游移動也容易引起表面抹灰出現(xiàn)裂縫，而目前下游側(cè)墻這種可能的沉降或向下游移動，還沒有造成側(cè)墻及樓板接觸部位的混凝土出現(xiàn)裂縫。

4 結(jié)語

（1）蝸殼水流脈沖壓力及機組機械振動是引起廠房結(jié)構(gòu)位移和應力動力響應的主要動荷載，建議在發(fā)電機層樓板上設(shè)置減震措施來減少蝸殼水流脈沖及機組機械振動對樓板變形及穩(wěn)定的不利影響。

（2）下游排架柱與發(fā)電機層樓板主梁連接部位裂縫，最可能原因為下游排架柱出現(xiàn)沉降或往下游方向移動；下游側(cè)墻與樓板接觸部位的裂縫，與該部位直角連接及表面抹灰的自重和干縮作用有關(guān)。

（3）建議采取合理的監(jiān)測措施，跟蹤發(fā)電機層樓板主梁、排架柱牛腿的斜向裂縫及I期和II期新老混凝土接觸縫的狀態(tài)，必要時進行合理加固，以預測和預警裂縫的變化狀態(tài)，確保廠房的正常安全運行?！?/p>

[1]羅先啟，張振華.水口水電站廠房混凝土構(gòu)件裂縫檢測及裂縫成因初步分析報告[R].2009.

[2]福建水口水力發(fā)電有限公司.水口水力發(fā)電廠廠房結(jié)構(gòu)施工圖圖冊[R].1995.

[3]趙國藩，袁群，張濤.福建水口水電廠4號機樓板梁結(jié)構(gòu)安全分析及補強加固研究報告[R].大連理工大學土木系結(jié)構(gòu)研究室，1998.

[4]陜西省建筑科學研究設(shè)計院，同濟大學.超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[M].中國工程建設(shè)標準化協(xié)會，2000.

[5]陳麗霞，文恒武.回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[6]福建省電力試驗研究院.福建水口發(fā)電有限公司水口水電廠廠房樓板振動試驗報告[R].2008.