黃 勇，華丕龍，宋一樂

（1.廣東省水利電力規(guī)劃勘測設計研究院，廣東省廣州市 510635；2.調峰調頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東省廣州市 510630；3.武漢大學土木建筑工程學院，湖北省武漢市 430072）

廣州抽水蓄能電站A廠結構綜合評估與加固處理研究與思考

黃 勇1，華丕龍2，宋一樂3

（1.廣東省水利電力規(guī)劃勘測設計研究院，廣東省廣州市 510635；2.調峰調頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東省廣州市 510630；3.武漢大學土木建筑工程學院，湖北省武漢市 430072）

針對廣州抽水蓄能水電廠A廠部分結構出現(xiàn)的裂縫問題，通過多學科專業(yè)協(xié)作解決特殊復雜技術問題，對廠房現(xiàn)有結構安全和振動性能做出分析評估，提出合理可行的加固處理方案；將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與有限元計算方法相結合，對計算模型進行反演修正；加固處理遵循安全適度原則，重點在修復補強混凝土結構缺陷，增加抗振和抗疲勞的強度儲備，限制結構裂縫的發(fā)展。

地下廠房；安全評估；加固處理；振動測試；有限元計算

1 概況

水電站廠房由于其結構特點和功能需要，運行中的振動問題較為普遍，尤其是抽水蓄能電站因為具有高水頭、高轉速、雙向運轉、過渡過程復雜等特點，其機組周圍混凝土支撐結構的受力和振動問題越來越受到水電站設計和運行單位的關注和重視。

廣州抽水蓄能電站是我國第一座高水頭、大容量純抽水蓄能電站，裝機容量2400MW，分為A、B兩個廠房，各裝機1200MW，A廠于1994年竣工投產。限于當年的認識和經驗不足，沒有成熟的規(guī)范參考，A廠主廠房各層樓板、梁、柱的結構形式和尺寸均按照常規(guī)水電站進行設計。經多年運行，在A廠主廠房的發(fā)電機層、中間層施工分縫處及附近部分梁、板出現(xiàn)了一些裂縫，倍受關注，對裂縫成因眾說紛紜。因此廣州蓄能水電廠委托廣東省水利電力勘測設計研究院作為牽頭單位，聯(lián)合武漢大學、廣州大學、中國水利水電科學研究院等多家專業(yè)機構開展專項研究，目的是對A廠主廠房現(xiàn)有結構安全和振動性能做出分析評估，對廠房整體結構全面加固改造的必要性和可行性進行論證，并提出實施處理方案。

研究成果專題報告和初步設計報告分別于2011年2月和2012年7月通過了由譚靖夷、陳厚群和羅紹基院士等組成的專家組評審。根據(jù)研究成果和制定的加固處理措施，電廠于2008年9月～2009年3月和2014年2月～2015年9月分兩次對A廠實施了補強加固處理。

2 研究工作總體思路

針對廣州抽水蓄能水電廠A廠的具體情況，結合國內外廠房結構振動研究動態(tài)和廣蓄、惠蓄等電站廠房減振抗振設計的經驗教訓，擬訂總體工作思路為：

（1）通過現(xiàn)場測試，考察A廠主廠房的振源情況，整體及結構受損局部部位的振動特性和振動反應；測試施工縫、結構縫對不同機組段振動傳播的影響。

（2）建立A廠主廠房結構計算模型，并利用現(xiàn)場測試成果對計算模型的有關參數(shù)進行修正使之盡量符合實際。利用修正后的模型進行各種設計工況的靜動力計算分析，對于各種不同的加固改造方案進行模擬計算分析。

（3）根據(jù)現(xiàn)場測試、結構檢測成果和計算分析成果對現(xiàn)有廠房振動安全性進行評價，論證廠房結構加固改造的必要性。

（4）研究各種不同的結構加固方案及其可行性，利用計算模型分析其對廠房抗振性能的影響，并通過綜合比選提出加固改造實施方案。

高水頭抽水蓄能電站的振動問題，涉及土建結構、機組設備、過渡過程及運行調度等各種因素，鑒于研究對象的復雜性和專業(yè)性，參與研究的除電廠和設計單位外，也有在振動測試、模擬計算以及結構檢測等方面的專業(yè)機構，按照總體工作大綱分工合作，相互對照印證，并廣邀國內專家進行咨詢研討，力求為客觀理性地進行廠房結構綜合評估奠定堅實的基礎。

3 主要研究內容和技術特色

3.1 主要研究內容

（1）主廠房結構振動測試。

對廠房振源及振動響應（包括加速度反應、動態(tài)應變與動態(tài)位移響應）進行現(xiàn)場測試，分析得到振源頻率成分及來源，給出廠房結構在機組開停機及穩(wěn)態(tài)運行各階段結構的直觀反應分布規(guī)律，進行了結構致?lián)p振源及成因分析，結構縫與施工縫對振動傳播的影響分析，廠房結構振動性能評定。

對廠房整體結構進行了模態(tài)測試及分析，得到廠房結構自振頻率及相應模態(tài)，與有限元計算分析結果相對比，提供模型修正依據(jù)。

為進行對比分析，除對A廠進行了全面的振動測試外，還補充了B廠結構動力特性試驗，選擇其一個機組段進行了模態(tài)試驗。

（2）主廠房結構靜動力分析。

通過建立1號和2號機組、3號和4號機組的三維有限元數(shù)值模型，對A廠現(xiàn)有結構進行靜力、動力分析評估，包括結構動力特性研究（頻率、振型等）和結構動力響應計算（動應力、動位移及動加速度等）；在此基礎上，研究廠房整體結構進行全面加固改造，提高廠房抗振性能的可行性。

（3）廠房結構檢測。

對主廠房各層結構進行了全面檢測，包括構件尺寸、變位，混凝土裂縫的分布情況，混凝土強度、碳化深度檢測、保護層厚度等。

（4）主廠房結構安全與振動綜合評價。

整理和分析對主廠房現(xiàn)狀結構的檢測、振動測試和有限元動力計算等成果，結合對主廠房現(xiàn)狀結構進行的靜力計算復核以及構件疲勞驗算成果，分析主廠房結構裂縫的成因，對主廠房結構的安全性及其振動性能進行綜合評價。

（5）全面深入地對主廠房結構加固方案進行綜合比較。

結合多次現(xiàn)場調查情況、結構檢測、測試、計算分析對比和專家咨詢意見，對多種加固方案進行了研究，經篩選后集中對一機一縫改造方案、加厚樓板方案、增加混凝土邊墻方案、梁柱加大改造方案和梁板補強修復方案進行了初步設計和綜合比較，提出切實可行的加固處理解決方案。

3.2 技術特色

（1）依靠專業(yè)協(xié)作，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與有限元計算方法相結合，取長補短。

廠房結構振動實測是一項投入較大的工作，既需要大量的資金、設備與人員支撐，同時還要有合理可靠的試驗方案，其中測試點的選擇是一個關鍵因素。試驗測點應該是少而精，為此除了經驗判斷，還要有合理的依據(jù)。在進行試驗方案規(guī)劃時，項目利用了有限元計算方便的特征，先整體分析了廠房結構的動力特性，找出了廠房結構的薄弱點和最能反映結構振動特性的基本點，再反復推敲調整廠房結構試驗監(jiān)測點的布置，保證了現(xiàn)場實測時用有限的測量點能夠捕捉和表現(xiàn)廠房結構實際的受力特征。

有限元方法具有模擬方便、計算結果全面、精度高等優(yōu)點，但計算假設可能與實際情況有出入，有時不能正確模擬復雜模型的實際邊界條件；而現(xiàn)場試驗不需要對測量對象作任何假設，實測結果可以真實反應結構的實際受力狀況，特別是結構振動響應的測量精度是有限元計算結果無法超越的，但是實測除了準備難度較大以外，測量結果只能反應局部測點的實際情況，還需要借助有限元分析結果才能較好地評估廠房整體結構狀況。因此采用現(xiàn)場實測與有限元計算兩種方法同步進行，兩者之間互補可以獲得更加科學的分析結果。

（2）采用反演方法處理結構的邊界條件。

有限元計算的精確性與計算模型的邊界條件密切相關，常規(guī)處理方法一般引入一些假設，然而由于實際施工和其他因素影響，廣蓄A廠樓板、邊梁、邊柱以及母線洞交叉口等部位與圍巖的接觸情況極其復雜多變，混凝土邊柱、邊梁有些緊貼巖壁澆筑，有些由于超挖較大而與圍巖分開，模型中的邊界條件以及施工縫如何模擬是工作的難點和重點。為此計算時先根據(jù)常規(guī)方式假設邊界條件進行初步分析，得到有限元計算結果后與現(xiàn)場實際測試的結果進行比較，分析兩者的差異再根據(jù)實測值對計算條件進行修正，如此反復，通過多次計算反演，使計算模型能夠盡量反映廠房結構實際狀況。

（3）注重實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對局部構件裂縫、損傷進行細致分析。

對于結構檢測所展示的裂縫分布情況進行了大量的統(tǒng)計分析工作，細致到梁側和梁底的裂縫差異、施工縫平行方向和垂直方向受損情況的不同等，并進一步指導和細化有限元計算工作。對部分有代表性的損傷構件進行了單獨計算，分析時既考慮了構件自身單獨的受力狀況，又綜合考慮了該構件在廠房整體結構中的作用，分析其缺陷對整體結構安全的影響，同時也為這些構件的加固補強提供量化依據(jù)。

（4）對于復雜特殊條件下的結構加固處理，通過綜合比選提出科學合理的解決方案。

由于電站已運行多年，進行結構加固處理需要充分考慮電站安全穩(wěn)定運行要求和既有的約束條件，才能切實可行。對各家協(xié)作機構提交的大量成果，通過全面深入的對比、統(tǒng)計和分析工作，對廠房結構從強度、剛度、疲勞、振動等多方面進行綜合評估；對各種加固途徑和措施，從結構改善及減振效果、施工難度、對原結構和電廠運行影響、投資費用等多方面進行綜合比較后，提出推薦實施方案。

4 加固處理方案選擇與思考

4.1 結構安全與振動性能的綜合評價

根據(jù)振動測試、結構整體靜動力計算、構件疲勞驗算成果，以及對主廠房結構進行的全面檢測，經綜合分析，A廠主廠房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；廠房結構與機組強迫振動不存在共振的問題。結構裂縫的出現(xiàn)，與施工縫設置及振動作用、結構的構造配筋以及混凝土施工缺陷等因素均有關系，但裂縫尚未對結構的安全造成明顯的影響。除少數(shù)梁、板外，大多數(shù)構件的裂縫寬度仍低于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，尚沒有影響結構的正常使用。

但是，A廠主廠房結構的確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。由于振動損壞是一個長期的過程，隨著時間的推移，裂縫和損傷還有可能進一步發(fā)展，因此，需要研究考慮合適的加固處理措施加以解決或有所改善，這既是研究工作的目標，也是貫穿始終需要思考的重點。

4.2 不同加固方案利弊分析

從廣蓄B廠開始，國內抽水蓄能電站結構減振抗振設計開始進行探索研究，并積累了一些行之有效的措施和做法，但是這些做法能否適用于已建成運行的廣蓄A廠結構，還需要做具體分析。

（1）一機一縫改造方案分析。

廣蓄A廠主廠房結構原設計為兩機一縫，施工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，因此，實際的廠房結構既非純粹的兩機一縫、也非一機一縫。針對結構分縫所進行的現(xiàn)場動力反應測試表明，施工縫兩側結構既有一定聯(lián)系，能夠進行振動傳播，又有相對位移，分縫處聯(lián)系不緊密，成為結構薄弱環(huán)節(jié)，對廠房整體性產生不利影響；而結構縫的隔振性能好于施工縫。因此，如能將廠房結構改造為完全的一機一縫，從減少相鄰機組段的相互影響和沖擊的角度來看是有利的。

此方案要求把各層施工縫處柱的牛腿切開，增加梁柱形成雙梁雙柱，這首先需要把施工縫附近已布置的電纜橋架、水機管路、管母線等設備進行拆卸、臨時放置、再回裝，在此過程中，兩臺機組需全面停產；在新增梁柱完成之前，該側樓板和梁需由下至上進行豎向臨時支撐，涉及的加固工藝非常復雜，施工難度和風險極大?，F(xiàn)有結構空間尺寸難以滿足雙梁雙柱的布置要求，而且對梁挑耳、柱牛腿等鋼筋混凝土結構進行切割，難以形成平整均勻的結構縫面，反而不可避免地對原有結構造成極大損傷。因此，改造一機一縫結構的方案除工程投資大、施工難度高、占用周期長，即使單從結構安全的角度分析，也是弊遠大于利。

（2）加厚樓板和增加邊墻約束方案分析。

加厚樓板方案的出發(fā)點是考慮到樓板的豎向振動響應值較大，希望通過加厚樓板來增加其豎向剛度。增加邊墻約束方案，是考慮到主廠房結構的一階振型為廠房長軸方向的平動，擬通過改造上、下游側邊柱、邊梁為實體混凝土邊墻并增加與圍巖的錨固連接，來增加主廠房結構水平剛度，加強對結構邊界的約束，提高廠房自振頻率、改善振型模態(tài)，利用圍巖和新增混凝土限制和吸納部分機組振動，以達到減小廠房結構動力響應的目的。

但是，通過有限元模擬計算進行加固改造效果分析，雖然這些措施能夠對結構振動特性的某一方面有所改善，但同時也導致廠房結構動力響應相對原結構有所改變和重新分布，而產生新的問題。

復核計算表明，加厚樓板的方案，由于大面積增加樓板厚度，增加了現(xiàn)有梁和柱承擔的荷載，造成發(fā)電機層主次梁的承載力不足。此外，如何保證新舊混凝土結合面在振動荷載長期影響下的黏接牢靠，尚缺乏可靠的工程經驗，假如在新舊混凝土結合面產生裂縫則會造成嚴重的負面影響，且補救措施非常困難。

4.3 加固處理原則和目標

前面的分析說明，在選擇加固處理方案時，除了考慮可能的加固改造效果、施工難度、投資費用等因素外，鑒于廣蓄電廠已建成運行和A廠結構的特殊復雜性，對廠房的加固處理需要遵循安全適度原則，在滿足安全要求的前提下，應盡量降低對原有結構造成的損傷，不要過度加重原有廠房結構負擔。

由于廠房現(xiàn)狀結構和電廠運行條件的限制，各種后期加固方案均難以全面系統(tǒng)地大幅度提高廠房整體抗振性能，加固處理的目標，應重點放在修復補強混凝土結構缺陷，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(fā)展。

推薦實施的加固處理方案，對施工縫附近、吊物孔周邊以及有裂縫的構件進行了補強修復處理。處理范圍根據(jù)結構檢測、原型振動試驗和靜動力計算結果進行綜合分析后確定，對發(fā)電機層和中間層混凝土強度偏低、動力響應較大及出現(xiàn)裂縫的所有梁，采用粘貼碳纖維布進行補強修復。碳纖維布抗拉強度和疲勞強度高，而且重量輕，基本不增加原結構荷載，能粘貼于各種形狀的結構表面，與原構件形成整體共同工作，與所確立的加固處理原則相吻合。施工過程中對原結構和設備擾動較小，施工方便，實施過程較為順利。

4.4 梁側補強加固

針對結構所進行的全面檢測發(fā)現(xiàn)，梁的兩側面裂縫數(shù)量遠比底部多，尤其是在孔洞邊等側向剛度較小的梁側面上裂縫密集出現(xiàn)，對于以承受豎向荷載為主的廠房結構，表面看起來有些反常。但分析現(xiàn)場測試和有限元計算成果均發(fā)現(xiàn)，某些部位梁上不存在明顯的中和軸，梁橫截面中部的動應力并不明顯小于梁截面底部動應力，在設備啟動階段，個別梁甚至出現(xiàn)中上部接近樓板底部的沖擊應變反應甚至大于梁底的沖擊應變反應。也就是說，在廠房振動荷載作用下，梁內由于水平向彎曲或拉壓而在兩側面產生附加的動拉應力，對發(fā)電機層施工縫、吊物孔附近梁進行細致分析，計算出的水平彎矩值為0.5～26.1kN·m。而原來梁側配筋僅按常規(guī)構造配筋，腰筋數(shù)量明顯不足，使得梁兩側更容易出現(xiàn)裂縫；梁底雖然也承受附加的動拉應力，但底部配置的鋼筋數(shù)量均足夠且留有裕度，抑制了裂縫的產生。

這一分析，既對裂縫分布現(xiàn)象做出了合理的解釋，同時也提示了加固處理需要關注的重點。為此，在需要處理的梁兩側，除采用縱向碳纖維布和U形箍外，還隔一定距離設置了鋼箍板和鋼肋板與樓板連接，充分利用樓板水平向剛度大的特點，增加梁構件側向（水平向）剛度和抗彎拉、抗疲勞能力。

5 結束語

（1）本項目為國內首次對運行中的大型抽水蓄能電站進行結構綜合評價和大規(guī)模的結構加固處理研究，涉及因素復雜，技術難度大。通過多家專業(yè)機構開展多學科專業(yè)協(xié)作，對于復雜特殊條件下的結構加固處理，提出了合理可行的解決方案，研究成果得到了有關專家的肯定，對于類似工程的廠房結構抗振設計及已建工程的加固處理具有借鑒意義。

（2）為評價廠房結構加固后的質量和效果，保障廠房長期的安全正常運行，建議在廣蓄A廠布置一套結構健康安全監(jiān)測系統(tǒng)進行連續(xù)監(jiān)測，通過實際監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)定期進行廠房結構性能評估，及時了解可能出現(xiàn)的異常情況，提前發(fā)出預警信號并制定合理的應對方案，這是保證電站穩(wěn)定安全運行的另一項重要措施。

（3）由于土建結構的各種加固方式受到客觀條件和施工技術的制約，并會對電廠的生產運行產生較大影響，因此，在工作過程中也對改善主廠房結構抗振性能的其他途徑進行了一些探討。如從結構耗能的角度，能否在主廠房合適的地方安裝黏彈性阻尼器來減少結構的受力和動力響應，以達到改善結構抗振性能的目的。但抽水蓄能電站廠房的振動是頻率較高、動力響應較小的振動，黏彈性阻尼器的實用性尚有待研究。建議今后與阻尼器設計生產廠家溝通，研究黏彈性阻尼器應用于機組和混凝土結構的可行性、適用部位和設計參數(shù)的選取。

[1] 廣州抽水蓄能電站A廠主廠房結構評價和加固改造方案研究專題報告[R].廣州：廣東省北利電力勘察設計院.2011.Special Report on Structural Evaluation and Reinforcement Scheme of Main Building of A Station of GPSPS[R].Guangzhou：Guangdong Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute.2010.

[2] 廣州抽水蓄能電站A廠結構綜合評價和加固方案初步設計報告[R].廣州：廣東省水利電力勘察設計院.2012.Report on Structural Evaluation and Reinforcement Design of Main Building of A Pumped Storage Power Station in Guangzhou[R].Guangzhou ：Guangdong Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute.2012.

[3] 徐麗，等.廣州蓄能水電廠 A 廠振動測試報告[R].廣州大學，2010.XU Li，Etc.Vibration Test Analysis Report of Main Building of A Station of GPSPS，Research Center of Engineering Vibration Control[R].Guangzhou ：Guangzhou University，2010.

[4] 武漢大學.廣州蓄能水電廠廠房結構振動試驗[R].2011.Wuhan University.Vibration Test of Powerhouse of Guangzhou Energy Storage Hydropower Plant[R].2011.

[5] 武漢大學.廣州抽水蓄能水電站A廠房結構檢測報告[R].2011.Wuhan University.Test Report on A Workshop Structure of Guangzhou Pumped Storage Hydropower Station[R].2011.

[6] 王俊紅，黃勇.廣蓄二期工程地下廠房結構振動研究及減振措施 [J].水力發(fā)電，2001.WANG Junhong，HUANG Yong.Study on Structural Vibration of Underground Powerhouse and Vibration Reduction Measures of two Phase of Guang Yu Storage [J].Hydraulic Power，2001.

2017-06-05

2017-07-15

黃 勇（1967—），男，高級工程師，從事水工設計工作。E-mail：huang.y@gpdiwe.com

Research and Reflection on Comprehensive Evaluation and Reinforcement of A Storage plant in GPSPS

HUANG Yong1，HUA Pilong2，SONG Yile3
（1.Guangdong Institute of water conservancy and electric power planning，survey and design，Guangzhou 510635，China ；2.CSG Power generation company Maintenance and Test Center，Guangzhou 510630，China; 3.School of civil engineering and architecture，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Aiming at the cracks part of the structure of the A plant of Guangzhou Pumped Storage，solve complicated technical problems through professional multi-disciplinary cooperation，make the analysis and evaluation of the existing building structure safety and vibration performance，put forward the reasonable and feasible reinforcement scheme; the field data and the finite element method combining the inversion correction calculation model follow the safety reinforcement; the principle of proportionality，focus on strengthening concrete structure defects in the repair，increase the reserve strength of anti vibration and anti fatigue，limit the development of structural cracks.

underground powerhouse; safety assessment;reinforcement; vibration testing; finite element calculation

TV32

A學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.009