水口电站主厂房裂缝成因探析

朱艳华

（福建水口发电有限公司，福建福州350800）

1 工程概况

水口水电站位于闽江干流中段，上游距南平市94 km，下游距福州市84 km。水口电站属一等工程，枢纽由混凝土重力坝、坝后式厂房、一线三级船闸、一线垂直升船机、220 kV开关站、500 kV升压站等组成。混凝土重力坝最大坝高101 m，总装机容量1400 MW，担任福建电网基荷、调频、调峰和事故备用等任务。水口水电站发电引水系统和厂房位于左岸坝后，为坝后式半封闭厂房，内装7台200 MW的轴流转浆式水轮发电机组。装配场位于主厂房左侧，副厂房分别设在主厂房上、下游侧，主变压器布置在厂坝间的上游副厂房顶。地震设防烈度7度。电站已投产10年，2007年3月检查发现，1～7号所有机组段的发电机层楼板、排架柱以及牛腿与楼板接触处等出现较多裂缝，对水电站的运行构成了安全隐患。本文主要根据裂缝检测结果，结合建筑物结构特性与荷载情况，对裂缝进行成因分析。

2 主厂房裂缝主要分布情况

采用现场照相、图像校正和描绘方法，获得裂缝分布。对宽度相对较大的裂缝，采用数字近景摄影测量的方法量测裂缝宽度。对宽度小于2 mm的裂缝，采用刻度放大镜量测裂缝宽度。采用现代先进的钢筋混凝土无损检测手段——超声波检测仪，通过对构筑物裂缝的现场检测，获得裂缝的深度分布规律。典型平面布置如图1，星号为测点。

图1 发电机层示意图Fig.1 Layout of the generator floor

2.1 1～7号机组发电机层楼板裂缝

1号、2号、3号、4号及7号机组裂缝分布较多，其中1号机组裂缝分布最多，6号机组裂缝分布最少。裂缝主要分布方向为沿着机组圆心点的径向分布、顺河向分布及横河向分布；裂缝宽度范围为0～1.5 mm；裂缝分布深度范围为0～146 mm。以1号机组为例，1号机组发电机层楼板裂缝大部分都是沿着机组圆心点的径向分布，部分沿着切向分布，位于上游侧并与2号机组靠近的部位存在部分顺河向分布裂缝，与安装场靠近的部位存在小部分斜河向裂缝。通过现场观测，对其中宽度大于0.2 mm和长度较大的7条裂缝（见图2中深色标记线）进行了宽度、深度和长度量测，量测结果见表1。

图2 1号发电机层楼板裂缝示意图Fig.2 Cracks of the generator floor of 1#generating unit

表1 1号机组部分明显裂缝特性表Table 1:Characteristics of apparent cracks of the unit 1

2.2 下游排架柱与发电机层楼板主梁连接部位裂缝

（1）下游排架柱与发电机层楼板主梁连接部位的裂缝主要表现为楼板主梁与下游排架柱II期与I期混凝土的连接部位出现了裂缝，几乎所有下游排架柱与楼板主梁新老混凝土的接触部位都出现了这种裂缝。裂缝的宽度范围为1.0～10.2 mm，裂缝最大宽度出现的位置为4号机组2号排架柱2面与楼板主梁新老混凝土的接触部位，2～4号机组的宽度较大，1号、5号、6号及7号机组相对较小，其中1号机组最小。裂缝整体沿厂房轴线方向贯穿排架柱，深度为1500 mm。

（2）下游排架柱与发电机层楼板主梁连接部位的裂缝还表现为下游排架柱牛腿出现了斜缝，斜缝的宽度范围为0～10.0 mm,最大宽度裂缝出现在6号机组2号排架柱2面的牛腿上；裂缝深度范围为0～100.2 mm，最大深度裂缝分别出现在2号及3号机组1号排架柱2面的牛腿上。

（3）下游排架柱与发电机层楼板主梁连接部位的裂缝还表现为发电机层楼板主梁出现了斜缝，斜缝的宽度范围为0～4.0 mm,最大宽度裂缝出现在2号机组3号排架柱2面的发电机层楼板主梁上；裂缝深度范围为0～50.1 mm，最大深度裂缝出现在2号机组3号排架柱2面的发电机层楼板主梁上。

2.3 下游排架柱及下游侧墙与楼板接触处部位裂缝

1～7号机组下游排架柱与发电机层楼板接触部位裂缝皆属表层抹灰开裂，而排架柱与楼板接触部位本身的混凝土结构并未开裂。

3 构件裂缝成因初步分析

3.1 厂房发电机层楼板裂缝

（1）厂房各台机组发电机层楼板都存在沿着机组圆心的径向分布裂缝，该类型裂缝的主要成因是机组运行振动引起环向拉应力大于混凝土的抗拉强度（该抗拉强度为疲劳抗拉强度），其中，1号机组楼板裂缝沿着机组圆心的径向分布条数最多，这主要是由于1号机组投产最早、运行时间最长，振动引起的楼板混凝土疲劳损伤累积最大。

（2）厂房各台机组径向分布的裂缝随着远离机组圆心而减少。分析其原因，应是离机组圆心越近，机组运行振动对楼板混凝土的结构影响越大。

（3）厂房楼板裂缝在每台机组靠近上游往右岸方向（面向下游）一侧明显多于其它部位。通过分析结构设计资料，发现每台机组靠近上游往右岸方向的楼板配筋率小于其它部位，且机组垂直向中轴线也相对偏向右岸，因此机组振动对该部分楼板混凝土影响大于其它位置，从而产生上述裂缝分布。

（4）厂房楼板振动检测表明[6]，所有测点中最大振动分量除少部分为100 Hz及50 Hz外，大多数都是42.81～42.88 Hz，可见42.81～42.88 Hz的振动与厂方楼板振动密切相关。根据水电站厂房振动振源分析理论及经验，水口电站可能出现的振源主要有机械、水力和电磁振源，相应的振动频率范围如下：

①机械振源主要为额定转频：fn=1.785 Hz；

②水力振源有：尾水管低频涡带振动：f=fn/（3～6）=0.595～0.2975 Hz；尾水管中频涡带振动：f=（0.8～1.2）fn=1.428～2.242 Hz；空化诱发振动：高频300～600 Hz；转轮叶片数振动：f=Zrfn=6×1.785=10.71 Hz；导叶后脉动压力振动：f=Zgfn=24×1.785=42.84 Hz；导叶后的卡门涡旋振动：30 Hz左右；

③电磁振源一般为50 Hz及其倍频。

可以看出，42.81～42.88 Hz的振频与机组导叶频率一致，因此厂房楼板振动应与水轮机导叶后水力激振引起的压力脉动，即蜗壳水流脉冲压力有关。

（5）厂房发电机层楼板相对于工程竣工时楼板完整无裂缝的状态而言，目前出现了不同程度的裂缝，深度范围为0～146 mm＜500 mm（厂房发电机层楼板的厚度），说明目前厂房楼板裂缝未贯通，但机组的持续运行将使发电机层楼板混凝土强度进一步减小，这将对厂房的后续安全运行造成不利影响。

3.2 下游排架柱与发电机层楼板混凝土主梁间裂缝

（1）下游排架柱与发电机层楼板混凝土主梁之间的裂缝主要表现为I期与II期新老混凝土之间的接触裂缝，该部分裂缝的出现主要由排架柱与楼板混凝土主梁间相互错动拉开所致，从上游排架柱与楼板未出现明显裂缝来判断，该错动可能主要由下游排架柱出现沉降或往下游方向移动引起。

（2）部分发电机层楼板主梁上出现的斜向裂缝，主要是由于发电机层楼板主梁II期混凝土及下游排架柱I期混凝土构件之间相互错动，引起发电机层楼板主梁上的端部应力集中，导致结构拉应力大于混凝土的抗拉强度，产生裂缝。

（3）在下游排架柱牛腿上出现的斜向裂缝，则是由于发电机层楼板主梁II期混凝土及下游排架柱I期混凝土构件之间相互错动，引起了排架柱牛腿混凝土保护层出现拉裂缝。

3.3 下游侧墙与楼板接触部位的裂缝

下游侧墙与楼板接触部位的裂缝，主要是表面抹灰出现了裂缝，原因是下游侧墙与排架柱连接的部位为直角连接，该直角连接部位的表面抹灰容易在自重情况下出现干缩脱落而出现表面裂缝；同时下游侧墙可能的沉降或向下游移动也容易引起表面抹灰出现裂缝，而目前下游侧墙这种可能的沉降或向下游移动，还没有造成侧墙及楼板接触部位的混凝土出现裂缝。

4 结语

（1）蜗壳水流脉冲压力及机组机械振动是引起厂房结构位移和应力动力响应的主要动荷载，建议在发电机层楼板上设置减震措施来减少蜗壳水流脉冲及机组机械振动对楼板变形及稳定的不利影响。

（2）下游排架柱与发电机层楼板主梁连接部位裂缝，最可能原因为下游排架柱出现沉降或往下游方向移动；下游侧墙与楼板接触部位的裂缝，与该部位直角连接及表面抹灰的自重和干缩作用有关。

（3）建议采取合理的监测措施，跟踪发电机层楼板主梁、排架柱牛腿的斜向裂缝及I期和II期新老混凝土接触缝的状态，必要时进行合理加固，以预测和预警裂缝的变化状态，确保厂房的正常安全运行。■

[1]罗先启，张振华.水口水电站厂房混凝土构件裂缝检测及裂缝成因初步分析报告[R].2009.

[2]福建水口水力发电有限公司.水口水力发电厂厂房结构施工图图册[R].1995.

[3]赵国藩，袁群，张涛.福建水口水电厂4号机楼板梁结构安全分析及补强加固研究报告[R].大连理工大学土木系结构研究室，1998.

[4]陕西省建筑科学研究设计院，同济大学.超声法检测混凝土缺陷技术规程[M].中国工程建设标准化协会，2000.

[5]陈丽霞，文恒武.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[6]福建省电力试验研究院.福建水口发电有限公司水口水电厂厂房楼板振动试验报告[R].2008.