广州抽水蓄能电站A厂结构综合评估与加固处理研究与思考

黄 勇，华丕龙，宋一乐

（1.广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东省广州市 510635；2.调峰调频发电公司检修试验中心，广东省广州市 510630；3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北省武汉市 430072）

广州抽水蓄能电站A厂结构综合评估与加固处理研究与思考

黄 勇1，华丕龙2，宋一乐3

（1.广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东省广州市 510635；2.调峰调频发电公司检修试验中心，广东省广州市 510630；3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北省武汉市 430072）

针对广州抽水蓄能水电厂A厂部分结构出现的裂缝问题，通过多学科专业协作解决特殊复杂技术问题，对厂房现有结构安全和振动性能做出分析评估，提出合理可行的加固处理方案；将现场实测数据与有限元计算方法相结合，对计算模型进行反演修正；加固处理遵循安全适度原则，重点在修复补强混凝土结构缺陷，增加抗振和抗疲劳的强度储备，限制结构裂缝的发展。

地下厂房；安全评估；加固处理；振动测试；有限元计算

1 概况

水电站厂房由于其结构特点和功能需要，运行中的振动问题较为普遍，尤其是抽水蓄能电站因为具有高水头、高转速、双向运转、过渡过程复杂等特点，其机组周围混凝土支撑结构的受力和振动问题越来越受到水电站设计和运行单位的关注和重视。

广州抽水蓄能电站是我国第一座高水头、大容量纯抽水蓄能电站，装机容量2400MW，分为A、B两个厂房，各装机1200MW，A厂于1994年竣工投产。限于当年的认识和经验不足，没有成熟的规范参考，A厂主厂房各层楼板、梁、柱的结构形式和尺寸均按照常规水电站进行设计。经多年运行，在A厂主厂房的发电机层、中间层施工分缝处及附近部分梁、板出现了一些裂缝，倍受关注，对裂缝成因众说纷纭。因此广州蓄能水电厂委托广东省水利电力勘测设计研究院作为牵头单位，联合武汉大学、广州大学、中国水利水电科学研究院等多家专业机构开展专项研究，目的是对A厂主厂房现有结构安全和振动性能做出分析评估，对厂房整体结构全面加固改造的必要性和可行性进行论证，并提出实施处理方案。

研究成果专题报告和初步设计报告分别于2011年2月和2012年7月通过了由谭靖夷、陈厚群和罗绍基院士等组成的专家组评审。根据研究成果和制定的加固处理措施，电厂于2008年9月～2009年3月和2014年2月～2015年9月分两次对A厂实施了补强加固处理。

2 研究工作总体思路

针对广州抽水蓄能水电厂A厂的具体情况，结合国内外厂房结构振动研究动态和广蓄、惠蓄等电站厂房减振抗振设计的经验教训，拟订总体工作思路为：

（1）通过现场测试，考察A厂主厂房的振源情况，整体及结构受损局部部位的振动特性和振动反应；测试施工缝、结构缝对不同机组段振动传播的影响。

（2）建立A厂主厂房结构计算模型，并利用现场测试成果对计算模型的有关参数进行修正使之尽量符合实际。利用修正后的模型进行各种设计工况的静动力计算分析，对于各种不同的加固改造方案进行模拟计算分析。

（3）根据现场测试、结构检测成果和计算分析成果对现有厂房振动安全性进行评价，论证厂房结构加固改造的必要性。

（4）研究各种不同的结构加固方案及其可行性，利用计算模型分析其对厂房抗振性能的影响，并通过综合比选提出加固改造实施方案。

高水头抽水蓄能电站的振动问题，涉及土建结构、机组设备、过渡过程及运行调度等各种因素，鉴于研究对象的复杂性和专业性，参与研究的除电厂和设计单位外，也有在振动测试、模拟计算以及结构检测等方面的专业机构，按照总体工作大纲分工合作，相互对照印证，并广邀国内专家进行咨询研讨，力求为客观理性地进行厂房结构综合评估奠定坚实的基础。

3 主要研究内容和技术特色

3.1 主要研究内容

（1）主厂房结构振动测试。

对厂房振源及振动响应（包括加速度反应、动态应变与动态位移响应）进行现场测试，分析得到振源频率成分及来源，给出厂房结构在机组开停机及稳态运行各阶段结构的直观反应分布规律，进行了结构致损振源及成因分析，结构缝与施工缝对振动传播的影响分析，厂房结构振动性能评定。

对厂房整体结构进行了模态测试及分析，得到厂房结构自振频率及相应模态，与有限元计算分析结果相对比，提供模型修正依据。

为进行对比分析，除对A厂进行了全面的振动测试外，还补充了B厂结构动力特性试验，选择其一个机组段进行了模态试验。

（2）主厂房结构静动力分析。

通过建立1号和2号机组、3号和4号机组的三维有限元数值模型，对A厂现有结构进行静力、动力分析评估，包括结构动力特性研究（频率、振型等）和结构动力响应计算（动应力、动位移及动加速度等）；在此基础上，研究厂房整体结构进行全面加固改造，提高厂房抗振性能的可行性。

（3）厂房结构检测。

对主厂房各层结构进行了全面检测，包括构件尺寸、变位，混凝土裂缝的分布情况，混凝土强度、碳化深度检测、保护层厚度等。

（4）主厂房结构安全与振动综合评价。

整理和分析对主厂房现状结构的检测、振动测试和有限元动力计算等成果，结合对主厂房现状结构进行的静力计算复核以及构件疲劳验算成果，分析主厂房结构裂缝的成因，对主厂房结构的安全性及其振动性能进行综合评价。

（5）全面深入地对主厂房结构加固方案进行综合比较。

结合多次现场调查情况、结构检测、测试、计算分析对比和专家咨询意见，对多种加固方案进行了研究，经筛选后集中对一机一缝改造方案、加厚楼板方案、增加混凝土边墙方案、梁柱加大改造方案和梁板补强修复方案进行了初步设计和综合比较，提出切实可行的加固处理解决方案。

3.2 技术特色

（1）依靠专业协作，将现场实测数据与有限元计算方法相结合，取长补短。

厂房结构振动实测是一项投入较大的工作，既需要大量的资金、设备与人员支撑，同时还要有合理可靠的试验方案，其中测试点的选择是一个关键因素。试验测点应该是少而精，为此除了经验判断，还要有合理的依据。在进行试验方案规划时，项目利用了有限元计算方便的特征，先整体分析了厂房结构的动力特性，找出了厂房结构的薄弱点和最能反映结构振动特性的基本点，再反复推敲调整厂房结构试验监测点的布置，保证了现场实测时用有限的测量点能够捕捉和表现厂房结构实际的受力特征。

有限元方法具有模拟方便、计算结果全面、精度高等优点，但计算假设可能与实际情况有出入，有时不能正确模拟复杂模型的实际边界条件；而现场试验不需要对测量对象作任何假设，实测结果可以真实反应结构的实际受力状况，特别是结构振动响应的测量精度是有限元计算结果无法超越的，但是实测除了准备难度较大以外，测量结果只能反应局部测点的实际情况，还需要借助有限元分析结果才能较好地评估厂房整体结构状况。因此采用现场实测与有限元计算两种方法同步进行，两者之间互补可以获得更加科学的分析结果。

（2）采用反演方法处理结构的边界条件。

有限元计算的精确性与计算模型的边界条件密切相关，常规处理方法一般引入一些假设，然而由于实际施工和其他因素影响，广蓄A厂楼板、边梁、边柱以及母线洞交叉口等部位与围岩的接触情况极其复杂多变，混凝土边柱、边梁有些紧贴岩壁浇筑，有些由于超挖较大而与围岩分开，模型中的边界条件以及施工缝如何模拟是工作的难点和重点。为此计算时先根据常规方式假设边界条件进行初步分析，得到有限元计算结果后与现场实际测试的结果进行比较，分析两者的差异再根据实测值对计算条件进行修正，如此反复，通过多次计算反演，使计算模型能够尽量反映厂房结构实际状况。

（3）注重实测数据统计分析，对局部构件裂缝、损伤进行细致分析。

对于结构检测所展示的裂缝分布情况进行了大量的统计分析工作，细致到梁侧和梁底的裂缝差异、施工缝平行方向和垂直方向受损情况的不同等，并进一步指导和细化有限元计算工作。对部分有代表性的损伤构件进行了单独计算，分析时既考虑了构件自身单独的受力状况，又综合考虑了该构件在厂房整体结构中的作用，分析其缺陷对整体结构安全的影响，同时也为这些构件的加固补强提供量化依据。

（4）对于复杂特殊条件下的结构加固处理，通过综合比选提出科学合理的解决方案。

由于电站已运行多年，进行结构加固处理需要充分考虑电站安全稳定运行要求和既有的约束条件，才能切实可行。对各家协作机构提交的大量成果，通过全面深入的对比、统计和分析工作，对厂房结构从强度、刚度、疲劳、振动等多方面进行综合评估；对各种加固途径和措施，从结构改善及减振效果、施工难度、对原结构和电厂运行影响、投资费用等多方面进行综合比较后，提出推荐实施方案。

4 加固处理方案选择与思考

4.1 结构安全与振动性能的综合评价

根据振动测试、结构整体静动力计算、构件疲劳验算成果，以及对主厂房结构进行的全面检测，经综合分析，A厂主厂房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；厂房结构与机组强迫振动不存在共振的问题。结构裂缝的出现，与施工缝设置及振动作用、结构的构造配筋以及混凝土施工缺陷等因素均有关系，但裂缝尚未对结构的安全造成明显的影响。除少数梁、板外，大多数构件的裂缝宽度仍低于规范规定的数值，尚没有影响结构的正常使用。

但是，A厂主厂房结构的确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。由于振动损坏是一个长期的过程，随着时间的推移，裂缝和损伤还有可能进一步发展，因此，需要研究考虑合适的加固处理措施加以解决或有所改善，这既是研究工作的目标，也是贯穿始终需要思考的重点。

4.2 不同加固方案利弊分析

从广蓄B厂开始，国内抽水蓄能电站结构减振抗振设计开始进行探索研究，并积累了一些行之有效的措施和做法，但是这些做法能否适用于已建成运行的广蓄A厂结构，还需要做具体分析。

（1）一机一缝改造方案分析。

广蓄A厂主厂房结构原设计为两机一缝，施工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，因此，实际的厂房结构既非纯粹的两机一缝、也非一机一缝。针对结构分缝所进行的现场动力反应测试表明，施工缝两侧结构既有一定联系，能够进行振动传播，又有相对位移，分缝处联系不紧密，成为结构薄弱环节，对厂房整体性产生不利影响；而结构缝的隔振性能好于施工缝。因此，如能将厂房结构改造为完全的一机一缝，从减少相邻机组段的相互影响和冲击的角度来看是有利的。

此方案要求把各层施工缝处柱的牛腿切开，增加梁柱形成双梁双柱，这首先需要把施工缝附近已布置的电缆桥架、水机管路、管母线等设备进行拆卸、临时放置、再回装，在此过程中，两台机组需全面停产；在新增梁柱完成之前，该侧楼板和梁需由下至上进行竖向临时支撑，涉及的加固工艺非常复杂，施工难度和风险极大。现有结构空间尺寸难以满足双梁双柱的布置要求，而且对梁挑耳、柱牛腿等钢筋混凝土结构进行切割，难以形成平整均匀的结构缝面，反而不可避免地对原有结构造成极大损伤。因此，改造一机一缝结构的方案除工程投资大、施工难度高、占用周期长，即使单从结构安全的角度分析，也是弊远大于利。

（2）加厚楼板和增加边墙约束方案分析。

加厚楼板方案的出发点是考虑到楼板的竖向振动响应值较大，希望通过加厚楼板来增加其竖向刚度。增加边墙约束方案，是考虑到主厂房结构的一阶振型为厂房长轴方向的平动，拟通过改造上、下游侧边柱、边梁为实体混凝土边墙并增加与围岩的锚固连接，来增加主厂房结构水平刚度，加强对结构边界的约束，提高厂房自振频率、改善振型模态，利用围岩和新增混凝土限制和吸纳部分机组振动，以达到减小厂房结构动力响应的目的。

但是，通过有限元模拟计算进行加固改造效果分析，虽然这些措施能够对结构振动特性的某一方面有所改善，但同时也导致厂房结构动力响应相对原结构有所改变和重新分布，而产生新的问题。

复核计算表明，加厚楼板的方案，由于大面积增加楼板厚度，增加了现有梁和柱承担的荷载，造成发电机层主次梁的承载力不足。此外，如何保证新旧混凝土结合面在振动荷载长期影响下的黏接牢靠，尚缺乏可靠的工程经验，假如在新旧混凝土结合面产生裂缝则会造成严重的负面影响，且补救措施非常困难。

4.3 加固处理原则和目标

前面的分析说明，在选择加固处理方案时，除了考虑可能的加固改造效果、施工难度、投资费用等因素外，鉴于广蓄电厂已建成运行和A厂结构的特殊复杂性，对厂房的加固处理需要遵循安全适度原则，在满足安全要求的前提下，应尽量降低对原有结构造成的损伤，不要过度加重原有厂房结构负担。

由于厂房现状结构和电厂运行条件的限制，各种后期加固方案均难以全面系统地大幅度提高厂房整体抗振性能，加固处理的目标，应重点放在修复补强混凝土结构缺陷，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。

推荐实施的加固处理方案，对施工缝附近、吊物孔周边以及有裂缝的构件进行了补强修复处理。处理范围根据结构检测、原型振动试验和静动力计算结果进行综合分析后确定，对发电机层和中间层混凝土强度偏低、动力响应较大及出现裂缝的所有梁，采用粘贴碳纤维布进行补强修复。碳纤维布抗拉强度和疲劳强度高，而且重量轻，基本不增加原结构荷载，能粘贴于各种形状的结构表面，与原构件形成整体共同工作，与所确立的加固处理原则相吻合。施工过程中对原结构和设备扰动较小，施工方便，实施过程较为顺利。

4.4 梁侧补强加固

针对结构所进行的全面检测发现，梁的两侧面裂缝数量远比底部多，尤其是在孔洞边等侧向刚度较小的梁侧面上裂缝密集出现，对于以承受竖向荷载为主的厂房结构，表面看起来有些反常。但分析现场测试和有限元计算成果均发现，某些部位梁上不存在明显的中和轴，梁横截面中部的动应力并不明显小于梁截面底部动应力，在设备启动阶段，个别梁甚至出现中上部接近楼板底部的冲击应变反应甚至大于梁底的冲击应变反应。也就是说，在厂房振动荷载作用下，梁内由于水平向弯曲或拉压而在两侧面产生附加的动拉应力，对发电机层施工缝、吊物孔附近梁进行细致分析，计算出的水平弯矩值为0.5～26.1kN·m。而原来梁侧配筋仅按常规构造配筋，腰筋数量明显不足，使得梁两侧更容易出现裂缝；梁底虽然也承受附加的动拉应力，但底部配置的钢筋数量均足够且留有裕度，抑制了裂缝的产生。

这一分析，既对裂缝分布现象做出了合理的解释，同时也提示了加固处理需要关注的重点。为此，在需要处理的梁两侧，除采用纵向碳纤维布和U形箍外，还隔一定距离设置了钢箍板和钢肋板与楼板连接，充分利用楼板水平向刚度大的特点，增加梁构件侧向（水平向）刚度和抗弯拉、抗疲劳能力。

5 结束语

（1）本项目为国内首次对运行中的大型抽水蓄能电站进行结构综合评价和大规模的结构加固处理研究，涉及因素复杂，技术难度大。通过多家专业机构开展多学科专业协作，对于复杂特殊条件下的结构加固处理，提出了合理可行的解决方案，研究成果得到了有关专家的肯定，对于类似工程的厂房结构抗振设计及已建工程的加固处理具有借鉴意义。

（2）为评价厂房结构加固后的质量和效果，保障厂房长期的安全正常运行，建议在广蓄A厂布置一套结构健康安全监测系统进行连续监测，通过实际监测、检测数据定期进行厂房结构性能评估，及时了解可能出现的异常情况，提前发出预警信号并制定合理的应对方案，这是保证电站稳定安全运行的另一项重要措施。

（3）由于土建结构的各种加固方式受到客观条件和施工技术的制约，并会对电厂的生产运行产生较大影响，因此，在工作过程中也对改善主厂房结构抗振性能的其他途径进行了一些探讨。如从结构耗能的角度，能否在主厂房合适的地方安装黏弹性阻尼器来减少结构的受力和动力响应，以达到改善结构抗振性能的目的。但抽水蓄能电站厂房的振动是频率较高、动力响应较小的振动，黏弹性阻尼器的实用性尚有待研究。建议今后与阻尼器设计生产厂家沟通，研究黏弹性阻尼器应用于机组和混凝土结构的可行性、适用部位和设计参数的选取。

[1] 广州抽水蓄能电站A厂主厂房结构评价和加固改造方案研究专题报告[R].广州：广东省北利电力勘察设计院.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] 广州抽水蓄能电站A厂结构综合评价和加固方案初步设计报告[R].广州：广东省水利电力勘察设计院.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] 徐丽，等.广州蓄能水电厂 A 厂振动测试报告[R].广州大学，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] 武汉大学.广州蓄能水电厂厂房结构振动试验[R].2011.Wuhan University.Vibration Test of Powerhouse of Guangzhou Energy Storage Hydropower Plant[R].2011.

[5] 武汉大学.广州抽水蓄能水电站A厂房结构检测报告[R].2011.Wuhan University.Test Report on A Workshop Structure of Guangzhou Pumped Storage Hydropower Station[R].2011.

[6] 王俊红，黄勇.广蓄二期工程地下厂房结构振动研究及减振措施 [J].水力发电，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

黄 勇（1967—），男，高级工程师，从事水工设计工作。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学科代码：570.25

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