水口電站主廠房裂縫成因探析

朱艷華

（福建水口發電有限公司，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，擔任福建電網基荷、調頻、調峰和事故備用等任務。水口水電站發電引水系統和廠房位于左岸壩后，為壩后式半封閉廠房，內裝7臺200 MW的軸流轉漿式水輪發電機組。裝配場位于主廠房左側，副廠房分別設在主廠房上、下游側，主變壓器布置在廠壩間的上游副廠房頂。地震設防烈度7度。電站已投產10年，2007年3月檢查發現，1～7號所有機組段的發電機層樓板、排架柱以及牛腿與樓板接觸處等出現較多裂縫，對水電站的運行構成了安全隱患。本文主要根據裂縫檢測結果，結合建筑物結構特性與荷載情況，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，通過對構筑物裂縫的現場檢測，獲得裂縫的深度分布規律。典型平面布置如圖1，星號為測點。

圖1 發電機層示意圖Fig.1 Layout of the generator floor

2.1 1～7號機組發電機層樓板裂縫

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，量測結果見表1。

圖2 1號發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 下游排架柱與發電機層樓板主梁連接部位裂縫

（1）下游排架柱與發電機層樓板主梁連接部位的裂縫主要表現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）下游排架柱與發電機層樓板主梁連接部位的裂縫還表現為下游排架柱牛腿出現了斜縫，斜縫的寬度范圍為0～10.0 mm,最大寬度裂縫出現在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）下游排架柱與發電機層樓板主梁連接部位的裂縫還表現為發電機層樓板主梁出現了斜縫，斜縫的寬度范圍為0～4.0 mm,最大寬度裂縫出現在2號機組3號排架柱2面的發電機層樓板主梁上；裂縫深度范圍為0～50.1 mm，最大深度裂縫出現在2號機組3號排架柱2面的發電機層樓板主梁上。

2.3 下游排架柱及下游側墻與樓板接觸處部位裂縫

1～7號機組下游排架柱與發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構并未開裂。

3 構件裂縫成因初步分析

3.1 廠房發電機層樓板裂縫

（1）廠房各臺機組發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最多，這主要是由于1號機組投產最早、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構影響越大。

（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）一側明顯多于其它部位。通過分析結構設計資料，發現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。根據水電站廠房振動振源分析理論及經驗，水口電站可能出現的振源主要有機械、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；空化誘發振動：高頻300～600 Hz；轉輪葉片數振動：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。

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

3.2 下游排架柱與發電機層樓板混凝土主梁間裂縫

（1）下游排架柱與發電機層樓板混凝土主梁之間的裂縫主要表現為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明顯裂縫來判斷，該錯動可能主要由下游排架柱出現沉降或往下游方向移動引起。

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

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

3.3 下游側墻與樓板接觸部位的裂縫

下游側墻與樓板接觸部位的裂縫，主要是表面抹灰出現了裂縫，原因是下游側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干縮脫落而出現表面裂縫；同時下游側墻可能的沉降或向下游移動也容易引起表面抹灰出現裂縫，而目前下游側墻這種可能的沉降或向下游移動，還沒有造成側墻及樓板接觸部位的混凝土出現裂縫。

4 結語

（1）蝸殼水流脈沖壓力及機組機械振動是引起廠房結構位移和應力動力響應的主要動荷載，建議在發電機層樓板上設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定的不利影響。

（2）下游排架柱與發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沉降或往下游方向移動；下游側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。

（3）建議采取合理的監測措施，跟蹤發電機層樓板主梁、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，必要時進行合理加固，以預測和預警裂縫的變化狀態，確保廠房的正常安全運行。■

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

[2]福建水口水力發電有限公司.水口水力發電廠廠房結構施工圖圖冊[R].1995.

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

[4]陜西省建筑科學研究設計院，同濟大學.超聲法檢測混凝土缺陷技術規程[M].中國工程建設標準化協會，2000.

[5]陳麗霞，文恒武.回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

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