水電站廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

郭冬云

摘要：水電站是水力發(fā)電的重要場(chǎng)所，廠房為其中必不可少的建筑物。為保證水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文圍繞水電站廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)展開(kāi)了分析，具體探討了某二級(jí)水電站廠房的抗震計(jì)算分析情況，以期可為其他項(xiàng)目提供可靠參考。

關(guān)鍵詞：水電站；廠房；結(jié)構(gòu)類(lèi)型；抗震設(shè)計(jì)

目前，隨著我國(guó)水電事業(yè)的發(fā)展，不少水電站廠房在修建時(shí)難以避開(kāi)地震帶，開(kāi)展抗震分析顯得尤為必要。在水電站廠房實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需選擇合適的方法進(jìn)行計(jì)算分析，切實(shí)提高結(jié)構(gòu)在面臨地震時(shí)的安全可靠性。

一、水電站廠房結(jié)構(gòu)類(lèi)型

水電站廠房結(jié)構(gòu)類(lèi)型眾多，根據(jù)其在水電站樞紐中位置與結(jié)構(gòu)特征，具體可分為3種基本類(lèi)型：

（一）壩后式廠房，此類(lèi)廠房位于攔河壩下游壩趾處，廠房與壩直接相連，發(fā)電用水穿過(guò)壩體引入廠房，如：丹江口水電站廠房、三峽水電站廠房；

（二）引水式廠房，此類(lèi)廠房不直接與壩相連，發(fā)電用水通過(guò)引水建筑物引入到廠房，若是廠房設(shè)置在河岸則稱(chēng)為是引水式地面廠房，如：錦屏二級(jí)水電站廠房、浙江湖南鎮(zhèn)水電站廠房；

（三）河床式廠房，此類(lèi)廠房處于河床中，自身也具有一定的擋水作用，若是廠房機(jī)組段設(shè)置有泄水道，則稱(chēng)為是泄水式廠房，混合式廠房，如：葛洲壩二江電廠廠房。

二、水電站廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

抗震設(shè)計(jì)是水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，方法眾多，現(xiàn)主要針對(duì)以下3種展開(kāi)介紹：

（一）擬靜力法，此方法主要是用等效靜荷載代替地震對(duì)建筑物作用，按照靜力計(jì)算方法計(jì)算建筑物地震反應(yīng)，此方法在大型工程種采用較少；

（二）反應(yīng)譜法，此方法是目前設(shè)計(jì)規(guī)范所依據(jù)的地震力理論，基于單自由度彈性體系在實(shí)際地震過(guò)程中的反應(yīng)，從現(xiàn)有地震記錄中尋找具備代表意義的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線(xiàn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線(xiàn)（圖1），再計(jì)算結(jié)構(gòu)物自振特性周期、振型、阻尼等，最后對(duì)各階振型地震荷載進(jìn)行計(jì)算、組合，獲得設(shè)計(jì)所需地震荷載，此方法不足為只能求得結(jié)構(gòu)各振型可能出現(xiàn)的最大值，無(wú)法求得最大值間相位關(guān)系；

（三）時(shí)程分析法，此方法主要是根據(jù)實(shí)測(cè)從工地震加速度記錄，對(duì)建筑物地震反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行直接計(jì)算，此計(jì)算模型可盡可能描述建筑物在地震作用下實(shí)際情況，充分考慮建筑物與基礎(chǔ)、水相互作用，可考慮材料非線(xiàn)性變形，但是計(jì)算工作量也相對(duì)較大。

在進(jìn)行水電站廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需從本地的實(shí)際情況出發(fā)合理選擇設(shè)計(jì)方法，滿(mǎn)足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全性要求。

三、案例分析

（一）工程概況

本文僅以某二級(jí)水電站地面廠房為例展開(kāi)分析，此廠房底板底面高程1749.85m，布置在Ⅰ級(jí)侵蝕階地上，地面高程1760.00～1772.00m，地形坡度10°～15°，階地上覆砂礫石層厚4～10m。據(jù)資料，水電站所在地區(qū)為強(qiáng)震區(qū)，地震烈度為8°，存在長(zhǎng)約23km的斷層，主副廠房基礎(chǔ)及高壓水道下平段均位于該斷層破碎帶及影響帶中。為確保發(fā)電廠房基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)合理有效，采用ANSYS軟件建立了靜動(dòng)力模型開(kāi)展分析。

（二）廠房抗震計(jì)算

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，場(chǎng)地屬不利地段，為從理論上驗(yàn)證廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的可靠性，重點(diǎn)對(duì)廠房基底應(yīng)力和各分段建筑物間的位移進(jìn)行了研究。

1、計(jì)算模型

根據(jù)廠房布置情況，采用ANSYS開(kāi)展模型的單元剖分。廠房結(jié)構(gòu)附近是斷層破碎帶，具有地基應(yīng)力擴(kuò)散、變形特點(diǎn)，地震波在模型邊界反射，模型在平行廠房軸線(xiàn)方向左右延伸140m，垂直廠房軸線(xiàn)向上下游各延伸100m。底面采用全部約束，四周采用水平約束。由此模型結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力在地基邊界以?xún)?nèi)已基本消除。計(jì)算模型連同地基共劃分出約36000個(gè)單元，其中廠房部分9056個(gè)單元，混凝土承臺(tái)1266個(gè)單元，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

2、計(jì)算參數(shù)

根據(jù)水電站壩址地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，電站廠址結(jié)構(gòu)計(jì)算中地震基本烈度取8度，相應(yīng)地震動(dòng)峰值加速度取218.29cm/s²，時(shí)間步長(zhǎng)取0.02s，同時(shí)輸入水平平行廠房軸線(xiàn)、水平垂直廠房軸線(xiàn)和豎向地震加速度，豎向地震加速度峰值取為水平向的2/3，并考慮耦合效應(yīng)。水電站廠房基礎(chǔ)材料有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

3、計(jì)算工況及結(jié)果分析

抗震計(jì)算考慮以下三種工況：

工況1：廠房直接座于斷層破碎帶上；

工況2：廠房基礎(chǔ)下僅加設(shè)混凝土承臺(tái)；

工況3：在廠房基礎(chǔ)下加設(shè)混凝土承臺(tái)，承臺(tái)下加設(shè)砂礫石墊層。

三種工況在地震作用下的相對(duì)位移和廠房底面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、3。

（1）廠房基礎(chǔ)下加設(shè)混凝土承臺(tái)后，廠房#1、#2兩機(jī)組段與#3、#4機(jī)組段間的位移大幅減小，在承臺(tái)下再加設(shè)砂礫石墊層，可使位移量進(jìn)一步減小。

（2）無(wú)論是否采取工程措施，除局部應(yīng)力集中部位外，廠房基礎(chǔ)底面的最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均小于地基的容許承載力。采用基礎(chǔ)下加設(shè)剛性平臺(tái)后，基礎(chǔ)底面應(yīng)力得到了適當(dāng)消減，混凝土承臺(tái)和砂礫石墊層均起到了很大的隔震作用，可減小廠房結(jié)構(gòu)在地震中被破壞的機(jī)率。

（三）抗震建議

根據(jù)上述計(jì)算與分析，本工程提出以下抗震建議：（1）調(diào)整平面布置，使廠房基礎(chǔ)均座于斷層下盤(pán)；（2）對(duì)廠房基坑采取封閉措施，防止巖石風(fēng)化和軟化；（3）加強(qiáng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在廠址區(qū)設(shè)計(jì)了區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性觀測(cè)系統(tǒng)，主要包括地震活動(dòng)性觀測(cè)、廠基滲透壓力監(jiān)測(cè)，位移補(bǔ)償器位移觀測(cè)、廠房建筑物變形觀測(cè)等項(xiàng)目。

四、結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，基于水利工程事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，水電站廠房抗震問(wèn)題受到各方高度關(guān)注，對(duì)此必須采用合理方法，如：擬靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法等，對(duì)廠房進(jìn)行抗震計(jì)算分析，了解地震作用下結(jié)構(gòu)布置方案結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等，為抗震設(shè)計(jì)提供充分依據(jù)，提高工程在地震作用下的安全可靠性。