水電站廠房結構抗震設計分析

郭冬云

摘要：水電站是水力發(fā)電的重要場所，廠房為其中必不可少的建筑物。為保證水電站的安全穩(wěn)定運行，本文圍繞水電站廠房結構抗震設計展開了分析，具體探討了某二級水電站廠房的抗震計算分析情況，以期可為其他項目提供可靠參考。

關鍵詞：水電站；廠房；結構類型；抗震設計

目前，隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，不少水電站廠房在修建時難以避開地震帶，開展抗震分析顯得尤為必要。在水電站廠房實際結構設計時，需選擇合適的方法進行計算分析，切實提高結構在面臨地震時的安全可靠性。

一、水電站廠房結構類型

水電站廠房結構類型眾多，根據其在水電站樞紐中位置與結構特征，具體可分為3種基本類型：

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

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

二、水電站廠房結構抗震設計方法

抗震設計是水工結構設計的重要環(huán)節(jié)，方法眾多，現主要針對以下3種展開介紹：

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

（二）反應譜法，此方法是目前設計規(guī)范所依據的地震力理論，基于單自由度彈性體系在實際地震過程中的反應，從現有地震記錄中尋找具備代表意義的標準反應譜曲線設計反應譜曲線（圖1），再計算結構物自振特性周期、振型、阻尼等，最后對各階振型地震荷載進行計算、組合，獲得設計所需地震荷載，此方法不足為只能求得結構各振型可能出現的最大值，無法求得最大值間相位關系；

（三）時程分析法，此方法主要是根據實測從工地震加速度記錄，對建筑物地震反應過程進行直接計算，此計算模型可盡可能描述建筑物在地震作用下實際情況，充分考慮建筑物與基礎、水相互作用，可考慮材料非線性變形，但是計算工作量也相對較大。

在進行水電站廠房結構抗震設計時，需從本地的實際情況出發(fā)合理選擇設計方法，滿足相應的結構安全性要求。

三、案例分析

（一）工程概況

本文僅以某二級水電站地面廠房為例展開分析，此廠房底板底面高程1749.85m，布置在Ⅰ級侵蝕階地上，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。據資料，水電站所在地區(qū)為強震區(qū)，地震烈度為8°，存在長約23km的斷層，主副廠房基礎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)電廠房基礎抗震設計合理有效，采用ANSYS軟件建立了靜動力模型開展分析。

（二）廠房抗震計算

根據《水工建筑物抗震設計規(guī)范》規(guī)定，場地屬不利地段，為從理論上驗證廠房基礎設計方案的可靠性，重點對廠房基底應力和各分段建筑物間的位移進行了研究。

1、計算模型

根據廠房布置情況，采用ANSYS開展模型的單元剖分。廠房結構附近是斷層破碎帶，具有地基應力擴散、變形特點，地震波在模型邊界反射，模型在平行廠房軸線方向左右延伸140m，垂直廠房軸線向上下游各延伸100m。底面采用全部約束，四周采用水平約束。由此模型結構引起的應力在地基邊界以內已基本消除。計算模型連同地基共劃分出約36000個單元，其中廠房部分9056個單元，混凝土承臺1266個單元，結構計算模型見圖1。

2、計算參數

根據水電站壩址地震危險性分析結果，電站廠址結構計算中地震基本烈度取8度，相應地震動峰值加速度取218.29cm/s²，時間步長取0.02s，同時輸入水平平行廠房軸線、水平垂直廠房軸線和豎向地震加速度，豎向地震加速度峰值取為水平向的2/3，并考慮耦合效應。水電站廠房基礎材料有關參數見表1。

3、計算工況及結果分析

抗震計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：廠房基礎下僅加設混凝土承臺；

工況3：在廠房基礎下加設混凝土承臺，承臺下加設砂礫石墊層。

三種工況在地震作用下的相對位移和廠房底面應力計算結果見表2、3。

（1）廠房基礎下加設混凝土承臺后，廠房#1、#2兩機組段與#3、#4機組段間的位移大幅減小，在承臺下再加設砂礫石墊層，可使位移量進一步減小。

（2）無論是否采取工程措施，除局部應力集中部位外，廠房基礎底面的最大壓應力、拉應力均小于地基的容許承載力。采用基礎下加設剛性平臺后，基礎底面應力得到了適當消減，混凝土承臺和砂礫石墊層均起到了很大的隔震作用，可減小廠房結構在地震中被破壞的機率。

（三）抗震建議

根據上述計算與分析，本工程提出以下抗震建議：（1）調整平面布置，使廠房基礎均座于斷層下盤；（2）對廠房基坑采取封閉措施，防止巖石風化和軟化；（3）加強觀測系統(tǒng)設計，在廠址區(qū)設計了區(qū)域構造穩(wěn)定性觀測系統(tǒng)，主要包括地震活動性觀測、廠基滲透壓力監(jiān)測，位移補償器位移觀測、廠房建筑物變形觀測等項目。

四、結語：

綜上所述，基于水利工程事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，水電站廠房抗震問題受到各方高度關注，對此必須采用合理方法，如：擬靜力法、反應譜法、時程分析法等，對廠房進行抗震計算分析，了解地震作用下結構布置方案結構的應力、應變等，為抗震設計提供充分依據，提高工程在地震作用下的安全可靠性。