水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計分析

宋光輝

（水電七局勘測設(shè)計院，四川 成都 611730）

0 引言

水電站由水力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電能產(chǎn)生裝置等組成，是實現(xiàn)水能到電能轉(zhuǎn)換的水利樞紐工程，電能生產(chǎn)的可持續(xù)性要求水電站水能的利用具有不間斷性。通過水電站水庫系統(tǒng)的建設(shè)，人為地調(diào)節(jié)和改變水力資源在時間和空間上的分布，實現(xiàn)對水力資源的可持續(xù)利用。水力發(fā)電因具有清潔、高效、能量供給穩(wěn)定充足的特點而備受重視。水電站建設(shè)過程中，對于抗震性能的要求越來越高，抗震設(shè)計的難度也就越來越大，尤其是進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，是目前國內(nèi)外重點研究的對象。進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計不僅要充分應(yīng)用最新結(jié)構(gòu)抗震原理，還要確保相應(yīng)的設(shè)計方案和施工方式能符合水電站建設(shè)的要求，在提高進(jìn)水塔安全性的同時降低經(jīng)濟(jì)成本。本文就水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計進(jìn)行分析。

1 水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的形態(tài)與特點

在水電站建設(shè)項目中，需要在水位變化較大的天然河道或者人工河道上結(jié)合供水情況、泄水情況進(jìn)行進(jìn)水塔的設(shè)計和施工，并保證相應(yīng)設(shè)施能發(fā)揮實際功能。水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)不僅會受到靜荷載的作用，還會受到地震等的影響，使其產(chǎn)生功能性的破壞，因此，根據(jù)點電站進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)類型，選擇合理的抗震設(shè)計方案，才能確保震動條件下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的安全性[1]。

1.1 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的形態(tài)

依據(jù)結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同將水電站進(jìn)水口分為開敞式和深式，目前多數(shù)水電站會使用深式進(jìn)水口。結(jié)合其具體設(shè)計模式，深式進(jìn)水口又可以細(xì)分為5個基本結(jié)構(gòu)形式（見圖1）。

圖1 深式進(jìn)水口分類

一般而言，相關(guān)部門會依據(jù)現(xiàn)場的施工環(huán)境、地質(zhì)地形條件以及使用要求采取兩兩混用的設(shè)計模式，最終形成純塔式結(jié)構(gòu)或者是斜塔式結(jié)構(gòu)。前者主要是鋼筋混凝土薄壁空腹塔式結(jié)構(gòu)，應(yīng)用環(huán)境主要為結(jié)構(gòu)距離河岸較為接近，并且能借助工作橋?qū)㈨敳亢秃影队枰詫崟r性連接；后者則是將結(jié)構(gòu)設(shè)置為喇叭口形態(tài)，并且在山巖外要設(shè)置對應(yīng)的閘門槽結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的啟閉機(jī)室和山巖之間并不需要進(jìn)行架橋連接，基于整體結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性要求，會采取斜靠岸坡的設(shè)計模式[2]。

選擇進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)形態(tài)時，要結(jié)合河道條件和水電站的設(shè)計選取相應(yīng)形式，確保能發(fā)揮出進(jìn)水塔的相應(yīng)功能，有效提升水電站項目的建設(shè)水平，保證水電站使用的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的特點

進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要明確不同進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的特點，充分考慮設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計要素，確保設(shè)計能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。常見的進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)有兩種，一種是“一字型”進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)，具有較為穩(wěn)定的水動力效能，并且這種結(jié)構(gòu)形態(tài)在垂直水流方向會具備較好的剛度，若是設(shè)置在遠(yuǎn)離山體或者是順?biāo)鞣较颍渲涡Ч材苡兴岣摺１热纾S河小浪底工程項目中就選取了“一字型”進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)[3]。另一種是“獨立型”進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)，相較于“一字型”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在垂直水流方向的剛度并不大，但在順?biāo)鞣较虻膭偠容^大，因為塔體本身是獨立設(shè)置的模式，也被稱為高聳形結(jié)構(gòu)模式。一般是在單洞流量較大的環(huán)境下完成泄洪洞進(jìn)口的處理，確保應(yīng)用效能最優(yōu)化。

要結(jié)合水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要求，保證相應(yīng)結(jié)構(gòu)特點都能得到合理發(fā)揮，并確保結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和抗震加固措施的基本效果滿足應(yīng)用要求，避免結(jié)構(gòu)受到功能性破壞，維持水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[4]。

2 水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

在水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作中，傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要關(guān)注不同狀態(tài)下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震的情況，相較于傳統(tǒng)設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計方法主要將優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震應(yīng)用效能作為設(shè)計關(guān)鍵。

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計方法

在水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作開展過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計要將避免或者是減輕震動危害作為關(guān)鍵，有效提升結(jié)構(gòu)的抗震水平，并對抗震效果予以優(yōu)化和改善。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計體系中，將關(guān)注的重點落在主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后塑性變形和滯回耗能方面，若是出現(xiàn)差異化因素，必然會對結(jié)構(gòu)的抗震效能產(chǎn)生影響，甚至?xí)茐南鄳?yīng)的結(jié)構(gòu)。

（1）設(shè)計時從震源的角度分析消震情況，主要是借助減弱震源振動強(qiáng)度的方式，有效避免結(jié)構(gòu)震動，但是，震源的評估無法有效且及時地確定，會頻繁出現(xiàn)相應(yīng)的措施無法應(yīng)對特殊的情況。

（2）設(shè)計時從傳播路徑方面分析，借助裝置將地震和結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離處理，其最大的功效就是減弱或者是改變地震狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)作用強(qiáng)度，就能有效避免震動產(chǎn)生的危害。

（3）從結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行被動減震，主要是應(yīng)用附加子結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行地震傳遞能量的吸收和消耗，能有效減少結(jié)構(gòu)震動，從而避免結(jié)構(gòu)震動造成的損害[5]。

2.2 優(yōu)化設(shè)計方法

在全面理解傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，要合理分析結(jié)構(gòu)的震動破壞機(jī)制，應(yīng)用有效的設(shè)計應(yīng)對措施，確保能從動力響應(yīng)方面完善和優(yōu)化設(shè)計方案，從位移、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)計出發(fā)，更好地提升設(shè)計的實效性和可控性。結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：

x——設(shè)計變量，并結(jié)合其上限和下限；

V(x)——設(shè)計x的具體體積；

[V]——結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)尺寸下的體積參數(shù)，此時類似于材料的上限。

結(jié)合實際工程項目進(jìn)水塔的優(yōu)化設(shè)計要求，利用程序完成優(yōu)化處理，從而保證相關(guān)工作都能落實到位，最大程度上保證進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震效果[6]。

進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計的具體內(nèi)容包括：

（1）對結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行集中處理，并強(qiáng)化相應(yīng)環(huán)節(jié)的設(shè)計，保證優(yōu)化設(shè)計方案能滿足應(yīng)用要求，維持良好的抗震水平；

（2）強(qiáng)化結(jié)構(gòu)各個位置的連接效果，配合整體連接處理就能維持進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震效果，提升優(yōu)化處理效果；

（3）強(qiáng)化上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性，并增設(shè)配筋等，最大程度上提高結(jié)構(gòu)的延性，維持良好的抗震水平，規(guī)避其應(yīng)用安全性不足的問題；

（4）結(jié)合施工質(zhì)量的具體要求，保證施工接縫位置的強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計符合預(yù)期；

（5）若是周圍環(huán)境特殊且天氣條件惡劣，一般是在進(jìn)水塔位置安裝響應(yīng)的減震消能設(shè)備，較為常見的設(shè)備包括橡膠墊塊、特制消能支座等，能夠維持良好的消能效率，保證抗震效果實現(xiàn)最優(yōu)化[7]。

3 水電站進(jìn)水塔設(shè)計實例

3.1 工程概況

某水電站項目是以發(fā)電為主的大型水庫電站，深孔泄洪洞進(jìn)口位置存在基巖裸露的現(xiàn)象，并且海拔2800m以上是花崗巖，相關(guān)人員要結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行綜合評估。工程項目的地質(zhì)構(gòu)造主要是以次級小斷層和節(jié)理密集帶為主，進(jìn)水塔的頂板高程為2440m、建基面高程為2435m，塔頂高程為2508m，進(jìn)水塔整體尺寸參數(shù)見表1。

表1 進(jìn)水塔尺寸參數(shù)（單位：m）

3.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

（1）調(diào)控基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，將原有抗震設(shè)計中的三排支撐連桿直接轉(zhuǎn)變?yōu)檎w隔梁，有效維持調(diào)整的合理性和規(guī)范性，并且，配合調(diào)控設(shè)計就能更好地提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

（2）基于整體結(jié)構(gòu)形式調(diào)整的要求，根據(jù)進(jìn)水塔后部山體的應(yīng)用要求盡量減少其開挖量，并在布置條件允許的基礎(chǔ)上，有效地將進(jìn)水塔順?biāo)飨虻拈L度控制在規(guī)范要求內(nèi)，并著重提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度[8]。

（3）結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震安全標(biāo)準(zhǔn)，有效增加回填素混凝土的高度，強(qiáng)化進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)整體強(qiáng)度，為上部結(jié)構(gòu)約束效能的優(yōu)化提供支持。

3.3 動力計算與設(shè)計優(yōu)化

為了保證相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的規(guī)范性和科學(xué)性，要進(jìn)行系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)動力計算和結(jié)果分析，確保整體應(yīng)用效能滿足設(shè)計要求。選取的計算軟件是ANSYS軟件，結(jié)合實際勘測結(jié)果數(shù)據(jù)，在地震位移譜中進(jìn)行模型計算分析。其中，地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為50年5%和校核100年2%兩組進(jìn)行計算分析，加速度數(shù)值如下：（1）超越概率50年5%，計算烈度為7.2，基巖峰值加速度為1.192m/s2；（2）超越概率100年2%，計算烈度為8.0，基巖峰值加速度為2.050m/s2。并且，設(shè)計反應(yīng)譜要滿足水工建筑抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求。

（1）進(jìn)行動力計算分析時，超越概率100年2%，最大的靜動疊加位移設(shè)定為10.1mm，進(jìn)水口的頂部中間位置設(shè)置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。弧形工作門和門楣位置的相對位移要控制在2.1mm，側(cè)墻靜動疊加的主應(yīng)力水平設(shè)置在1.5MPa范圍內(nèi)，側(cè)墻頂部靠近支撐過梁結(jié)構(gòu)的回填混凝土表面應(yīng)力也要控制在規(guī)定范圍內(nèi)[9]。

（2）在靠近回填部位和側(cè)墻尾部，應(yīng)力參數(shù)要控制在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)，最大數(shù)值為4～5MPa之間，薄弱的位置是過梁，將過梁的兩端和側(cè)墻連接位置的主應(yīng)力控制在8MPa左右。

（3）結(jié)合計算分析的結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的薄弱位置出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況是結(jié)構(gòu)不能承受的。所以，要依據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整工作，以全面提高相應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全性。優(yōu)化設(shè)計后，超越概率設(shè)置為100年2%，最大的位移設(shè)置為7.6mm，進(jìn)水口頂部中間位置設(shè)置對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元。并且，弧形工作門和門楣位置的相對位移設(shè)置為1.6mm，側(cè)墻靜動疊加主應(yīng)力也能控制在1.2MPa范圍內(nèi)，確保相應(yīng)范圍內(nèi)應(yīng)力控制的合理性，最薄弱的過梁位置要控制主應(yīng)力參數(shù)。在完成相關(guān)計算分析后，評估得到最終進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案可行[10]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水電站進(jìn)水塔的設(shè)計過程中，要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要求，確保滿足結(jié)構(gòu)布置合理的同時，符合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求。進(jìn)水塔抗震設(shè)計過程中，要完善動力響應(yīng)分析，最大程度上確保結(jié)構(gòu)的抗震性能，并對結(jié)構(gòu)抗震薄弱環(huán)節(jié)予以優(yōu)化，更好地提高進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的剛度，為水電站可持續(xù)利用奠定基礎(chǔ)。