水電站地面廠房抗震研究現(xiàn)狀與展望

宋志強，王 飛，歐陽金惠，張啟靈

(1.西安理工大學(xué)，陜西 西安 714408；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3.長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

我國水能資源豐富的西南地區(qū)近年規(guī)劃和建設(shè)了一大批巨型水電站，如溪洛渡、錦屏、大崗山、白鶴灘等，位居世界前列。但該地區(qū)強震頻發(fā)，地震地質(zhì)特點是活動斷層多、頻度高、強度大、范圍廣，對巨型水電站廠房構(gòu)成了嚴重威脅。如：大崗山水電站壩址地區(qū)設(shè)計地震動峰值加速度達0.557 g，2008 年汶川8.0 級大地震，實測紫平鋪大壩壩基加速度達0.50 g；汶川震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水工建筑物中大體積混凝土結(jié)構(gòu)的震損程度輕，而以梁、柱、墻結(jié)構(gòu)為主構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)震損嚴重[1]。鋼筋混凝土梁、柱、墻和桁架組成了水電站廠房的上部結(jié)構(gòu)，是將水能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵場所[2]，將直接威脅到其內(nèi)工作人員的生命安全，同時嚴重影響震后救災(zāi)搶險的電力供應(yīng)，水電站廠房能否盡快恢復(fù)運行并向附近災(zāi)區(qū)提供電力保障，在分秒必爭的救災(zāi)搶險工作中起著舉足輕重的作用。1967年印度Koyna 水電站地下廠房遭受了6.5 級地震，震后發(fā)現(xiàn)水輪機機墩混凝土塊體間發(fā)生了相對位移，水輪機軸中心線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，影響機組的正常運轉(zhuǎn)[3]。隨著電站規(guī)模、水頭和機組容量的提高，機組和廠房尺寸增大，結(jié)構(gòu)剛強度相對降低，水電站廠房的抗震安全面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，高烈度震區(qū)的水電站廠房抗震安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

1 水電站地面廠房分類

水電站地面廠房根據(jù)其在樞紐中的位置和結(jié)構(gòu)特征主要分為壩后式、河床式和引水式三類，因自身結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致三類廠房動力特性各有特點。壩后式廠房通常與非溢流壩作整體布置，若廠房和壩體之間通過設(shè)置縱向沉降縫分開，廠房結(jié)構(gòu)可進行單獨分析，廠房受力明確；若不設(shè)沉降縫廠房與大壩整體相連時，廠房下部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更為復(fù)雜。河床式廠房兼有擋水的作用，因廠房結(jié)構(gòu)大部分處于水體以下，上下游水壓力、流道內(nèi)龐大的水體和底板上的揚壓力構(gòu)成了其荷載的重要部分，顯著影響廠房結(jié)構(gòu)的受力特性，使其動力分析更為復(fù)雜；若建基面巖體的摩擦系數(shù)等力學(xué)參數(shù)較小或地基內(nèi)部存在軟弱結(jié)構(gòu)面，很可能引起廠房的滑動穩(wěn)定性問題。引水式廠房一般布置在岸邊，較易受到地震引發(fā)的山體崩塌、滑坡、滾石和飛石等次生地質(zhì)災(zāi)害的破壞。

廠房邊機組段和中間機組段的動力特性因邊界和約束條件的不同也有所區(qū)別，主要表現(xiàn)在邊機組段在垂直水流向的邊界條件不對稱，在地震動作用下整體上可能表現(xiàn)出空間扭轉(zhuǎn)。

2 計算方法

水電站地面廠房抗震研究通常有擬靜力法、反應(yīng)譜法和時程分析法三種，擬靜力法方便應(yīng)用，但只考慮了地震動峰值加速度這一要素的影響，無法考慮結(jié)構(gòu)動力特性；反應(yīng)譜法能夠考慮結(jié)構(gòu)自振周期、地震動峰值加速度和特定場地的地震動頻譜特性的影響；時程分析法考慮了地震動的峰值加速度、頻譜和持時的影響，能夠精確反映結(jié)構(gòu)在地震作用過程中的響應(yīng)，但地震波的選取或人工生成對計算結(jié)果影響較大。為了體現(xiàn)上述3 種方法各自的優(yōu)越性以及適用性，總結(jié)概括了近年學(xué)者利用不同的計算方法所展開的研究。

陳婧[4]采用反應(yīng)譜分析方法，通過計算和比較河床式水電站主副廠房不同的連接形式對水電站廠房地震動響應(yīng)產(chǎn)生的影響，結(jié)合工程實例提出了主副廠房間合理的連接高程和結(jié)構(gòu)布置方案。喻虎圻[5]基于粘彈性邊界結(jié)合有限元動力時程法進行了河床式水電站廠房地震響應(yīng)分析，認為輻射阻尼效應(yīng)明顯減小了廠房上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。岳晨雨[6]、蘇晨輝[7]研究了地基基礎(chǔ)特性對廠房結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。張燎軍[8]分析了地震過程中廠房上部結(jié)構(gòu)鞭梢效應(yīng)的影響作用。宋志強[9]針對水電站廠房結(jié)構(gòu)型式特點，提出地震動時程分析中應(yīng)依據(jù)振型參與質(zhì)量確定對廠房結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)有顯著貢獻的模態(tài)階次，進而確定瑞利阻尼系數(shù)。張啟靈[10]針對平面尺寸較大的水電站廠房，分析了行波效應(yīng)對廠房抗震性能的影響，并研究了水電站廠房的抗震措施。

時程分析法可以考慮地基- 廠房的靜動力相互作用，能夠考慮材料的非線性行為和模擬結(jié)構(gòu)之間的幾何非線性，因此應(yīng)用時程分析法開展水電站廠房的抗震研究已經(jīng)成為一種趨勢。

3 材料非線性與結(jié)構(gòu)接觸非線性

雖然水電站廠房的動力非線性分析受限于混凝土本構(gòu)模型和粘結(jié)- 滑移理論等研究的發(fā)展階段，特別是混凝土在飽水狀態(tài)及動力作用下力學(xué)性能的研究，但就當前來說，結(jié)合已有的被廣泛認可的研究成果開展結(jié)構(gòu)非線性動力分析無疑更貼近基于性能的抗震設(shè)計要求。

3.1 材料非線性模型

混凝土作為一種準脆性材料，在形成之初其內(nèi)部隨機分布著許多的微裂縫、微孔洞等初始缺陷，在外環(huán)境或外荷載作用下，由于應(yīng)力集中微裂縫和微孔洞開始延伸、發(fā)展、連通并且產(chǎn)生新的微裂縫，微裂縫的進一步發(fā)展、連通，在混凝土表面形成宏觀裂縫，導(dǎo)致混凝土整體性能減弱，具體表現(xiàn)為混凝土的剛度退化、產(chǎn)生塑性形變、強度弱化等非線性行為。那么在地震作用下，繼續(xù)將水電站廠房混凝土材料簡單地考慮為線彈性材料偏離實際太多。

張輝東[11]、劉學(xué)江[12]基于時程分析法對水電站廠房整體進行了非線性地震響應(yīng)分析，并同線性模型計算結(jié)果進行了比較，證明非線性分析的實時仿真優(yōu)勢。王海軍[13]建立了基于線性應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系和Willam-Warnke 五參數(shù)破壞模型的混凝土非線性定義，基于此，通過ANSYS 軟件研究了水電站廠房在地震動作用下的非線性響應(yīng)情況，給出了廠房結(jié)構(gòu)在時程上的應(yīng)力、位移響應(yīng)情況及開裂情況。郝軍剛[14]將水電站廠房上部結(jié)構(gòu)混凝土賦予非線性材料特性，有針對性的分析了上部結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的損傷情況。蘇晨輝[15]、劉昱杰[16]采用混凝土損傷塑性模型（CDP 模型）研究了某壩后式水電站廠房地震響應(yīng)。

張存慧[17]、許新勇[18]、張啟靈[19]分別研究了直埋、保壓和墊層不同結(jié)構(gòu)形式蝸殼的各種運行工況下的靜動力特性及蝸殼外圍混凝土材料的非線性特性。歐陽金惠[20]、張運良[21]分別基于三峽水電站15#機組廠房的靜力分析結(jié)果，計算考慮損傷后的廠房動力特性，得到蝸殼外圍混凝土開裂對廠房整體自振特性影響較小的結(jié)論。

近年來，大型水電站開始逐漸探討采用直埋- 墊層組合埋設(shè)方式，該埋設(shè)方式考慮蝸殼外圍混凝土與鋼襯聯(lián)合受力，具有鋼襯減薄、簡化施工工藝、節(jié)省工期等優(yōu)勢，但由于在地震作用之前，蝸殼外圍混凝土?xí)趦?nèi)水壓力作用下發(fā)生一定程度的初始損傷，這必然影響蝸殼及廠房整體在地震激勵下的動力特性，導(dǎo)致蝸殼外圍混凝土損傷發(fā)展與傳統(tǒng)的保壓或墊層埋設(shè)方式有較大差異，此外不同埋設(shè)方式也將影響廠房地震加速度動態(tài)分布系數(shù)，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的抗震性能評價結(jié)論不同，因此開展不同蝸殼埋設(shè)方式對廠房抗震性能的影響十分必要。

3.2 蝸殼鋼襯與外圍混凝土的接觸非線性

鋼材和混凝土的接觸和摩擦問題一直以來都是工程材料領(lǐng)域重點研究的內(nèi)容，對應(yīng)到水電站廠房中同樣存在鋼蝸殼與混凝土之間的接觸非線性問題，其對結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)有著顯著地影響[19]。文獻[22]取某水電站蝸殼進口包含一個完整固定導(dǎo)葉的扇形區(qū)域建立有限元模型，通過面- 面接觸單元模擬了蝸殼鋼襯與外圍混凝土之間的接觸行為，通過計算得到的應(yīng)力和形變大小對墊層蝸殼各典型方案進行了分析討論。文獻[23]利用ANSYS 有限元軟件中提供的面- 面接觸模型模擬了充水保壓蝸殼內(nèi)部鋼襯與外部混凝土的接觸摩擦行為。文獻[24]利用鉸接- 接觸單元實現(xiàn)了充水保壓蝸殼在打壓期蝸殼鋼襯與外圍混凝土的變形協(xié)調(diào)，模擬了充水保壓蝸殼在卸壓期蝸殼鋼襯與外圍混凝土的分離。文獻[25]將墊層蝸殼中的墊層考慮為非線性材料，研究表明在內(nèi)水壓力作用下墊層材料的非線性對墊層蝸殼的響應(yīng)過程有顯著地影響。文獻[26]選取了聚氨酯軟木與聚乙烯閉孔泡沫兩種常用的墊層材料，通過試驗研究和數(shù)值模擬均表明，這兩種材料有著明顯的非線性、不可壓縮的特性，認為在蝸殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽略墊層的非線性力學(xué)特性。

4 流固耦合

水電站廠房流道形狀復(fù)雜，其內(nèi)水體龐大，水流形態(tài)多樣且多變，隨著水輪發(fā)電機組單機容量的不斷提高，流道內(nèi)水體對廠房結(jié)構(gòu)動力特性和地震響應(yīng)的影響愈發(fā)顯著，同時對流道內(nèi)動水壓力的精確模擬也愈發(fā)困難。采用附加質(zhì)量模擬動水壓力可以大幅降低計算成本，徐國賓[27]嘗試對抗震規(guī)范給出的進水塔內(nèi)、外動水壓力代表值計算公式進行了修正，并成功應(yīng)用于水電站廠房的模態(tài)分析，得到了具有較高精度的廠房動力特性解，但作者同時指出這種修正并不具普適性，需要謹慎借鑒。附加質(zhì)量法不能模擬流道內(nèi)普遍存在的脈沖壓力和對流壓力，因此在大尺寸流道中的計算精度很低，張存慧[28]和孫偉[29]分別討論了基于線性無窮小速度公式的勢流體單元法在水電站廠房動力分析中的應(yīng)用方式及應(yīng)用效果，在這方面做出了有價值的探索。針對巨型流道內(nèi)水體的復(fù)雜特性，為得到盡可能精確的計算結(jié)果，張輝東[30]和張燎軍[31]分別提出了強耦合模型和全耦合模型兩種方法，前者開創(chuàng)性的將聲場理論同有限元方法相結(jié)合來分析廠房的動力特性，后者通過建立全流道湍流- 結(jié)構(gòu)模型來分析廠房動力特性及振動的傳遞路徑，這兩種方法都可以實現(xiàn)對流道內(nèi)水體全面且精確的模擬，但計算代價相對較大。

5 人工邊界條件

隨著水電站廠房規(guī)模的增大，將一定范圍的地基連同水電站廠房進行整體分析更接近于實際，能夠考慮地基- 廠房的靜動力相互作用。地震過程中地震波從震源出發(fā)向四周傳播，經(jīng)過若干巖層的透射、反射后傳至地表引起地面運動，地面運動誘發(fā)水電站廠房的震動，廠房震動能量向無限地基中輻射散去。廠房- 地基作為一個半開放的系統(tǒng)，數(shù)值模擬中不可能建立半無限域地基來考慮其輻射阻尼效應(yīng)，通常的做法是在廠房的近域取一定范圍的地基，在地基的邊界上設(shè)置人工邊界，用來模擬半無限地基的輻射阻尼效應(yīng)和彈性作用。人工邊界分為全局人工邊界和局部人工邊界，全局人工邊界時空藕聯(lián)的，能夠?qū)o限地基進行精確的模擬，但需要花費大量的計算資源，無窮元邊界、邊界元就是其中的典型代表[32]；局部人工邊界在時空上是解耦的，能夠保證外行波在人工邊界上被全部耗散，是對無限域的近似模擬，在保證較高精度的前提下計算耗時較少，因此應(yīng)用比較廣泛，常用局部人工邊界有透射邊界[33]、黏性邊界[34]、黏彈性邊界[35]。

郝軍剛[14]基于黏彈性人工邊界研究了在罕遇地震作用下我國西南地區(qū)某壩后式水電站廠房上部框架結(jié)構(gòu)的破壞機理，數(shù)值模擬表明上下游立柱損傷嚴重、上游墻底部出現(xiàn)輕微的損傷開裂，通過上部結(jié)構(gòu)的鋼筋應(yīng)力和層間位移角的大小均表明廠房結(jié)構(gòu)的抗震安全裕度較高。喻虎圻[5]采用黏彈性人工邊界模擬無限域的輻射阻尼效應(yīng)，研究了河床式水電站廠房的地震響應(yīng)，并將其與無質(zhì)量地基模型下的計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)考慮地基輻射阻尼效應(yīng)能夠大大地減小廠房的動力響應(yīng)，最大降幅達64%。

6 地震響應(yīng)評價

現(xiàn)有的研究中，很少涉及到水電站地面廠房的地震響應(yīng)評價，本文通過大壩、進水塔等水工建筑物的抗震評價方法和指標，總結(jié)了三條可以適用于水電站廠房地震響應(yīng)評價方法。

承載能力。承載能力是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的最基本要求，應(yīng)力水平是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標，設(shè)計人員最為關(guān)注的是廠房各部位的拉應(yīng)力情況。如蝸殼鋼襯的外圍混凝土，發(fā)電機層樓板、副廠房樓板、梁、柱、上下游墻、牛腿等重要部位以及鋼筋和頂部鋼網(wǎng)架的應(yīng)力水平，來表征和評價廠房結(jié)構(gòu)的強度，并可據(jù)此評價廠房的抗震安全裕度、判斷廠房結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生破壞。

變形及變形協(xié)調(diào)性。廠房上下部結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度存在較大的差異，廠房上部結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率往往位于場地的卓越頻率之內(nèi)，在地震作用下下部結(jié)構(gòu)響應(yīng)小，突出的上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)很大，因此上部結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生倒塌。因此有必要將上部結(jié)構(gòu)的變形作為評價體系中的重要指標。如上下游墻頂部的峰值位移、層間位移角、上下游牛腿順水流向相對位移等均可表征廠房結(jié)構(gòu)在震中及震后的變形水平。

損傷。損傷可以從宏觀層面上表征混凝土的開裂、壓碎破壞，因混凝土的抗壓強度遠大于抗拉強度，且抗壓強度的安全裕度較高，因此混凝土多因受拉導(dǎo)致?lián)p傷開裂[36]。廠房的的樓板、梁、柱及墻體結(jié)構(gòu)相對其它部位較為薄弱，在地震過程中容易發(fā)生開裂，通過混凝土開裂的長度在整個結(jié)構(gòu)長度中的占比、拉損傷因子的大小、損傷面積定量地評判薄弱部位的破壞情況。

7 展望

7.1 近斷層地震動的研究

我國水電事業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的時期，隨著一大批巨型水電站正在建或擬建在地震頻發(fā)、烈度高的西南地區(qū)，水電站廠房遭遇近斷層地震動的幾率也隨之增大。與遠場地震動相比，近斷層地震動往往具有長持時、大速度和位移脈沖，在地震動初始階段就給結(jié)構(gòu)輸入較高的能量，導(dǎo)致其對結(jié)構(gòu)的破壞能力非常強[37-39]。水電站廠房作為水電生產(chǎn)的重要場所，在地震過程中上部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生震毀，因此應(yīng)盡快開展近斷層地震動作用下水電站廠房的抗震安全研究。

7.2 地基材料的非線性

隨著水電站廠房的規(guī)模、尺寸越來越大，對廠房結(jié)構(gòu)進行靜動力分析時，必須考慮地基- 廠房的靜動力相互作用?，F(xiàn)有的研究中，對于廠房底部下臥的巖體大部分視作線彈性材料，最近一些專家和學(xué)者基于Koyna 混凝土重力壩的實際震害提出，必須同時考慮壩體和地基材料的非線性才能更好地揭示壩體的在地震過程中的破壞機理[40-41]。對于在強震作用下、或近斷層區(qū)域場地內(nèi)的地基巖體很容易進入非線性狀態(tài)，關(guān)于在水電站廠房的地震響應(yīng)分析中同時考慮地基巖體和廠房材料的非線性國內(nèi)外報道不多，對于這方面的研究應(yīng)該引起結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)W者的重視。

7.3 廠房底板與建基面的接觸非線性

廠房在設(shè)計階段，往往把建基面的抗滑穩(wěn)定問題作為結(jié)構(gòu)承載能力的重要一項，地震工況通常是設(shè)計中的控制工況，同樣要驗算廠房建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求?，F(xiàn)有的水電站廠房有限元建模中，都是將廠房底板與下部地基巖體考慮為共結(jié)點連接。對于河床式廠房在靜力分析時，上下游水位在廠房底板上引起的揚壓力將由地基和廠房共同承擔(dān)，無疑增大了抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的安全裕度。在地震這種往復(fù)荷載作用下，廠房底板和建基面之間的有限滑移、接觸對抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可能有較大的影響，勢必將廠房底板與建基面考慮為幾何非線性接觸關(guān)系才能揭示滑動的機理，有待于進一步研究。