水电站地面厂房抗震研究现状与展望

宋志强，王 飞，欧阳金惠，张启灵

(1.西安理工大学，陕西 西安 714408；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.长江科学院，湖北 武汉 430010)

我国水能资源丰富的西南地区近年规划和建设了一大批巨型水电站，如溪洛渡、锦屏、大岗山、白鹤滩等，位居世界前列。但该地区强震频发，地震地质特点是活动断层多、频度高、强度大、范围广，对巨型水电站厂房构成了严重威胁。如：大岗山水电站坝址地区设计地震动峰值加速度达0.557 g，2008 年汶川8.0 级大地震，实测紫平铺大坝坝基加速度达0.50 g；汶川震后调查发现，水工建筑物中大体积混凝土结构的震损程度轻，而以梁、柱、墙结构为主构成的框架结构震损严重[1]。钢筋混凝土梁、柱、墙和桁架组成了水电站厂房的上部结构，是将水能转化为电能的关键场所[2]，将直接威胁到其内工作人员的生命安全，同时严重影响震后救灾抢险的电力供应，水电站厂房能否尽快恢复运行并向附近灾区提供电力保障，在分秒必争的救灾抢险工作中起着举足轻重的作用。1967年印度Koyna 水电站地下厂房遭受了6.5 级地震，震后发现水轮机机墩混凝土块体间发生了相对位移，水轮机轴中心线发生了偏转，影响机组的正常运转[3]。随着电站规模、水头和机组容量的提高，机组和厂房尺寸增大，结构刚强度相对降低，水电站厂房的抗震安全面临着严峻的挑战。因此，高烈度震区的水电站厂房抗震安全面临严峻挑战。

1 水电站地面厂房分类

水电站地面厂房根据其在枢纽中的位置和结构特征主要分为坝后式、河床式和引水式三类，因自身结构特征导致三类厂房动力特性各有特点。坝后式厂房通常与非溢流坝作整体布置，若厂房和坝体之间通过设置纵向沉降缝分开，厂房结构可进行单独分析，厂房受力明确；若不设沉降缝厂房与大坝整体相连时，厂房下部结构的受力状态更为复杂。河床式厂房兼有挡水的作用，因厂房结构大部分处于水体以下，上下游水压力、流道内庞大的水体和底板上的扬压力构成了其荷载的重要部分，显著影响厂房结构的受力特性，使其动力分析更为复杂；若建基面岩体的摩擦系数等力学参数较小或地基内部存在软弱结构面，很可能引起厂房的滑动稳定性问题。引水式厂房一般布置在岸边，较易受到地震引发的山体崩塌、滑坡、滚石和飞石等次生地质灾害的破坏。

厂房边机组段和中间机组段的动力特性因边界和约束条件的不同也有所区别，主要表现在边机组段在垂直水流向的边界条件不对称，在地震动作用下整体上可能表现出空间扭转。

2 计算方法

水电站地面厂房抗震研究通常有拟静力法、反应谱法和时程分析法三种，拟静力法方便应用，但只考虑了地震动峰值加速度这一要素的影响，无法考虑结构动力特性；反应谱法能够考虑结构自振周期、地震动峰值加速度和特定场地的地震动频谱特性的影响；时程分析法考虑了地震动的峰值加速度、频谱和持时的影响，能够精确反映结构在地震作用过程中的响应，但地震波的选取或人工生成对计算结果影响较大。为了体现上述3 种方法各自的优越性以及适用性，总结概括了近年学者利用不同的计算方法所展开的研究。

陈婧[4]采用反应谱分析方法，通过计算和比较河床式水电站主副厂房不同的连接形式对水电站厂房地震动响应产生的影响，结合工程实例提出了主副厂房间合理的连接高程和结构布置方案。喻虎圻[5]基于粘弹性边界结合有限元动力时程法进行了河床式水电站厂房地震响应分析，认为辐射阻尼效应明显减小了厂房上部结构的地震响应。岳晨雨[6]、苏晨辉[7]研究了地基基础特性对厂房结构地震响应的影响。张燎军[8]分析了地震过程中厂房上部结构鞭梢效应的影响作用。宋志强[9]针对水电站厂房结构型式特点，提出地震动时程分析中应依据振型参与质量确定对厂房结构动力反应有显著贡献的模态阶次，进而确定瑞利阻尼系数。张启灵[10]针对平面尺寸较大的水电站厂房，分析了行波效应对厂房抗震性能的影响，并研究了水电站厂房的抗震措施。

时程分析法可以考虑地基- 厂房的静动力相互作用，能够考虑材料的非线性行为和模拟结构之间的几何非线性，因此应用时程分析法开展水电站厂房的抗震研究已经成为一种趋势。

3 材料非线性与结构接触非线性

虽然水电站厂房的动力非线性分析受限于混凝土本构模型和粘结- 滑移理论等研究的发展阶段，特别是混凝土在饱水状态及动力作用下力学性能的研究，但就当前来说，结合已有的被广泛认可的研究成果开展结构非线性动力分析无疑更贴近基于性能的抗震设计要求。

3.1 材料非线性模型

混凝土作为一种准脆性材料，在形成之初其内部随机分布着许多的微裂缝、微孔洞等初始缺陷，在外环境或外荷载作用下，由于应力集中微裂缝和微孔洞开始延伸、发展、连通并且产生新的微裂缝，微裂缝的进一步发展、连通，在混凝土表面形成宏观裂缝，导致混凝土整体性能减弱，具体表现为混凝土的刚度退化、产生塑性形变、强度弱化等非线性行为。那么在地震作用下，继续将水电站厂房混凝土材料简单地考虑为线弹性材料偏离实际太多。

张辉东[11]、刘学江[12]基于时程分析法对水电站厂房整体进行了非线性地震响应分析，并同线性模型计算结果进行了比较，证明非线性分析的实时仿真优势。王海军[13]建立了基于线性应力- 应变关系和Willam-Warnke 五参数破坏模型的混凝土非线性定义，基于此，通过ANSYS 软件研究了水电站厂房在地震动作用下的非线性响应情况，给出了厂房结构在时程上的应力、位移响应情况及开裂情况。郝军刚[14]将水电站厂房上部结构混凝土赋予非线性材料特性，有针对性的分析了上部结构在罕遇地震下的损伤情况。苏晨辉[15]、刘昱杰[16]采用混凝土损伤塑性模型（CDP 模型）研究了某坝后式水电站厂房地震响应。

张存慧[17]、许新勇[18]、张启灵[19]分别研究了直埋、保压和垫层不同结构形式蜗壳的各种运行工况下的静动力特性及蜗壳外围混凝土材料的非线性特性。欧阳金惠[20]、张运良[21]分别基于三峡水电站15#机组厂房的静力分析结果，计算考虑损伤后的厂房动力特性，得到蜗壳外围混凝土开裂对厂房整体自振特性影响较小的结论。

近年来，大型水电站开始逐渐探讨采用直埋- 垫层组合埋设方式，该埋设方式考虑蜗壳外围混凝土与钢衬联合受力，具有钢衬减薄、简化施工工艺、节省工期等优势，但由于在地震作用之前，蜗壳外围混凝土会在内水压力作用下发生一定程度的初始损伤，这必然影响蜗壳及厂房整体在地震激励下的动力特性，导致蜗壳外围混凝土损伤发展与传统的保压或垫层埋设方式有较大差异，此外不同埋设方式也将影响厂房地震加速度动态分布系数，导致上部结构的抗震性能评价结论不同，因此开展不同蜗壳埋设方式对厂房抗震性能的影响十分必要。

3.2 蜗壳钢衬与外围混凝土的接触非线性

钢材和混凝土的接触和摩擦问题一直以来都是工程材料领域重点研究的内容，对应到水电站厂房中同样存在钢蜗壳与混凝土之间的接触非线性问题，其对结构受力效应有着显著地影响[19]。文献[22]取某水电站蜗壳进口包含一个完整固定导叶的扇形区域建立有限元模型，通过面- 面接触单元模拟了蜗壳钢衬与外围混凝土之间的接触行为，通过计算得到的应力和形变大小对垫层蜗壳各典型方案进行了分析讨论。文献[23]利用ANSYS 有限元软件中提供的面- 面接触模型模拟了充水保压蜗壳内部钢衬与外部混凝土的接触摩擦行为。文献[24]利用铰接- 接触单元实现了充水保压蜗壳在打压期蜗壳钢衬与外围混凝土的变形协调，模拟了充水保压蜗壳在卸压期蜗壳钢衬与外围混凝土的分离。文献[25]将垫层蜗壳中的垫层考虑为非线性材料，研究表明在内水压力作用下垫层材料的非线性对垫层蜗壳的响应过程有显著地影响。文献[26]选取了聚氨酯软木与聚乙烯闭孔泡沫两种常用的垫层材料，通过试验研究和数值模拟均表明，这两种材料有着明显的非线性、不可压缩的特性，认为在蜗壳的结构设计中不可忽略垫层的非线性力学特性。

4 流固耦合

水电站厂房流道形状复杂，其内水体庞大，水流形态多样且多变，随着水轮发电机组单机容量的不断提高，流道内水体对厂房结构动力特性和地震响应的影响愈发显著，同时对流道内动水压力的精确模拟也愈发困难。采用附加质量模拟动水压力可以大幅降低计算成本，徐国宾[27]尝试对抗震规范给出的进水塔内、外动水压力代表值计算公式进行了修正，并成功应用于水电站厂房的模态分析，得到了具有较高精度的厂房动力特性解，但作者同时指出这种修正并不具普适性，需要谨慎借鉴。附加质量法不能模拟流道内普遍存在的脉冲压力和对流压力，因此在大尺寸流道中的计算精度很低，张存慧[28]和孙伟[29]分别讨论了基于线性无穷小速度公式的势流体单元法在水电站厂房动力分析中的应用方式及应用效果，在这方面做出了有价值的探索。针对巨型流道内水体的复杂特性，为得到尽可能精确的计算结果，张辉东[30]和张燎军[31]分别提出了强耦合模型和全耦合模型两种方法，前者开创性的将声场理论同有限元方法相结合来分析厂房的动力特性，后者通过建立全流道湍流- 结构模型来分析厂房动力特性及振动的传递路径，这两种方法都可以实现对流道内水体全面且精确的模拟，但计算代价相对较大。

5 人工边界条件

随着水电站厂房规模的增大，将一定范围的地基连同水电站厂房进行整体分析更接近于实际，能够考虑地基- 厂房的静动力相互作用。地震过程中地震波从震源出发向四周传播，经过若干岩层的透射、反射后传至地表引起地面运动，地面运动诱发水电站厂房的震动，厂房震动能量向无限地基中辐射散去。厂房- 地基作为一个半开放的系统，数值模拟中不可能建立半无限域地基来考虑其辐射阻尼效应，通常的做法是在厂房的近域取一定范围的地基，在地基的边界上设置人工边界，用来模拟半无限地基的辐射阻尼效应和弹性作用。人工边界分为全局人工边界和局部人工边界，全局人工边界时空藕联的，能够对无限地基进行精确的模拟，但需要花费大量的计算资源，无穷元边界、边界元就是其中的典型代表[32]；局部人工边界在时空上是解耦的，能够保证外行波在人工边界上被全部耗散，是对无限域的近似模拟，在保证较高精度的前提下计算耗时较少，因此应用比较广泛，常用局部人工边界有透射边界[33]、黏性边界[34]、黏弹性边界[35]。

郝军刚[14]基于黏弹性人工边界研究了在罕遇地震作用下我国西南地区某坝后式水电站厂房上部框架结构的破坏机理，数值模拟表明上下游立柱损伤严重、上游墙底部出现轻微的损伤开裂，通过上部结构的钢筋应力和层间位移角的大小均表明厂房结构的抗震安全裕度较高。喻虎圻[5]采用黏弹性人工边界模拟无限域的辐射阻尼效应，研究了河床式水电站厂房的地震响应，并将其与无质量地基模型下的计算结果进行对比，发现考虑地基辐射阻尼效应能够大大地减小厂房的动力响应，最大降幅达64%。

6 地震响应评价

现有的研究中，很少涉及到水电站地面厂房的地震响应评价，本文通过大坝、进水塔等水工建筑物的抗震评价方法和指标，总结了三条可以适用于水电站厂房地震响应评价方法。

承载能力。承载能力是结构力学性能的最基本要求，应力水平是衡量结构承载能力的重要指标，设计人员最为关注的是厂房各部位的拉应力情况。如蜗壳钢衬的外围混凝土，发电机层楼板、副厂房楼板、梁、柱、上下游墙、牛腿等重要部位以及钢筋和顶部钢网架的应力水平，来表征和评价厂房结构的强度，并可据此评价厂房的抗震安全裕度、判断厂房结构是否会发生破坏。

变形及变形协调性。厂房上下部结构质量和刚度存在较大的差异，厂房上部结构的第一阶自振频率往往位于场地的卓越频率之内，在地震作用下下部结构响应小，突出的上部结构响应很大，因此上部结构很容易发生倒塌。因此有必要将上部结构的变形作为评价体系中的重要指标。如上下游墙顶部的峰值位移、层间位移角、上下游牛腿顺水流向相对位移等均可表征厂房结构在震中及震后的变形水平。

损伤。损伤可以从宏观层面上表征混凝土的开裂、压碎破坏，因混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，且抗压强度的安全裕度较高，因此混凝土多因受拉导致损伤开裂[36]。厂房的的楼板、梁、柱及墙体结构相对其它部位较为薄弱，在地震过程中容易发生开裂，通过混凝土开裂的长度在整个结构长度中的占比、拉损伤因子的大小、损伤面积定量地评判薄弱部位的破坏情况。

7 展望

7.1 近断层地震动的研究

我国水电事业正处在蓬勃发展的时期，随着一大批巨型水电站正在建或拟建在地震频发、烈度高的西南地区，水电站厂房遭遇近断层地震动的几率也随之增大。与远场地震动相比，近断层地震动往往具有长持时、大速度和位移脉冲，在地震动初始阶段就给结构输入较高的能量，导致其对结构的破坏能力非常强[37-39]。水电站厂房作为水电生产的重要场所，在地震过程中上部结构可能发生震毁，因此应尽快开展近断层地震动作用下水电站厂房的抗震安全研究。

7.2 地基材料的非线性

随着水电站厂房的规模、尺寸越来越大，对厂房结构进行静动力分析时，必须考虑地基- 厂房的静动力相互作用。现有的研究中，对于厂房底部下卧的岩体大部分视作线弹性材料，最近一些专家和学者基于Koyna 混凝土重力坝的实际震害提出，必须同时考虑坝体和地基材料的非线性才能更好地揭示坝体的在地震过程中的破坏机理[40-41]。对于在强震作用下、或近断层区域场地内的地基岩体很容易进入非线性状态，关于在水电站厂房的地震响应分析中同时考虑地基岩体和厂房材料的非线性国内外报道不多，对于这方面的研究应该引起结构工程领域学者的重视。

7.3 厂房底板与建基面的接触非线性

厂房在设计阶段，往往把建基面的抗滑稳定问题作为结构承载能力的重要一项，地震工况通常是设计中的控制工况，同样要验算厂房建基面的抗滑稳定安全系数是否满足规范要求。现有的水电站厂房有限元建模中，都是将厂房底板与下部地基岩体考虑为共结点连接。对于河床式厂房在静力分析时，上下游水位在厂房底板上引起的扬压力将由地基和厂房共同承担，无疑增大了抗滑稳定安全系数的安全裕度。在地震这种往复荷载作用下，厂房底板和建基面之间的有限滑移、接触对抗滑稳定安全系数可能有较大的影响，势必将厂房底板与建基面考虑为几何非线性接触关系才能揭示滑动的机理，有待于进一步研究。