水电站进水塔结构的抗震设计分析

宋光辉

（水电七局勘测设计院，四川 成都 611730）

0 引言

水电站由水力系统、机械系统和电能产生装置等组成，是实现水能到电能转换的水利枢纽工程，电能生产的可持续性要求水电站水能的利用具有不间断性。通过水电站水库系统的建设，人为地调节和改变水力资源在时间和空间上的分布，实现对水力资源的可持续利用。水力发电因具有清洁、高效、能量供给稳定充足的特点而备受重视。水电站建设过程中，对于抗震性能的要求越来越高，抗震设计的难度也就越来越大，尤其是进水塔结构的抗震设计，是目前国内外重点研究的对象。进水塔结构的抗震设计不仅要充分应用最新结构抗震原理，还要确保相应的设计方案和施工方式能符合水电站建设的要求，在提高进水塔安全性的同时降低经济成本。本文就水电站进水塔结构的抗震设计进行分析。

1 水电站进水塔结构的形态与特点

在水电站建设项目中，需要在水位变化较大的天然河道或者人工河道上结合供水情况、泄水情况进行进水塔的设计和施工，并保证相应设施能发挥实际功能。水电站进水塔结构不仅会受到静荷载的作用，还会受到地震等的影响，使其产生功能性的破坏，因此，根据点电站进水塔的结构类型，选择合理的抗震设计方案，才能确保震动条件下进水塔结构的安全性[1]。

1.1 进水塔结构的形态

依据结构形态的不同将水电站进水口分为开敞式和深式，目前多数水电站会使用深式进水口。结合其具体设计模式，深式进水口又可以细分为5个基本结构形式（见图1）。

图1 深式进水口分类

一般而言，相关部门会依据现场的施工环境、地质地形条件以及使用要求采取两两混用的设计模式，最终形成纯塔式结构或者是斜塔式结构。前者主要是钢筋混凝土薄壁空腹塔式结构，应用环境主要为结构距离河岸较为接近，并且能借助工作桥将顶部和河岸予以实时性连接；后者则是将结构设置为喇叭口形态，并且在山岩外要设置对应的闸门槽结构，相应的启闭机室和山岩之间并不需要进行架桥连接，基于整体结构安全性和稳定性要求，会采取斜靠岸坡的设计模式[2]。

选择进水塔结构形态时，要结合河道条件和水电站的设计选取相应形式，确保能发挥出进水塔的相应功能，有效提升水电站项目的建设水平，保证水电站使用的安全性和稳定性。

1.2 进水塔结构的特点

进水塔结构设计的过程中，要明确不同进水塔结构的特点，充分考虑设计内容和设计要素，确保设计能满足规范标准。常见的进水塔结构有两种，一种是“一字型”进水塔结构，具有较为稳定的水动力效能，并且这种结构形态在垂直水流方向会具备较好的刚度，若是设置在远离山体或者是顺水流方向，其支撑效果也能有所提高。比如，黄河小浪底工程项目中就选取了“一字型”进水塔结构[3]。另一种是“独立型”进水塔结构，相较于“一字型”结构，这种结构在垂直水流方向的刚度并不大，但在顺水流方向的刚度较大，因为塔体本身是独立设置的模式，也被称为高耸形结构模式。一般是在单洞流量较大的环境下完成泄洪洞进口的处理，确保应用效能最优化。

要结合水电站进水塔结构的抗震设计要求，保证相应结构特点都能得到合理发挥，并确保结构设计方案和抗震加固措施的基本效果满足应用要求，避免结构受到功能性破坏，维持水电站进水塔结构的稳定[4]。

2 水电站进水塔结构抗震设计方法

在水电站进水塔结构抗震设计工作中，传统的设计方法主要关注不同状态下进水塔结构抗震的情况，相较于传统设计方法，优化设计方法主要将优化结构抗震应用效能作为设计关键。

2.1 传统设计方法

在水电站进水塔结构抗震设计工作开展过程中，结构设计要将避免或者是减轻震动危害作为关键，有效提升结构的抗震水平，并对抗震效果予以优化和改善。传统结构设计体系中，将关注的重点落在主体结构构件屈服后塑性变形和滞回耗能方面，若是出现差异化因素，必然会对结构的抗震效能产生影响，甚至会破坏相应的结构。

（1）设计时从震源的角度分析消震情况，主要是借助减弱震源振动强度的方式，有效避免结构震动，但是，震源的评估无法有效且及时地确定，会频繁出现相应的措施无法应对特殊的情况。

（2）设计时从传播路径方面分析，借助装置将地震和结构进行隔离处理，其最大的功效就是减弱或者是改变地震状态下的结构作用强度，就能有效避免震动产生的危害。

（3）从结构层面进行被动减震，主要是应用附加子结构的方式进行地震传递能量的吸收和消耗，能有效减少结构震动，从而避免结构震动造成的损害[5]。

2.2 优化设计方法

在全面理解传统设计方法的基础上，要合理分析结构的震动破坏机制，应用有效的设计应对措施，确保能从动力响应方面完善和优化设计方案，从位移、速度、应力、应变等基础参数的设计出发，更好地提升设计的实效性和可控性。结构设计的数学表达式为：

式中：

x——设计变量，并结合其上限和下限；

V(x)——设计x的具体体积；

[V]——结构经济尺寸下的体积参数，此时类似于材料的上限。

结合实际工程项目进水塔的优化设计要求，利用程序完成优化处理，从而保证相关工作都能落实到位，最大程度上保证进水塔结构抗震效果[6]。

进水塔结构抗震优化设计的具体内容包括：

（1）对结构抗震的薄弱环节进行集中处理，并强化相应环节的设计，保证优化设计方案能满足应用要求，维持良好的抗震水平；

（2）强化结构各个位置的连接效果，配合整体连接处理就能维持进水塔结构抗震效果，提升优化处理效果；

（3）强化上部结构和基础结构的整体性，并增设配筋等，最大程度上提高结构的延性，维持良好的抗震水平，规避其应用安全性不足的问题；

（4）结合施工质量的具体要求，保证施工接缝位置的强度参数设计符合预期；

（5）若是周围环境特殊且天气条件恶劣，一般是在进水塔位置安装响应的减震消能设备，较为常见的设备包括橡胶垫块、特制消能支座等，能够维持良好的消能效率，保证抗震效果实现最优化[7]。

3 水电站进水塔设计实例

3.1 工程概况

某水电站项目是以发电为主的大型水库电站，深孔泄洪洞进口位置存在基岩裸露的现象，并且海拔2800m以上是花岗岩，相关人员要结合地质调查的结果进行综合评估。工程项目的地质构造主要是以次级小断层和节理密集带为主，进水塔的顶板高程为2440m、建基面高程为2435m，塔顶高程为2508m，进水塔整体尺寸参数见表1。

表1 进水塔尺寸参数（单位：m）

3.2 结构抗震设计要点

（1）调控基础支撑结构，将原有抗震设计中的三排支撑连杆直接转变为整体隔梁，有效维持调整的合理性和规范性，并且，配合调控设计就能更好地提升结构的侧向刚度。

（2）基于整体结构形式调整的要求，根据进水塔后部山体的应用要求尽量减少其开挖量，并在布置条件允许的基础上，有效地将进水塔顺水流向的长度控制在规范要求内，并着重提升结构的侧向刚度[8]。

（3）结合结构抗震安全标准，有效增加回填素混凝土的高度，强化进水塔结构和基础整体强度，为上部结构约束效能的优化提供支持。

3.3 动力计算与设计优化

为了保证相应结构形式的规范性和科学性，要进行系统化的结构动力计算和结果分析，确保整体应用效能满足设计要求。选取的计算软件是ANSYS软件，结合实际勘测结果数据，在地震位移谱中进行模型计算分析。其中，地震设防标准设置为50年5%和校核100年2%两组进行计算分析，加速度数值如下：（1）超越概率50年5%，计算烈度为7.2，基岩峰值加速度为1.192m/s2；（2）超越概率100年2%，计算烈度为8.0，基岩峰值加速度为2.050m/s2。并且，设计反应谱要满足水工建筑抗震设计规范的相关要求。

（1）进行动力计算分析时，超越概率100年2%，最大的静动叠加位移设定为10.1mm，进水口的顶部中间位置设置基础结构。弧形工作门和门楣位置的相对位移要控制在2.1mm，侧墙静动叠加的主应力水平设置在1.5MPa范围内，侧墙顶部靠近支撑过梁结构的回填混凝土表面应力也要控制在规定范围内[9]。

（2）在靠近回填部位和侧墙尾部，应力参数要控制在规定的数值范围内，最大数值为4～5MPa之间，薄弱的位置是过梁，将过梁的两端和侧墙连接位置的主应力控制在8MPa左右。

（3）结合计算分析的结果可知，结构的薄弱位置出现拉应力的情况是结构不能承受的。所以，要依据设计标准和要求完成结构优化调整工作，以全面提高相应结构的安全性。优化设计后，超越概率设置为100年2%，最大的位移设置为7.6mm，进水口顶部中间位置设置对应的结构单元。并且，弧形工作门和门楣位置的相对位移设置为1.6mm，侧墙静动叠加主应力也能控制在1.2MPa范围内，确保相应范围内应力控制的合理性，最薄弱的过梁位置要控制主应力参数。在完成相关计算分析后，评估得到最终进水塔结构设计优化方案可行[10]。

4 结束语

综上所述，在水电站进水塔的设计过程中，要结合结构设计的相关要求，确保满足结构布置合理的同时，符合结构抗震设计的要求。进水塔抗震设计过程中，要完善动力响应分析，最大程度上确保结构的抗震性能，并对结构抗震薄弱环节予以优化，更好地提高进水塔结构的刚度，为水电站可持续利用奠定基础。