水電站進水塔結構的抗震設計分析

宋光輝

（水電七局勘測設計院，四川 成都 611730）

0 引言

水電站由水力系統、機械系統和電能產生裝置等組成，是實現水能到電能轉換的水利樞紐工程，電能生產的可持續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的建設，人為地調節和改變水力資源在時間和空間上的分布，實現對水力資源的可持續利用。水力發電因具有清潔、高效、能量供給穩定充足的特點而備受重視。水電站建設過程中，對于抗震性能的要求越來越高，抗震設計的難度也就越來越大，尤其是進水塔結構的抗震設計，是目前國內外重點研究的對象。進水塔結構的抗震設計不僅要充分應用最新結構抗震原理，還要確保相應的設計方案和施工方式能符合水電站建設的要求，在提高進水塔安全性的同時降低經濟成本。本文就水電站進水塔結構的抗震設計進行分析。

1 水電站進水塔結構的形態與特點

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

1.1 進水塔結構的形態

依據結構形態的不同將水電站進水口分為開敞式和深式，目前多數水電站會使用深式進水口。結合其具體設計模式，深式進水口又可以細分為5個基本結構形式（見圖1）。

圖1 深式進水口分類

一般而言，相關部門會依據現場的施工環境、地質地形條件以及使用要求采取兩兩混用的設計模式，最終形成純塔式結構或者是斜塔式結構。前者主要是鋼筋混凝土薄壁空腹塔式結構，應用環境主要為結構距離河岸較為接近，并且能借助工作橋將頂部和河岸予以實時性連接；后者則是將結構設置為喇叭口形態，并且在山巖外要設置對應的閘門槽結構，相應的啟閉機室和山巖之間并不需要進行架橋連接，基于整體結構安全性和穩定性要求，會采取斜靠岸坡的設計模式[2]。

選擇進水塔結構形態時，要結合河道條件和水電站的設計選取相應形式，確保能發揮出進水塔的相應功能，有效提升水電站項目的建設水平，保證水電站使用的安全性和穩定性。

1.2 進水塔結構的特點

進水塔結構設計的過程中，要明確不同進水塔結構的特點，充分考慮設計內容和設計要素，確保設計能滿足規范標準。常見的進水塔結構有兩種，一種是“一字型”進水塔結構，具有較為穩定的水動力效能，并且這種結構形態在垂直水流方向會具備較好的剛度，若是設置在遠離山體或者是順水流方向，其支撐效果也能有所提高。比如，黃河小浪底工程項目中就選取了“一字型”進水塔結構[3]。另一種是“獨立型”進水塔結構，相較于“一字型”結構，這種結構在垂直水流方向的剛度并不大，但在順水流方向的剛度較大，因為塔體本身是獨立設置的模式，也被稱為高聳形結構模式。一般是在單洞流量較大的環境下完成泄洪洞進口的處理，確保應用效能最優化。

要結合水電站進水塔結構的抗震設計要求，保證相應結構特點都能得到合理發揮，并確保結構設計方案和抗震加固措施的基本效果滿足應用要求，避免結構受到功能性破壞，維持水電站進水塔結構的穩定[4]。

2 水電站進水塔結構抗震設計方法

在水電站進水塔結構抗震設計工作中，傳統的設計方法主要關注不同狀態下進水塔結構抗震的情況，相較于傳統設計方法，優化設計方法主要將優化結構抗震應用效能作為設計關鍵。

2.1 傳統設計方法

在水電站進水塔結構抗震設計工作開展過程中，結構設計要將避免或者是減輕震動危害作為關鍵，有效提升結構的抗震水平，并對抗震效果予以優化和改善。傳統結構設計體系中，將關注的重點落在主體結構構件屈服后塑性變形和滯回耗能方面，若是出現差異化因素，必然會對結構的抗震效能產生影響，甚至會破壞相應的結構。

（1）設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度的方式，有效避免結構震動，但是，震源的評估無法有效且及時地確定，會頻繁出現相應的措施無法應對特殊的情況。

（2）設計時從傳播路徑方面分析，借助裝置將地震和結構進行隔離處理，其最大的功效就是減弱或者是改變地震狀態下的結構作用強度，就能有效避免震動產生的危害。

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

2.2 優化設計方法

在全面理解傳統設計方法的基礎上，要合理分析結構的震動破壞機制，應用有效的設計應對措施，確保能從動力響應方面完善和優化設計方案，從位移、速度、應力、應變等基礎參數的設計出發，更好地提升設計的實效性和可控性。結構設計的數學表達式為：

式中：

x——設計變量，并結合其上限和下限；

V(x)——設計x的具體體積；

[V]——結構經濟尺寸下的體積參數，此時類似于材料的上限。

結合實際工程項目進水塔的優化設計要求，利用程序完成優化處理，從而保證相關工作都能落實到位，最大程度上保證進水塔結構抗震效果[6]。

進水塔結構抗震優化設計的具體內容包括：

（1）對結構抗震的薄弱環節進行集中處理，并強化相應環節的設計，保證優化設計方案能滿足應用要求，維持良好的抗震水平；

（2）強化結構各個位置的連接效果，配合整體連接處理就能維持進水塔結構抗震效果，提升優化處理效果；

（3）強化上部結構和基礎結構的整體性，并增設配筋等，最大程度上提高結構的延性，維持良好的抗震水平，規避其應用安全性不足的問題；

（4）結合施工質量的具體要求，保證施工接縫位置的強度參數設計符合預期；

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

3 水電站進水塔設計實例

3.1 工程概況

某水電站項目是以發電為主的大型水庫電站，深孔泄洪洞進口位置存在基巖裸露的現象，并且海拔2800m以上是花崗巖，相關人員要結合地質調查的結果進行綜合評估。工程項目的地質構造主要是以次級小斷層和節理密集帶為主，進水塔的頂板高程為2440m、建基面高程為2435m，塔頂高程為2508m，進水塔整體尺寸參數見表1。

表1 進水塔尺寸參數（單位：m）

3.2 結構抗震設計要點

（1）調控基礎支撐結構，將原有抗震設計中的三排支撐連桿直接轉變為整體隔梁，有效維持調整的合理性和規范性，并且，配合調控設計就能更好地提升結構的側向剛度。

（2）基于整體結構形式調整的要求，根據進水塔后部山體的應用要求盡量減少其開挖量，并在布置條件允許的基礎上，有效地將進水塔順水流向的長度控制在規范要求內，并著重提升結構的側向剛度[8]。

（3）結合結構抗震安全標準，有效增加回填素混凝土的高度，強化進水塔結構和基礎整體強度，為上部結構約束效能的優化提供支持。

3.3 動力計算與設計優化

為了保證相應結構形式的規范性和科學性，要進行系統化的結構動力計算和結果分析，確保整體應用效能滿足設計要求。選取的計算軟件是ANSYS軟件，結合實際勘測結果數據，在地震位移譜中進行模型計算分析。其中，地震設防標準設置為50年5%和校核100年2%兩組進行計算分析，加速度數值如下：（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，設計反應譜要滿足水工建筑抗震設計規范的相關要求。

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

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

（3）結合計算分析的結果可知，結構的薄弱位置出現拉應力的情況是結構不能承受的。所以，要依據設計標準和要求完成結構優化調整工作，以全面提高相應結構的安全性。優化設計后，超越概率設置為100年2%，最大的位移設置為7.6mm，進水口頂部中間位置設置對應的結構單元。并且，弧形工作門和門楣位置的相對位移設置為1.6mm，側墻靜動疊加主應力也能控制在1.2MPa范圍內，確保相應范圍內應力控制的合理性，最薄弱的過梁位置要控制主應力參數。在完成相關計算分析后，評估得到最終進水塔結構設計優化方案可行[10]。

4 結束語

綜上所述，在水電站進水塔的設計過程中，要結合結構設計的相關要求，確保滿足結構布置合理的同時，符合結構抗震設計的要求。進水塔抗震設計過程中，要完善動力響應分析，最大程度上確保結構的抗震性能，并對結構抗震薄弱環節予以優化，更好地提高進水塔結構的剛度，為水電站可持續利用奠定基礎。