張運(yùn)良

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧大連 116024)

隨著我國(guó)近年來(lái)對(duì)電力能源的巨大需求以及西部大開(kāi)發(fā)和西電東送戰(zhàn)略決策的持續(xù)推進(jìn),一大批裝機(jī)容量達(dá)世界級(jí)的巨型水電站已經(jīng)完建、正在興建或規(guī)劃設(shè)計(jì)中[1-2]。例如,長(zhǎng)江流域的三峽和葛洲壩水電站,金沙江流域的溪洛渡、向家壩、白鶴灘、烏東德水電站,瀾滄江流域的小灣、糯扎渡水電站,雅礱江流域的錦屏、二灘、兩河口水電站,黃河流域的拉西瓦水電站,大渡河流域的大崗山、瀑布溝水電站,以及紅水河流域的龍灘等水電站。這些巨型水電站單機(jī)容量高,例如三峽、溪洛渡、向家壩等電站單機(jī)容量分別達(dá)756MW,774MW,800MW,處在可行性研究階段的白鶴灘、烏東德等水電站,單機(jī)容量擬為1000MW。在西部水電建設(shè)中,我國(guó)還約需要百余臺(tái)700MW及以上的超大容量機(jī)組,水電機(jī)組朝著大容量、大尺寸、高可靠性發(fā)展已是必然趨勢(shì)[3-6]。

由于發(fā)展大容量機(jī)組可減少裝機(jī)臺(tái)數(shù),能顯著提高工程效益,并且有利于樞紐的總體布置,為了適應(yīng)我國(guó)大江大河水電開(kāi)發(fā)的需要,國(guó)內(nèi)兩大機(jī)組制造廠家東方電機(jī)股份有限公司和哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司目前正加緊對(duì)1000MW級(jí)機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究,其中1個(gè)突出的問(wèn)題就是如何保證大尺寸水輪機(jī)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于1000MW級(jí)機(jī)組,土建方面面臨的問(wèn)題包括:①水力流道中不穩(wěn)定流的激振能量會(huì)隨著直徑的增大而增大;②流道部件的剛度和固有頻率會(huì)隨著直徑的增大而下降,從而使共振的危險(xiǎn)性增大;③我國(guó)的大江大河水量四季不均,水位大幅度漲落導(dǎo)致水電站水頭變幅很大,造成水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況的幾率大幅度增加。諸多不利因素的存在將會(huì)使機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題變得異常突出,這對(duì)安放水電機(jī)組的水電站廠房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1 蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)

我國(guó)的蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前已達(dá)世界先進(jìn)水平。作為表征蝸殼承受內(nèi)水壓力大小的設(shè)計(jì)參數(shù)HD值(D為蝸殼進(jìn)口直徑,H為設(shè)計(jì)作用水頭)位居世界前列。例如三峽、拉西瓦、糯扎渡、溪洛渡、龍灘等水電站蝸殼HD值分別達(dá)1 730 m2,1 900 m2,1960m2,2048m2,2105m2。未來(lái)1000MW級(jí)水電機(jī)組的建設(shè)和發(fā)展將對(duì)蝸殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出新的挑戰(zhàn)。

作為水電站廠房?jī)?nèi)最重要的構(gòu)件,蝸殼組合結(jié)構(gòu)的功能是向水輪機(jī)提供平穩(wěn)水流并承受水輪發(fā)電機(jī)組傳來(lái)的靜、動(dòng)荷載(除承受巨大的內(nèi)壓水頭和結(jié)構(gòu)自重、溫度荷載等靜力荷載外,還直接或間接承受著來(lái)自水流和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的水力、機(jī)械力和電磁力等動(dòng)力荷載)。從廣義的角度講,大型蝸殼組合結(jié)構(gòu)是由座環(huán)環(huán)板、固定導(dǎo)葉、蝸殼鋼襯以及外圍鋼筋混凝土(有時(shí)包括上部機(jī)墩和風(fēng)罩及下部部分尾水管外圍混凝土)等圍成的空腔漸變復(fù)雜系統(tǒng),形似蝸牛,構(gòu)成了水電機(jī)組的結(jié)構(gòu)支撐體系。為了適應(yīng)當(dāng)前高水頭、大容量機(jī)組的發(fā)展,蝸殼在平面及豎向上的尺寸必須相應(yīng)增大,這勢(shì)必造成了蝸殼組合結(jié)構(gòu)及廠房整體的靜、動(dòng)力剛度下降,從而對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

另一方面,我國(guó)西部富集水電資源的大江大河流域大多處于強(qiáng)震頻發(fā)的高烈度地震區(qū)[7-14]。這些地區(qū)的特點(diǎn)是活動(dòng)斷層多,地震頻度高、強(qiáng)度大、范圍廣。據(jù)統(tǒng)計(jì),西部地區(qū)有活動(dòng)斷層371條,總長(zhǎng)度為2.8萬(wàn)km,并有 11個(gè) 8.5級(jí)、45個(gè) 8級(jí)、208個(gè)7.5級(jí)和478個(gè)7級(jí)潛在震源區(qū)[13-14]。因此,這些巨型水電工程面臨著嚴(yán)重的地震威脅。

由此可見(jiàn),巨大的結(jié)構(gòu)尺寸,超高多變的運(yùn)行水頭以及嚴(yán)酷復(fù)雜的荷載環(huán)境條件將給巨型蝸殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究帶來(lái)一系列新的問(wèn)題,應(yīng)盡早開(kāi)展針對(duì)性的研究。

2 研究現(xiàn)狀及若干問(wèn)題探討

下面將從土建設(shè)計(jì)方面對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析和計(jì)算,特別是動(dòng)力分析所取得的進(jìn)展、當(dāng)前存在的問(wèn)題以及未來(lái)所要開(kāi)展的研究進(jìn)行探討。

2.1 蝸殼結(jié)構(gòu)的埋設(shè)方式

蝸殼結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析一般是結(jié)合某種蝸殼埋設(shè)方式進(jìn)行的。目前,國(guó)內(nèi)外中高水頭、大容量混流式水輪機(jī)蝸殼主要采取3種結(jié)構(gòu)形式:①在鋼蝸殼外上部一定范圍內(nèi)鋪設(shè)軟墊層后澆筑外圍混凝土,即墊層蝸殼;②鋼蝸殼在充水保壓狀態(tài)下澆筑外圍混凝土,即保壓蝸殼;③在鋼蝸殼外直接澆筑混凝土,既不設(shè)墊層也不充水保壓,蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合完全承載,即直埋蝸殼。總結(jié)國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐,3種蝸殼結(jié)構(gòu)形式均有不少應(yīng)用,各具優(yōu)缺點(diǎn),大量的文獻(xiàn)對(duì)此都有論述[15-34]。

保壓蝸殼的研究和應(yīng)用較多也較為成熟,而墊層和直埋蝸殼施工方便、工期短,符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電力市場(chǎng)的需求。因此,近幾年來(lái)我國(guó)結(jié)合三峽右岸、拉西瓦、景洪、溪洛渡等水電站對(duì)墊層和直埋2種蝸殼埋設(shè)方式的研究逐漸增加。經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究[15-37],可以認(rèn)為,借助現(xiàn)代數(shù)值分析方法如有限元方法等,蝸殼結(jié)構(gòu)在靜力方面的強(qiáng)度和變形問(wèn)題目前已經(jīng)基本解決。隨著斷裂和損傷等理論的應(yīng)用和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,蝸殼外圍鋼筋混凝土的靜力非線性分析進(jìn)展很快,部分研究成果已被設(shè)計(jì)所采用。但由于實(shí)際計(jì)算工作量大且異常繁瑣,限制了很多新理論和方法的應(yīng)用[18]。

2.2 蝸殼及廠房動(dòng)力分析主要內(nèi)容

對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析,不能像靜力分析那樣取局部模型進(jìn)行簡(jiǎn)化考慮,有時(shí)需取廠房整體甚至包括一部分巖石介質(zhì)進(jìn)行。對(duì)于動(dòng)力分析,當(dāng)前的研究?jī)?nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面[15-37]:①墊層參數(shù)如彈性模量、鋪設(shè)厚度及范圍的選擇和優(yōu)化對(duì)蝸殼局部和廠房整體動(dòng)力特性(頻率和振型)的影響。②在機(jī)械力、電磁力和水力等內(nèi)源激勵(lì)作用下,3種埋設(shè)方式的蝸殼及廠房動(dòng)力反應(yīng)特點(diǎn)及比較研究。③針對(duì)直埋蝸殼,評(píng)價(jià)因流道內(nèi)水壓力導(dǎo)致蝸殼外圍混凝土內(nèi)貫穿性集中裂縫或分布式損傷的存在對(duì)蝸殼和廠房整體抗振(震)性能和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。④水輪機(jī)脈動(dòng)水壓力作用下的蝸殼流道疲勞分析。⑤機(jī)組-廠房的耦聯(lián)振動(dòng)問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn),蝸殼埋設(shè)方式不會(huì)對(duì)蝸殼及廠房的整體剛度造成太大的影響,從而不會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性起到控制作用?；诙嗉覇挝坏难芯砍晒?三峽右岸電站最終對(duì)15號(hào)機(jī)組段采用了墊層-直埋組合蝸殼結(jié)構(gòu)形式;拉西瓦地下電站全部機(jī)組段均采用了墊層蝸殼結(jié)構(gòu)形式;溪洛渡電站正在研究采用與三峽電站類(lèi)似的結(jié)構(gòu)形式。至此,蝸殼埋設(shè)方式的選擇和討論基本達(dá)成共識(shí)。

2.3 主要問(wèn)題探討

對(duì)于蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析,綜合目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,尤其是數(shù)值模擬方面的研究成果,認(rèn)為在以下幾個(gè)方面需要進(jìn)行深入探討。

2.3.1 墊層材料

對(duì)于應(yīng)用在水電站壓力管道和蝸殼上的墊層材料(以聚氨酯軟木材料為代表),計(jì)算和設(shè)計(jì)中對(duì)其壓縮模量、殘余變形及疲勞徐變等靜力性能做了較多的研究,但對(duì)其在脈動(dòng)水壓力、機(jī)組振源和地震等動(dòng)荷載作用下動(dòng)力非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究,目前基本上還未曾開(kāi)展。隨著機(jī)組規(guī)模和蝸殼及廠房尺寸的增大,振動(dòng)問(wèn)題日益突出。墊層的存在是否會(huì)嚴(yán)重削弱蝸殼及廠房的結(jié)構(gòu)動(dòng)力剛度,從而給機(jī)組和廠房的振動(dòng)帶來(lái)何種程度的影響,需要結(jié)合墊層材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行深入研究。目前的研究由于缺乏試驗(yàn)資料,在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)關(guān)于計(jì)算假定、模型和方法的處理均較簡(jiǎn)單。例如,建立動(dòng)力數(shù)值分析模型時(shí)基本上都假定墊層為線彈性材料,且采用基于靜力線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所得到的單一壓縮模量。實(shí)際上,墊層屬較軟的彈塑性材料,高HD值時(shí)在蝸殼及廠房的振動(dòng)過(guò)程中墊層必然具有動(dòng)力非線性特征。

目前,對(duì)墊層材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究這一基礎(chǔ)性的工作在國(guó)內(nèi)外至今還未受到重視,這與我國(guó)水電建設(shè)的發(fā)展形勢(shì)是不相適應(yīng)的。深入了解墊層材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性,對(duì)開(kāi)展特高HD值條件下大直徑墊層蝸殼和大埋深、高水頭壓力管道等結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境條件下動(dòng)態(tài)特性的研究和評(píng)價(jià)不可或缺,也對(duì)新型墊層材料的研制具有啟發(fā)和指導(dǎo)意義。

2.3.2 混凝土的損傷和開(kāi)裂對(duì)蝸殼及廠房動(dòng)力特性的影響

相對(duì)于墊層和保壓蝸殼,直埋蝸殼的優(yōu)點(diǎn)是施工程序最簡(jiǎn)單、工期最短,并且可提供較大的整體靜力剛度,是近年來(lái)頗受關(guān)注的一種蝸殼埋設(shè)方式。對(duì)于巨型電站,直埋蝸殼因其尺寸巨大,剛度相對(duì)較弱,HD值又特高,在蝸殼薄弱部位(常為混凝土厚度較薄處如腰線、頂板及其之間的部位)一般會(huì)產(chǎn)生若干分布損傷區(qū)和宏觀可見(jiàn)的集中裂縫,有的甚至裂穿。雖然目前蝸殼的設(shè)計(jì)都按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),但配筋并不能阻止裂縫的產(chǎn)生,只能限制裂縫的寬度、深度及在靜力荷載作用下的進(jìn)一步擴(kuò)展。從靜力變形和強(qiáng)度上講,直埋蝸殼結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)適當(dāng)配筋可以滿足現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。然而,水電站廠房?jī)?nèi)作用有頻帶較寬但頻率密集的水力振動(dòng)荷載,以及從機(jī)組上部支撐結(jié)構(gòu)所傳來(lái)的具有類(lèi)周期性質(zhì)的機(jī)械和電氣荷載,這些均屬于長(zhǎng)期持續(xù)的往復(fù)荷載;在高烈度地震區(qū)還可能發(fā)生持時(shí)較短的強(qiáng)地震作用。在這些動(dòng)力荷載作用下,大量的損傷區(qū)及裂縫尤其是薄弱部位貫穿性裂縫的存在必然會(huì)影響巨型蝸殼及廠房上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和抗震性能。一般來(lái)講,已有損傷和裂縫不僅改變結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)和阻尼性質(zhì),而且改變結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸,從而改變其振動(dòng)特性。從本質(zhì)上講,已含損傷和裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題具有非線性特征。針對(duì)在流道內(nèi)脈動(dòng)水壓力和地震荷載作用下,結(jié)合三峽右岸某機(jī)組段,考慮混凝土開(kāi)裂和損傷的地面式蝸殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng)研究已有一些初步成果。例如,蔣奎超等[25]建立了軸對(duì)稱(chēng)蝸殼結(jié)構(gòu)模型,基于混凝土各向同性損傷本構(gòu)模型,研究了在脈動(dòng)水壓力作用下直埋蝸殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。然而,采用軸對(duì)稱(chēng)模型并不能反映蝸殼及廠房的整體三維動(dòng)力特性。馬震岳等[24]、張運(yùn)良等[30]建立了全三維廠房整體動(dòng)力分析模型,研究了水力脈動(dòng)荷載作用下廠房整體和蝸殼局部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征,對(duì)蝸殼外圍混凝土的損傷和裂縫進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,即先進(jìn)行靜態(tài)內(nèi)水壓力作用下蝸殼外圍鋼筋混凝土的非線性有限元分析,然后,據(jù)此概化混凝土中的損傷和裂縫的分布范圍及形態(tài),在此基礎(chǔ)上采用2種簡(jiǎn)化處理方案:一是將含損傷和裂縫的混凝土統(tǒng)一處理成正交各向異性材料,受拉方向的混凝土彈性模量折減為初始模量的1/2;二是將損傷區(qū)或分布裂縫區(qū)的混凝土處理成正交各向異性材料,在受拉方向?qū)椥阅Ａ空蹨p為初始模量的1/2,而在集中裂縫處將縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)分開(kāi),縫面邊界自由。以上2種處理辦法中混凝土未損區(qū)的彈性模量保持不變。歐陽(yáng)金惠等[34]對(duì)裂縫和損傷區(qū)混凝土采用彈性模量折減的辦法進(jìn)行了類(lèi)似的研究,彈性模量折減量分別取未損混凝土彈性模量的50%,63%,80%,然后進(jìn)行水電站廠房的抗震研究[34]。張存慧等[31,33,36]、張運(yùn)良等[32]基于混凝土的各向同性塑性損傷本構(gòu)模型,考慮了不同加載速率對(duì)混凝土動(dòng)力特性的影響,建立了直埋蝸殼-廠房結(jié)構(gòu)的全三維整體有限元靜動(dòng)力組合分析模型,研究了脈動(dòng)水壓力和地震荷載作用下三峽廠房整體結(jié)構(gòu)的時(shí)程非線性動(dòng)力響應(yīng)特性。綜合以上研究表明,蝸殼外圍混凝土損傷區(qū)和貫穿性集中裂縫的存在,僅對(duì)蝸殼局部的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性影響較大,對(duì)廠房上部結(jié)構(gòu)影響較小。利用斷裂和損傷力學(xué)理論進(jìn)行水電站廠房及蝸殼的動(dòng)力分析,還沒(méi)有相對(duì)成熟的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,有待繼續(xù)深入研究。

2.3.3 流 固耦合效應(yīng)

巨型蝸殼流道內(nèi)含巨大的水體,可能對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生重要影響,其影響程度如何需要進(jìn)一步深入研究。這就牽涉到流固耦合即流體-結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用問(wèn)題。目前,考慮流固耦合的影響較多針對(duì)水輪機(jī)部件如導(dǎo)葉和葉片的振動(dòng)特性研究,對(duì)于蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性研究則做了很多簡(jiǎn)化?，F(xiàn)階段,將水體的影響通常簡(jiǎn)化考慮為附加在流道內(nèi)壁的動(dòng)水質(zhì)量。這種近似處理對(duì)于小斷面的蝸殼結(jié)構(gòu)尚可,對(duì)于巨型蝸殼結(jié)構(gòu)而言,誤差可能會(huì)較大。目前,這方面的研究還較缺乏[17]。因此,將流固耦合動(dòng)力學(xué)理論和方法引入到巨型蝸殼動(dòng)力特性的研究,可以獲得更具實(shí)際意義的認(rèn)識(shí)和成果。

2.3.4 蝸殼鋼板-混凝土間隙和接觸特性的影響

由于混凝土的冷縮、徐變、季節(jié)水溫變化、運(yùn)行水位較低等原因,鋼殼和混凝土之間會(huì)出現(xiàn)不均勻的間隙和非完全接觸情況;并且2種性質(zhì)截然不同的材料其變形也不協(xié)調(diào),這將不利于混凝土對(duì)蝸殼鋼板的嵌固作用,從而不利于機(jī)組的抗振。因此,有必要結(jié)合實(shí)測(cè)資料,深入研究蝸殼鋼板和混凝土間的不均勻間隙和接觸對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。

2.3.5 地下廠房的動(dòng)力分析模型

這里主要針對(duì)水力脈動(dòng)荷載和機(jī)組動(dòng)荷載等內(nèi)源激勵(lì)作用下的數(shù)值模型構(gòu)建問(wèn)題。由于抽水蓄能電站的建設(shè)需要,以及我國(guó)西部地區(qū)巨型水電站地形和地質(zhì)方面的限制,發(fā)電廠房多布置為地下式。盡管地下廠房在安全級(jí)別上不像大壩那么重要,但它是整個(gè)水電站的樞紐,無(wú)論是由機(jī)械振源、電磁振源和流道脈動(dòng)水壓力等廠房?jī)?nèi)部振源引起的振動(dòng),還是由外部振源如地震波和爆炸沖擊波等引起的震動(dòng),一旦穩(wěn)態(tài)或瞬時(shí)振動(dòng)較強(qiáng),都可能引起廠房甚至是周邊圍巖以及放置于其上設(shè)備的破壞。因此,地下廠房的動(dòng)力特性逐漸受到重視。對(duì)于特高水頭的抽水蓄能電站,廠房、機(jī)組與管道的振動(dòng)問(wèn)題近年來(lái)日益突出。

地下廠房與地上廠房的最大區(qū)別就是它們所處的環(huán)境不同。地上廠房修建于地表,而地下廠房則建于地下或山體的巖體介質(zhì)中,在結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造上有其獨(dú)特性。混凝土邊墻緊貼洞室圍巖澆筑而成,廠房下部結(jié)構(gòu)的混凝土也與圍巖澆在一起,因此,地下廠房結(jié)構(gòu)與其周?chē)B接的圍巖是一個(gè)有機(jī)整體,其動(dòng)力反應(yīng)總是要受到廠房周?chē)鷰r體不同程度的約束影響。目前,動(dòng)力反應(yīng)分析針對(duì)地面廠房的研究較多,而針對(duì)地下廠房則相對(duì)較少。地下廠房的動(dòng)力分析比地面廠房復(fù)雜,涉及圍巖-廠房的動(dòng)力相互作用以及對(duì)遠(yuǎn)域的無(wú)限圍巖介質(zhì)的有效模擬。

在當(dāng)前水電站地下廠房動(dòng)力分析中,在圍巖-廠房交界面或在截取一定范圍的圍巖外邊界處施加法向和切向集中彈簧單元以模擬圍巖對(duì)廠房的動(dòng)力作用。這種處理是仿照靜力分析的做法,認(rèn)為圍巖僅提供靜態(tài)彈性支撐。另外,法向彈簧剛度系數(shù)是由靜態(tài)彈性抗力系數(shù)轉(zhuǎn)化而來(lái),而切向彈簧剛度的確定則無(wú)依據(jù)。很顯然,對(duì)于動(dòng)力分析,這樣的做法在理論上是欠妥的。另外,這種處理方法沒(méi)有考慮圍巖介質(zhì)的幾何輻射阻尼對(duì)振動(dòng)散射波的吸收作用,在截?cái)噙吔缣帉a(chǎn)生虛假反射,若圍巖范圍取得不夠大將使計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重失真。研究表明,對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)不產(chǎn)生影響的圍巖范圍需滿足:

式中:D為計(jì)算邊界至所考察結(jié)構(gòu)邊緣或中心的最短距離;Cmax為巖石介質(zhì)內(nèi)的最大波速;T為計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)。

若考慮在截?cái)鄧鷰r邊界處另施加人工黏性阻尼以模擬波動(dòng)的吸收作用,則圍巖和廠房的動(dòng)力相互作用系統(tǒng)在內(nèi)源激勵(lì)下的動(dòng)力反應(yīng)就可近似正確求解。這種做法比單純模擬圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性支撐作用在理論上要完善。目前,基于各類(lèi)動(dòng)力人工邊界(包括黏彈性動(dòng)力人工邊界),考慮圍巖介質(zhì)-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用對(duì)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性的影響,已在地震工程和巖土工程等領(lǐng)域中有了很多應(yīng)用,而在水電站地下廠房動(dòng)力研究中應(yīng)用還比較少。

2.3.6 地下蝸殼及廠房的抗震研究

地下廠房的抗震研究進(jìn)展十分緩慢,其受重視程度遠(yuǎn)遜于高壩、核電站、超高層建筑、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)。在水電工程界,長(zhǎng)期以來(lái)人們認(rèn)為地下廠房的抗震性能優(yōu)于地面廠房,按地上一般工業(yè)廠房對(duì)水電站廠房進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)即可滿足要求。因此,研究大多針對(duì)地面式廠房及蝸殼結(jié)構(gòu)并取得了一定成果。

然而,對(duì)地下結(jié)構(gòu)如地下管道、地鐵車(chē)站和山體隧道等抗震能力的認(rèn)識(shí)局限性,在1995年日本阪神6.8級(jí)地震、1999年臺(tái)灣的集集7.3級(jí)地震和土耳其的伊斯坦布爾大地震中完全暴露出來(lái),不少地下結(jié)構(gòu)遭受?chē)?yán)重破壞,有的甚至發(fā)生坍塌。對(duì)于大型地下廠房及蝸殼所遭受的震害,世界各地的報(bào)道還不多見(jiàn)。1967年,印度柯以那水電站地下廠房遭受了6.5級(jí)地震,震后發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)機(jī)墩混凝土塊體間產(chǎn)生了相對(duì)位移,水輪機(jī)軸中心線也發(fā)生了偏轉(zhuǎn),影響了機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[37]。2008年我國(guó)汶川大地震后,映秀灣、太平驛、魚(yú)子溪、天龍湖、耿達(dá)等中型水電站地下廠房均有不同程度的震損[7],其中映秀灣地下廠房機(jī)墩和風(fēng)罩位置雖然部分裂縫為震前裂縫,但震后裂縫開(kāi)展較多(如1號(hào)機(jī)組風(fēng)罩內(nèi)壁裂縫);耿達(dá)電站的廠房為窯洞式,震損嚴(yán)重,廠房門(mén)口及一次、二次副廠房垮塌且全部被埋,調(diào)查人員無(wú)法進(jìn)入廠房?jī)?nèi)部,廠房發(fā)電機(jī)層以下被水淹。需要指出的是,汶川地震后被調(diào)查的地下廠房都是中小型電站廠房,單機(jī)容量最大的為太平驛電站,僅為65MW,與西部地區(qū)許多如拉西瓦、溪洛渡、龍灘、小灣等單機(jī)容量達(dá)700～1000MW級(jí)的超大型水電站廠房相比,在尺寸和規(guī)模上差別較大。因此,盡管汶川地震后中型地下蝸殼及廠房受損不是很?chē)?yán)重,但并不能說(shuō)明未來(lái)超大型地下蝸殼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下也具有相當(dāng)?shù)陌踩浴？陀^地講,高烈度地震區(qū)內(nèi)的巨型地下廠房的大規(guī)模興建是最近若干年來(lái)在中國(guó)才出現(xiàn)的,并且大多數(shù)還在建設(shè)和規(guī)劃設(shè)計(jì)中,還未曾受過(guò)大地震的考驗(yàn),因此災(zāi)難性的震害記錄尚較匱乏。

在當(dāng)前的蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,因認(rèn)為蝸殼是廠房下部大體積混凝土結(jié)構(gòu),在地震作用下其位移和應(yīng)力等動(dòng)力反應(yīng)幅值很小,設(shè)計(jì)時(shí)幾乎不考慮地震作用。但對(duì)于地下廠房的蝸殼結(jié)構(gòu),是否還可如此處理則值得探討。對(duì)于地下蝸殼結(jié)構(gòu),因其外圍鋼筋混凝土與巖體直接發(fā)生接觸,強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)混凝土將與圍巖發(fā)生運(yùn)動(dòng)相互作用和慣性相互作用,并可能對(duì)洞室周邊圍巖的地震動(dòng)場(chǎng)及其地震反應(yīng)產(chǎn)生重要的反饋影響。這與一般地下隧洞襯砌、管道以及地鐵(一般為框架結(jié)構(gòu))等小尺度、小質(zhì)量結(jié)構(gòu)是不同的:它們?cè)谟?jì)算地震反應(yīng)時(shí)慣性力一般較小而可以忽略不計(jì),并且它們的存在對(duì)地震波場(chǎng)的影響也比較微小。因此,針對(duì)地下廠房及蝸殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)開(kāi)展系統(tǒng)的抗震研究,在理論發(fā)展和工程實(shí)踐方面均具有重要的意義。

迄今,地下廠房洞室群的抗震穩(wěn)定性研究已引起了不少學(xué)者的注意[38-44],但對(duì)地下廠房的抗震研究還剛開(kāi)始。文獻(xiàn)[45]基于黏彈性邊界理論和等效地震荷載輸入方法,以小灣水電站地下廠房為例進(jìn)行了豎直入射剪切波作用下的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)域分析,認(rèn)為地下廠房的地震反應(yīng)特點(diǎn)明顯與地面廠房的地震反應(yīng)特點(diǎn)不同。究其原因,是大范圍巖體的存在使得廠房-圍巖系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用對(duì)地下廠房各結(jié)構(gòu)的反應(yīng)影響要比對(duì)地面廠房強(qiáng)得多。

由于地下廠房的抗震研究還未引起足夠重視,因此其抗震安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)目前尚無(wú)人涉及。地震動(dòng)參數(shù)的確定及地震動(dòng)輸入方法的選擇,是決定地震反應(yīng)分析成果是否合理的關(guān)鍵。如何針對(duì)具體工程采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ源_定合適的地震動(dòng)參數(shù),目前在地震工程界依然是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于地震動(dòng)輸入方法,目前大多可以考慮行波效應(yīng),假定地震入射波為體波,通過(guò)截取一定范圍的計(jì)算域并施加人工動(dòng)力邊界如黏性邊界、黏彈性邊界、透射邊界等,采用在人工邊界上等效地震荷載的方法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。

鑒于地下廠房及洞室群埋深較大,損傷診斷和修復(fù)都非常困難,因此,在當(dāng)前世界地震活動(dòng)較為頻繁的時(shí)期,充分重視地下廠房的抗震研究并吸收其他工程領(lǐng)域的相關(guān)研究成果,對(duì)完善和補(bǔ)充現(xiàn)行的規(guī)范具有重要的意義。SL266—2001《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》和DL 5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)地下廠房的抗震設(shè)計(jì)規(guī)定均較為粗略。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,巨型水電站蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析,將涉及地震工程學(xué)、水工結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、工程地質(zhì)、巖石力學(xué)與工程等多學(xué)科的交叉與融合,是難度較大、理論性較強(qiáng)的一個(gè)綜合性問(wèn)題。然而,隨著工程地震動(dòng)輸入研究成果的不斷積累,計(jì)算機(jī)軟硬件和計(jì)算技術(shù)的飛速進(jìn)步,混凝土及巖體材料動(dòng)態(tài)性能研究的不斷深入,界面靜動(dòng)力接觸及流固耦合分析理論的不斷發(fā)展,以上問(wèn)題的解決有了可能性,為人們加深對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及抗震性能研究的了解提供了更為科學(xué)合理的依據(jù),是當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)值得研究的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

目前,在世界范圍內(nèi),只有我國(guó)在建和將建一批世界級(jí)的巨型水電站,對(duì)于巨型蝸殼結(jié)構(gòu)及廠房動(dòng)力特性的研究,發(fā)達(dá)國(guó)家因水電開(kāi)發(fā)程度較高而缺乏研究動(dòng)力,國(guó)際上可以借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果極少。同時(shí),我國(guó)巨型水電站的建設(shè)對(duì)蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力及抗震設(shè)計(jì)提出了新的更高要求,必須加強(qiáng)基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究,以適應(yīng)建設(shè)水電大國(guó)和水電研究強(qiáng)國(guó)的發(fā)展需要。因此,加強(qiáng)和深入巨型電站蝸殼及廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及抗震性能的研究意義重大。

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