宋志強(qiáng)，王 飛，歐陽(yáng)金惠，張啟靈

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

我國(guó)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(qiáng)震頻發(fā)，地震地質(zhì)特點(diǎn)是活動(dòng)斷層多、頻度高、強(qiáng)度大、范圍廣，對(duì)巨型水電站廠房構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如：大崗山水電站壩址地區(qū)設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度達(dá)0.557 g，2008 年汶川8.0 級(jí)大地震，實(shí)測(cè)紫平鋪大壩壩基加速度達(dá)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(yán)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(chǎng)所[2]，將直接威脅到其內(nèi)工作人員的生命安全，同時(shí)嚴(yán)重影響震后救災(zāi)搶險(xiǎn)的電力供應(yīng)，水電站廠房能否盡快恢復(fù)運(yùn)行并向附近災(zāi)區(qū)提供電力保障，在分秒必爭(zhēng)的救災(zāi)搶險(xiǎn)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(jí)地震，震后發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)機(jī)墩混凝土塊體間發(fā)生了相對(duì)位移，水輪機(jī)軸中心線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，影響機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。隨著電站規(guī)模、水頭和機(jī)組容量的提高，機(jī)組和廠房尺寸增大，結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度相對(duì)降低，水電站廠房的抗震安全面臨著嚴(yán)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(yán)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(dòng)力特性各有特點(diǎn)。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(guò)設(shè)置縱向沉降縫分開(kāi)，廠房結(jié)構(gòu)可進(jìn)行單獨(dú)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(shí)，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(yáng)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(dòng)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(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)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(jī)組段和中間機(jī)組段的動(dòng)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(jī)組段在垂直水流向的邊界條件不對(duì)稱，在地震動(dòng)作用下整體上可能表現(xiàn)出空間扭轉(zhuǎn)。

2 計(jì)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(shí)程分析法三種，擬靜力法方便應(yīng)用，但只考慮了地震動(dòng)峰值加速度這一要素的影響，無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；反應(yīng)譜法能夠考慮結(jié)構(gòu)自振周期、地震動(dòng)峰值加速度和特定場(chǎng)地的地震動(dòng)頻譜特性的影響；時(shí)程分析法考慮了地震動(dòng)的峰值加速度、頻譜和持時(shí)的影響，能夠精確反映結(jié)構(gòu)在地震作用過(guò)程中的響應(yīng)，但地震波的選取或人工生成對(duì)計(jì)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(jì)算方法所展開(kāi)的研究。

陳婧[4]采用反應(yīng)譜分析方法，通過(guò)計(jì)算和比較河床式水電站主副廠房不同的連接形式對(duì)水電站廠房地震動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生的影響，結(jié)合工程實(shí)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?jiǎng)恿r(shí)程法進(jìn)行了河床式水電站廠房地震響應(yīng)分析，認(rèn)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(duì)廠房結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。張燎軍[8]分析了地震過(guò)程中廠房上部結(jié)構(gòu)鞭梢效應(yīng)的影響作用。宋志強(qiáng)[9]針對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，提出地震動(dòng)時(shí)程分析中應(yīng)依據(jù)振型參與質(zhì)量確定對(duì)廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)的模態(tài)階次，進(jìn)而確定瑞利阻尼系數(shù)。張啟靈[10]針對(duì)平面尺寸較大的水電站廠房，分析了行波效應(yīng)對(duì)廠房抗震性能的影響，并研究了水電站廠房的抗震措施。

時(shí)程分析法可以考慮地基- 廠房的靜動(dòng)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(shí)程分析法開(kāi)展水電站廠房的抗震研究已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

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(dòng)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(dòng)力作用下力學(xué)性能的研究，但就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，結(jié)合已有的被廣泛認(rèn)可的研究成果開(kāi)展結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析無(wú)疑更貼近基于性能的抗震設(shè)計(jì)要求。

3.1 材料非線性模型

混凝土作為一種準(zhǔn)脆性材料，在形成之初其內(nèi)部隨機(jī)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(kāi)始延伸、發(fā)展、連通并且產(chǎn)生新的微裂縫，微裂縫的進(jìn)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(qiáng)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(jiǎn)單地考慮為線彈性材料偏離實(shí)際太多。

張輝東[11]、劉學(xué)江[12]基于時(shí)程分析法對(duì)水電站廠房整體進(jìn)行了非線性地震響應(yīng)分析，并同線性模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，證明非線性分析的實(shí)時(shí)仿真優(yōu)勢(shì)。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(guò)ANSYS 軟件研究了水電站廠房在地震動(dòng)作用下的非線性響應(yīng)情況，給出了廠房結(jié)構(gòu)在時(shí)程上的應(yīng)力、位移響應(yīng)情況及開(kāi)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(duì)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(yùn)行工況下的靜動(dòng)力特性及蝸殼外圍混凝土材料的非線性特性。歐陽(yáng)金惠[20]、張運(yùn)良[21]分別基于三峽水電站15#機(jī)組廠房的靜力分析結(jié)果，計(jì)算考慮損傷后的廠房動(dòng)力特性，得到蝸殼外圍混凝土開(kāi)裂對(duì)廠房整體自振特性影響較小的結(jié)論。

近年來(lái)，大型水電站開(kāi)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(jiǎn)化施工工藝、節(jié)省工期等優(yōu)勢(shì)，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(lì)下的動(dòng)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(dòng)態(tài)分布系數(shù)，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)價(jià)結(jié)論不同，因此開(kāi)展不同蝸殼埋設(shè)方式對(duì)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(wèn)題一直以來(lái)都是工程材料領(lǐng)域重點(diǎn)研究的內(nèi)容，對(duì)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(wèn)題，其對(duì)結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)有著顯著地影響[19]。文獻(xiàn)[22]取某水電站蝸殼進(jìn)口包含一個(gè)完整固定導(dǎo)葉的扇形區(qū)域建立有限元模型，通過(guò)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(guò)計(jì)算得到的應(yīng)力和形變大小對(duì)墊層蝸殼各典型方案進(jìn)行了分析討論。文獻(xiàn)[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(xiàn)[24]利用鉸接- 接觸單元實(shí)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(xiàn)[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(duì)墊層蝸殼的響應(yīng)過(guò)程有顯著地影響。文獻(xiàn)[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(guò)試驗(yàn)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(rèn)為在蝸殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)組單機(jī)容量的不斷提高，流道內(nèi)水體對(duì)廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震響應(yīng)的影響愈發(fā)顯著，同時(shí)對(duì)流道內(nèi)動(dòng)水壓力的精確模擬也愈發(fā)困難。采用附加質(zhì)量模擬動(dòng)水壓力可以大幅降低計(jì)算成本，徐國(guó)賓[27]嘗試對(duì)抗震規(guī)范給出的進(jìn)水塔內(nèi)、外動(dòng)水壓力代表值計(jì)算公式進(jìn)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(dòng)力特性解，但作者同時(shí)指出這種修正并不具普適性，需要謹(jǐn)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(duì)流壓力，因此在大尺寸流道中的計(jì)算精度很低，張存慧[28]和孫偉[29]分別討論了基于線性無(wú)窮小速度公式的勢(shì)流體單元法在水電站廠房動(dòng)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(jià)值的探索。針對(duì)巨型流道內(nèi)水體的復(fù)雜特性，為得到盡可能精確的計(jì)算結(jié)果，張輝東[30]和張燎軍[31]分別提出了強(qiáng)耦合模型和全耦合模型兩種方法，前者開(kāi)創(chuàng)性的將聲場(chǎng)理論同有限元方法相結(jié)合來(lái)分析廠房的動(dòng)力特性，后者通過(guò)建立全流道湍流- 結(jié)構(gòu)模型來(lái)分析廠房動(dòng)力特性及振動(dòng)的傳遞路徑，這兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流道內(nèi)水體全面且精確的模擬，但計(jì)算代價(jià)相對(duì)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(jìn)行整體分析更接近于實(shí)際，能夠考慮地基- 廠房的靜動(dòng)力相互作用。地震過(guò)程中地震波從震源出發(fā)向四周傳播，經(jīng)過(guò)若干巖層的透射、反射后傳至地表引起地面運(yùn)動(dòng)，地面運(yùn)動(dòng)誘發(fā)水電站廠房的震動(dòng)，廠房震動(dòng)能量向無(wú)限地基中輻射散去。廠房- 地基作為一個(gè)半開(kāi)放的系統(tǒng)，數(shù)值模擬中不可能建立半無(wú)限域地基來(lái)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(lái)模擬半無(wú)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(shí)空藕聯(lián)的，能夠?qū)o(wú)限地基進(jìn)行精確的模擬，但需要花費(fèi)大量的計(jì)算資源，無(wú)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(shí)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(duì)無(wú)限域的近似模擬，在保證較高精度的前提下計(jì)算耗時(shí)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(guó)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(jī)理，數(shù)值模擬表明上下游立柱損傷嚴(yán)重、上游墻底部出現(xiàn)輕微的損傷開(kāi)裂，通過(guò)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(wú)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(wú)質(zhì)量地基模型下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(dòng)力響應(yīng)，最大降幅達(dá)64%。

6 地震響應(yīng)評(píng)價(jià)

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(píng)價(jià)，本文通過(guò)大壩、進(jìn)水塔等水工建筑物的抗震評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，總結(jié)了三條可以適用于水電站廠房地震響應(yīng)評(píng)價(jià)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(biāo)，設(shè)計(jì)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(jī)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(lái)表征和評(píng)價(jià)廠房結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并可據(jù)此評(píng)價(jià)廠房的抗震安全裕度、判斷廠房結(jié)構(gòu)是否會(huì)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(chǎng)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(píng)價(jià)體系中的重要指標(biāo)。如上下游墻頂部的峰值位移、層間位移角、上下游牛腿順?biāo)飨蛳鄬?duì)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(kāi)裂、壓碎破壞，因混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度的安全裕度較高，因此混凝土多因受拉導(dǎo)致?lián)p傷開(kāi)裂[36]。廠房的的樓板、梁、柱及墻體結(jié)構(gòu)相對(duì)其它部位較為薄弱，在地震過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂，通過(guò)混凝土開(kāi)裂的長(zhǎng)度在整個(gè)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度中的占比、拉損傷因子的大小、損傷面積定量地評(píng)判薄弱部位的破壞情況。

7 展望

7.1 近斷層地震動(dòng)的研究

我國(guó)水電事業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的時(shí)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(dòng)的幾率也隨之增大。與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)相比，近斷層地震動(dòng)往往具有長(zhǎng)持時(shí)、大速度和位移脈沖，在地震動(dòng)初始階段就給結(jié)構(gòu)輸入較高的能量，導(dǎo)致其對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞能力非常強(qiáng)[37-39]。水電站廠房作為水電生產(chǎn)的重要場(chǎng)所，在地震過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生震毀，因此應(yīng)盡快開(kāi)展近斷層地震動(dòng)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(lái)越大，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力分析時(shí)，必須考慮地基- 廠房的靜動(dòng)力相互作用。現(xiàn)有的研究中，對(duì)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(shí)際震害提出，必須同時(shí)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(guò)程中的破壞機(jī)理[40-41]。對(duì)于在強(qiáng)震作用下、或近斷層區(qū)域場(chǎng)地內(nèi)的地基巖體很容易進(jìn)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(shí)考慮地基巖體和廠房材料的非線性國(guó)內(nèi)外報(bào)道不多，對(duì)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(jì)階段，往往把建基面的抗滑穩(wěn)定問(wèn)題作為結(jié)構(gòu)承載能力的重要一項(xiàng)，地震工況通常是設(shè)計(jì)中的控制工況，同樣要驗(yàn)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(diǎn)連接。對(duì)于河床式廠房在靜力分析時(shí)，上下游水位在廠房底板上引起的揚(yáng)壓力將由地基和廠房共同承擔(dān)，無(wú)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(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可能有較大的影響，勢(shì)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(dòng)的機(jī)理，有待于進(jìn)一步研究。