水电站进水塔结构抗震设计要点分析

水电站进水塔结构抗震设计要点分析

鲁舟洋

鲁舟洋

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西，西安，710065）

【摘要】水电站进水塔结构的安全性和可靠性直接关系到水电站的生产安全性和整体效益，所以一直受到高度关注，本文在对水电站进水塔结构进行系统分析的基础上，结合实际案例，对水电站进水塔结构抗震设计要点展开分析，为提升水电站运行的稳定性和持续性做出努力。

【关键词】水电站；进水塔结构；抗震设计要点

前言：

水电站的进水塔通常设置在水位变化幅度较大的天然河道、人工水库、胡波、调节池等水体的供水或泄水系统的首部，其在运行的过程中安全性可能会受到地震等自然灾害的威胁，所以在设计的过程中需要针对水电站进水塔结构进行抗震设计。

一、水电站进水塔结构分析

受不同水电站进水塔的工程地质、作业环境、地形条件等方面存在差异影响，目前水电站进水塔要分为纯塔和斜塔两种形式，前者主要应用于山岩不理想且岸坡较缓的施工条件，而后者主要利用斜靠岸坡提升自身结构的稳定性，在应用的过程中启闭机室和山岩间不需要架桥连接，而且闸门槽和喇叭口等结构需要设置在山岩以外，但两者在结构上通常均为钢筋混凝土薄壁空腹塔式结构，需要利用工作桥将结构顶部和河岸相连，此种结构在应用过程中水压力会对其四周同时产生作用[1]。目前我国在对水电站进水塔进行结构设计前，需要先对其进行结构布置，以一字型和独立型结构布置为主，例如我国黄河小浪底塔形为一字型布置，其在动力稳定性、垂直刚度和动力校核等方面都具有明显的优势；泸定水电站采用独立型布局，其主要应用于单洞流量较大的泄洪洞进口，其在顺流刚度、塔体高度与塔体厚度的比值均较大，对结构抗折设计的要求较高。

二、水电站进水塔结构抗震设计要点

（一）全面认识传统抗震设计的有效手段

传统水电站进水塔结构抗震设计的主要原理是将地震能量通过塔体结构构件在地震中发生的塑性变形能和滞回耗能进行耗散，可见在其设计过程中对相关区域耗能性能进行准确判定直接关系到进水塔结构的抗震能力。其在设计的过程中主要通过以下四方面实现抗震：首先，在设计的过程中有意识的利用设置某装置，使地震区域与进水塔结构相隔离，以此降低地震震动对进水塔结构的影响程度，使地震的影响方式发生变化，进而提升进水塔的安全性；其次，在设计的过程中通过增加相应的措施或附加某种结构，使地震向进水塔传递的能量被吸收或消散，以此提升进水塔在地震中的安全性；再次，在设计的过程中结合进水塔结构地震放映，利用地震系统执行机对进水塔施加一定的控制力，使进水塔在地震中的振动幅度和强度等降低，进而提升进水塔结构的抗震能力[2]。另外，结合传统进水塔结构抗震设计原理，可以在震源方面对震源强度进行控制，减少其对进水塔结构的影响，但受地震不确定性、规模较大等因素的影响，此类设计具体开展途径至今并未形成。

（二）综合分析动力响应

动力响应的位移、速度、应力等物理量对进水塔结构抗震设计均具有直接影响，在设计的过程中应尽可能使塔体结构在强烈地震环境中产生的最大应力缩减，而且进水塔结构的体积和质量达到最优的状态，换言之在设计中设计的进水塔体积要不大于进水塔结构经济尺寸对应的体积，即不能够超出材料上限；设计的变量要在设计变量的下限与上限之间等，现阶段主要通过ANSYS程序在设计过程中对动力响应进行优化[3]。例如某水电站的进水塔塔顶绝对高度在75米以上，在抗震设计时要求其抗震的能力达到度以上，但由于进水塔要与部分建筑物直接相连，而且在塔顶存在建设难度较大的启闭机房，在混凝土结构和周围水体的动力耦联作用下，进行进水塔的抗震结构设计难度提升，在此情况下需要先落实综合的动力响应分析，明确在此进水塔结构中其抗震承载能力和抗震稳定性设计的关键，并合理的设置拦污栅、闸门、观测仪器等结构，使塔体结构在地震时可以有效的和背后山体、地基岩体的相互作用，形成三维结构功力等，提升整体结构的抗震能力。

（三）有意识的应用有效抗震手段

在进水塔抗震结构设计的过程中，可以通过有意识的强化进水塔结构中的抗震能力较弱的结构；对进水塔结构的连接部位进行加强；对进水塔上部和基础结构的整体性进行优化，合理的增加配筋数量使，进水塔结构的延性得到优化；对地基进行必要的加固；对施工中设计施工质量的因素进行明确说明；将橡胶垫块、消能支座等积极的应用于进水塔结构中，减小地震对水电站进水塔的影响等。在设计的过程中具体选择抗震方法，需要结合具体实际进行灵活的选择。

（四）对进水塔结构进行合理的调整

某水电站进水塔的尺寸如表1所示，在进行结构抗震设计时，结合其地形条件，对其结构进行了调整，如，为提升进水塔侧向的刚度，将4排支撑连杆优化设计为整体隔梁并将山体开挖量和进水塔结构顺水流向长度减少；为使进水塔结构和基础部分的整体性提升，使回填的素混凝土高度在原有程度上适当加大；为提升结构和回填素混凝土的整体性特征，将连接插筋有意识的设置在混凝土施工过程等。结合动力计算结果可以发现，在对进水塔结构进行合理调整后，该进水塔的抗震能力明显提升。[4]

表1案例水电站进水塔设计中对进水塔结构尺寸调整的前后对比数据

结论：通过上述分析可以发现，现阶段人们已经认识到水电站进水塔结构抗震设计的必要性，并在实践中有意识的结合工程的特定、功能、地理要素等进行抗震设计，这是水电站进水塔结构设计水平提升的具体体现，需要不断的完善和推广。

参考文献：

[1]郑宏鸿．进水塔抗震数值计算及配筋设计[D]．大连：大连理工大学，2015．

[2]黄旭东，任旭华，张继勋．水电站进水塔结构抗震性能评估[J]．水电能源科学，2012，09：85-88+205．

[3]黄辉,李武诚.两河口水电站工程建设难点预测分析及应对措施[J].甘肃水利水电技术.2013(09)

[4]赵海涛,骆勇军,王潘绣,岳春伟.高耸钢筋混凝土进水塔结构抗震稳定性分析与安全评估[J].水利与建筑工程学报.2012(06)

作者简介：

鲁舟洋（1989.1-），男，汉族，陕西省洋县人，中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司助理工程师，硕士，研究方向：水工结构,邮编：710065。