摘要：水电站厂房按稳定性和安全性对于水电站的正常运行十分重要，直接影响到厂房中发电机组的发电安全。所以须对水电站厂房进行抗震性能分析，并对厂房进行抗震设计和加固。
关键词：水电站厂房；抗震；设计加固
前言
水电站厂房的抗震安全直接影响厂房发电机组的发电安全，对装机容量巨大的大型水电站厂房来说，更是如此。迄今水电站厂房抗震问题的研究已相对比较充分，然而更多进行的是必要的抗震结构分析，结构抗震构造设计被关注较少，尤其对具体的抗震措施探讨较少。实际上在土木工程其它领域，如普通工业厂房和火电站厂房的抗震设计，对厂房抗震加固技术和抗震措施研究是较活跃的，在民用建筑领域研究和应用同样广泛。
1水电工程防震抗震设计标准体系
除国家相关法律法规及其强制性标准外，2015年之前，我国水利水电工程地震设防所依据的行业标准仅有“水工建筑物抗震设计规范”，分别是电力行业标准《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073—2000）和水利行业标准《水工建筑物抗震设计规范》（SL203—1997）。两者相关规定是一致的，大坝抗震设防标准采用设计基准期内一定概率水准（或重现期）的地震动参数表示，采用一级设计标准设防，其性能目标对应的是，在设计地震作用下，容许水工建筑物局部损坏，经一般修复处理后仍可正常运行。《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073—2000）的侧重点是水工建筑物地震安全，着重阐述水工结构地震安全评价中的地震动输入、结构地震响应和结构抗力三个相互关联的内容。规范中未涉及地震地质、地震次生灾害、生命线工程、地震抢险救灾、应急预案及应急处置、震后评价及修复等内容，也缺少对工程规划、枢纽布置、结构体型和细部构造方面的相关规定。实践证明，合适的枢纽布置和坝型选择能起到防御和减缓震灾发生和扩大的作用；在水工结构选型上，通过使建筑结构的一般要求和抗震要求相结合，可以避免增加“额外”成本；在细部构造设计上，通过局部增强关键单元和薄弱部位的抗震强度和韧性，也可以显著提高结构的整体抗震能力。从汶川地震灾区抢险救灾及灾后重建中吸取经验教训，水电工程防震抗震设计需要涉及枢纽工程各建筑物、水库库岸、交通工程、电力设施设备等各个部分；包含规避预防、工程抗震、监测预警、应急处置、抢险救灾、应急通信和电源、震后修复等多个环节；覆盖地震震动、地质灾害、洪水灾害、火灾爆炸、有害有毒气体等多源风险，树立系统性、综合性、风险性的防震抗震设计新理念。迄今，世界上已建、在建200m以上高坝65座，中国17座，占26%。根据规划，未来还将在金沙江、怒江等河流上修建200m以上高坝20座，这些工程均处于地震地质条件复杂、地震烈度高的地区，水电工程防震抗震安全问题突出。因此，迫切需要通过总结国内外在高坝建设科学研究、勘测设计、建设管理等方面取得的技术发展，总结震害调查的经验和启示，补充完善相应抗震设计技术标准，为未来水电工程建设提供技术支持。
2水电站厂房设计中的主要内容分析
2.1主厂房的尺寸确定
水电站主厂房是水电站厂区的主要构筑物设施,确定主厂房相关尺寸是设计中的关键环节。就当前常见的水电站主厂房设计要求而言,其尺寸参数的选择主要受上部、下部结构的影响较为明显,其中上部结构的尺寸影响因素主要包括发电机层、排架柱、屋面、屋顶等,而下部结构的尺寸影响因素主要包括发电机机墩、水轮机座、尾水管等。在水电站主厂房尺寸确定过程中,应根据相应的发电与防洪设计需求,充分考虑厂区设备安装、运行、维护等系列工作要求的基础上,通过合理的规模控制与厂房布置提升资源利用效率,降低水电站厂房成本投入。
2.2地下结构设计
水电站厂房地下结构部分是整个厂房的基础部分,该结构承受来自上部结构与设备运行过程中形成的各项载荷,其结构稳定性对于厂区安全有着至关重要的作用。现阶段,水电站厂房地下结构通常指的是位于水面以下的厂房结构,其结构设计与参数选择具有一定的环境影响特征。水电站厂房体量较大,其水下部分通常使用大体积混凝土作为结构形式,而这部分大体积混凝土在现场浇筑过程中,由于基础高差较大,其裂缝控制难度较高。因此,大部分水电站厂房地下结构部分均采用分层分块浇筑的形式。机墩能够为水电站发电机组提供支撑作用,立墩端面与设备蜗壳顶板一体化连接,承受着机组运行过程中形成的动、静荷载,因此要求机墩结构具有良好的刚度、强度、稳定性水平。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在机墩结构设计环节,设计人员主要考虑的影响因素是顶端位置的设备自重形成的垂直静载荷、机组推力形成的垂直动载荷与水平动载荷以及扭矩载荷等。
2.3地上结构设计
水电站厂房地上结构部分是防护设施与搭设各类发电辅助设备重要结构,地上结构部分常见的屋顶屋面材料能够有效隔绝外部环境对于水电站设备的干扰,当前常用地上结构形式为预制钢筋混凝土面板+隔热层+防水层+保护层的结构。其中,地上结构排架柱作为重要的承重结构,其体系稳定性与屋架或屋面、吊车梁等多项载荷相关,在设计环节需要对这些载荷条件进行充分考虑,同时结合下部结构的承载能力选择排架柱形式与参数。当前水电站厂房通常选择钢筋硅材料作为排架结构,跨度为10一25m。地上结构设计过程中需要考虑的另一重要因素是水电生产过程中,设备运行管理的效率,地上结构应为各设备提供足够的检修维护空间,同时避免临近设备间的干扰作用。
2.4整体稳定分析
整体稳定性分析是对水电站厂房设计方案的审核检验,其分析标准为各项载荷条件下的结构稳定性与各工况水平下的应力表现。主要分析内容包括:厂房地下结构地抗滑稳定性、抗浮稳定性、垂直正应力水平、不均匀沉降、动静载荷结构振动特征等。在具体的稳定性分析过程中,结合设计结构的抗剪切强度进行分析,同时对于结构体系中应力较为集中的脆弱部位进行重点核算。尤其需要考虑的是水力发电机组高负荷运行条件下,机组工况条件下的振动等情况形成的结构稳定性影响问题。
3水电站厂房抗震设计与加固
3.1地面厂房的设计加固
传统的抗震措施为将厂房屋顶与排架铰接，以期达到抗震作用。然而，在实际应用中，铰接的方法虽然增强了上游排架以及上游墙体的地震响应，削弱了下游排架顶部加速度，但并不能真正地达到抗震的目的。原因是当屋顶与排架铰接时，在增加上游排架和上游墙体刚性的同时，也增大了这两个薄弱部位的惯性力。这种方法的本质是重新分配了各个结构所承载的地震输入能量，因此厂房抗震效果并不明显。因此，对于尾水平台较高，主副厂房之间没有分缝的地面厂房，将屋顶简支，不与排架铰接，对于厂房抗震效果更好。此外，在水电站地面厂房中，可以增加黏滞阻尼器，粘滞阻尼器可以对上下游排架和上游墙体的抗震能力进行加固。
3.2半地下厂房的设计加固
对于半地下式厂房抗震性能的设计和加固，可以采用后浇带的方法，这种方式相对于分缝来说，相对位移和应力均较小。此外也能对半地下厂房的增提醒和刚度进行加固，使结构有较好的连续性，均匀地分散地震的能量。同时，将厂房楼板与边墙相连接，加强它们之间的约束力，有效地减小了位移和应力，实现半地下厂房抗震设计与加固。
3.3地下厂房的设计加固
研究人员通过计算发现，地震发生时，地下厂房的振动主要是根据厂房周围的围岩移动的方向而移动，与上下游侧立柱是否连接以及连接方式没有明显的关联。连接方式主要影响的是发电机、母线等厂房的上部结构的应力。从相对位移的角度来讲，上下游立柱与围岩的连接时相对于柱岩不进行连接时，厂房各部位水平方向和竖直方向上的位移均有所减小。除了地震时发出的横波之外，母线层楼板和水轮机楼板会发生应力集中，局部拉伸力加大，楼板和风罩等上层结构的拉力和应力均减小。因此，对于地下厂房来说，上下游立柱与厂房的围岩分离，能够有效地减少厂房对地震的响应。
结束语
由于近几年全球气候环境变化，极端天气多发，地震活动频繁，因此对水电站厂房进行科学的抗震以及加固设计进行深入研究，对抗震方法进行创新和改进，分析这些方法措施在水电站厂房设计加固中的实际应用效果，对于已经建成并投入使用的工程和正在建设的工程均有着重要深远的实际意义。
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论文作者:郝保迎
论文发表刊物:《基层建设》2017年第25期
论文发表时间:2017/11/28
标签：厂房论文; 水电站论文; 结构论文; 排架论文; 载荷论文; 水工论文; 应力论文; 《基层建设》2017年第25期论文;