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摘要：水电站是水力发电的重要场所，厂房为其中必不可少的建筑物。为保证水电站的安全稳定运行，本文围绕水电站厂房结构抗震设计展开了分析，具体探讨了某二级水电站厂房的抗震计算分析情况，以期可为其他项目提供可靠参考。
关键词：水电站；厂房；结构类型；抗震设计
目前，随着我国水电事业的发展，不少水电站厂房在修建时难以避开地震带，开展抗震分析显得尤为必要。在水电站厂房实际结构设计时，需选择合适的方法进行计算分析，切实提高结构在面临地震时的安全可靠性。
一、水电站厂房结构类型
水电站厂房结构类型众多，根据其在水电站枢纽中位置与结构特征，具体可分为3种基本类型：
（一）坝后式厂房，此类厂房位于拦河坝下游坝趾处，厂房与坝直接相连，发电用水穿过坝体引入厂房，如：丹江口水电站厂房、三峡水电站厂房；
（二）引水式厂房，此类厂房不直接与坝相连，发电用水通过引水建筑物引入到厂房，若是厂房设置在河岸则称为是引水式地面厂房，如：锦屏二级水电站厂房、浙江湖南镇水电站厂房；
（三）河床式厂房，此类厂房处于河床中，自身也具有一定的挡水作用，若是厂房机组段设置有泄水道，则称为是泄水式厂房，混合式厂房，如：葛洲坝二江电厂厂房。
二、水电站厂房结构抗震设计方法
抗震设计是水工结构设计的重要环节，方法众多，现主要针对以下3种展开介绍：
（一）拟静力法，此方法主要是用等效静荷载代替地震对建筑物作用，按照静力计算方法计算建筑物地震反应，此方法在大型工程种采用较少；
（二）反应谱法，此方法是目前设计规范所依據的地震力理论，基于单自由度弹性体系在实际地震过程中的反应，从现有地震记录中寻找具备代表意义的标准反应谱曲线设计反应谱曲线（图1），再计算结构物自振特性周期、振型、阻尼等，最后对各阶振型地震荷载进行计算、组合，获得设计所需地震荷载，此方法不足为只能求得结构各振型可能出现的最大值，无法求得最大值间相位关系；
（三）时程分析法，此方法主要是根据实测从工地震加速度记录，对建筑物地震反应过程进行直接计算，此计算模型可尽可能描述建筑物在地震作用下实际情况，充分考虑建筑物与基础、水相互作用，可考虑材料非线性变形，但是计算工作量也相对较大。
在进行水电站厂房结构抗震设计时，需从本地的实际情况出发合理选择设计方法，满足相应的结构安全性要求。
三、案例分析
（一）工程概况
本文仅以某二级水电站地面厂房为例展开分析，此厂房底板底面高程1749.85m，布置在Ⅰ级侵蚀阶地上，地面高程1760.00～1772.00m，地形坡度10°～15°，阶地上覆砂砾石层厚4～10m。据资料，水电站所在地区为强震区，地震烈度为8°，存在长约23km的断层，主副厂房基础及高压水道下平段均位于该断层破碎带及影响带中。为确保发电厂房基础抗震设计合理有效，采用ANSYS软件建立了静动力模型开展分析。
（二）厂房抗震计算
根据《水工建筑物抗震设计规范》规定，场地属不利地段，为从理论上验证厂房基础设计方案的可靠性，重点对厂房基底应力和各分段建筑物间的位移进行了研究。
1、计算模型
根据厂房布置情况，采用ANSYS开展模型的单元剖分。厂房结构附近是断层破碎带，具有地基应力扩散、变形特点，地震波在模型边界反射，模型在平行厂房轴线方向左右延伸140m，垂直厂房轴线向上下游各延伸100m。底面采用全部约束，四周采用水平约束。由此模型结构引起的应力在地基边界以内已基本消除。计算模型连同地基共划分出约36000个单元，其中厂房部分9056个单元，混凝土承台1266个单元，结构计算模型见图1。
2、计算参数
根据水电站坝址地震危险性分析结果，电站厂址结构计算中地震基本烈度取8度，相应地震动峰值加速度取218.29cm/s2，时间步长取0.02s，同时输入水平平行厂房轴线、水平垂直厂房轴线和竖向地震加速度，竖向地震加速度峰值取为水平向的2/3，并考虑耦合效应。水电站厂房基础材料有关参数见表1。
3、计算工况及结果分析
抗震计算考虑以下三种工况：
工况1：厂房直接座于断层破碎带上；
工况2：厂房基础下仅加设混凝土承台；
工况3：在厂房基础下加设混凝土承台，承台下加设砂砾石垫层。
三种工况在地震作用下的相对位移和厂房底面应力计算结果见表2、3。
（1）厂房基础下加设混凝土承台后，厂房#1、#2两机组段与#3、#4机组段间的位移大幅减小，在承台下再加设砂砾石垫层，可使位移量进一步减小。
（2）无论是否采取工程措施，除局部应力集中部位外，厂房基础底面的最大压应力、拉应力均小于地基的容许承载力。采用基础下加设刚性平台后，基础底面应力得到了适当消减，混凝土承台和砂砾石垫层均起到了很大的隔震作用，可减小厂房结构在地震中被破坏的机率。
（三）抗震建议
根据上述计算与分析，本工程提出以下抗震建议：（1）调整平面布置，使厂房基础均座于断层下盘；（2）对厂房基坑采取封闭措施，防止岩石风化和软化；（3）加强观测系统设计，在厂址区设计了区域构造稳定性观测系统，主要包括地震活动性观测、厂基渗透压力监测，位移补偿器位移观测、厂房建筑物变形观测等项目。
四、结语：
综上所述，基于水利工程事业的持续发展，水电站厂房抗震问题受到各方高度关注，对此必须采用合理方法，如：拟静力法、反应谱法、时程分析法等，对厂房进行抗震计算分析，了解地震作用下结构布置方案结构的应力、应变等，为抗震设计提供充分依据，提高工程在地震作用下的安全可靠性。
关键词：水电站；厂房；结构类型；抗震设计
目前，随着我国水电事业的发展，不少水电站厂房在修建时难以避开地震带，开展抗震分析显得尤为必要。在水电站厂房实际结构设计时，需选择合适的方法进行计算分析，切实提高结构在面临地震时的安全可靠性。
一、水电站厂房结构类型
水电站厂房结构类型众多，根据其在水电站枢纽中位置与结构特征，具体可分为3种基本类型：
（一）坝后式厂房，此类厂房位于拦河坝下游坝趾处，厂房与坝直接相连，发电用水穿过坝体引入厂房，如：丹江口水电站厂房、三峡水电站厂房；
（二）引水式厂房，此类厂房不直接与坝相连，发电用水通过引水建筑物引入到厂房，若是厂房设置在河岸则称为是引水式地面厂房，如：锦屏二级水电站厂房、浙江湖南镇水电站厂房；
（三）河床式厂房，此类厂房处于河床中，自身也具有一定的挡水作用，若是厂房机组段设置有泄水道，则称为是泄水式厂房，混合式厂房，如：葛洲坝二江电厂厂房。
二、水电站厂房结构抗震设计方法
抗震设计是水工结构设计的重要环节，方法众多，现主要针对以下3种展开介绍：
（一）拟静力法，此方法主要是用等效静荷载代替地震对建筑物作用，按照静力计算方法计算建筑物地震反应，此方法在大型工程种采用较少；
（二）反应谱法，此方法是目前设计规范所依據的地震力理论，基于单自由度弹性体系在实际地震过程中的反应，从现有地震记录中寻找具备代表意义的标准反应谱曲线设计反应谱曲线（图1），再计算结构物自振特性周期、振型、阻尼等，最后对各阶振型地震荷载进行计算、组合，获得设计所需地震荷载，此方法不足为只能求得结构各振型可能出现的最大值，无法求得最大值间相位关系；
（三）时程分析法，此方法主要是根据实测从工地震加速度记录，对建筑物地震反应过程进行直接计算，此计算模型可尽可能描述建筑物在地震作用下实际情况，充分考虑建筑物与基础、水相互作用，可考虑材料非线性变形，但是计算工作量也相对较大。
在进行水电站厂房结构抗震设计时，需从本地的实际情况出发合理选择设计方法，满足相应的结构安全性要求。
三、案例分析
（一）工程概况
本文仅以某二级水电站地面厂房为例展开分析，此厂房底板底面高程1749.85m，布置在Ⅰ级侵蚀阶地上，地面高程1760.00～1772.00m，地形坡度10°～15°，阶地上覆砂砾石层厚4～10m。据资料，水电站所在地区为强震区，地震烈度为8°，存在长约23km的断层，主副厂房基础及高压水道下平段均位于该断层破碎带及影响带中。为确保发电厂房基础抗震设计合理有效，采用ANSYS软件建立了静动力模型开展分析。
（二）厂房抗震计算
根据《水工建筑物抗震设计规范》规定，场地属不利地段，为从理论上验证厂房基础设计方案的可靠性，重点对厂房基底应力和各分段建筑物间的位移进行了研究。
1、计算模型
根据厂房布置情况，采用ANSYS开展模型的单元剖分。厂房结构附近是断层破碎带，具有地基应力扩散、变形特点，地震波在模型边界反射，模型在平行厂房轴线方向左右延伸140m，垂直厂房轴线向上下游各延伸100m。底面采用全部约束，四周采用水平约束。由此模型结构引起的应力在地基边界以内已基本消除。计算模型连同地基共划分出约36000个单元，其中厂房部分9056个单元，混凝土承台1266个单元，结构计算模型见图1。
2、计算参数
根据水电站坝址地震危险性分析结果，电站厂址结构计算中地震基本烈度取8度，相应地震动峰值加速度取218.29cm/s2，时间步长取0.02s，同时输入水平平行厂房轴线、水平垂直厂房轴线和竖向地震加速度，竖向地震加速度峰值取为水平向的2/3，并考虑耦合效应。水电站厂房基础材料有关参数见表1。
3、计算工况及结果分析
抗震计算考虑以下三种工况：
工况1：厂房直接座于断层破碎带上；
工况2：厂房基础下仅加设混凝土承台；
工况3：在厂房基础下加设混凝土承台，承台下加设砂砾石垫层。
三种工况在地震作用下的相对位移和厂房底面应力计算结果见表2、3。
（1）厂房基础下加设混凝土承台后，厂房#1、#2两机组段与#3、#4机组段间的位移大幅减小，在承台下再加设砂砾石垫层，可使位移量进一步减小。
（2）无论是否采取工程措施，除局部应力集中部位外，厂房基础底面的最大压应力、拉应力均小于地基的容许承载力。采用基础下加设刚性平台后，基础底面应力得到了适当消减，混凝土承台和砂砾石垫层均起到了很大的隔震作用，可减小厂房结构在地震中被破坏的机率。
（三）抗震建议
根据上述计算与分析，本工程提出以下抗震建议：（1）调整平面布置，使厂房基础均座于断层下盘；（2）对厂房基坑采取封闭措施，防止岩石风化和软化；（3）加强观测系统设计，在厂址区设计了区域构造稳定性观测系统，主要包括地震活动性观测、厂基渗透压力监测，位移补偿器位移观测、厂房建筑物变形观测等项目。
四、结语：
综上所述，基于水利工程事业的持续发展，水电站厂房抗震问题受到各方高度关注，对此必须采用合理方法，如：拟静力法、反应谱法、时程分析法等，对厂房进行抗震计算分析，了解地震作用下结构布置方案结构的应力、应变等，为抗震设计提供充分依据，提高工程在地震作用下的安全可靠性。