卡洛特水电站地面厂房结构抗震措施研究
孙海清 易路 陈捷平 陈锐
摘要：巴基斯坦卡洛特水电站坝址区地震烈度为Ⅷ度，设计水平地震加速度为0.26g。电站厂房采用引水岸边地面式，为适应较大的尾水变幅，厂房最大高度超过60 m，地面厂房具有整体高度大、地震设防标准高的特点。在电站厂房布置及结构设计中，通过多方案比选论证和厂房结构动力响应分析，采用了增设进厂交通洞和优化升压站布置降低厂房总体高度、主厂房上下游均布设副厂房形成筒体结构、厂房下游侧设封闭帷幕降低扬压力并改善建基面承载条件等综合措施，有效提高了地面厂房结构的抗震性。有限元数值计算分析表明：地面厂房在地震荷载条件下的整体稳定和地基应力均满足规范要求，结构变形及应力状态均满足电站运行需求。相关结构抗震措施可为同类工程提供借鉴。
关 键 词：引水岸边式地面厂房; 抗震性能; 高地震烈度; 高尾水变幅; 结构抗震措施
中图法分类号：
TV732
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.022
0 引 言
卡洛特水电站位于巴基斯坦旁遮普省境内Karot桥上游，下距曼格拉大坝74 km，西距伊斯兰堡直线距离约55 km，电站总装机容量720 MW。结合坝址区地形地质条件及枢纽建筑物总体布置，电站厂房采用引水岸边式地面厂房，共安装4台单机容量180 MW的混流式水轮发电机组，电站额定水头65 m，单机引用流量312.1 m3/s，水轮发电机组安装高程为382.50 m，厂房机组段结构建基面高程为358.50 m。
根据GB 50201-2014《防洪标准》[1]和DL 5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》[2]的规定，卡洛特水电站地面厂房为2级建筑物，其洪水设计标准，正常运用情况下洪水重现期按200 a考虑，相应洪峰流量为17 300 m3/s，对应设计尾水位为415.00 m;非常运用情况下洪水重现期按500 a考虑，相应洪峰流量为20 700 m3/s，对应校核尾水位为418.08 m;电站厂房单台机发电工况下最低尾水位为386.66 m，地面厂房尾水最大变幅达31.42 m，厂房尾水平台高程按校核尾水位考虑适当超高为419.00 m，为适应较大的尾水变幅，地面厂房尾水平台以下最大高度达60.50 m。
卡洛特水电站地面厂房为非壅水建筑物，按照NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[3]和《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》（水电规计[2008]24号）规定，地面厂房抗震设防类别为丙类，采用基本烈度作为设计烈度，设计地震加速度代表值取基准期50 a超越概率10%的地震动峰值加速度，根据地震危险性分析结果，其值为263.3 gal（0.26g），相应基本烈度为Ⅷ度。
该工程具有地面厂房高度大、厂址区地震烈度高的特点[4-6]，因此在厂房布置及结构设计中，重点研究了降低厂房总体高度的布置方案以及加强整体结构刚度的结构措施，以提高结构抗震性能，满足电站安全运行需求。
1 地面厂房结构布置
卡洛特水电站发电厂房布置在卡洛特大桥上游约130 m处河床右岸山坡，厂房结构沿机组纵轴线方向从右至左（面向河床）依次为安装场I段、安装场Ⅱ段、1号机组段、2号机组段、3号机组段、4号机组段6个部分，各部分之间通过永久缝分开为独立的结构单元。
受蜗壳、尾水管扩散段平面尺寸及相应的混凝土结构尺寸控制，1～3号机组段长度为27.0 m，同时考虑使机组设备和辅助设备处于桥机吊钩工作范围以内，考虑加长边机组段，4号机组段长度为30.4 m。根据蜗壳尺寸、水轮机及发电机层设备布置需要，考虑上下游通道及结构布置要求，各机组段主机间顺水流向宽度均为27.0 m。根据1台机组满发时对应的尾水位、机组吸出高度、水轮发电机组控制尺寸，主厂房的特征高程包括：机组安装高程382.50 m、建基面高程358.50 m、发电机层高程398.50 m、桥机高程412.00 m。安装场段尺寸主要根据一台机扩大性检修大件布置及桥机吊钩限制线等要求确定，安装场I段、安装场Ⅱ段长度分别为19.5，30.0 m，顺水流向与机组段同宽。厂房结构各段主机间上下游均设置副厂房，满足机电设备布置的同时与主机间一起形成筒体结构，上、下游副厂房顺水流宽度分别为12.0，10.5 m。尾水平台位于地面厂房末端，紧邻下游副厂房布置，设尾水检修闸门一道，顶部高程419.00 m，顺水流向宽度7.0 m。地面厂房结构总尺寸为160.9 m×56.5 m×60.5 m（长×宽×高）。主变压器、GIS室及出线设备的升压站独立布置于厂房结构上游侧的回填平台上，平面尺寸为111.4 m×16.0 m（长×宽），结构高度为25.0 m。
厂区交通由厂前平台、上游副厂房顶部、4号机组左侧平台、尾水平台及进厂交通洞共同组成。进厂公路及进厂交通洞布置于安装场段右侧，地面高程为419.00 m，通过宽平台与对外公路相接。
2 地面厂房结构抗震措施研究
2.1 进厂交通方式调整
卡洛特水电站地面厂房的设计洪水标准在非常运用情况下洪水重现期按500 a考虑，下游校核尾水位418.08 m，电站厂区进厂交通通道、地面厂房结构挡水高程均按满足校核尾水位条件下不出现水淹厂房的情况进行设计，考虑各项超高后确定其高程为419.00 m。地面厂房主机间发电机层高程为398.50 m，与进厂交通路面高差达20.5 m，机组大件设备通过地面交通无法直接运输至发电机层，需要进行专门的进厂交通布置设计。工程前期方案论证阶段主要提出的设备进厂交通方式主要包括以下3个方案。
（1） 方案一，同向转运，进厂公路直接进厂。安装场分Ⅰ段和Ⅱ段2段设置，布置在1号机组段右侧，其中安装场Ⅰ段楼面高程与厂区进厂公路同高，为419.00 m;安裝场Ⅱ段楼面高程与各机组段发电机层楼面高程同高，为398.50 m。安装场Ⅰ段与安装场Ⅱ段在高程429.50 m布置一台200 t单小车桥机，安装场Ⅱ段、1～4号机组段在高程412.00 m布置一台250 t+250 t双小车桥机。安装场Ⅰ段为卸货场，设备自419.00 m高程进厂大门进厂后可利用200 t桥机转运至安装场Ⅱ段，再利用另一台桥机实现设备在厂内的吊运。两层桥机轨道在安装场Ⅱ段上下重叠。
（2） 方案二，不转运，进厂公路直接进厂。安装场分Ⅰ段和Ⅱ段2段设置，布置在1号机组段右侧，安装场Ⅰ段和安装场Ⅱ段发电机层楼面与各机组段同高，安装场Ⅰ段、安装场Ⅱ段及1～4号机组段在高程429.50 m布置一台250 t+250 t双小车桥机。安装场Ⅰ段为卸货场，设备自419.00 m高程进厂大门进厂，利用桥机在整个地面厂房主机间内实现自由吊运。
（3） 方案三，交叉转运，进厂公路直接进厂。安装场分2段布置，安装场Ⅰ段布置在1号机组段右侧，安装场上Ⅰ段布置在安装场Ⅰ段上游侧，安装场Ⅰ段及1～4号机组段在高程412.00 m布置一台250 t+250 t双小车桥机，安装场I及上安装场上Ⅰ段在高程429.50 m布置一台200 t单小车桥机。安装场上Ⅰ段为卸货场，设备自419.00 m高程进厂大门进厂后可利用200 t桥机转运至安装场Ⅰ段，再利用另一台桥机实现设备在厂内的吊运。两层桥机轨道在安装场Ⅰ段上下交叉。
上述3种方案均从厂区进厂交通道路通过进厂大门直接进入地面厂房，设备运输较为便捷，但由此必须增加安装场高度或同时增加安装场、机组段高度达16 m，地面厂房结构高度增加约26%，对高地震作用下厂房结构的应力及变形控制极为不利。从结构抗震安全性角度来看，方案一结构布置简单，桥机运行全部由实体墙支撑，安全可靠，同时仅增加安装场部分的整体高度，在3个直接进厂方案中相对较优。
在进一步的方案研究过程中，为较好地解决该工程地面厂房结构对高地震作用的适应性，对机电设备进厂交通方式进行了调整，具体如下：增设进厂交通洞，安装场分Ⅰ段和Ⅱ段2段设置，布置在1号机组段右侧，安装场Ⅰ段和安装场Ⅱ段发电机层楼面与各机组段同高，安装场Ⅰ段、安装场Ⅱ段及1～4号机组段在412.00 m高程布置一台250 t+250 t双小车桥机。安装场Ⅰ段为卸货场，设备自安装场Ⅰ段上游侧398.50 m高程进厂交通洞进厂，利用桥机在整个地面厂房主机间内实现自由吊运，进厂交通洞与地面厂房右侧419.00 m高程进厂公路连接。调整后方案地面厂房顶部高度不再受限于进厂交通需求，仅需满足下游侧尾水挡水高程，能大幅降低机组段及安装场整体高度，提高结构抗震性能。同时经分析，该方案设备进厂卸货及吊运方式简洁，工程综合投资更省，因此最终在卡洛特水电站地面厂房设计中采用此进厂交通方案。
2.2 升压站布置优化
卡洛特水电站地面厂房升压站采用封闭式GIS方案，该方案经济性较好，技术性能优越，具有管理方便、可靠性高、故障几率少、检修周期长、抗震性能好等优点，同时也可避免当地高温对电气设备的影响。
升压站为多层框架结构，其顶部布置出线塔架，平面尺寸为111.4 m×16.0 m（长×宽）。升压站布置位置应尽量靠近厂房，便于运行管理的同时也减小线路连接长度，减少电损。考虑励磁变、PT柜、发电器断路器、厂用干式变压器、电压互感器等设备均布置在地面厂房上游副厂房各层，升压站优先选择布置在上游副厂房顶部。为满足主变压器、GIS等机电设备以及屋顶出线门构的布置需求，升压站布置于上游副厂房顶部后，地面厂房整体高度由60.5 m增加至85.5 m，增幅达42.2 %，结构抗震控制的难度大幅增加，抗震性能进一步降低。为此，在充分研究的基础上，调整地面厂房内部机电设备布置，对升壓站布置方案进行优化：将升压站置于地面厂房上游侧开挖边坡回填区，平面布置上仍然是紧靠上游副厂房，运行管理条件与原布置方案基本一致，其优点是升压站下部基础为开挖边坡回填大体积混凝土，与厂房结构之间设永久缝分开，升压站结构的设置不增加地面厂房整体高度，能较好地改善地面厂房和升压站结构及相关机电设备的抗震性能。
2.3 上下游布设副厂房
电站尾水位较高，岸边式地面厂房结构挡水水头接近60 m，为避免水压力直接作用于主机间上、下游桥机边墙，影响主厂房桥机的运行稳定，在进行厂房结构设计时，在主机间上下游侧均布设有副厂房，同时在副厂房391.00 m高程（水轮机层高程）和398.50 m高程（发电机层高程）设置顺水流向实体隔墙，上、下游副厂房外侧边墙与主机间上下游桥机墙体之间分别通过各层楼板、实体混凝土梁及实体隔墙连接形成独立的筒体结构，增大结构整体刚度，较好适应高尾水工况下地面厂房受力需求。
从结构抗震角度，卡洛特水电站厂房主机间上下游侧筒体结构的形成，在结构设计中通过简单的结构措施加强，大幅提升了结构的整体性和结构刚度，有效提升了地面厂房结构的抗震稳定性。
2.4 封闭帷幕设置
卡洛特水电站地面厂房建基岩体主要由微风化N1na3-3-2～N1na3-3-1砂岩及泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层组成，以N1na3-3-1中砂岩、细砂岩为主，岩体质量为Ⅲc类，局部为N1na3-3-2泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层及N1na3-3-1泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹层，岩体质量为Ⅳc类。对于泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，存在遇水软化、失水崩解及干湿交替呈粉末状等不良因素，电站尾水水位较高，尾水绕渗进入厂房建基面，会降低厂房建基面岩体质量，影响其抗震性和耐久性，同时在高尾水工况下，地面厂房的抗浮稳定安全度较低，叠加地震作用后的结构整体稳定性存在一定风险。因此，在进行地面厂房基础处理时，除对全建基面进行固结灌浆外，地面厂房靠尾水侧设置封闭帷幕，限制电站尾水入渗厂房建基面，减少尾水对基础岩体的不利影响，降低高尾水工况下地面厂房基底扬压力，总体提高地面厂房建基面的抗震性和地面厂房结构地震作用下的整体稳定性。
2.5 其他结构措施
结合卡洛特水电站高地震烈度的特点，除上述抗震措施外，在厂房结构设计中还针对性考虑了其他提高地面厂房抗震性的结构措施，主要包括：
（1） 电站厂房吊车梁采用刚度及承载力均较大、整体性好、对抗震有利的墙式支撑结构，尾水管底板采用整体式底板。
（2） 厂房屋顶采用空间网架结构，与上下游墙体间通过埋件可靠连接固定，屋面采用轻质面板，这种质量轻、刚度大、整体性强的屋盖型式有利于抗震。
（3） 厂房永久缝宽度、止水材料和型式等的设计均考虑抗震适应性，在进行结构构件设计时，严格按照DL/T 5057-2009《水工混凝土结构设计规范》[7]中有关抗震条款，对厂房钢筋混凝土构件的最小配筋率、钢筋直径、锚固长度、箍筋直径及间距等进行严格控制。
3 地面厂房抗震稳定性分析
为评价电站厂房的抗震安全性，对地面厂房标准机组段建立三维有限元模型，采用振型分解反应谱法开展地震动作用下的动力响应分析。
3.1 计算条件
3.1.1 材料参数
结构混凝土：弹性模量28 GPa，泊松比0.167，重度25 kN/m3。钢材：弹性模量210 GPa，泊松比0.3，重度78.5 kN/m3。基岩：粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层、中砂岩、细砂岩变形模量分别为2.5，2.5，2.5 GPa和4.5 GPa，泊松比分别为0.31，0.31，0.26，0.23。动力计算中，材料弹性模量按动弹性模量考虑。
3.1.2 计算荷载
计算荷载主要包括结构自重、永久设备重、水重、静水压力、动水压力、扬压力、地震作用。
3.1.3 地震反应谱参数
根据NB 35047-2015《水电工程建筑物抗震设计规范》规定，同时考虑顺河向地震作用及竖向地震作用，组合时取竖向地震作用效应乘以0.5的耦合系数后与水平向地震作用效应直接相加。地震基本烈度为Ⅷ度，水平向设计加速度代表值为0.26g，竖向设计加速度为水平向的2/3。
动力反应按反应谱计算时，反应谱曲线按NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》规定采用。地震主震周期T0=0.20 s，反应谱最大值的代表值βmax=2.25，结构阻尼比为7%。地基按无质量地基考虑。
3.1.4 计算模型
数值分析以主厂房标准机组段为对象，三维有限元模型见图1～2。整个计算模型共划分单元152 650个，节点219 762个。为方便网格划分并满足计算精度要求，蜗壳段及尾水管段采用10节点四面体高阶单元，其他结构采用8节点六面体单元，四面体与六面体之间采用20节点单元（棱锥体等）进行过渡。基岩模拟范围，上、下游及深度方向约为2倍结构高度，上、下游顶部取至山体顶部，左右与机组段同宽。坐标轴以机组中心为原点，X轴指向下游为正，Y轴指向左岸为正，Z轴竖直向上。基岩底部全约束，上下游面及左、右侧面为法向约束。地面厂房整体计算模型和厂房混凝土结构模型如图1和图2所示。
3.2 主要计算成果
3.2.1 位 移
遭遇设计地震时，地面厂房建基面最大沉降位移为17.40 mm。结构整体顺水流向位移以动位移为主，最大为15.60 mm;垂直水流向位移相对较小，在1.00 mm以内;铅直向位移在尾水闸门下游墙体处最大，约7.50 mm，桥机高程上下游最大相对位移顺水流向为5.06 mm，铅直向为0.79 mm，满足桥机运行要求。
3.2.2 应 力
采用动力法计算地震作用效應，取地震作用的效应折减系数为0.35。
设计地震作用下，建基面铅直向都为小于2.3 MPa的压应力。混凝土结构顺水流向拉应力主要位于发电机层楼板，除应力集中区域外，一般小于2.0 MPa;垂直水流向拉应力主要位于尾水管底板、上下游副厂房楼板及横梁，最大值约2.6 MPa;混凝土结构铅直向基本无拉应力，压应力均小于5.0 MPa。
地震作用下，机组段抗滑稳定复核结果为：作用效应值409 296 kN，抗力1 127 060 kN。机组抗浮稳定复核结果为：作用效应值33 103 kN，抗力687 511 kN。地面厂房结构抗滑及抗浮稳定均满足规范要求。
3.3 厂房结构抗震安全性评价
经数值计算分析，卡洛特水电站地面厂房在遭遇设计地震情况下，结构整体稳定性较好，厂房地基应力、整体抗滑及抗浮稳定性均满足规范要求，地基沉降在结构适应范围。主机间上下游墙体、上下游副厂房、尾水闸墩及其他墙体和楼板等结构存在的变形和局部应力集中现象，通过采取加强配筋等措施，可以保证结构安全，主厂房桥机轨道部位在地震作用下发生的相对变形仍能满足其正常运行要求。
4 结 语
为适应高尾水变幅，卡洛特水电站地面厂房结构高度相对较大，同时坝址区地震基本烈度高，厂房结构抗震安全性面临较大挑战。在厂房设计中，针对性开展了结构抗震措施研究：通过增设进厂交通洞;优化升压站布置降低厂房总体高度，主厂房上下游布设副厂房形成筒体结构，基底设封闭帷幕降低扬压力并改善建基面承载条件等综合措施，有效改善地面厂房的抗震性能。数值计算分析表明，卡洛特水电站地面厂房结构的抗震安全性能满足其安全运行要求。
参考文献：
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[7] 国家能源局.水工混凝土结构设计规范：DL 5057-2009[S].北京：中国电力出版社，2009.
（编辑：郑 毅）
Study on seismic measures for ground powerhouse structure of Karot Hydropower Station
SUN Haiqing，YI Lu，CHEN Jieping，CHEN Rui
（Changjiang Survey，Planning，Design and Research，Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）
Abstract：
The seismic intensity at the dam site of Karot Hydropower Station in Pakistan is Ⅷ degree，and the designed horizontal seismic acceleration is 0.26g.The diversion and river-side ground powerhouse is adopted.In order to adapt to the larger tailwater variation，the maximum height of the powerhouse is more than 60 m，which is characterized by larger height and high seismic fortification standards.In the powerhouse layout and structural design，comprehensive measures were adopted to increase the seismic resistance of the ground powerhouse structure by scheme comparison and dynamic response analysis.The main anti-seismic measures include adding the access tunnels and optimizing the switchyard layout to reduce powerhouse height，setting auxiliary powerhouses at both upstream and downstream of main powerhouse to form cylinder structure，setting downstream closed curtain to lower uplift pressure and improve the bearing condition of powerhouse foundation，etc.The finite element numerical analysis results showed that the overall stability and foundation stress of the ground powerhouse under seismic load can meet requirements of the code，and the structural deformation and stress state met the operation requirements of the power station.The relevant structure anti-seismic measures can be references for similar projects.
Key words：
diversion and river-side ground powerhouse;seismic resistance;high seismic intensity;larger tailwater variation;structure anti-seismic measure
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