高地震烈度区水利水电建筑工程抗震设计关键技术探究

引言

高地震烈度区地质活动活跃，地震频发且强度大，对水利水电建筑工程构成严重威胁。这类工程作为重要的基础设施，一旦在地震中受损，不仅会造成巨大的经济损失，还可能引发次生灾害，危及人民生命财产安全。当前，高地震烈度区水利水电建筑工程的抗震设计面临诸多挑战，了解常见震害类型及特征、明晰抗震设计现状，对于探究有效的抗震设计关键技术至关重要。

一、常见震害类型及特征

高地震烈度区水利水电建筑工程的震害呈现多样化特征，不同结构类型受震表现存在明显差异。坝体作为核心结构，常见震害包括裂缝、滑动及溃决。混凝土坝在强震作用下，坝体易出现横向或纵向裂缝，尤其是坝体与基岩接触部位，因刚度差异大，易产生应力集中导致开裂；土石坝则可能因地震引发坝体沉降、坝坡失稳，严重时出现坝顶塌陷或坝体滑动，若伴随强降雨，还可能引发漫坝溃决。厂房及附属结构的震害主要表现为结构变形与破坏。岸边式厂房的梁柱节点在地震中易发生剪切破坏，屋盖系统可能因振动过大导致坍塌；地下厂房的洞口周边易出现裂缝，围岩松动甚至塌方，影响厂房整体稳定性。输水隧洞在地震中常出现衬砌裂缝、错台或坍塌，特别是穿越断层的区段，因断层活动易造成隧洞结构断裂，丧失输水功能。闸门及启闭设备的震害多为连接松动、构件变形或功能失效。闸门在地震中因剧烈晃动可能与闸墩碰撞，导致门框变形、止水失效；启闭机的电机、齿轮等部件可能因振动发生位移或损坏，无法正常操作闸门，加剧次生灾害风险。

二、抗震设计现状

当前高地震烈度区水利水电建筑工程的抗震设计主要依据现行抗震规范，遵循 小震不坏、中震可修、大震不倒的原则。设计过程中，先确定工程场地的地震烈度和设计基本加速度，再结合结构类型进行地震作用计算，通过强度和变形验算确保结构在地震作用下的安全性。在结构设计方面，传统方法多采用增大截面尺寸、增加配筋量等手段提高结构刚度和承载力，对混凝土坝、重力坝等主要依靠自重抵抗地震作用的结构，设计重点在于优化坝体轮廓和基础处理。厂房结构设计则借鉴工业与民用建筑的抗震经验，采用框架结构并加强节点连接，以提升整体抗震性能。然而，现有设计仍存在局限性。对复杂地质条件下的结构 - 地基相互作用考虑不足，难以精准模拟地震能量在地基与结构间的传递；抗震设计多侧重于强度验算，对结构在强震下的延性和耗能能力关注不够，导致部分结构虽未倒塌但损坏严重，修复难度大；新型抗震技术的应用较为滞后，隔震、减震等先进方法在水利水电建筑中尚未普及，设计手段相对单一。

三、高地震烈度区水利水电建筑工程抗震设计关键技术

3.1 抗震结构选型与优化设计

抗震结构选型需结合场地条件和地震特性，优先选择抗震性能优良的结构形式。坝体结构中，在岩基条件较好的高烈度区，拱坝因整体刚度大、受力均匀，抗震性能优于重力坝，但需控制坝体厚度与河谷形状的匹配，避免因局部应力集中导致震害；软基上的坝体则宜采用土石坝与混凝土防渗墙组合形式，利用土石材料的柔性吸收地震能量，防渗墙则增强坝体整体性。厂房结构应采用框架 - 剪力墙体系，通过合理布置剪力墙减少结构扭转效应，厂房与坝体之间设置防震缝，避免地震时相互碰撞。地下厂房宜选择圆形或椭圆形断面，利用围岩的约束作用提高结构稳定性，洞口部位采用渐变段过渡，减少应力集中。结构优化设计需通过数值模拟调整参数，如优化坝体的上下游坡度、厂房的梁柱截面尺寸，使结构刚度分布均匀，地震作用下内力传递路径清晰，避免局部构件因受力过大而破坏。

3.2 抗震验算与动力分析方法

针对上述情况的抗震计算，应结合地震影响不确定性因素，在时程反应法的基础上，补充采用反应谱法进行计算。时程反应法利用与工程场地条件相匹配的地震波来模拟结构强震过程中的地震反应，求得结构的位移、应力等动力反应等；反应谱法则能快速求得结构地震作用效应，是时程反应分析的计算补充。结构的地震动输入应考虑地基 - 结构间的相互作用，采用包含地基 - 结构整体的有限元模型进行结构地震反应分析，可以有效避免仅考虑结构面输入地震反应而忽略地基变形的影响，导致的结构不安全可能性。针对高坝、厂房等复杂结构需考虑非线性动力效应，考虑材料的弹塑性作用以及结构节点的滑移等，结构应保证在罕遇地震时结构不垮塌。

3.3 关键部位抗震加固技术

通过灌浆将坝体与坝基岩体连接以加强连固、设置抗剪键或齿槽增加抗滑、加大坝踵和坝趾等应力集中区域的钢筋密度、或采用纤维复合材料加固以限制裂缝发展。厂房梁柱结点区域加大箍筋密度、增加斜向钢筋等，以提升抗剪能力，节点处混凝土强度等级较构件提高一级，以确保节点首先破坏而构件后破坏。地下洞室洞口位置和断层穿越部位设置钢衬或钢筋混凝土衬砌以加固，衬砌与围岩间增设缓冲层，以减少地震冲击荷载的作用。闸门和启闭设备结合部位采用高强度螺栓加固，以减少地震能量的传递。

3.4 抗震材料选用与性能提升技术

混凝土材料应用高强高性能混凝土掺加钢纤维或聚丙烯纤维改善抗裂和延性性能，控制地震作用下裂缝开裂情况；掺加矿物掺合料改善混凝土配合比，降低水泥水化热，控制由温度应力加上地震应力叠加诱发结构破坏。选用钢材采用屈服强度高、韧性好的低合金钢，应用于厂房钢结构、闸门制作中，增加构件的抗震耗能能力。对土石坝填料选择级配较好的砂砾料，掺加土工格栅等加筋材料增强坝体整体性，采用振动碾压增加压实度，降低地震时的液化可能性。材料性能方面的提升也可以采取材料表面处理的措施。

3.5 隔震与减震技术应用

在坝体基座底下安装橡胶支座式隔震层或摩擦摆式隔震支座，通过隔震层变形吸收地震能量来减小传递到坝体上的地震载荷，隔震层要有一定的承载力及滞回曲线和位移能，满足强震下大变形的需要；在厂房结构基础底板处布置铅芯橡胶支座与橡胶支座组合形成隔震层，既可以满足厂房竖向承载力要求，也能提供一定的水平刚度及耗能阻尼；结构梁柱节点和支撑位置采取黏滞阻尼器或金属屈服型阻尼器，通过黏滞阻尼器塑性变形吸收地震能量，减小结构的地震响应；输水隧洞断层穿越段采用波纹管伸缩节，使输水隧洞在地震作用下发生一定量的轴、横向位移，防止隧洞因断层错动而发生破裂，波纹管两端刚性管段提供密封能力。结语

高地震烈度区水利水电建筑工程的抗震设计需充分考虑震害特征与场地条件，通过科学的结构选型、精准的验算分析、有效的加固措施、优质的材料选用及先进的隔震减震技术，构建全方位的抗震体系。当前抗震设计虽已形成一定规范，但在复杂环境适应性、新型技术应用等方面仍有提升空间。未来应进一步结合工程实践优化设计方法，推动抗震技术的创新与集成，强化结构在地震作用下的安全性与耐久性，确保水利水电建筑在高烈度地震中既能抵御破坏，又能快速恢复功能，为保障能源与水资源安全提供坚实支撑。

参考文献

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