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水电站机电设备抗震防震设计

2010/11/10 11:46:00 来源: 评论: 0 条 点击: 7609 次

                                                                   张  强
                                        (中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 湖南长沙 410014)

摘 要:本文结合相关抗震防震规范、标准的具体要求及工程实例,分析探讨了地震对机电设备的危害、机电设备地震设防标准和施工设计中应注意的问题。对编写水电工程抗震专题报告机电部分有一定的借鉴意义。
关键词:机电设备;地震;设防标准

0  引言

2008年四川汶川5.12特大地震给震区造成了巨大损坏,但水电工程基本经受着了8级大震的考验。根据《汶川地震灾区 大中型水电工程震损调查与分析》提供的震后资料表明,机电设备的损坏大多是由于水淹厂房及建筑物的倒塌砸坏的,震区水电工程机电设备自身的防震抗震能力在总体上是可以满足要求的。因此,可以认为:水电工程机电设计中采用的有关防震抗震现行标准和设计方法在总体上是合适的。

但是,汶川地震中也暴露了机电设计的一些薄弱环节,引起政府和社会广泛关注的主要有两个问题:(1)震后为保证大坝安全,要求电站开启闸门放空水库时没有动力电源。(2)震后对外界的通讯联络完全中断,电站成为信息孤岛。 以上两种情况对避免重大次生灾害(溃坝);外界了解工程受损情况,组织救援,最大限度减少灾后损失构成了明显障碍。
目前,我国没有颁布针对机电设备抗震防震的标准规范和具体要求,因此,机电专业设计中对抗震防震的要求缺乏有力的依据。电站设备除水轮发电机组在刚强度计算和应力复核时考虑地震作用力外,其它设备考虑的很少,甚至根本没有考虑。经与辅机设备制造厂交流,大多厂家回答,不管招标文件中地震设防烈度要求多少,设备本身设计是一样的,希望设计院在布置时考虑地震力的影响。2008年汶川5.12特大地震发生以前,机电专业对水电站机电设备的抗震防震认识不足,积累的经验有限,

因此,在编写抗震专题报告和抗震设计时往往无从下手。

汶川5.12特大地震发生后,国家发展和改革委员会于5月20日发出了《国家发展和改革委关于加强水电工程防震抗震工作有关要求的通知》(发改能源[2008]1242号),提出了西南地区新建大中型水电项目都要开展防震抗震专题研究论证和工程设计,并进行专题审查的要求。2008年5月23日,中国水电工程顾问集团公司向各子公司转发了国家发展和改革委1242号文件并提出了落实文件要求的六项具体措施(水电顾计[2008]259号),要求各设计院对正在开展可行性研究的水电工程进行防震抗震专题研究论证和工程设计工作,并提出专题报告。水电水利规划设计总院制定了《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》,于2008年7月11日以水电规计[2008]24号文件发至各有关单位。

防震抗震专题报告的机电专业内容是:根据不同的地震工况,以尽力避免重大次生灾害(溃坝)发生为核心目标,保证对外通讯渠道畅通,最大限度减少灾后损失为主要目标,对重要设施设备以及应急设备提出设备配置、设备布置及抗震设计要求。

1  抗震设计的原则、基本概念和基本依据

1.1  抗震设计的原则

水电工程地震设防要遵循“确保安全,留有裕度”的原则,确保大坝及主要建筑物在设计地震工况下满足“可修复”要求,在校核地震工况下满足“不溃坝”的要求,最大限度地减轻地震灾害。

1.2  基本概念

(1)抗震设防烈度:按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。

(2)设计地震动参数:抗震设计用的地震加速度速度位移时程曲线加速度反应谱和峰值加速度。

(3)设计基本地震加速度:50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。

(4)重要电力设施:对设计容量为750MW及以上的水力发电厂,安装在大坝内和大坝上的电气设施;不得中断的电力系统的通信设施。

(5)不同地震烈度设计加速度值:

表1和表2取值并不相同,尽管表2是2010版,但GB50011在2008年地震后修订版并没有修正,经分析表1的值更科学。

(6)水电站需要进行抗震防震设计的界限

《水电工程防震抗震研究及专题报告编制暂行规定》第4 条 :大中型水电工程(总库容≥1000 万m3或者装机容量≥50MW)均应按规定开展水电工程防震抗震研究设计,进行地震设防。地震基本烈度在7 度及以上或设计地震动峰值加速度大于等于0.1g 的大型水电工程(水库总库容≥1 亿m3或者装机容量≥300MW)和坝高大于70m、地震地质条件复杂的中型水电工程。,以及特别重大水电工程,在可行性研究阶段应编制防震抗震研究设计专题报告并报专项审查。其他水电工程根据地震地质实际情况开展防震抗震研究设计工作,其成果纳入可行性研究报告,与可行性研究报告一并审查。

(7)地震震级与烈度
地震研究部门在描述某地区发生的地震时,“级”代表震级,“度”代表烈度。一次地震只有一个震级,但它所造成的破坏,在不同的地区是不同的,即在不同的地方会表现出不同的烈度。例如,1976年唐山地震,震级为7.8级,震中烈度为十一度;受唐山地震的影响,天津市地震烈度为八度,北京市烈度为六度。
震级是指地震的大小,是表征地震强弱的量度,与地震所释放的能量有关。我国目前使用的震级标准,是国际上通用的里氏分级表,共九个等级,震级是根据地震仪对地震波所作的记录计算出来的。地震愈大,震级的数字也愈大,震级每差一级,通过地震被释放的能量约差32倍,每相差2.0级,能量相差约1000倍。震级用一、二…..九表示。
而地震烈度是指地震在地面上造成的实际影响,表示地面运动的强度,也就是破坏程度以及地面出现的破坏现象等。影响地震烈度大小的有下列因素:①地震等级;②震源深度;③震中距离;④土壤和地质条件;⑤建筑物的性能;⑥震源机制;⑦地貌和地下水位等。烈度共分为12度,一般都是震中心的数值;所以8度设防只能防止6.4级以下的地震。烈度用1、2、3……12表示。

多数浅源地震(震源深度为10~30km)的震级与震中烈度的关系如下表:

1.3  基本依据

下列规范及其他相关规范是水电工程机电专业抗震设计专题论证工作的主要技术依据。

《中华人民共和国防震减灾法》

《中国地震动参数区划图》(GB 18306)

《工程场地地震安全性评价技术规范》(GB17741)

《水库诱发地震危险性评价》( GB21075 )

《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287)

《水电水利工程区域构造稳定性勘察技术规定》(DL/T5335)

《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)

《水电工程可行性研究报告编制规程》(DL5020)

《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223

《建筑抗震设计规范》GB50011-2001

《电力设施抗震设计规范》GB50260-1996

《水电工程防震抗震研究及专题报告编制暂行规定》(水电规计【2008】24号)

2  抗震设防标准的选取

中华人民共和国住房和城乡建设部公告第71号(2008年7月30日)汶川地震表明,严格按照现行规范进行设计、施工和使用的建筑,在遭遇比当地设防烈度高一度的地震作用下,没有出现倒塌破坏,有效地保护了人民的生命安全。说明我国在1976年唐山地震后,建设部做出房屋从6度开始抗震设防和按高于设防烈度一度的“大震”不倒塌的设防目标进行抗震设计的决策,是正确的。

2.1  相关标准规定

《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(以下简称《建规》)1.0.5条:一般情况下抗震设防烈度可采用中国地震动参数区划图的地震基本烈度或与本规范设计基本地震加速度值对应的烈度值,对已编制抗震设防区划的城市可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。

《电力设施抗震设计规范》(以下简称《电规》)第1.0.7条:电力设施的抗震设防烈度可采用现行的中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度。重要电力设施中的电气设施可按设防烈度提高1度.但设防烈度为9度及以上时不再提高。

《水电工程防震抗震研究及专题报告编制暂行规定》(以下简称《暂行规定》)第9条:水电工程地震设防标准,一般取基准期50年超越概率10%的地震动参数作为设计地震;大型水电工程中,1级挡水建筑物取基准期100年超越概率2%的地震动参数作为设计地震,校核地震在设计地震基础上提高动参数。1级挡水建筑物可取基准期100年超越概率1%或最大可信地震(MCE)动参数进行校核。

集团公司赵琨副总工程师:机电设备的抗震设防标准与其所在建筑物相同,或者,设备的设计动参数值依据所在建筑物的抗震设防标准选取。

2.2  机电抗震防震设计取值

我们知道,机电专业抗震防震设计时关心的是地震动参数即水平加速度,而不是地震烈度值。但对具体工程如何选取加速度值,上述标准并没有给出明确要求。《电规》、《电规》明确用中国地震烈度区划图中的地震烈度做为基本设计地震烈度,重要电力设施提高1度设防。《暂行规定》没有提及提高1度的概念,只是对大型工程设计地震的地震动参数由“50年超越概率10%”提高到“100年超越概率2%”。水轮发电机组、开关站等设备如不布置在大坝内(上)并不属于重要电力设施,是否在基本地震烈度上加1度设防,上述规程没有明确意见。

而且,地下结构的地震破坏主要是围岩变形,而不是地下惯性力,而且地下结构埋深愈大,震害愈轻,相交洞室之间交角愈大,震害也趋于减轻。因此,对围岩比较好的地下厂房,水工专业往往不进行地震力复核,没有提出相应的地震设防动参数。

地面副厂房、开关站为框架结构,根据《水工混凝土结构设计规范》规定,结构的抗震等级为四级,一般不进行截面抗震验算。显然,机电专业按当地基本地震烈度加1度设防也是不合适的。

根据对标准的理解,现提出一些关于机电设备抗震防震设计的个人想法总结如下,共各位同行商榷。

(1)对机电设备所在的建筑物有明确设防标准和动参数的情况,机电设备的抗震设防标准按所在建筑物的抗震设防标准选取,设备的设计动参数值与所在建筑物的设计动参数值相同。

(2)对于布置在大坝上(内)的机电设备如闸门、启闭机、应急电源及重要的通讯设施等,属于重要电力设施,应按大坝的抗震设防标准选取。

(3)对于没有布置在大坝上(内)的机电设备,不属于重要电力设施,可以按中国地震烈度区划图中规定的设防地震动参数选取或按基准期50年超越概率10%的地震动参数作为设计地震动参数即可。

(4)下面以龙滩电站为例进行说明

中国地震烈度区划图中规定:广西玉林、兴业、横县、北流、百色、阳平、果隆、安浦、北博、白乐业等地区抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.1g。地震局给出的地震动参数见表3。

表3  龙滩水电站坝址地震动峰值加速度及反应谱参数

龙滩水电站枢纽主要建筑物由挡水建筑物,泄水建筑物,引水发电系统及通航建筑物组成。根据GB50201-94《防洪标准》和 DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》,龙滩水电站为I等工程,工程规模为大(1)型,永久性主要建筑物,包括大坝、溢洪道、引水和尾水系统、厂房主要洞室(主副厂房、主变洞、母线洞、电缆平洞、电缆电梯竖井等)和出线平台等,按1级建筑物设计。次要建筑物,如地下厂房的进厂交通洞、排风洞、排水廊道等,按3级建筑物设计。

a)坝上机电设备地震设防标准

龙滩电站大坝上的闸门、启闭机等属重要设施,按《暂行规定》:设计地震水平峰值加速度取100年超越概率2%为0.161g,校核地震基岩水平峰值加速度取100年超越概率1%的值为0.199g。因此,设防电站动参数选0.2 g.。按《建规》:设计基本地震加速度值为0.1g,按表1提高1度,即设防地震加速度值为0.2g。大坝设防地震水平加速度值为0.2g,二者完全相符。因此,如按表2提高1度,取8度值0.25g是没有必要的。

b)地下洞室机电设备地震设防标准

水工专业抗震复核报告:“发电厂房和主变洞为地下结构,洞室群埋深较大,其抗震性能较好,故不必验算地下建筑物和围岩的抗震强度和稳定性。”

机电设备招标文件:“本地区基本地震烈度7度,水平地震加速度0.2g。”

从上述内容看出,由于地下厂房抗震性能较好,不需要抗震复核,因此抗震设防标准不明确。机电招标文件要求是按表2基

本地震烈度7度定的,如提高1度设防,按表2应取水平地震加速度0.25g。

按《建规》、《电规》规定:本地区设防地震烈度7度,不需要提高1度设防,水平地震加速度取0.1g。

按《暂行规定》:按50年10%超越概率,设计地震水平地震加速度为0.063 g。

综上,龙滩地下厂房机电设备抗震设防标准取7度,水平地震加速度取0.1g满足规程要求。设备招标文件中取0.2g有很大的裕量。

c) 地面建筑物开关站、中控楼机电设备地震设防标准

水工专业:“根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》及DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》规定,厂房地面建筑物按1级水工建筑物设计,结构安全级别为Ⅰ级,工程抗震设防类别为乙类;设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅰ类。根据抗震设防烈度、建筑物的结构类型、建筑物的高度,确定开关站、中控楼框架结构抗震等级为二级,剪力墙抗震等级为二级。抗震设计复核只考虑水平向地震加速度,水平地震加速度代表值取0.1g。”

同主机设备设防标准一样,开关站、中控楼机电设备抗震设防标准取7度,水平地震加速度取0.1g满足规程要求。设备招标文件中取0.2g有很大的裕量。

3  机电设计中应采取的抗震防震措施

《汶川地震灾区 大中型水电工程震损调查与分析》一书对震区装机30MW以上的22座水电站进行了实地调查,其中震中地区的映秀湾、太平驿、渔子溪、紫平铺等电站地震设计(设防)烈度为当地基本地震烈度7度,实际地震影响烈度为9-11度。从调查结果看,机电设备经受着了强地震考验,震损轻微。主要表现为:1)映秀湾、渔子溪弧门及工作闸门变型,无法使用。其它电站金属结构没有大的影响;2)由于厂用电消失,排水泵无法工作,造成水淹厂房,对机组和辅助设备系统造成损坏;3)通讯几乎全部中断;4)厂外输电线路损坏较多;5)地面机电设备被倒塌的建筑物或滚石砸坏;6)应急电源普遍存在问题。
根据调查结果,机电抗震防震措施应围绕以上几点进行。

3.1  震后电站机电设备应具备的状态

电气设施当遭受到相当于设防烈度及以下的地震影响时不受损坏仍可继续使用;当遭受到高于设防烈度预估的罕遇地震影响时不致严重损坏经修理后即可恢复使用。

震后电站机电设备状态
≤ 设计地震工况:电站机电设备自身状态基本保持完好,可迅速恢复发电。
≤ 校核地震工况:大坝泄水闸门和启闭设备可以运行;对外通讯畅通;人员应急救援设备投入。
> 校核地震工况:对外通讯畅通;人员应急救援设备投入。

3.2 机电专业的抗震设计目标

在工程遭遇设计地震工况的条件下,电站大坝及建筑物均未严重受损,这样就要求机电设备自身状态也基本保持完好,可以使电站迅速恢复发电生产。

遭遇校核地震工况后,应急处置行动将集中在保证大坝安全和人员救援两方面,没有迅速恢复发电的要求。因此,“重要设施设备” 特指对大坝安全至关重要的“泄水建筑物闸门、启闭设备、柴油机应急电源” 等,其抗震安全设计核心目标是“防止重大次生灾害(溃坝)发生”。对人员救援,抗震安全设计的目标是为“最大限度减少灾后损失”提供设备保障。

3.3 机电专业设计采取的基本抗震措施

2008年大地震以前,机电专业抗震防震设计除在机组标书中规定“在地震条件下,设备应能承受地震设防烈度为7度时作用在水平方向和垂直方向的地震加速度,在这种荷载下,非转动部件的应力不超过上表所列值的133%。”外,其它设备的抗震防震措施多流于形式,报告中只提到设备按基本地震烈度提高1度设防,但并没有具体措施。设计院和设备制造厂对不同的地震动参数设计结果没什么区别。因此,遭遇地震时,机电设备没有被严重损坏,只能归功于设备本身抗破坏能强,不能说设计措施得当,因为我们并没有针对地震做什么额外工作。

根据抗震专题报告的要求,下面列了几条机电设备抗震防震措施,仅供参考。

(1)为提高抗震防震和设备运行安全,机电设备在招标及施工详图设计阶段均明确合适的地震设防动参数。

(2)厂内排水系统是抗震防震设计的重点。当地震发生时,厂房设备可能损坏或水系统管路可能破裂而导致漏水,厂房水工建筑物漏水也可能会增加,因此适当加强厂房渗漏排水系统容积和排水能力,在厂房结构允许的条件下,适当增加渗漏集水井的容积,减少地震条件下可能产生的水淹厂房损失。

(3)空压机基础设计应牢固,采用基础螺栓或基础板与土建钢筋网焊牢的固定连接方式,不宜采用无基础安装方式。

(4)固定设备与可能发生移动的设备间管路连接应设置伸缩节或连接软管。埋设管路在过伸缩缝时应进行过缝处理。

(5)设备引线和设备之间的连接线应尽可能采用软接线,且长度留有裕量。在离相封闭母线、主变压器与GIS母线连接处等位置设置有伸缩接头过度。

(6)招标设计中应明确要求设备制造厂家在设计制造中充分考虑地震强烈震动和摆度对控制设备及柜内元件产生的影响,保证控制及保护系统设备的可靠固定以及柜内元器件及接线的可靠、牢固,使其即使在发生地震灾害时控制设备能尽可能的完成保护、控制和操作的功能。

(7)电站内应设置保护控制设备所需的直流系统和UPS电源系统。当发生地震灾害时,直流系统和UPS电源系统可兼做应急电源和厂内事故照明电源之用,保证紧急情况下安全疏散通道的照明,以及电站内主要设备能够在紧急情况下操作。电池容量按照《水力发电厂机电设计规范》DL/T5186-2004要求,事故放电持续时间一般取1h。

(8)蓄电池优先考虑采用支架分散式安装,以降低设备重心和减少对土建楼板的荷重要求。

(9)地震发生时水电站的内部及对外通信系统常常会遭到损毁,甚至完全瘫痪,为了迅速恢复水电站最基本的通信,快速与外界取得联系,避免电站在较长时间内成为一个通信孤岛,保障电站的安全,设置抗灾能力强的应急通信设备。
应急通信设备应具有以下特点:
——受地理环境和气候条件影响最小且没有传输距离的限制;
——自成体系,具有很强的独立性、机动性;
——实用性、可靠性强,操作方便;
——可不依赖电力专网和公网快速组建通信通道;
——信息传送不需要传输介质,为无线方式。
电站拟在地面中控楼、上库各配置1部卫星通信公司的卫星移动电话,作为电站的应急通信设备。另外,还可借用电站水情测报系统的卫星通信作为应急通信的补充。

(10)由于闸门及启闭设备的运行受水工建筑物影响制约,为保证闸门能顺利开启,设计使得闸墩结构、启闭机排架、启闭机房等有足够的抗震能力,这是保证地震后在闸门及启闭机结构没有发生破坏的情况下仍然能开启闸门的基础。

(11)金属材料的力学特性(强度高,弹性模量大,塑性好、韧性好,性能稳定等)决定了其有较强的抗冲击、震动等动荷载的能力,钢结构的钢材宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢;当有可靠依据时,尚可采用其它钢种和钢号。同时,依据所采用设计规范,材料屈服强度极限和容许应力之间尚有1.5~2.0的安全系数,超设计载荷的能力较强。

(12)对于泄洪洞弧形工作闸门,由于其在大坝安全运行中所处的重要位置,在设计时应特别加以关注。

(13)从闸门、启闭机的选型和布置方面设法降低机架桥高度,减轻机架顶部的重量。固定式启闭机基础连接应牢固可靠,防止地震移位,门式启闭机均设置可靠的夹轨器和锚定装置,并应有足够的稳定性,在地震时不发生脱轨和倾覆。

(14)必须为启闭机设置可靠的应急电源,如柴油发电机。

(15)电站按规程规范配置有合适的应急照明设备。

4  结语

大中型水电站机电设备地震设防标准及动参数的选取应与所在建筑物相同。对建筑物设防标准不明确的不应盲目提高1度设防,应根据当地设防参数选取。目前,各院习惯上按表2在基本地震烈度基础上提高1度选取地震设防动参数即基本地震烈度6度水平加速度取0.2 g,7度取0.2 5g,8度取0.3 g,9度取0.4g,有充分的安全裕度。

本文引用了集团公司赵琨副总工程师“水电工程防震抗震专题报告机电专业内容与要求”2008年9月专题讲座的内容,特表感谢。