第1章　绪论

1.1　研究背景及问题的提出

随着科技的高速发展，地球资源的极大利用，资源已成为不可替代的产品，由于20世纪工业发展对能源的无节制使用，能源的占有成为每个国家的利益目标。我国物产丰富、能源分布广泛，特别是水电能源居世界前列，水电资源作为一种洁净能源对于促进我国国民经济发展具有重大的意义。但是，随着水电开发事业的快速发展，水电开发也带来了一些环境和生态问题，特别是对河流的原生态变化产生了不利影响。水电开发的环境问题及生态影响问题已引起人们和相关主管部门的极大关注，2005年底由国家环保总局组织各主要科研机构和工程设计单位对水电开发中的主要环境问题进行了技术研讨，并发布了《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》，其中对水库水温垂向分层研究技术方法进行了政策性引导。当前我国在水利水电工程建设开发中，把水库水温作为重点研究问题，同时在减缓下泄低温水方面开展多层进水口取水、叠梁门表层取水等分层取水措施的研究。

对于大型水电站的取水口结构，以塔式取水口较多，为了更好地满足下游河道的水温要求，一般采用设置分层取水口或采用叠梁门方式进行取水。对于塔式取水口来说，多数为高耸的独立结构且长期处于水下。为了保护水轮机不受水中漂浮物或潜移物的损伤，一般在闸室前设置拦污栅及拦污栅墩；为了保证拦污栅墩的稳定性，将相邻的拦污栅墩通过连系梁连接起来，组成结构复杂的混凝土框架结构；而对于闸室结构，由于闸门运行的需要，闸室内部往往设计成封闭式薄壁混凝土结构。在正常情况下，塔体内外均有水体包围，一般情况下水深较大，则地震时闸室内部水体可能产生晃动，从而造成对结构的影响增大，特别是对于塔体结构的上部，可能存在明显的动力放大效应。以往对进水塔的研究较少，而且研究方法较简单，一般采用简单的静力计算方法或简单的有限元数值方法，水体对结构的作用采用附加质量方法等效代替，这种方法忽略了结构-水耦合振动的影响，假定结构为刚性，忽略了水体晃动作用以及结构与水体之间的相互作用。实际上在受到地面运动和动水压力的作用时水中结构会产生变形，结构的变形反过来又改变水区域的边界条件，影响结构面动水压力的分布，结构和水体相互间是一种耦合关系。因此，在分析水中结构与水体的相互作用时，应该考虑结构-水体相互作用。对于长期位于水下的高耸进水塔结构而言，对于其特殊的封闭式箱式或筒式结构，高宽比较大，将其作为刚性结构而采用附加质量的方法等效模拟其与水体的相互作用显然存在一定的局限性。作为设计的一部分，结构在地震发生时能够承受多大的荷载，最终导致什么样的破坏方式，已经成为设计中不得不考虑的一个问题。然而，由于实测资料和实例的缺乏，数值模拟成为研究该问题的一种最方便快捷的方法，通过合理的研究方式可以为设计提供一定的依据。多年以来，结构在地震荷载下的响应一直是工程界的研究重点，特别对于水中结构来说，由于水体的存在导致这种研究复杂化，不仅仅要考虑单个结构在单一荷载下的响应方式，还要综合考虑多个结构的相互作用以及外部多种荷载作用下结构的反应方式，这使得对地震作用下水中结构的研究更加复杂化。

进水塔作为水电站的取水结构，其安全性对整个水电站的正常运行有很大影响，取水条件的好坏、结构的安全稳定性等直接影响水电站的发电效益；同时，还对下游河道的生态等存在较大的影响。为了满足正常发电和下游用水要求，就必须在设计阶段综合考虑各种因素，使结构设计达到最优，使各种最不利因素的影响降为最低。这就要求我们对其可能存在的各种不利情况进行研究，从中寻求不利因素，避免不利因素造成的最大危害。