1.2 研究进展和现状
1.2.1 分层取水研究现状
近年来，随着人们环保意识的增强，水库环境问题成为水电界的重点关注对象，特别是高坝大库的建立对下游河道生态、下游农业灌溉等的影响问题，促使国内外研究者对水库水温分层对下游河道的影响给予关注。水库库区水温结构分布形式复杂，对于特大型水库和大型水库而言，水库水温表现为明显的三维空间结构分布特点。由于水库水温在垂向的分层会对水体水质、下游河道生态以及下游农业灌溉产生重要影响，因此，特大型水库和大型水库将水温的垂向分层问题作为重点问题进行研究。
从20世纪30年代起，欧洲一些国家就开始重视水库的水温和水质研究，并进行了水温的实地观测分析。而美国在水温数学模型的建立和应用方面一直处于领先地位；欧洲一些国家在现场实验方面取得了一定的研究成果。到了70年以后，国外水库水温研究进入了高峰期。
从20世纪50年代中期开始，我国开始进行水库水温观测，60年代开始在水库水温特性的分析方面作出了相应的研究工作，70年代一些生产单位在水库水温估算方面取得了一些成果，进入80年代后，水库水温研究工作得到了不断深入和扩大，并取得了众多实践经验和研究成果。
由于建坝后大中型水库水深加大，垂向温度分布呈3个层次：上层温度较高称为温水层；下层温度较低称为深水层；中间的过渡段称为温跃层。冬季表面水温不高，没有显著的温跃层；夏季水面温度较高，温跃层比较显著。深水层中温度低、溶解氧含量低，同时二氧化碳浓度增加，形成还原环境。如果采用单一的取水方式长期从库区深层取水，必然会对下游农业生产和生态环境带来许多不利的影响。因此，需要不断寻求最合理的取水方法以达到维持生态平衡，防止或减轻环境、水源、大自然的污染。同时，为保证从水库引用符合标准的水质，通过改进水库运用技术，以减少水库水质分层对下游水质的影响。当前主要的分层取水方法如下。
1.设置不同高度的泄流孔
在大坝不同高程上设置泄水孔，从而达到泄放水库不同高程水层的目的，是一种最简单、最常用的控制水质的分层取水方法。当前国内外取水的建筑物有以下几种形式。
（1）深层取水：深层取水通常与泄水建筑物相结合，尤其是需要考虑到排砂和放空水库的目的时，是一种较多见的取水方式。但由于深孔泄水带来的不良影响，一些水库为了提高取水水温，对深层取水方式做了相应的改进。
（2）表层取水：可以取到表层温暖、富氧的水。表层取水装置主要有水力自动取水装制，即以水的自身压力为动力，自动操纵取水装置。如浮子式取水塔；在我国南方，取水量较小时，常采用机控斜卧管多层取水，还有机控多节圆筒套迭式取水装置，如日本的岩洞。
（3）分层取水：分层取水在美国和日本采用较多。大多数是利用取水塔，塔壁上沿不同的高度开口取水，利用机械为动力开启闸门，这种方式能取得满足要求的较大流量的水。一般来说，水库较深，取水流量较大时，多采用分层取水的方式，日本的手取川水库坝高76m，取水流量180m2/s。美国的Castaic水库坝高63m，用流量107.3m3/s，采用分层取水。
2.人工掺混法
人工掺混法是采用人工的方法来改变水库分层，通过上下层互相掺混来改变库水的温度分布，使出库水流与进库水流的温度基本保持一致，从而达到水库和下游河道中的水保持均匀的水质。这些人工方法有注气法和抽水法。注气法即对分层现象严重的水库，利用空气压缩机把压缩空气注入水中，可以有效地破坏分层。注气法虽然能破坏水库分层，但对于大型水库，效率相对较低。于是有人利用抽水法代替注气法，他们利用机械水泵破坏水库分层。结果增加了水温，使溶解氧含量、锰和硫的浓度减少到零。大型水库的初步试验结果证明，大约只需要一半深层的冷水通过抽水泵就能使整个水库的水均匀掺混。因此，水泵抽水产生的流动被认为是一种破坏水库分层行之有效的方法。
永定桥水库库区水温为典型的分层结构，若采用单层取水方式，下泄水温年平均温度为14.40℃，对灌区农田生产存在不利影响。要提高下泄水温，可以对取水构筑物进行改进，采取分层取水方式，即修建多个不同高程的进水口，随着水库水位的变化而启用不同高程的进水口，尽可能取用表层水，以提高夏季灌溉水温。光照水电站是北盘江干流上最大的一个梯级电站，水库为不完全多年调节水库。光照水电站建成运行后下泄低温水会使下游河道的水温下降，改变原河道的天然水温分布，为减小下泄的低温水产生的不利影响，提出了采用分层取水方案的要求。在原单层进水口结构上增加了一道钢筋混凝土墙而设计成叠梁门分层取水方案，墙上开设取水孔，各取水孔均设置叠梁门，叠梁门门顶高程根据满足下泄水温和进水口水力学要求确定，用叠梁门和钢筋混凝土墙挡住水库中下层的低温水，水库表层水则通过取水孔叠梁门顶部进入引水道。根据水库运行水位变化情况或下游水温的需要，提起或放下相应数量的叠梁门，从而达到引用水库表层高温水、提高下泄水水温的目的。位于日本群马县多野郡、利根川（Tongawa）水系神流川上的下久保坝，最大坝高129m，水库总库容为1.3亿m3。表层引水口的闸门形式采用多节式半圆形定轮门，顶部为喇叭口，喇叭口装有拦污栅，闸门高度可调整，以使喇叭口随库水位变动经常处在水下2m的位置，取水流量为12m3/s。另有底部放水孔，装有锥形闸门。当库水位下降到239.7m时，从底部放水孔取水，取水流量也为12m3/s。一般来说，多节式取水设备多、投资大、管理较复杂，但安全稳定性高，能适用于深水大型取水建筑物。这种取水设施已被国际大坝会议环境特别委员会作为典型模式推荐，在我国也设计了几个圆筒多节式表层取水设施，流量均不超过20m3/s。
1.2.2 流固耦合研究现状
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，变形或运动又反过来影响流体，从而改变流体载荷的分布和大小。
流固耦合问题有着广阔的工程背景，大致可以分成3类。第1类问题的特点是流体与固体二者之间具有较大的相对速度，如航空、航天工程中的机翼与空气的动力耦合问题，称为气动弹性力学问题；第2类问题重点研究的是液体域与固体域的动力相互作用，其特点是二者之间相互作用时间较长，相对位移有限，称为流体弹性力学问题，一般的民用工程如坝体与库水、波浪与海岸结构、水塔、储液罐、渡槽等流固耦合，以及近年来发展起来的建筑结构减振装置TLD（调频液体阻尼器）及TSD（调频晃动阻尼器）等均为此类问题；第3类问题则为流体和固体间相互作用时间很短，流体的密度急剧变化的特殊问题。如域内爆炸，物体在液面高速溅落以及潜射导弹的出水过程。
Westergaard对坝体与水库的相互作用进行了开创性的研究，他对河谷断面为矩形的坝面在地震时的动水压力进行了理论推导，给出了刚性重力坝在水平地震荷载作用下的动水压力分布，但是，Westergaard解中只假定了刚性坝，把问题归结为半无限液体层界面处刚性墙壁微幅振动的声学问题。他的解并未从本质上涉及两相介质的耦合作用，只是求解了一个给定边界条件下的流体动力问题。此外，Westergaard在此研究基础上提出了水体对结构作用的简化形式的附加质量法，他认为液体对结构的某一点产生的动水压力等效为在该点附加一定质量的液体与结构一起运动而产生的惯性力，而不再考虑其他部分液体在该点处对结构的动水压力贡献，这是一种解耦算法，为分析此类工程问题提供了方便。1957年，Housner提出了一个基于刚性容器壁假设的容器晃动流体与固体耦合的质量-弹簧系统的简化模型，假设容器内液体为无黏、无旋、不可压缩的理想流体，将液体所产生的动水压力分成两部分，一部分是脉动分量，即随固体共同运动的那部分液体产生的脉动压力；另一部分是对流分量，即容器内液体晃动所产生的液压效应。Housner理论给出了流体等效质量及其位置的公式。1970年，Chorpra对坝体变形影响加以考虑，他采用单自由度解法分析了重力坝在4种不同情况下的位移与动水压力反应，使得这一问题真正成为弹性结构与液体的耦联振动问题。
国内研究者对水工结构工程的流固耦合研究多集中在附加质量方面，而将结构和水体直接相互作用研究的实例较少，在水工机械和高拱坝中有相应的研究。文献［12］基于运动控制体的雷诺输运定理，采用任意拉格朗日-欧拉描述推导控制流体运动的Navier-Stokes方程，提出了考虑流固耦合效应的水中结构物地震反应的计算方法，并以水中垂直板的地震反应为例，阐明流固耦合体系的求解方法，分析地震动频率和水深对场地土-结构-流水构成的流固耦合系统动力反应的影响，该方法计算结果表明：考虑流固耦合作用使得结构地震反应幅值明显增大，并使频谱特性发生改变；水深对流固耦合效应的影响较大，并具有明显的非线性特征。文献［13］根据拱坝在地震作用下复杂的动态特性，对大型的高拱坝振动频率低、径向变位大等因素，结合小湾电站290m高拱坝，在考虑坝水流固耦合振动影响下，分析和计算了拱坝上游坝面承受的动水压力，并特别对自由表面重力波的影响问题、库底对压力波的吸收问题、水体压缩性的影响以及库水域的有效影响范围等进行分析。文献［14］对乌东德拱坝进行动力时程分析，不考虑流固耦合效应与考虑流固耦合效应时相比，坝体响应降低20%左右，得出动水压力的作用对乌东德拱坝的动力反应有着显著影响，对于大型的高拱坝，振动频率低，径向变位大，库水对坝体振动的影响变得更加重要。
1.2.3 进水口结构研究现状
进水口建筑物必须具有足够的强度，能承受水库静水荷载和各种动荷载。一般设计中采用刚性结构形式，可以是带有可靠止水闸门的布置在坝体上的连续式进水口，也可以是在不同高程布置有可靠止水的闸门的独立进水塔，同时也可以根据需要选用其他形式的进水口，如岸塔式、竖井取水口等。
目前国内大型水电站进水口较多采用塔式，塔体与岸坡和预留岩体紧密地连接在一起，影响进水塔稳定的不利荷载仅为风浪压力，一般只考虑其抗滑稳定和抗倾覆稳定性。如二滩水电站、天生桥一级水电站、小湾水电站等工程进水塔都采用这种结构形式。竖井式进水口结构简单，不受风浪和冰的影响，抗震和稳定性好；当地形条件适宜时，工程量较小，造价较低。缺点是竖井式开挖比较困难，竖井前的隧洞段检修不便。竖井式适用于地质条件好、岩体比较完整的情况，如洪家渡水电站就采用这种形式。但是这些进水口较多采用深层取水形式，对水温要求较高的河流而言，不能满足下泄水流的正常水温的要求。故对于大型水库来说，河道下泄水流水温影响较大，为了满足下游对水温的要求，需要采取一些措施提高取水水位。
进水塔作为一种水下高耸结构，其特有的结构特点如下：
（1）周围被水体包围，塔体内部也充满水，相当于一个水下薄壁筒式或箱式结构，地震时与水体存在明显的相互作用。
（2）进水塔作为一种特种高耸结构，既有别于重力坝等大体积结构也不同于工民建中的框架结构，由于混凝土结构的抗拉性能远小于抗压能力，如何合理设计能满足其最大抗震性能，对进水塔的抗震能力有较大影响。
（3）对于塔式进水塔而言，由于拦污栅的存在，往往在塔前设计拦污栅墩，拦污栅墩的强度问题对整体结构存在较大影响；同时拦污栅墩与主塔体的变形协调问题对整体结构的稳定也存在相应的影响。
（4）对于分层取水式进水塔，由于不同取水高程的变化，导致泄流过程中存在流激振动问题，特别是对闸门的影响是不可忽视的问题。
在以往的进水塔分析中，一般采用简单的静力分析或等效质量方式对进水塔进行动力分析，采用三维有限元分析塔体的稳定性，并将相应的结构应用于实际工程中。周鸿钧，胡良明等［15］学者对小浪底进水塔进行了静动力分析，并得出了有意义的结论，指导了设计和施工，保证了重要建筑物的安全性；文献［16］和文献［17］对小浪底工程进水塔的自振特性及其抗震能力进行了研究；文献［18］讨论了山体对进水塔的影响，但静力分析不能充分反映构筑物与山体的动力耦联作用。这些研究成果推动了进水塔及其相关研究领域的发展。在抗震设计中，考虑结构的塑性是很有必要的，而且对结构在地震作用下，材料进入塑性状态后将会出现什么变化，结构裂缝的出现和发展将会是什么的方式等一些问题还待进一步研究，对其裂缝状态下的工作机理的理解将会指导设计，使结构的抗震可靠度得到进一步提高，从而使设计达到最优。但考虑塑性必然导致工作量的增加，这也是制约该研究领域发展的障碍之一。
以往有关进水塔的研究只是局限于简单的动静力分析，并未对这种特殊结构在地震作用下进水塔与水体的相互作用机理进行深入的研究，基于进水塔的结构特点，其与水体的相互作用较复杂，然而通过流固耦合方法可以很好地解决该问题；相对于单个塔体来说，整体进水塔群在地震作用下塔体相互之间又会存在怎样的作用方式以及塔体的破坏方式等，这些都是值得研究的问题。传统的静动力分析采用线弹性方法，对混凝土结构的安全评价采用单轴抗拉强度为标准的强度准则，这些已经不能满足深入研究的需要。根据不同的结构型式，通过分析可知，结构往往存在一部分高应力区远远超过材料的抗拉强度，由于混凝土力学性质复杂，在这种情况下混凝土将出现损伤甚至开裂。但由于线弹性模型不能考虑由此引发的应力重分布，不能准确评判局部不稳定部位，对混凝土结构安全判断出现失误，导致设计出现问题。为了反映结构的真实工作状况，必须采用非线性分析方法，考虑开裂后混凝土的行为以及对塔体整体抗力的影响，以便对塔体的抗震安全性作出科学的判断。目前水电工程建筑物抗震安全评价的一个趋势便是强震作用下对混凝土非线性地震响应和地震裂缝发展的数值模拟以及地震超载潜力的估计。