基于模型試驗(yàn)的高壩泄洪誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)影響因素研究

張　龑， 練繼建， 劉　昉， 張文皎， 李松輝

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100038)

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基于模型試驗(yàn)的高壩泄洪誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)影響因素研究

張龑1,2， 練繼建1， 劉昉1， 張文皎1， 李松輝2

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

高壩泄洪引起巨大水流脈動(dòng)荷載產(chǎn)生的振動(dòng)，通過(guò)地基沿河谷向上下游傳播，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)地振動(dòng)，對(duì)周圍建筑物及居民正常生活造成不利影響。通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)物理模型，結(jié)合原型觀測(cè)建立關(guān)聯(lián)體系，研究高壩泄洪誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)的振源特性，以及影響振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明：通過(guò)一系列隔振、減振措施建立的完全水彈性模型，能較好的模擬實(shí)際泄洪振動(dòng)情況；通過(guò)線性預(yù)測(cè)，能準(zhǔn)確的反映實(shí)際場(chǎng)地振動(dòng)情況。泄流時(shí)孔口處脈動(dòng)荷載是誘發(fā)壩體地基以及場(chǎng)地振動(dòng)的首要振源，導(dǎo)墻和底板荷載次之。泄洪過(guò)程中不同的孔口開(kāi)啟方式，以及不同的上、下游水位是影響場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度的主要因素。通過(guò)調(diào)節(jié)泄流方式可以從振動(dòng)源頭上有效的控制場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度。地基剛度較小區(qū)域會(huì)對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)產(chǎn)生放大效應(yīng)。

水彈性模型；水流脈動(dòng)荷載；泄流方式；振源；振動(dòng)強(qiáng)度

高壩大庫(kù)工程是水資源綜合利用和水能資源開(kāi)發(fā)的需要，一直倍受世界各國(guó)重視。由于高壩泄水時(shí)泄洪落差大，水體攜帶能量巨大，泄洪引起的水流脈動(dòng)荷載會(huì)誘發(fā)泄流結(jié)構(gòu)及其他水工建筑物產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)由大壩上部結(jié)構(gòu)傳遞至大壩基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)地基傳遞至周邊場(chǎng)地，對(duì)周邊環(huán)境造成影響[1]。一直以來(lái)，高壩泄洪引起振動(dòng)問(wèn)題主要局限于泄洪建筑物本身，其引起周邊環(huán)境振動(dòng)的研究鮮有報(bào)道。原因在于高壩大庫(kù)大多距離城市較遠(yuǎn)，泄洪引起的振動(dòng)在傳遞過(guò)程中已經(jīng)有很大的衰減；另外，泄洪引起的環(huán)境振動(dòng)振幅和能量相對(duì)較小，其影響形式是一個(gè)長(zhǎng)期累積過(guò)程，一般不會(huì)像地震那樣造成較大而直接的破壞。然而，高壩泄洪引起的水流脈動(dòng)荷載地基向周邊場(chǎng)地傳遞過(guò)程中，遇到特殊的場(chǎng)地條件，會(huì)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生“放大效應(yīng)”，而場(chǎng)地上的房屋或其他建筑物又可能會(huì)對(duì)場(chǎng)地上的振動(dòng)進(jìn)行“二次放大”，經(jīng)“多次放大”的場(chǎng)地振動(dòng)會(huì)造成一定的環(huán)境危害，即對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全和人的身體心理產(chǎn)生的不利影響。國(guó)內(nèi)外有關(guān)高壩泄洪引起的周邊環(huán)境振動(dòng)，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全和人的身體心理產(chǎn)生影響已有事例。

俄羅斯的Zhigulevskaya水電站1979年汛期宣泄大洪水曾引起了左岸城市場(chǎng)地和房屋強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至在距大壩左岸3 km遠(yuǎn)處的居民樓也產(chǎn)生了可感振動(dòng)。長(zhǎng)期的場(chǎng)地振動(dòng)導(dǎo)致大壩附近區(qū)域一些房屋開(kāi)裂，使附近居民出現(xiàn)焦慮，頭暈，惡心等現(xiàn)象[2]。我國(guó)溪洛渡水電站曾在主汛期壩身4個(gè)深孔開(kāi)啟泄洪，壩區(qū)下游右岸混凝土拌合系統(tǒng)的制冰樓(一棟5層鋼結(jié)構(gòu)建筑)發(fā)生明顯振動(dòng)[3]。2012年10月我國(guó)某水電站中孔開(kāi)閘泄洪期間，中孔啟閉機(jī)室聲振、塔帶機(jī)立柱振動(dòng)，下游縣城部分門店卷簾門晃動(dòng)、民居及校舍的門窗響動(dòng)、家具顫動(dòng)、吊燈擺動(dòng)等，振動(dòng)現(xiàn)象引起壩區(qū)和城區(qū)民眾的不安。

因此，對(duì)泄洪誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究十分必要。高壩泄洪產(chǎn)生的振動(dòng)由水流引起，與水力學(xué)條件和泄流結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性有著密切關(guān)系。由于流固耦合振動(dòng)機(jī)理較為復(fù)雜，通過(guò)完全水彈性模擬，建立流固耦合問(wèn)題的物理模型，進(jìn)行流激振動(dòng)試驗(yàn)，是解決高壩泄洪流激振動(dòng)問(wèn)題的有效研究手段[4]。

本文以中國(guó)某底流消能水電站為研究背景，針對(duì)泄流誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)現(xiàn)象，提出傳統(tǒng)水彈性模型的改進(jìn)措施，結(jié)合原型觀測(cè)資料，對(duì)模型進(jìn)行修正。同時(shí)建立大壩與場(chǎng)地的關(guān)聯(lián)體系，研究泄流誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)的振源特性及影響場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度主要因素，以期為高壩結(jié)構(gòu)減振研究提供理論基礎(chǔ)。

1　工程簡(jiǎn)介

以國(guó)內(nèi)某高壩為研究背景，該壩為混凝土重力壩，壩頂高程384.00 m，最大壩高162.00 m，壩頂長(zhǎng)度909.26 m，正常蓄水位380.00 m，校核洪水位381.86 m，死水位及汛限水位370.00 m。壩身由12個(gè)表孔和10個(gè)中孔組成，采用表中孔間隔布置形式，由中導(dǎo)墻分割成兩個(gè)對(duì)稱的消能區(qū)，屬于典型的高壩底流消能的布置形式。

水電站距下游縣城區(qū)距離最近處僅為0.5 km，最遠(yuǎn)可達(dá)2.5 km。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，下游縣城靠近右岸山體一側(cè)場(chǎng)地振感明顯，存在振動(dòng)放大現(xiàn)象。而根據(jù)下游場(chǎng)地的地質(zhì)勘探成果：下游場(chǎng)地表面為砂層覆蓋層，下部基礎(chǔ)為泥巖。下游主城區(qū)靠近右岸山體一側(cè)存在一條古河道，平均寬度200 m左右，古河道上的覆蓋層最大厚度達(dá)80 m。與之相比，主城區(qū)其他區(qū)域的場(chǎng)地覆蓋層厚度明顯較小。不同區(qū)域位置見(jiàn)圖1。

圖1　水電站壩區(qū)與場(chǎng)地基礎(chǔ)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dam area and ground of the hydropower station

2　模擬原理

泄流激振的水彈性試驗(yàn)?zāi)M，是對(duì)“結(jié)構(gòu)-水體-地基-動(dòng)荷載”四位一體的流固耦合振動(dòng)系統(tǒng)的模擬，要求同時(shí)滿足“動(dòng)力荷載”輸入系統(tǒng)相似和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)相似，即要求同時(shí)滿足水力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)條件相似[5]。

2.1底流消能水力學(xué)條件相似

水力學(xué)條件相似，即“動(dòng)力荷載”輸入系統(tǒng)相似，實(shí)質(zhì)是按重力相似律設(shè)計(jì)的水力學(xué)模型中脈動(dòng)壓力相似律問(wèn)題。天津大學(xué)通過(guò)系列比尺模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)由整體邊界或水流條件急劇變化引起的水流分離或擴(kuò)散所導(dǎo)致的邊壁壓力脈動(dòng)，主要是受低頻大尺度渦漩運(yùn)動(dòng)控制，在雷諾數(shù)足夠大的模型中大尺度渦旋運(yùn)動(dòng)能夠得到較好的模擬，脈動(dòng)壓力可按重力相似定律引伸到原型。該結(jié)論通過(guò)不同比尺水躍模型試驗(yàn)(見(jiàn)圖2～3)結(jié)合二灘水電站原型觀測(cè)資料分析得出(見(jiàn)圖4)。

圖2　水躍脈動(dòng)壓力強(qiáng)度系數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of fluctuating pressure intensity coefficient of hydraulic jump

圖3　不同比尺歸一化功率譜圖Fig.3 Normalized power spectrums of different scales

圖4　二灘水電站水墊塘原型與模型數(shù)據(jù)比較(按重力律換算為原型)Fig.4 Comparison between prototype and model data of cushion pool of Ertan hydropower station(Conversion according to the law of gravitation)

2.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)條件相似

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)條件相似指的是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)相似，它與結(jié)構(gòu)的頻率、振型、阻尼等因素有關(guān)，包括幾何條件相似、物理?xiàng)l件相似、運(yùn)動(dòng)條件相似、邊界條件相似[6]。

依據(jù)水力學(xué)相似條件和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相似條件相協(xié)調(diào)的原則水彈性模型模擬時(shí)應(yīng)該滿足：等密度(λγs=1)、等阻尼比(λε=1)、彈性模量小(λE=λL)、等泊松比(λμ=1)等的相似準(zhǔn)則，并合理地選取水域和地基的模擬范圍來(lái)保證結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系統(tǒng)的相似[7]。

3　水彈性模型改進(jìn)

3.1模型試驗(yàn)精度及影響因素

場(chǎng)地振動(dòng)及大壩結(jié)構(gòu)振動(dòng)都屬微幅振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)采集過(guò)程中易受噪聲和干擾信號(hào)的影響。因此，在開(kāi)展試驗(yàn)前需研究各種干擾因素對(duì)數(shù)據(jù)有效性的影響。首先，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地背景振動(dòng)情況進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，各個(gè)時(shí)間段試驗(yàn)場(chǎng)地地面3個(gè)方向的加速度典型的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　試驗(yàn)場(chǎng)地地面背景振動(dòng)Fig.5 Background vibration of the test ground

可以看出，地面的背景振動(dòng)加速度均方根值在凌晨相對(duì)較低，在白天的8∶00-12∶00，14∶00-16∶00及17∶00-19∶00等幾個(gè)時(shí)段振幅較大，主要由于在幾個(gè)交通高峰時(shí)段，場(chǎng)地附近道路交通振動(dòng)引起。原型較小流量(300～3 360 m3/s)時(shí)，消力池廊道地面各位置測(cè)點(diǎn)的豎向加速度均方根值范圍為0.01～0.11 gal，因此，水彈模型基礎(chǔ)的微小振動(dòng)信號(hào)容易被試驗(yàn)場(chǎng)地的背景振動(dòng)噪聲淹沒(méi)。

其次，試驗(yàn)過(guò)程中，水泵運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，水泵運(yùn)行前后試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)情況見(jiàn)圖6，典型測(cè)點(diǎn)頻譜見(jiàn)圖7。

圖6　水泵運(yùn)行前后試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)Fig.6 Test ground vibration before and after the pump operation in vertical direction

圖7　水泵運(yùn)行前后試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)頻譜圖Fig.7 Test ground spectrum before and after the pump operation in vertical direction

可以看出，水泵開(kāi)啟后產(chǎn)生振動(dòng)通過(guò)地基傳遞至水彈性模型基礎(chǔ)，引起模型基礎(chǔ)振動(dòng)增大，8個(gè)基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)的豎向加速度均方根整體提高10%左右。開(kāi)泵前，模型基礎(chǔ)背景振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻帶在0～20 Hz；開(kāi)泵后，基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)譜圖高頻成分比重普遍有所增加，并在24.5 Hz附近出現(xiàn)了一個(gè)峰值，水泵轉(zhuǎn)速為24.5 r/s，因此，增加的振動(dòng)正是由水泵運(yùn)行引起。

圖8　距模型基礎(chǔ)不同距離人工激勵(lì)加速度衰減Fig.8 Acceleration attenuation from different distance of model based on the artificial excitation

可以看出，對(duì)于同一種人工激勵(lì)方式，激振力相同，隨著激勵(lì)點(diǎn)距離增大，水彈性模型基礎(chǔ)的振動(dòng)加速度有所減小。當(dāng)距離達(dá)到7 m左右時(shí)，隨著距離的進(jìn)一步增大，水彈性模型基礎(chǔ)的加速度衰減較慢。同時(shí)，尾水達(dá)到7 m時(shí)，水流平順。

3.2改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)影響因素的分析，在制作水彈模型時(shí)，底部素填土基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖置換加固處理，澆注成C50混凝土基礎(chǔ)(長(zhǎng)7 m×寬7 m×深1.5 m)，并在基礎(chǔ)四周預(yù)留一條隔振溝(寬10 cm×深1.5 m)，以減小背景振動(dòng)及水泵運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)模型的影響。另外，為了防止水彈性模型上、下游銜接段形成背景振動(dòng)至水彈模型的振動(dòng)傳遞路徑，在上、下游銜接段與水彈模型連接處采用橡膠帶形成軟連接，減小模型周邊振動(dòng)對(duì)水彈模型試驗(yàn)的影響。同時(shí)，跌水位置選定在距水彈性模型基礎(chǔ)末端下游7 m處。圖9為模型隔振、減振措施。

改進(jìn)后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ透粽駵蟽?nèi)外測(cè)點(diǎn)功率譜圖見(jiàn)圖10。水泵開(kāi)啟前后，隔振系統(tǒng)對(duì)振源的高頻成分皆有一定的隔振效果，隔振溝內(nèi)外地面的低頻背景振動(dòng)情況較為一致。從幅值上看，隔振溝內(nèi)外地面測(cè)點(diǎn)豎向加速度均方根值從0.055 gal減小為0.034 gal。試驗(yàn)進(jìn)行(水泵運(yùn)行)過(guò)程中，隔振溝外地面的高頻成分明顯增大(0～200 Hz)，而隔振溝內(nèi)水彈模型地面的高頻成分作用明顯降低。隔振溝內(nèi)外地面測(cè)點(diǎn)豎向加速度均方根值從0.081 gal減小為0.052 gal。因此，該減振隔振系統(tǒng)，能有效減小水彈模型外部振動(dòng)源的干擾。

在此基礎(chǔ)上建立模型比尺1∶80的兩個(gè)消力池、模擬地基(長(zhǎng)500 m×寬400 m×深90 m)的完全水彈性模型，見(jiàn)圖11。振動(dòng)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖12。

3.3結(jié)果修正及驗(yàn)證

某泄洪工況場(chǎng)地豎向振動(dòng)實(shí)測(cè)相對(duì)幅值見(jiàn)圖13。其中，T1、T2和T3為大壩測(cè)點(diǎn)，其余為場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)。以場(chǎng)地振幅最大測(cè)點(diǎn)T9測(cè)點(diǎn)為例，統(tǒng)計(jì)出13個(gè)典型的原型觀測(cè)工況，對(duì)應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。典型工況見(jiàn)表1，模型各結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)與原型T9測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)振幅對(duì)比見(jiàn)圖14。

我經(jīng)常在廚房聽(tīng)音頻，與其說(shuō)廚房的活兒干得時(shí)間夠長(zhǎng)，足夠聽(tīng)完一期《奇葩說(shuō)》，不如說(shuō)廚房里總有干不完的活兒：洗菜、切菜、炒菜、清理水池、擦洗灶臺(tái)……這些活兒，很難想象不聽(tīng)著點(diǎn)兒啥的話，能堅(jiān)持干完哪怕一件。

從圖14中可知，水彈性模型各基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)與原型場(chǎng)地T9測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)變化趨勢(shì)和規(guī)律較為一致：首先，振動(dòng)強(qiáng)度整體上隨消力池過(guò)流量增大而增大；其次，振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)泄洪方式比較敏感，不利的開(kāi)孔方式能明顯增大振動(dòng)強(qiáng)度。水彈性模型測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度與原型T9測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移的相關(guān)性分析見(jiàn)圖15。

可以看出，模型消力池基礎(chǔ)內(nèi)、壩踵基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)與原型場(chǎng)地振動(dòng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.84和0.86，而水彈模型基礎(chǔ)其余測(cè)點(diǎn)的豎向加速度與原型T9測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)豎向位移、豎向加速度的相關(guān)系數(shù)在0.71～0.89內(nèi)，相關(guān)性較高。因此，試驗(yàn)結(jié)果可以有效反映實(shí)際泄流狀況。

圖10　隔振溝內(nèi)外地面測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)功率譜密度對(duì)比Fig.10 The comparison of power spectrums between inside and outside isolation trench in vertical direction

圖11　水彈性模型Fig.11 Water elastic model

圖12　振動(dòng)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖(黑色圓點(diǎn)表示傳感器所在位置)Fig.12 Arrangement of measuring points of vibration acceleration sensor(The black dots indicate the location of sensors)

圖13　實(shí)測(cè)場(chǎng)地豎向振動(dòng)位移Fig.13 Ground vibration displacements in flow direction

工況編號(hào)消力池流量/(m3·s-1)泄洪工況13306#、10#中孔局開(kāi)1.3m23601#、5#中孔局開(kāi)1.5m35501#、5#中孔局開(kāi)2.4m46861#、5#中孔局開(kāi)1.4m,2#、4#中孔局開(kāi)1.3m57006#、10#中孔局開(kāi)3.1m69406#、8#、10#中孔局開(kāi)2.4m79601#、5#中孔局開(kāi)4.5m811006#、8#、10#中孔局開(kāi)3.3m929001#、3#、5#中孔局開(kāi)3.0m,6#、8#、10#中孔局開(kāi)3.6m,7#、9#中孔局開(kāi)3.4m1033201#、3#、5#中孔局開(kāi)3.9m,2#、4#中孔局開(kāi)3.4m,6#、8#、10#中孔局開(kāi)2.8m,7#、9#中孔局開(kāi)2.4m1133601#、3#、5#中孔局開(kāi)4.4m,6#、8#、10#中孔局開(kāi)3.6m,7#、9#中孔局開(kāi)3.2m1234301#、3#、5#中孔局開(kāi)3.9m,2#、4#中孔局開(kāi)3.5m,6#、8#、10#中孔局開(kāi)2.8m,7#、9#中孔局開(kāi)2.6m136600左池5中孔局開(kāi)6.0m,右池5中孔局開(kāi)5.8m

圖14　模型各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)與原型T9測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)對(duì)比Fig.14 Comparison of vertical vibration between the model measuring points and the prototype measuring point T9

圖15　模型消力池基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)Fig.15 Correlation between measuring points of the base of stilling pool

研究泄流誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題時(shí)，建立大壩模型與場(chǎng)地原型觀測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)系是進(jìn)行各種分析的前提。在模型上進(jìn)行反演2013年和2014年所有原型泄洪工況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)，T9豎向振動(dòng)加速度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖16。

圖16　2013年與2014年T9豎向振動(dòng)加速度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.16 Comparison between the prediction value and the measured value of acceleration in vertical direction in the year of 2013 and 2014

可以看出，T9測(cè)點(diǎn)的豎向加速度預(yù)測(cè)結(jié)果與原型實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，不同流態(tài)與泄洪方式對(duì)原型場(chǎng)地振動(dòng)的影響都能通過(guò)水彈性模型得到直接的反映。因此，可通過(guò)以上改進(jìn)措施建立水彈性模型，并根據(jù)各種泄洪工況下水彈性模型的振動(dòng)規(guī)律，來(lái)研究泄洪誘發(fā)下游場(chǎng)地的振動(dòng)問(wèn)題。

4　泄流誘發(fā)場(chǎng)地振動(dòng)特性

4.1振源分析

泄洪誘發(fā)結(jié)構(gòu)及周邊場(chǎng)地振動(dòng)問(wèn)題的研究，首先要正確判斷產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)制，一般包括外部誘發(fā)的振動(dòng)、不確定誘發(fā)的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)，其中最重要的是外部誘發(fā)的振動(dòng)，它是由水流脈動(dòng)及壓力脈動(dòng)引起的[8]。在泄流結(jié)構(gòu)自身?xiàng)l件一定的情況下，泄流狀態(tài)下不同類型和特征的水流脈動(dòng)荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的產(chǎn)生、分布和傳遞起到了關(guān)鍵性作用，不同荷載振源對(duì)泄洪誘發(fā)結(jié)構(gòu)及場(chǎng)地振動(dòng)所做的貢獻(xiàn)也不同[9]。該水電站采用表、中孔聯(lián)合的底流泄流消能方式，通過(guò)消力池內(nèi)形成淹沒(méi)水躍產(chǎn)生表面旋滾和水流間強(qiáng)烈的紊動(dòng)剪切來(lái)消除下泄水流的動(dòng)能，同時(shí)在表孔或中孔溢流面和邊墻上產(chǎn)生水流脈動(dòng)荷載，這些荷載都有可能成為場(chǎng)地振動(dòng)振源。在泄流狀態(tài)下可能出現(xiàn)的水流脈動(dòng)荷載有：孔口脈動(dòng)荷載、消力池底板脈動(dòng)荷載、導(dǎo)墻脈動(dòng)荷載、尾坎脈動(dòng)荷載以及跌坎脈動(dòng)荷載[10]，荷載位置見(jiàn)圖17。

圖17　荷載位置圖Fig.17 Loads positions

試驗(yàn)測(cè)定了不同工況下各個(gè)振源的荷載變化情況。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同泄流方式的振源比重不盡相同，結(jié)果見(jiàn)圖18。兩種泄洪方式水流流態(tài)見(jiàn)圖19。

圖18　不同泄洪工況振源脈壓強(qiáng)度百分比Fig.18 Percentage of energy generated by vibration sources under different discharging conditions

圖19　不同泄洪工況水流流態(tài)Fig.19 Flow patterns under different discharging conditions

從柱狀圖可以看出，不同泄流方式作用在溢流壩上的孔口振動(dòng)能量均大于其他位置。表孔泄洪情況下，導(dǎo)墻的振動(dòng)能量?jī)H次于孔口荷載，消力池底板與尾坎振動(dòng)能量相當(dāng)且小于導(dǎo)墻處，跌坎振動(dòng)能量最小。中孔泄洪情況下，消力池底板的振動(dòng)能量增大，僅次于孔口荷載，導(dǎo)墻振動(dòng)能量有所減小，尾坎與跌坎與表孔泄流時(shí)振動(dòng)能量比重相當(dāng)。

根據(jù)泄水過(guò)程水流流態(tài)可以看出，不同工況泄水過(guò)程中，溢流壩孔口出口段水流條件極為復(fù)雜，紊動(dòng)最為強(qiáng)烈，因此，孔口荷載產(chǎn)生振動(dòng)最為復(fù)雜且能量巨大。中孔泄流時(shí)出流水舌由于出口高程較低，進(jìn)入消力池后形成淹沒(méi)射流，水舌以較大的流速?zèng)_擊到消力池底板，在底板上產(chǎn)生較大的脈動(dòng)壓力，因此其產(chǎn)生脈動(dòng)壓力增大。表孔泄流時(shí)出流水舌出口高程相對(duì)較高，距消力池底板的距離更遠(yuǎn)，主流進(jìn)入消力池后主要在表層形成表面旋滾，對(duì)底板的沖擊較小，但導(dǎo)墻的脈動(dòng)壓力增大。兩種泄流方式的下泄水流流經(jīng)尾坎與跌坎時(shí)都已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生能量相當(dāng)。

4.2場(chǎng)地振動(dòng)影響因素

4.2.1泄洪方式

驗(yàn)證模型有效性時(shí)發(fā)現(xiàn)，下游場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度與泄洪流量及泄洪方式關(guān)系密切，其具體表現(xiàn)為表孔、中孔開(kāi)啟方式，上游水位、下游水位的變化等。因此，通過(guò)控制單一變量原則，研究以上因素對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)的影響。試驗(yàn)所得各因素影響下，場(chǎng)地T9測(cè)點(diǎn)振動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖20～24。

圖23　不同下游水位T9測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度預(yù)測(cè)Fig.23 Prediction of vertical vibration acceleration of T9 with different downstream water level

圖24　不同泄洪方式振動(dòng)情況對(duì)比Fig.24 Vertical vibration acceleration of T9 under different discharge conditions

從圖20～22可知，不同的孔口開(kāi)啟方式振動(dòng)規(guī)律差異較大。中孔與表孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)隨開(kāi)度增大而增大，其中，中孔存在不利運(yùn)行區(qū)，不利開(kāi)度范圍在5～7 m左右，此時(shí)泄流產(chǎn)生漩滾在孔口處，因此在孔口產(chǎn)生較大脈動(dòng)荷載。小開(kāi)度流量較小，大開(kāi)度時(shí)水流流速與脈動(dòng)能量增大，產(chǎn)生漩滾遠(yuǎn)離孔口，兩者在孔口處產(chǎn)生脈動(dòng)荷載較小。表孔運(yùn)行工況不存在不利運(yùn)行區(qū)，但在大開(kāi)度時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度有所減小。表中孔聯(lián)合泄洪時(shí)，場(chǎng)地振動(dòng)對(duì)中孔的開(kāi)度更為敏感，開(kāi)度為1～4 m時(shí)，振幅顯著減小。從圖23可知，下游水位越高，振幅越小。而從圖24可知，上游水位越高，振動(dòng)越強(qiáng)，但與流量增長(zhǎng)速度相比，振幅增長(zhǎng)量可以忽略。另外，同流量級(jí)下，表孔泄洪時(shí)場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度最大，中孔泄洪時(shí)振動(dòng)次之，且存在明顯的不利運(yùn)行區(qū)間，表中孔聯(lián)合泄洪時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度明顯小于同流量其余工況。

4.2.2場(chǎng)地基礎(chǔ)

觀測(cè)資料顯示，該水電站下游場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度分布有所不同，靠近右岸山體一側(cè)古河道區(qū)域出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象，左側(cè)非古河道區(qū)域振動(dòng)強(qiáng)度不大，泄洪前后場(chǎng)地古河道與非古河道實(shí)測(cè)工況下典型測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)功率譜見(jiàn)圖25和圖26。

圖25　場(chǎng)地古河道區(qū)域T9測(cè)點(diǎn)振動(dòng)功率譜密度譜Fig.25 Vibration power spectrum density of T9 in the area of the ancient river channel

圖26　場(chǎng)地非古河道區(qū)域T12測(cè)點(diǎn)振動(dòng)功率譜密度譜Fig.26 Vibration power spectrum density of T12 in the area of the non-ancient river channel

將場(chǎng)地典型頻譜分布與場(chǎng)地地質(zhì)條件結(jié)合不難發(fā)現(xiàn)，在大壩右岸下游場(chǎng)地范圍，場(chǎng)地的背景振動(dòng)幅值較小，頻譜特性有明顯的規(guī)律：由于古河道上厚覆蓋層的影響，地基剛度相對(duì)較小，場(chǎng)地較“軟”，自振頻率較低，在低頻振動(dòng)激勵(lì)下，一定程度上激發(fā)了地基的自振，背景振動(dòng)響應(yīng)頻譜反映出了地基的自振特性。在古河道區(qū)域測(cè)點(diǎn)所在位置覆蓋層越厚，背景振動(dòng)響應(yīng)頻譜中的地基自振特性越明顯；其他區(qū)域覆蓋層較淺，地基剛度相對(duì)較大，場(chǎng)地較“硬”，自振頻率較高，表現(xiàn)為低頻振動(dòng)激勵(lì)下的隨機(jī)受迫振動(dòng)，其背景振動(dòng)響應(yīng)頻譜反映的是地脈動(dòng)振源的頻率特性。

5　結(jié)　論

文章利用水彈性模型試驗(yàn)結(jié)合原型觀測(cè)資料，研究高壩泄流引起周圍場(chǎng)地振動(dòng)振源以及影響振動(dòng)強(qiáng)度因素。研究發(fā)現(xiàn)：

首先，傳統(tǒng)的物理模型受環(huán)境振動(dòng)、試驗(yàn)設(shè)備以及其他因素影響，試驗(yàn)結(jié)果難以反映場(chǎng)地振動(dòng)情況。因此，建立模型前，通過(guò)對(duì)模型底部素填土基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖置換加固處理，并在基礎(chǔ)四周預(yù)留一條隔振溝，并在上、下游銜接段與水彈模型連接處采用橡膠帶形成軟連接可以有效減小水彈模型外部振動(dòng)源的干擾。同時(shí)，模型試驗(yàn)反演實(shí)際泄洪工況結(jié)果與實(shí)測(cè)場(chǎng)地振動(dòng)變化規(guī)律一致，相關(guān)性較高。其預(yù)測(cè)結(jié)果真實(shí)反映實(shí)際場(chǎng)地振動(dòng)情況。

其次，大壩在泄流狀態(tài)下可能出現(xiàn)孔口脈動(dòng)荷載、消力池底板脈動(dòng)荷載、導(dǎo)墻脈動(dòng)荷載、尾坎脈動(dòng)荷載以及跌坎脈動(dòng)荷載，這些荷載成為影響場(chǎng)地振動(dòng)的主要振源。不同泄流方式下，作用在孔口的振動(dòng)能量遠(yuǎn)大于其他位置；中孔泄洪情況下，除了孔口振動(dòng)能量為主要振源外，消力池底板的振動(dòng)能量較大；表孔泄洪情況下，導(dǎo)墻的振動(dòng)能量增大到第二，底板的振動(dòng)能量小于尾坎，減小到第四。

最后，泄水過(guò)程中，孔口開(kāi)啟方式、上下游水位、消力池內(nèi)流水流流態(tài)等因素對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度有不同程度的影響，而表孔與中孔聯(lián)合泄洪并避開(kāi)中孔不利運(yùn)行區(qū)是減小場(chǎng)地振動(dòng)的有利運(yùn)行工況；不同的場(chǎng)地土體條件對(duì)振動(dòng)的傳播有較大影響，地基剛度較小區(qū)域易激發(fā)土體自振，從而產(chǎn)生振動(dòng)放大效應(yīng)。

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Influencing factors of the ground vibration induced by flood discharge of high dams based on model experiments

ZHANG Yan1,2, LIAN Jijian1, LIU Fang1, ZHANG Wenjiao1, LI Songhui2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072, China;2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institate of Water Resoures and Hydropower Research, Beijing 100038,China)

While flood is discharged in a high dam, the vibration generated by huge flow fluctuating load can be transmitted to upstream and downstream along the river through the ground, which results in ground vibration and is harmful to the neighboring residents and buildings. In this paper, the traditional physical model was improved, and then a correlation system was established by combining the model with prototype observations. Further, the characteristics of vibration sources as well as factors influencing vibration intensities were investigated. The results show that the established hydroelastic model with a series of vibration isolation and vibration damping can simulate the flood discharging conditions and reflect the ground vibration accurately through a linear prediction. The vibration energy of orifice is the primary vibration source of ground vibration, and the secondary vibration source is the load of guide wall and stilling pool base slab. The orifice opening modes, upstream and downstream water levels seriously influence the vibration intensity of ground. So it suggests to control the vibration intensity from the sources through regulating the discharge modes. The vibration will be amplified when the foundation stiffness is small.

hydroelastic model; flow fluctuating load; discharge modes; vibration source; vibration intensity

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379140;51209158;51379177);中國(guó)水科院科研專項(xiàng)(1513)

2015-04-28修改稿收到日期：2015-08-18

張龑 男，博士，1988年11月生

練繼建 男，教授，博士生導(dǎo)師，1965年8月生

TV61

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.16.006