高壩泄洪誘發(fā)場地振動特性原型觀測分析

王 新,李曉慧,錢文勛

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京210029；3.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,江蘇南京210029)

高壩泄洪誘發(fā)場地振動特性原型觀測分析

王 新1,2,3,李曉慧1,2,錢文勛1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京210029；3.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,江蘇南京210029)

針對近期出現(xiàn)的高壩泄洪誘發(fā)場地大范圍振動問題,通過系統(tǒng)的現(xiàn)場觀測,研究了泄洪誘發(fā)的環(huán)境振動特性。觀測表明,泄洪引起的場地、結(jié)構(gòu)振動具有持續(xù)、低頻、微幅、沖擊等鮮明特征,振動主頻1.5～3 Hz,傳播距離遠、影響范圍大,與常見的高頻環(huán)境振動明顯不同；城區(qū)環(huán)境振動具有明顯的分布特征和變化規(guī)律,受泄量、調(diào)度方式、地質(zhì)條件等影響較大,居民樓隨高度增加振動有明顯的放大效應(yīng),水平向與豎直向差異明顯,軟基上的居民樓頂樓振動最大應(yīng)當重視。大范圍低頻環(huán)境振動的減振難度很大,從源頭優(yōu)化調(diào)度減小激勵是當前有效措施之一,減振措施與抗振安全評價仍需進一步研究。

泄洪；環(huán)境振動；原型觀測；振動特性；高壩

0 引 言

高壩泄洪消能是水利水電工程建設(shè)中一項十分重要內(nèi)容,高速水流的巨大能量需要在有限的消能工內(nèi)安全、快速耗散,泄洪消能設(shè)計成功與否直接關(guān)系到整個樞紐的安全。在利用水流旋滾、剪切、摩擦耗散自身能量的過程中,消能工結(jié)構(gòu)一直承受著高速水流的沖擊作用,發(fā)生強烈的流激振動,國內(nèi)外工程中不乏泄水建筑物破壞的實例,前蘇聯(lián)薩揚水電站消力池底板曾兩度遭到破壞,巨大的水動荷載將近8 m厚的底板掀起,引起了工程界和學(xué)術(shù)界的震驚；我國的五強溪水電站在泄洪時,3 m厚的消力池底板被大面積掀起且基巖沖深近30 m；美國的Texarkana壩消力池導(dǎo)墻、前蘇聯(lián)的巴帕津斯、我國萬安水電站導(dǎo)墻等都出現(xiàn)了水力破壞。流激振動問題一直是高速水流領(lǐng)域關(guān)注的重點,經(jīng)過多年不斷研究,在模型試驗、數(shù)值分析、原型觀測等各個方面均取得了長足的進步,通過多種手段的反復(fù)充分論證,基本能夠確保泄水建筑物的振動安全。

圖1 壩區(qū)縣城地面環(huán)境振動分布

2012年,某水電站首次蓄水泄洪時,因消力池距離城區(qū)較近(最近僅500 m),引發(fā)了始料未及的城區(qū)大范圍環(huán)境振動,居民樓門窗振動,商鋪卷簾門響動,自來水和煤氣管道、吊燈晃動等現(xiàn)象；2015年,又一座水電站下閘蓄水泄洪,同樣出現(xiàn)了因泄洪誘發(fā)附近村莊環(huán)境振動現(xiàn)象。雖然大壩泄洪誘發(fā)環(huán)境振動問題一直存在,但因水電站通常遠離城鄉(xiāng),卻未曾受到重視,對相關(guān)問題的認知十分匱乏,水流激勵引起環(huán)境振動問題鮮有報道。蔡忠祥[1]曾對錢塘江涌潮引起的錢江隧道振動響應(yīng)進行監(jiān)測,獲得振動主頻約2 Hz；E. M. Shumakovaa[2]曾通過觀測分析了俄羅斯Zhigulevskii水電站機組運行對附近地表振動的影響,地表振動主頻8～10 Hz與機組轉(zhuǎn)頻吻合,并獲得機組流量與地表振動的關(guān)系；R. G. Yin[3]曾對泄洪引起的近域振動的振源和振動吸收機制進行研究。泄洪流激振動更多關(guān)注的是泄水建筑物的振動安全[4-7],而環(huán)境振動相關(guān)研究幾乎全部關(guān)于城市交通[8-12],因此,有必要對泄洪引起的大面積環(huán)境振動特性進行研究分析,為振動安全評價、減振措施探討提供依據(jù)。本文通過大范圍場地振動原型觀測,系統(tǒng)分析了泄洪誘發(fā)環(huán)境振動特性及影響因素,并提出了減振措施的主要方向。

1 觀測概況

在壩區(qū)出現(xiàn)大范圍場地振動時,并未很快認識到是大壩泄洪引起的,普遍以為發(fā)生了地震。筆者所在的課題組第一時間抵達現(xiàn)場,根據(jù)現(xiàn)場振動現(xiàn)象,當即采用高精度的低頻振動位移傳感器進行了振動監(jiān)測,分析振動特性,綜合幾天觀測到的振動變化、大壩的泄洪情況、消力池的流態(tài)特征等信息,判斷振動由泄洪引起,振源在消力池。從現(xiàn)場民眾反映看,振動傳播距離較遠,影響范圍較廣,因此,以消力池為中心,在半徑為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 km線上分別布置5個縣城地表測點,共25個測點,涵蓋了居民樓、學(xué)校、化工廠等重點關(guān)注位置。振動觀測期間,大壩泄洪流量從6 600 m3/s逐漸減小至0。同時為了與泄洪誘發(fā)環(huán)境振動特性對比,監(jiān)測了市區(qū)列車軌道交通引起的環(huán)境振動。

2 壩區(qū)環(huán)境振動特性

2.1 地表振動

縣城距離消力池最近僅500 m,在樞紐開始泄洪后,在距消力池5 km范圍內(nèi)均出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象,消力池內(nèi)水流沖擊、脈動是產(chǎn)生城區(qū)環(huán)境振動的根源?，F(xiàn)場感知和振動監(jiān)測反映,并非距離消力池越遠振動越小,而是表現(xiàn)出獨特的分布規(guī)律,如圖1城區(qū)場地振動響應(yīng)等值線分布所示,沿右壩肩向下游的原古河床的帶狀區(qū)域,是后期回填地基,振動明顯大于其他區(qū)域,在距離消力池1.5 km海拔較高的古河床位置,振動響應(yīng)最大,以該點為例,泄洪流量6 600 m3/s時,順河向、橫河向及豎直向的振動加速度峰值分別為0.39、0.38、0.25 cm/s2,速度峰值分別為0.26、0.26、0.12 mm/s,位移峰值分別為15.95、10.59、6.30 μm,可以看出,水平方向(順河向、橫河向)振動大小基本相同,豎直向相對較小,頻譜分析表明,場地振動主頻2～3 Hz,與水流脈動主頻一致。

圖2 居民樓7樓振動位移時程及其功率譜密度

圖3 振動沿樓層的放大效應(yīng)

2.2 居民樓振動特性

為分析評價泄洪誘發(fā)環(huán)境振動對民居建筑物安全、人們身心健康影響,選擇多座典型建筑物不同樓層進行振動監(jiān)測,考察民居建筑物的振動特性。監(jiān)測樓層主要包括1樓、3.5樓和7樓,以居民樓7樓為例,3個方向的振動位移時程及其功率譜密度曲線見圖2,可以看出,振動穩(wěn)定、持續(xù)、沖擊特征較明顯,振動波經(jīng)城區(qū)地層的過濾后,地表及建筑物場地振動頻帶更窄,主頻2.5～3 Hz,體現(xiàn)了地基的卓越頻率。

現(xiàn)場觀測資料顯示,隨建筑物樓層增加,振動響應(yīng)呈增大趨勢,水平向振動增大明顯,豎直向增大相對較小,如圖3所示,統(tǒng)計多個建筑物不同樓層振動響應(yīng)得出,3.5樓水平向振動平均放大3倍,豎直向平均放大1.2倍,7樓水平向振動平均放大6倍,豎直向平均放大1.5倍。在整個汛期泄洪過程中,監(jiān)測到居民樓7樓最大振動加速度均方根值為0.54 cm/s2、峰值1.98 cm/s2,最大振動速度均方根值為0.38 mm/s、峰值1.36 mm/s,最大振動位移均方根值為27.59 μm、峰值100.63 μm。

2.3 大型化工廠廠區(qū)振動特性

距離消力池約2 km有一國有大型化工廠,工廠內(nèi)有重要的化工設(shè)備管道、精密儀器等,故廠區(qū)的振動情況備受關(guān)注。在工廠內(nèi)布置4個測點,3個位于生產(chǎn)區(qū),1個位于精密儀器室。由監(jiān)測資料可知,化工廠內(nèi)地基振動與城區(qū)地基振動特征不同,廠區(qū)正常生產(chǎn)時,廠區(qū)振動呈現(xiàn)明顯的高頻激勵特征,信號中含有多個高頻分量,如12.4、16.6、24.9 Hz等,主要由生產(chǎn)區(qū)多臺不同類型的機械運轉(zhuǎn)引起,主要表現(xiàn)為高頻小幅振動,振動加速度偏大,振動位移較??；4個測點中,因為精密儀器室距離生產(chǎn)區(qū)較遠,地基振動最小,尤其加速度相對較小,其他3個測點位于生產(chǎn)區(qū),加速度均較大,且豎直向明顯大于水平向；振動位移的大小、分布及主頻可以看出廠區(qū)振動也有泄洪低頻振動的貢獻；當化工廠停產(chǎn)時,高頻激勵基本消失,振動量明顯降低,加速度的降幅最大,速度次之,位移最小,尤其豎直向的振動降低顯著,水平向位移變化不大與泄洪低頻激勵有關(guān)。因此,廠區(qū)振動特性體現(xiàn)了生產(chǎn)機器運轉(zhuǎn)與泄洪的共同作用。

2.4 軌道交通引起環(huán)境振動特性

為了與泄洪誘發(fā)環(huán)境振動對比,在枯水期不泄洪時,在城區(qū)距離消力池約4 km的鐵路軌道附近監(jiān)測列車經(jīng)過引起的環(huán)境振動,現(xiàn)場距離鐵軌10、40、100 m的地表布置3個測點,同時也對軌道附近的居民樓不同樓層振動進行了測量。其中距離鐵軌10 m位置的振動響應(yīng)列于表1,振動特性與泄洪誘發(fā)環(huán)境振動明顯不同,地面振動以豎直向為主,振動加速度較大、振動位移較小,振動頻帶較寬,主頻較高。列車激勵作用下,建筑物的高層振動相對地基沒有出現(xiàn)明顯的放大現(xiàn)象。列車誘發(fā)環(huán)境振動沿程衰減迅速,如圖4所示,近似呈指數(shù)衰減,距離增大幾十米,振動即降低一個數(shù)量級。列車引起的環(huán)境振動范圍較小,且持續(xù)時間較短,總體影響不大。

表1 列車運行引起的附近環(huán)境振動

表2 不同調(diào)度方式振動比較

圖4 列車引起環(huán)境振動隨距離衰減特性

3 影響因素及減振措施

3.1 泄洪流量

圖5 環(huán)境振動與泄量的關(guān)系

自大壩蓄水泄洪以來,泄量逐漸減小,民眾對振動的感知也從很明顯變至感覺不到,直觀上看振動與泄洪流量存在一定關(guān)系。以壩區(qū)地基振動最為顯著的測點為例,不同泄量對應(yīng)地基的振動參數(shù)見圖5,包含了蓄水泄洪較長系列資料?？傮w上看,隨泄量減小振動呈降低趨勢,泄量從6 600 m3/s減小至330 m3/s左右,振動降低約90%。振動隨泄量變化的真正機理是因為泄量與水流脈動存在密切關(guān)系,該工程大比尺模型試驗表明,在相同的調(diào)度方式下,消力池內(nèi)水流紊動能量隨泄量減小而減小,即環(huán)境振動的激勵源——消力池內(nèi)的脈動壓力減小,進而場區(qū)振動減小。

3.2 泄洪調(diào)度方式

現(xiàn)場振動監(jiān)測發(fā)現(xiàn),在泄量保持960 m3/s不變的情況下,上午采用2個中孔均勻泄水,下午變?yōu)?個中孔均勻泄水,每孔開度減小,現(xiàn)場振動發(fā)生較大變化。以振動最大的測點為例,振動響應(yīng)對比見表2,相同泄量,采用4孔均勻泄水時振動顯著降低,平均降幅約70%?？梢?環(huán)境振動與泄洪調(diào)度方式也存在密切關(guān)系,減小單寬泄量可降低振動響應(yīng),因為水流脈動荷載決定振動大小,盡管泄量相同,不同調(diào)度方式在消力池內(nèi)產(chǎn)生的脈動荷載不同,故引起的環(huán)境振動不同。據(jù)此,在各級流量下,可以通過不同調(diào)度方式的優(yōu)化試驗,提出水流脈動荷載最小的調(diào)度方式,可使環(huán)境振動盡可能減小,這是目前泄洪引起大范圍環(huán)境振動的有效減振措施之一。

3.3 地質(zhì)條件

觀測表明,場地振動具有明顯的區(qū)域分布特征,右岸下游古河道帶狀區(qū)域振動相對較大,說明振動響應(yīng)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切?，F(xiàn)場勘探顯示,振動較小的位置地基軟弱覆蓋層較薄,厚度在20 m以內(nèi),而振動較大的位置即為古河道,軟弱覆蓋層厚度超過80 m,與其他位置明顯不是同一類別的場地,振動有明顯放大效應(yīng),放大約4～6倍。

3.4 減振措施

在基本掌握泄洪誘發(fā)環(huán)境振動特性及主要影響因素后,需要提出合理可行的減振措施,就現(xiàn)場大范圍場地振動問題,多位專家從各自領(lǐng)域提出了減振措施的建議,包括軌道交通中應(yīng)用較多的減振溝、減振樁(屬于切斷傳遞路徑),建筑抗震中的橡膠支座、阻尼器(被動隔振)等,但均很難實現(xiàn)或效果不佳。

本文根據(jù)現(xiàn)場振動的特點及影響因素,提出從振源出發(fā),通過優(yōu)化調(diào)度方式,減小動水作用荷載進而減小振動。首先,在大壩過流量一定的情況下,盡量增加機組過流量,減小大壩泄洪流量；其次,在泄洪流量一定的情況下,泄洪調(diào)度應(yīng)采用盡量多的泄洪孔均勻泄流,減小單寬泄量,可以將振動控制到最小。當然,這種低頻場地振動無法完全消除,其長期作用對居民樓安全、人們身心健康影響需要進行評估和進一步研究。

4 結(jié) 論

本文針對巨型水電站泄洪引起的場地大范圍振動問題,通過系統(tǒng)的原型觀測,分析探討了泄洪誘發(fā)環(huán)境振動特性及影響因素,得出以下結(jié)論：

(1)泄洪引起的場地、結(jié)構(gòu)振動具有持續(xù)、低頻、微幅、沖擊等特征,振動主頻1.5～3 Hz,傳播距離遠、影響范圍大,與通常的機械、軌道交通等高頻環(huán)境振動差別較大。

(2)城區(qū)環(huán)境振動具有明顯的分布特征和變化規(guī)律,受泄量、調(diào)度方式、地質(zhì)條件影響較大。隨泄量增大,振動響應(yīng)總體呈增大趨勢；增大泄水寬度、減小單寬泄量可降低振動影響；右岸下游古河道帶狀區(qū)域振動相對其他區(qū)域明顯較大,振動響應(yīng)最大位置為距離消力池約1.5 km處的古河道位置,因為此處有80 m以上的軟弱覆蓋層,較同半徑淺覆蓋層位置振動放大4～6倍。

(3)大型化工廠振動受泄洪與運轉(zhuǎn)機器共同作用,機器高頻荷載對加速度貢獻較大,泄洪低頻荷載對振動位移貢獻較大；居民樓隨高度增加振動有明顯的放大效應(yīng),水平向與豎直向差異明顯,7樓水平向振動平均放大6倍,豎直向平均放大1.5倍。

(4)大范圍低頻振動的減振難度很大,從源頭優(yōu)化調(diào)度減小激勵是目前有效措施之一。另外,持續(xù)低頻微幅環(huán)境振動對建筑、人體的影響及安全評價有必要進一步深入研究。

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(責任編輯 王 琪)

Characteristics and Influence Factor Analysis of Field Vibration Caused by Flood Discharge of High Dam

WANG Xin1,2,3, LI Xiaohui1,2, QIAN Wenxun1,2

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, China;2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, Jiangsu, China;3. Key Laboratory of Navigation Structures, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

For the problem of a wide range of ground vibration induced by the flood discharge in a hydropower station, the vibration characteristics and influence factors are analyzed based on systematical field monitoring. The results indicate that: (a) the ground and structure vibrations have distinctive characteristics of constancy, low-frequency, small amplitude and impact with a long propagation distance and wide influenced area, and the main frequency of vibration is around 1.5-3 Hz, which is obviously different from usual high-frequency vibration; and (b) the urban environmental vibration has special distribution characteristics and changing rules, and greatly affected by discharge flow, scheduling mode and geological conditions. With the increase of the height of residential buildings, the vibration has a significant amplification effect, and the horizontal and the vertical vibrations are obvious different. The top floor vibration of the buildings based on soft foundation is the most. It is very difficult to reduce large-scale low-frequency environment vibration, but it is one of effective measures to reduce the excitation from power station scheduling optimization. The vibration reduction measures and anti-vibration safety evaluation still need to be further studied．

flood discharge; environmental vibration; field monitoring; vibration characteristics; high dam

2016- 07- 25

國家自然科學(xué)基金面上項目(51479124,51479125)；南京水利科學(xué)研究院基金面上項目(Y115006)

王新(1983—),男,江蘇宿遷人,高級工程師,博士,主要從事水工結(jié)構(gòu)流激振動相關(guān)研究工作．

TV697.24;TV698.13

A

0559- 9342(2017)03- 0115- 05