龍羊峽水電站大壩振動分析與安全評價

馬正龍，李長和

（黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海省西寧市 810016）

0 引言

龍羊峽水電站在經(jīng)歷高水位運行時，壩頂、尾水平臺等部位的振感比較明顯，出于對工程安全性的考慮，在2005年高水位運行工況下，西北電力試驗研究院通過在大壩不同部位布置加速度傳感器，并借用機組穩(wěn)定性測試成果對龍羊峽水電站壩體振動情況進行了幅值分析和頻譜分析，做了相應的安全性評價，并對振源進行了推斷。2005年的大壩振動測試分析提出了確定壩體主要振源的基本思路，并利用振動測試成果對大壩安全運行進行了評價，但該試驗由于測試周期的局限性，無法進一步分析庫水位、機組負荷變化與大壩振動之間存在的關系。

龍羊峽大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)于2009年進行技術改造后，具備了大壩強震實時監(jiān)測能力，但數(shù)字化強震觀測數(shù)據(jù)一直未得到應用。因此，本文利用龍羊峽水電站數(shù)字化強震觀測數(shù)據(jù)，以及以往的機組穩(wěn)定性測試成果與2005年大壩振動測試分析成果，對龍羊峽大壩振動的原因及規(guī)律進一步深入分析，評價大壩振動的安全性，為今后運行管理單位能夠更好地了解龍羊峽大壩運行規(guī)律提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

龍羊峽水電站位于黃河上游青海省共和、貴南兩縣交界處的黃河龍羊峽進口處，距西寧市147km。工程任務以發(fā)電為主。水庫正常蓄水位2600m，相應庫容247億m3。工程樞紐由主壩，左、右岸重力墩，左、右岸副壩，溢洪道、泄水建筑物，水電站引水系統(tǒng)、壩后廠房、廠壩間副廠房等組成。電站安裝有4臺水輪發(fā)電機組，單機容量32萬kW，總裝機容量128萬kW。電站工程地質條件極為復雜，處于我國西部高地震烈度區(qū)。壩址區(qū)基本烈度為Ⅶ度，根據(jù)工程的重要性和水庫誘發(fā)地震的可能，大壩按Ⅷ度地震設計設防。

1.2 強震監(jiān)測系統(tǒng)概況

龍羊峽大壩強震監(jiān)測系統(tǒng)始建于1986年，經(jīng)過多年運行，于2009年對強震系統(tǒng)進行了技術改造，改造后的強震監(jiān)測系統(tǒng)采用TDA-23電子加速度計和TDA324FA/CA數(shù)字采集器，該系統(tǒng)動態(tài)范圍較大、靈敏度高、抗機械沖擊能力較強，監(jiān)測能力可以達到-2g～+2g，而且能監(jiān)測到0～100Hz的強震動反應，并通過網(wǎng)絡技術實現(xiàn)了大壩強震動的實時監(jiān)測能力。龍羊峽強震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖見圖1。

圖1 龍羊峽強震系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖Fig.1 Network structure diagram of the Longyangxia strong motion system

該強震監(jiān)測系統(tǒng)分布有13個觀測點（壩內12個觀測點，1個自由場點），共39個監(jiān)測分向，測點沿拱冠梁從壩頂?shù)綁位?/4拱圈處，壩肩布置，拱壩的拱座沿不同高度、河谷自由場布置，傳感器測量方向為壩體的水平徑向、水平切向和豎向三分量，強震系統(tǒng)測點分布見圖2。

圖2 龍羊峽強震系統(tǒng)測點布置圖Fig.2 Layout for monitoring points of the Longyangxia strong motion system

2 研究方法

2.1 研究思路

本次大壩振動分析以龍羊峽水電站數(shù)字化強震數(shù)據(jù)為基礎，定量分析庫水位變化和機組不同運行工況下與大壩振動之間的關系，結合以往機組運行工況穩(wěn)定性試驗成果，確定并診斷引起壩體振動的主要振源；進一步分析機組尾水壓力脈動引起的大壩振動對結構安全性是否產(chǎn)生影響，同時對壩體結構共振可能性進行分析，綜合評價龍羊峽水電站大壩運行安全性。

2.2 相關依據(jù)

文中的加速度量級使用“gal”和“g”為量綱，兩者的單位換算公式為：

式中g——重力加速度；

gal——加速度單位。

龍羊峽水電站大壩水平向設計地震加速度為Ⅷ度地震的峰值加速度0.242g，根據(jù)水工抗震規(guī)范，豎向設計地震加速度的代表值應取水平向設計地震加速度代表值的2/3，相應豎向的設計地震加速度應為0.161g[1]。

頻譜特性分析依據(jù)：以某頻率段占有絕對優(yōu)勢為窄頻振動的依據(jù)，否則判斷其為寬頻振動。如果出現(xiàn)明顯的窄頻振動，就需要考慮結構是否存在共振情況。

3 大壩振動規(guī)律分析

3.1 庫水位與大壩振動關系分析

進入高水位運行期，現(xiàn)場能夠明顯感受到壩體振動加劇，為了驗證該現(xiàn)象，在機組運行負荷不變的情況下，根據(jù)混凝土拱壩的結構特點，選取沿拱冠梁從壩頂?shù)綁位植键c9-1（高程：2600m）、9-2（高程：2560m）、9-3（高程：2530m）、9-5（高程：2463m）數(shù)字化強震測點，定量分析不同水位振動最大加速度的變化情況，確定大壩振動的變化規(guī)律。

從圖3可以明顯看出庫水位與大壩振動存在以下關系：

（1）不論在任何水位下，由于壩體振動的放大效應，壩體高程越高，振動越明顯。

（2）在機組運行負荷不變的情況下，庫水位越高，拱冠處水平切向、水平徑向和豎向振動就越大，尤其在高水位運行情況下，其振動更加明顯。

圖3 水位與最大加速度關系Fig.3 The relations between the water level and Maximum acceleration

3.2 機組開停機大壩瞬時振動分析

現(xiàn)場運行人員反映，在低水位下進行開、停機操作時，開機時的瞬時振動感要比停機時的瞬時振動感明顯。為了印證該現(xiàn)象，在低水位（H=2579m）運行時，利用大壩強震實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對機組開、停機時大壩瞬時振動進行分析（見表1～表3），可以看出，機組在低水位運行的情況下，開機時大壩強震系統(tǒng)監(jiān)測到的瞬時振動的確比停機時監(jiān)測到的瞬時振動明顯，對大壩有一定的影響，但影響時間較短。

表1 1號機組振動最大加速度統(tǒng)計表Tab.1 Maximum acceleration statistics of the unit 1# 水位：Δ2579m

表2 2號機組振動最大加速度統(tǒng)計表Tab.2 Maximum acceleration statistics of the unit 2# 水位：Δ2579m

表3 4號機組振動最大加速度統(tǒng)計表Tab.3 Maximum acceleration statistics of the unit 4# 水位：Δ2579m

3.3 大壩振動振源分析

由庫水位與大壩振動關系分析可知，庫水位上升過程中大壩振動逐漸加劇，而除發(fā)電系統(tǒng)外無明顯引起結構振動的外在原因，大壩振動可能來源主要是發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)包括機組進水口、引水管道、水輪發(fā)電機組、尾水管等結構和設備。為了解大壩振動的振源，需要對可能的振源逐一排查。

機組在調負荷和開停機時，對大壩振動雖然有一定的影響，但這種影響為瞬時特征，在機組開停機與大壩振動關系研究中也可以看到，機組在變負荷和開停機時，振動并不是長時間存在的，因此機組進水口和引水管道水力狀況不應是大壩長時間振動的主要原因。對機組進水口和攔污柵進行觀察和測試，發(fā)現(xiàn)攔污柵處得振動較小[2]。

進一步分析1～4號機組尾水管結構是否是大壩振動的主要原因：庫水位升高時，下機架振動、蝸殼、頂蓋壓力脈動量值變化不明顯，因此，下機架振動、蝸殼和頂蓋壓力脈動不應是大壩振動的主要原因。分析尾水壓力脈動與水頭變化關系（見圖4），尾水壓力脈動隨水頭增加而增大，因而隨水頭升高，尾水壓力脈動對尾水管振動的影響進一步增大，同時從庫水位與大壩振動關系分析可知，庫水位的升高對大壩振動有影響，尤其大壩在高水位運行下，其振動更加明顯，這進一步印證了在高水頭、低負荷區(qū)時，水輪機尾水管壓力脈動偏大是引起大壩振動的主要原因[3]。

3.4 振動最大加速度及頻譜分析

通過對大壩數(shù)字化強震監(jiān)測資料進行分析可知，在低水位下，機組開停機瞬時振動對大壩有一定的影響，但影響時間較短；而機組在低負荷區(qū)運行時，隨著水頭的升高，使得尾水壓力脈動增大，大壩振動量也隨之增大，那么振動量及振動頻譜特性是否對大壩安全有影響，需要進一步分析強震數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的振動最大加速度和頻譜特性。

由前面分析可知，由于振動的放大效應，壩頂分布的強震測點振動量級最大，因此，對高水位運行時的壩頂強震測點的振動量級進行統(tǒng)計（見表4、表5），可以看出，強震系統(tǒng)所測機組振動引起的大壩振動加速度峰值在Ⅲ度烈度以內，考慮到壩頂數(shù)倍的放大量，壩基的振動輸入很小[4]。

圖4 尾水管壓力脈動與機組負荷關系Fig.4 The relations between the unit load and the pressure fluctuation in the draft tube

圖5 9-1測點頻譜圖Fig.5 Spectrums of the 9-1 monitoring points

表4 壩頂強震測點最大加速度統(tǒng)計表Tab.4 Maximum acceleration statistics for monitoring points of the dam crest strong motion system水位：Δ2589m

表5 壩頂強震測點最大加速度統(tǒng)計表Tab.5 Maximum acceleration statistics for monitoring points of the dam crest strong motion system水位：Δ2596m

從頻譜方面分析龍羊峽水電站大壩在高水位下運行時，壩體在100Hz頻率范圍內的頻譜特性（見圖5），可以看出，壩體在3Hz和6Hz左右的頻率成分有所表現(xiàn)。對比中國水利水電科學研究院就龍羊峽水電站壩體振型的研究成果（見表6），龍羊峽大壩的第一階振型、第三階振型的頻率與本次研究反映的頻譜特性較接近。從整個頻譜范圍看，該頻率成分總體比例較小，壩體各強震測點振動普遍表現(xiàn)為寬頻振動，意味著大壩沒有出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象。

表6 龍羊峽大壩振型研究數(shù)據(jù)[5]Tab.6 Modal research data of the Longyangxia dam[5]

綜合分析龍羊峽水電站在高水位運行時的強震測點最大振動加速度和頻譜特性，可以看出，雖然龍羊峽水電站在高水位運行時壩體振動現(xiàn)象明顯，但強震系統(tǒng)所測的大壩振動加速度峰值在Ⅲ度烈度以內，且沒有出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象，并不會給大壩運行的安全性帶來影響。

4 結束語

通過對龍羊峽大壩振動進行綜合分析及安全評價得出以下結論：

（1）強震監(jiān)測數(shù)據(jù)與庫水位的變化關系表明，庫水位越高，龍羊峽強震系統(tǒng)監(jiān)測到的大壩振動加速度就越大，這一結論與龍羊峽水電站進入高水位運行期時，大壩振動現(xiàn)象明顯增大的事實相符。

（2）從大壩強震監(jiān)測資料看，大壩振動與機組振動具有時間上的同一性，機組低水頭開停過程中穿越振動區(qū)時，大壩的瞬時振動非常明顯，但對壩體的影響時間較短。

（3）下機架、蝸殼、頂蓋隨庫水位的變化關系不明顯，而尾水壓力脈動隨著庫水位的升高而增大，因此，尾水壓力脈動是大壩振動的主要原因。

（4）對大壩強震監(jiān)測資料進行振動量分析和頻譜分析可知，強震系統(tǒng)所測大壩壩頂振動加速度峰值在Ⅲ度烈度以內，考慮到壩頂數(shù)倍的放大量，壩基的振動輸入很小，從量級看此類振動不影響大壩安全。

（5）通過頻譜特性分析，揭示出大壩在3Hz、6Hz左右的頻率成分有所表現(xiàn)，但并無持續(xù)激振累積，頻率成分占整個頻譜的總體比例較小，總體表現(xiàn)為寬頻振動，沒有出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象，電站在高水位運行時，壩體振動并不會給大壩的安全性帶來影響。