高壩泄洪消能誘發(fā)場地振動的預測方法

張陸陳,范雪梅,駱少澤,王余杰

(1.南京水利科學研究院水工水力學研究所,江蘇 南京 210029; 2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司揚州分公司,江蘇 揚州 225000)

泄洪消能一直是高壩建設中的關鍵技術難題,水流在有限的消能工內(nèi)利用剪切、旋滾、摩擦、紊動消剎巨能,產(chǎn)生的脈動荷載容易產(chǎn)生流激振動。目前流激振動問題主要針對泄水建筑物自身,對于由其誘發(fā)的場地振動問題鮮有報道,但場地振動對建筑物的結(jié)構(gòu)安全和人身體心理影響不容忽視。俄羅斯Zhigulevskii水電站汛期宣泄大洪水曾引起了左岸城市場地和房屋強烈振動,甚至導致大壩附近區(qū)域一些房屋開裂,附近居民出現(xiàn)焦慮、頭暈、惡心等現(xiàn)象[1]。我國溪洛渡水電站曾在主汛期在壩身4個深孔開啟泄洪,壩區(qū)下游右岸混凝土拌和系統(tǒng)的制冰樓發(fā)生明顯振動[2]。2012年10月我國某水電站中孔開閘泄洪期間,下游縣城部分門店卷簾門晃動，民居及校舍的門窗響動、家具顫動、吊燈擺動等,引起壩區(qū)民眾不安[3]。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。高壩泄洪消能誘發(fā)的場地振動持續(xù)時間長、影響范圍廣、處理難度大,是泄洪消能振動安全領域中的新難題。不同運行工況下的場地振動響應是評價振動安全、采取處理措施、制定應急預案的最基本參數(shù),因此對泄洪消能誘發(fā)場地振動量的預測意義重大。

對于高壩泄洪消能流激振動問題,經(jīng)過多年不斷研究,在原型觀測、模型試驗、數(shù)值模擬等各個方面均取得了長足的進步[4-7],跌坎式[8]、收縮式[9]消能工的發(fā)展大幅度提升了泄水建筑物的振動安全。但場地振動有其特殊性,振源并非直接作用于場地,而是通過地層傳播而來,因此其影響因素更為復雜,傳播途徑、地質(zhì)條件、建筑物結(jié)構(gòu)都對場地振動有極大影響?，F(xiàn)場地質(zhì)條件的復雜性給常用的預測模型如水彈性模型、數(shù)值模型的建立帶來了極大的難度,原型觀測雖可直接測量振動響應,但無法對其他不同工況進行預測預報。為此,本文依托我國某大型底流消能水電站,通過原型觀測和水工模型試驗有機結(jié)合的方法,分別獲取“響應”和“激勵”,避開準確模擬傳播過程的難題,利用“響應-激勵”間相關關系達到高精度預測的目標。

1 場地振動原型觀測

某水電站采用射流簇底流消能方式,泄水建筑物由12個表孔和10個中孔組成,采用表中孔間隔布置形式,由中導墻分割成兩個對稱的消能區(qū)。

原型觀測的主要目的是獲取場地振動響應特性,本文重點分析其時域頻域特性和幅值分布特性。場地振動傳播距離遠、影響范圍廣,因此以消力池為中心,在半徑為0.5 km、1.0 km、1.5 km、2.0 km、2.5 km圓周上分別布置5個縣城地基測點,共25個測點,涵蓋了居民樓、學校、化工廠等重點關注位置。振動觀測期間,大壩泄洪流量從6 600 m3/s逐漸減小至0。

1.1 時域頻域特性

圖1 地基振動速度過程線

場地振動選擇低頻響應靈敏的891-4型拾振器測量,配891型濾波放大器,振動信號經(jīng)過放大器放大濾波后,再由動態(tài)信號采集系統(tǒng)采集傳輸至計算機存儲,分析處理后得到測點的順河向、橫河向和豎直向的振動速度、振動加速度、振動位移。以振動速度為例,典型的場地振動速度時域分布特征見圖1,對時域信號進行快速傅里葉變換(FFT)后頻域能量分布特征見圖2。由圖1、圖2可知,場地振動過程表現(xiàn)為連續(xù)型平穩(wěn)隨機振動并伴有沖擊特征,振動能量集中在5 Hz以內(nèi),不同工況下振動主頻在1.5～3.5 Hz。

圖2 地基振動速度功率譜密度

1.2 幅值分布特性

典型的場地振動速度等值線分布如圖3所示,整體而言,距消力池越遠振動越小,但地質(zhì)條件對場地影響較大,沿右壩肩向下游的原古河道的帶狀區(qū)域,是后期回填地基,振動明顯大于其他區(qū)域,最大值相差3～5倍。在距離消力池1.5 km海拔較高的古河床位置,振動響應最大。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 cm/s2、0.38 cm/s2、0.25 cm/s2,速度峰值分別為0.26 mm/s、0.26 mm/s、0.12 mm/s,位移峰值分別為15.95 μm、10.59 μm、6.30 μm。

圖3 地基振動速度等值線分布(單位：mm/s)

泄洪流量是振動響應的直接因素,場地振動響應隨著泄洪流量增大總體而言呈增大趨勢,如泄洪流量從6 600 m3/s減小至330 m3/s時,振動降低約90%。但也存在流量相當而振動響應相差較大的情況,其中關鍵是運行方式,如2012年11月30日,上午開啟左池1號、5號兩中孔,開度4.5 m,泄洪流量僅960 m3/s,但民眾普遍反映振動較大,振動監(jiān)測表明,場地振動響應已基本達到當年6 600 m3/s泄洪流量時的水平;下午隨即調(diào)整泄洪方式,增加左池2號、4號兩孔,4個孔均開1.4 m,形成左池四孔局開泄流,隨即感知振動變小,調(diào)整運行方式后振動顯著降低,平均降幅約70%。

2 振源模型試驗

高壩泄洪消能誘發(fā)的場地振動影響因素較多,如傳播距離、地質(zhì)條件、泄洪流量、運行方式、建筑結(jié)構(gòu)等,僅通過原型觀測預測振動響應,不僅難以全面考慮眾多因素,且誤差較大,需另辟蹊徑。由于場地振動的振源為消力池脈動荷載,若直接建立振源和測點的振動響應相關關系,即可抓住問題本質(zhì),并避開準確模擬振動傳播過程的難題。為此,對該水電站開展了泄水建筑物水工模型試驗研究,以獲取振源激勵特性。

模型試驗模擬了單個消能區(qū),比尺1∶40。脈動壓力測點在主消能區(qū)的底板、導墻、隔墻處均進行了加密布置,每個結(jié)構(gòu)分塊上測點數(shù)為2～6個,具體結(jié)構(gòu)分塊與測點布置情況見文獻[10]。

首先對原型觀測工況進行了反演,主消能區(qū)典型的脈動壓力時域頻域特性如圖4所示。脈動壓力也是平穩(wěn)隨機過程,頻域能量集中在20 Hz以內(nèi),脈動壓力主頻與振動響應主頻基本一致,這進一步說明振源確為水流脈動荷載。

圖4 典型消力池脈動壓力時域及頻域特性

如何選擇并處理脈動壓力使其成為可靠的預測參數(shù)是進行場地振動預測的關鍵，該預測參數(shù)不僅需考慮脈動壓力的時域特征,還需考慮脈動能量分布。脈動能量是脈動壓力在頻域內(nèi)的表現(xiàn)形式,由圖4還可看出,由于消力池內(nèi)水流流態(tài)復雜,射流、水躍、回流、旋渦等因素使脈動壓力頻帶寬、總能量高,但對于受其激勵的場地振動響應而言,貢獻較大的是振動主頻頻段的脈動荷載,因此不宜直接采用脈動總能量作為預測參數(shù),可通過對脈動壓力進行振動主頻頻段的濾波處理,以此間接地將脈動能量及其分布特性反映至預測參數(shù)中,減弱了非主要因素產(chǎn)生的干擾,進而大大提升預測準確度。由于脈動激勵荷載作用于混凝土板塊上,故直接采用模型試驗所測點脈動壓力將帶來較大的局限性,為此,本文采用經(jīng)振動主頻頻段的濾波處理后的面脈動壓力作為預測參數(shù),綜合考慮了點脈動壓力和脈動能量分布的影響。

(1)

式中:Ak為第k個結(jié)構(gòu)分塊的總面積;m為第k個結(jié)構(gòu)分塊中脈動壓力傳感器數(shù)量;x為第k個結(jié)構(gòu)分塊中不同的脈動壓力傳感器編號;Ak-x為第k個結(jié)構(gòu)分塊中第x個脈動壓力傳感器所代表的面積。

3 “激勵-響應”預測方法

通過原型觀測和模型試驗分別獲取“響應”和“激勵”后,建立兩者的相關關系;然后在模型試驗中測量待預測工況泄水建筑物脈動壓力,計算面脈動壓力,代入“激勵-響應”相關關系式,進而得到待預測工況振動響應值。

3.1 “激勵-響應”相關關系

以振動響應較大的古河道區(qū)域為例,各結(jié)構(gòu)分塊中最大的面脈動壓力均方根值與振動速度相關關系如圖5所示。

圖5 典型的“激勵-響應”相關關系

由圖5可知,各工況下最大面脈動壓力與場地振動速度均方根之間呈良好的多次方正相關關系:

v=0.082σ3-0.035σ2+0.044σ

(2)

式中:v為最大振動速度均方根,mm/s;σ為最大面脈動壓力,kPa。

泄洪流量、運行方式等因素均可以在面脈動壓力中得到體現(xiàn),如2012年11月30日同流量不同運行方式下振幅相差較大的根本原因在于,開啟左池1號、5號中孔(開度4.5 m)時最大面脈動壓力是開啟1號、2號、4號、5號中孔(開度1.4 m)的4倍。而對于傳播距離、地質(zhì)條件等因素,則可以建立多個類似式(2)的相關關系分別進行預測。

3.2 預測效果

2013年、2014年汛期古河道區(qū)域振動響應預測值與現(xiàn)場實測值的對比如表1所示。由表1可見,在各級泄洪流量、不同運行方式下,誤差均在10%以內(nèi),預測精度較高。

表1 振動響應預測值與現(xiàn)場實測值的對比

采用模型試驗獲取脈動壓力,不可避免受比尺效應的影響。趙建鈞等[11]通過白鶴灘水電站1∶100、1∶80、1∶50、1∶35系列模型試驗表明,隨著比尺增大,脈動壓力的比尺效應逐漸減小,上述前3個比尺與1∶35比尺平均相差約10%、6%、3%。本文模型比尺1∶40,點脈動壓力按與真實值相差5%考慮,由于每個結(jié)構(gòu)分塊上測點數(shù)為2～6個,通過多點合成后,誤差也隨之坦化,表1中泄洪流量分別為2 100 m3/s、6 620 m3/s、8 200 m3/s、10 350 m3/s時,考慮比尺效應后最大振動速度均方根預測值與實測值誤差分別為7.1%、-9.0%、9.7%及6.3%,與原誤差相差不大。

4 結(jié) 論

a. 場地振動過程表現(xiàn)為連續(xù)型平穩(wěn)隨機振動并伴有沖擊特征,振動能量集中在5 Hz以內(nèi),不同工況下振動主頻在1.5～3.5 Hz,影響因素包括傳播距離、地質(zhì)條件、泄洪流量、運行方式、建筑結(jié)構(gòu)等。

b. 預測所用激勵荷載為板塊面脈動壓力,由模型試驗所測點脈動壓力經(jīng)過主頻頻段濾波、合成得到,最大面脈動壓力與場地振動響應呈良好的正相關關系。

c. 在各級泄洪流量、不同運行方式下,采用“激勵-響應”法的振動響應預測值與現(xiàn)場實測值誤差均在10%以內(nèi),預測精度較高。