拉西瓦拱壩環(huán)境振動(dòng)測(cè)試與分析

武志剛，向致謙，李 帥，羅廣衡，王進(jìn)廷

(1.國(guó)家電投集團(tuán)青海黃河電力技術(shù)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810016；2.清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084)

0 引 言

高壩大庫(kù)兼具防洪、發(fā)電、灌溉、引水、航運(yùn)等多重功能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。大壩一旦發(fā)生潰決破壞，可能造成災(zāi)難性的后果。隨著結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)行大壩的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試和評(píng)估大壩的健康狀態(tài)，已經(jīng)成為保障大壩的安全運(yùn)行的重要手段。

從20世紀(jì)80年代開始，高壩環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)逐漸發(fā)展。1986年，張光斗等[1]通過(guò)人工激振、泄流激振、環(huán)境激振等3種激振方式在泉水拱壩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1998年，朱葳等[2]在新豐江大壩上開展了環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，安全評(píng)估了壩體狀態(tài)。2002年，Darbre等[3]展了250 m高的Mauvoison拱壩連續(xù)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)。2002年，張翠然等[4]采用爆破、人工激振和環(huán)境激勵(lì)等3種方法，對(duì)佛子嶺拱壩的壩頂和11支墩進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn)。2012年，Sevim等[5]采用環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)方法，研究了水位對(duì)拱壩模型動(dòng)力特性的影響，并用環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)標(biāo)定有限元模型。對(duì)于200 m級(jí)以上的高壩來(lái)說(shuō)，人工激振引起的響應(yīng)有限，且成本高昂。環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)以風(fēng)、水、人、車、發(fā)電機(jī)組等環(huán)境動(dòng)力荷載為激勵(lì)荷載，研究高拱壩系統(tǒng)的振動(dòng)特性。環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)可以真實(shí)地反映高拱壩的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)大壩健康的目的。

本文主要以壩體環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的時(shí)間序列幅值為研究對(duì)象，分析拱壩壩頂?shù)恼鎸?shí)振動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空對(duì)比分析，揭示了壩體環(huán)境振動(dòng)的時(shí)空分布規(guī)律。

圖2 2019年7月16日至7月17日測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程

1 拉西瓦拱壩環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

拉西瓦拱壩最大壩高250 m，壩頂高程2 460.0 m，壩頂厚度10 m。本次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)均布置在壩頂靠近下游面的一側(cè)。

2019年7月至8月，筆者在拉西瓦拱壩壩頂進(jìn)行了泄洪期間的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)(中途由于閘門檢修，拱壩有短暫的非泄洪狀態(tài))。試驗(yàn)儀器為941B型超低頻測(cè)振儀，所有測(cè)振儀均為順河向(徑向)布置。儀器采集的數(shù)據(jù)為壩頂順河向振動(dòng)速度，采樣頻率均為102.4 Hz，每次試驗(yàn)時(shí)間為10～25 h。儀器拾得測(cè)點(diǎn)的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)速度信號(hào)，由多通道數(shù)據(jù)采集儀匯總采集并且記錄在采集儀內(nèi)存卡中。每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，用USB線連通數(shù)據(jù)采集儀和筆記本電腦，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入電腦。儀器之間通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的同步采集?？紤]到地震儀的水平分量受風(fēng)速變化的影響[6]，試驗(yàn)中已用橡皮泥等加固儀器，使之與壩頂表面緊密接觸。在泄洪期間，因?yàn)閴雾斢写罅康乃F，還需對(duì)儀器設(shè)備用保護(hù)薄膜進(jìn)行防水處理。

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)空間分布的原則是盡可能多獲得壩頂振動(dòng)特性。受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(速度傳感器，采集儀等)的成本和可訪問(wèn)性限制，本次試驗(yàn)共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，從壩頂左岸到右岸依次編號(hào)，如圖1所示。由于采集儀通道數(shù)的限制，試驗(yàn)采用分組的辦法，每個(gè)采集儀和與之所連的測(cè)振儀為一組。一部分試驗(yàn)使用3個(gè)采集儀，將14個(gè)測(cè)點(diǎn)分為3組，1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)為a組，5～9號(hào)測(cè)點(diǎn)為b組，10～14號(hào)測(cè)點(diǎn)為c組，記這部分試驗(yàn)為A類試驗(yàn)；另一部分試驗(yàn)使用2個(gè)采集儀，將14個(gè)測(cè)點(diǎn)分為2組，1～7號(hào)測(cè)點(diǎn)為a組，8～14號(hào)測(cè)點(diǎn)為b組，記這部分試驗(yàn)為B類試驗(yàn)。

圖1 壩頂測(cè)點(diǎn)空間分布(垂直壩頂曲線向上為順河向)

2 壩頂振動(dòng)幅值空間變化

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，偶爾有車輛和工作人員經(jīng)過(guò)壩頂表面，故消去了數(shù)據(jù)中明顯異常的波動(dòng)段，且去掉了數(shù)據(jù)中的漂移趨勢(shì)項(xiàng)。圖2和圖3分別給出了從2019年7月16日19∶00至7月17日08∶00進(jìn)行的A類試驗(yàn)振動(dòng)時(shí)程和振動(dòng)最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。兩圖均按照測(cè)點(diǎn)的對(duì)稱分布規(guī)律排序，以便對(duì)照。從圖2和圖3可以明顯看出，振動(dòng)速度的最大值從壩頂中點(diǎn)向兩端壩肩先增大后逐漸減小，且壩頂中心的振動(dòng)速度最大值明顯大于兩端壩肩。

圖3 2019年7月16日至7月17日測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大值時(shí)空分布

圖4 2019年7月26日至7月27日測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大值時(shí)空分布

3 壩頂振動(dòng)幅值時(shí)間變化

圖4給出了從2019年7月26日10∶00至7月27日09∶00進(jìn)行的B類試驗(yàn)振動(dòng)最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)09∶30不表示實(shí)際時(shí)刻，而代指09∶00～10∶00這1 h內(nèi)振動(dòng)最大值出現(xiàn)的時(shí)刻。從測(cè)點(diǎn)3至測(cè)點(diǎn)12，振動(dòng)最大值統(tǒng)計(jì)圖的變化趨勢(shì)基本一致。此外，圖4還顯示一天24 h的振動(dòng)速度最大值基本出現(xiàn)在14∶00～19∶00之間。14∶00～19∶00的溫度是一天內(nèi)相對(duì)較高的時(shí)間段，故推測(cè)一天內(nèi)壩頂振動(dòng)幅值的波動(dòng)可能受環(huán)境溫度和水電站機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷等因素的影響。

統(tǒng)計(jì)所有環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)速度出現(xiàn)最大值的時(shí)刻，然后按照測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行散點(diǎn)圖繪制，見圖5。從圖5可以看到，兩端壩肩測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻分布沒有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。而測(cè)點(diǎn)越靠近壩頂中心，振動(dòng)最大值的出現(xiàn)時(shí)刻越集中；尤其是測(cè)點(diǎn)3至測(cè)點(diǎn)11，振動(dòng)最大值出現(xiàn)時(shí)刻明顯集中在12∶00～20∶00時(shí)間段。下午和傍晚的溫度一般高于其他時(shí)間，所以振動(dòng)最大值出現(xiàn)的時(shí)刻可能與外界溫度和機(jī)組運(yùn)行有關(guān)，需做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

圖5 環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)最大值的時(shí)刻散點(diǎn)圖

圖6 泄洪狀態(tài)和非泄洪狀態(tài)壩頂測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值對(duì)比

4 拱壩壩頂泄洪狀態(tài)與非泄洪狀態(tài)對(duì)比

在環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)期間，拱壩絕大部分時(shí)間處于泄洪狀態(tài)。期間由于閘門檢修存在非泄洪狀態(tài)。選取7月19日19∶00至7月20日08∶00的時(shí)間段數(shù)據(jù)，拱壩在這段時(shí)間里處于非泄洪狀態(tài)；選取7月26日19∶00至7月27日08∶00的時(shí)間段數(shù)據(jù)作為參照，拱壩在此期間處于泄洪狀態(tài)。從圖6可以看出，泄洪狀態(tài)壩體的振幅顯著大于非泄洪狀態(tài)。非泄洪狀態(tài)下，壩頂振動(dòng)幅值均在0.04～0.10 m/s內(nèi)，最大值為0.091 m/s；泄洪狀態(tài)下，壩頂振動(dòng)幅值均在0.15～0.40 m/s內(nèi)，最大值為0.353 m/s。7月至8月的所有環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)中，非泄洪狀態(tài)的壩頂振動(dòng)幅值最大值為0.1 m/s，泄洪狀態(tài)的壩頂振動(dòng)幅值最大值為1.2 m/s。

5 結(jié) 論

拉西瓦拱壩壩頂?shù)沫h(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)表明，壩頂振動(dòng)幅值在時(shí)空兩個(gè)維度有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。根據(jù)壩體振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論：

(1)從空間分布來(lái)看，振動(dòng)速度的最大值從壩頂中心向兩端壩肩先增大后減小。

(2)從時(shí)間分布來(lái)看，下午和傍晚時(shí)振動(dòng)容易達(dá)到幅值。

(3)試驗(yàn)開展期間，拱壩處于泄洪狀態(tài)時(shí)，壩頂?shù)恼駝?dòng)速度最大值為1.2 m/s；處于非泄洪狀態(tài)時(shí)為0.1 m/s。泄洪狀態(tài)時(shí)振動(dòng)幅值明顯比非泄洪狀態(tài)時(shí)大。

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)需要綜合使用傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等儀器設(shè)備。這些設(shè)備組成了一套系統(tǒng)性很強(qiáng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。筆者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)、天氣、人、車等外界因素容易影響儀器對(duì)振動(dòng)特征的捕捉，壩體的振動(dòng)又隨著環(huán)境激勵(lì)因素而變化。因此，對(duì)振動(dòng)的時(shí)域幅值進(jìn)行詳細(xì)地分析，不僅可以揭示壩體的振動(dòng)特性，而且為進(jìn)一步開展模態(tài)分析奠定了基礎(chǔ)。