溪洛渡高拱壩泄洪振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應用

凌 騏，毛延翩，馬文鋒，劉頂明，胡 波

［1.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇省南京市 211106；2.溪洛渡水力發(fā)電廠，云南省永善縣 657300］

0 引言

混凝土拱壩是一種既安全又經(jīng)濟的壩型，由于其泄洪方便，抗震性能好等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了廣泛應用。隨著壩工建設(shè)水平和技術(shù)的不斷發(fā)展，拱壩的高度在不斷地增加，目前我國已建成投產(chǎn)了多座300m級的高拱壩。國內(nèi)外對于流激振動引起的事故屢有報道，水工結(jié)構(gòu)在脈動水流荷載作用下的振動問題逐漸引起人們的重視。由于高拱壩水電樞紐工程的泄水建筑物往往具有高水頭、大流量、超高流速等特點，且壩體結(jié)構(gòu)趨于輕型化，因此泄洪時水流誘發(fā)的壩體振動問題愈發(fā)突出，嚴重時會影響樞紐安全運行甚至結(jié)構(gòu)破壞。由于泄洪運用不當造成結(jié)構(gòu)物損壞的情況時有發(fā)生，如二灘水電站1號泄洪洞的大規(guī)模破壞[1]、五強溪水電站溢流壩消力池底板的沖毀破壞[2]等。

國外學者在20世紀30年代已開始工程振動監(jiān)測技術(shù)方面的研究，但最初是應用在橋梁、高樓等建筑結(jié)構(gòu)上。1964年，G.R.Darbe等人[3]對250m高的Mauvoisin拱壩進行了振動監(jiān)測試驗，研究了水位對大壩自振頻率的影響；1980年，F(xiàn)lesch等人[4]對澳大利亞Kolnbrein拱壩進行了原型振動監(jiān)測試驗。國內(nèi)專家和學者對大壩的原型振動監(jiān)測也進行了長期探索研究，并取得了有益的成果。1981年，羅學海[5]和徐道遠等[6]分別對恒山拱壩和豐樂拱壩的自振特性進行了監(jiān)測分析；1986年，張光斗院士等[7]分析了泉水拱壩在人工激振、泄洪振動和天然脈動等情況下的自振頻率；2007年，寇立夯等[8]對國內(nèi)外40座拱壩原型振動試驗結(jié)果進行了綜合分析，認為壩高與壩體固有頻率存在密切相關(guān)。從國內(nèi)外近幾十年的工程實踐成果看，利用現(xiàn)場原型振動監(jiān)測技術(shù)對大壩結(jié)構(gòu)進行動力學特性測試以掌握其運行參數(shù)是可行的。

常規(guī)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)由于采樣頻次稀疏，且所測物理量有限，難以捕捉壩體在振動工況下的動力學相關(guān)特征參數(shù)。因此需對泄洪工況下的高拱壩進行動態(tài)監(jiān)測，并結(jié)合大壩靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，更加準確地對不同工況下結(jié)構(gòu)的動力響應進行分析和評估，為科學合理地進行大壩泄洪調(diào)度提供參考。由于國外已建成高拱壩的泄量和泄洪功率都不大，因而缺乏成熟的高拱壩大流量泄洪的運行經(jīng)驗。我國雖然在近年來對不同高拱壩的泄洪振動問題開展了相關(guān)的理論分析、試驗研究以及部分原型觀測，但由于各高拱壩的運行環(huán)境和條件均不同，只能得到部分相關(guān)的初步定性分析和監(jiān)測結(jié)果。而縮尺模型試驗在模型與原型的可比性、“尺寸效應”等方面存在困擾[9]；數(shù)值仿真由于計算參數(shù)很難準確獲取、不連續(xù)面力學特性難于描述、計算邊界條件很難與實際情況相符等因素導致計算結(jié)果的準確度和可信度也存在局限。在此背景下，研究設(shè)計適用于泄洪工況下的高拱壩振動監(jiān)測系統(tǒng)已是必然要求。

為了掌握高拱壩壩身泄洪時壩身的振動特性、壩體不同部位加速度、振幅等情況，本文結(jié)合溪洛渡雙曲拱壩的運行工況特點，研究設(shè)計了泄洪振動在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測大壩泄洪期間的關(guān)鍵效應量數(shù)據(jù)，分析壩體動力特性參數(shù)和工作性態(tài)，以此確定受泄洪振動影響顯著的部位，為評價泄洪振動對水工建筑物的影響程度提供技術(shù)支撐。

1 監(jiān)測布置

溪洛渡水電站樞紐是由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。溪洛渡大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610.0m，最大壩高285.5m。壩身泄洪建筑物包括7個泄洪表孔和8個泄洪深孔，采用表孔下跌式、深孔上翹式布置，采用分層出流、空中碰撞、水墊塘消能的方式，兩股水舌在空中碰撞后跌入水墊塘內(nèi)紊動消能。在大壩下游設(shè)置水墊塘和二道壩，二道壩布置于水墊塘末端，起壅高塘內(nèi)水位的作用。溪洛渡水電站具有“窄河谷、高拱壩、巨泄量”的特點[10]，大壩壩身孔口泄洪振動可能對大壩、水墊塘的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，一方面壩體混凝土的抗拉強度低，另一方面大壩在泄洪振動的長期作用下，局部可能發(fā)生疲勞損傷。

為掌握高拱壩泄洪振動的結(jié)構(gòu)動力響應特性，考慮對壩體的加速度、速度以及接縫動位移等參數(shù)進行實時監(jiān)測。由于泄洪誘發(fā)的壩體振動屬于低頻、隨機、微幅振動，故需要傳感器具有很好的低頻響應能力。因此監(jiān)測方法采用速度型三向低頻振動傳感器對壩體及壩肩抗力體進行振動實時監(jiān)測，獲取振動加速度、速度、振幅及振動頻率等；采用接縫動位移傳感器在不同泄洪工況下壩體橫縫的開合情況，分析評價壩體橫縫開合受泄洪的影響程度。

振動測點選取大壩典型斷面10號壩段、15號壩段、22號壩段不同高程以及壩頂兩岸平洞，共布置12個三分量振動監(jiān)測點和4個橫縫動位移測點（見圖1）。另外選取近壩肩的抗力體平洞布設(shè)典型斷面（距壩軸線約143m），沿不同高程在左右岸抗力體平洞內(nèi)各布置3個三分量振動監(jiān)測點。

圖1 溪洛渡大壩泄洪振動監(jiān)測布置圖Figure 1 Xiluodu dam flood discharge vibration monitoring arrangement chart

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于溪洛渡大壩泄洪振動監(jiān)測點位置相對分散，為減少傳感信號長距離傳輸而引入的干擾，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采取分布式布置，在壩頂、527廊道、470廊道及395廊道等高程部位分別設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置，實現(xiàn)傳感器信號就近接入采集，如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集通信

由于本系統(tǒng)的監(jiān)測傳感器類型不同、采樣頻次高、數(shù)據(jù)量大，且需要實現(xiàn)各傳感器同步采集，并具有一致的時標，因此對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬及實時性都有較高的要求。為保證可靠性，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信采用基于TCP/IP通信協(xié)議的星形光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行搭建。根據(jù)測站位置的分布，新鋪設(shè)光纖或利用已有的光纖建立各個站點的通信線路，在數(shù)據(jù)采集管理站及每個采集裝置節(jié)點處分別設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機，提供RJ45以太網(wǎng)接入接口。數(shù)據(jù)采集裝置本身自帶有LAN口，可以直接接入交換機；管理站的采集服務器亦通過LAN口接入網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集裝置的高速通信。

2.3 系統(tǒng)供電

2.3.1 采集管理站

采集管理站的用電設(shè)備主要為數(shù)據(jù)服務器及網(wǎng)絡(luò)交換機，系統(tǒng)運行時要求不間斷供電。采集站所處的控制室內(nèi)市電供給較為可靠，可直接引接，同時配置一臺UPS電源，以避免意外斷電。

圖2 溪洛渡大壩泄洪振動監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 Xiluodu dam flood discharge vibration monitoring system framework

2.3.2 現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集站

現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集站的用電設(shè)備主要為數(shù)據(jù)采集裝置及網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備，系統(tǒng)運行時候要求不間斷供電。由于大壩及廊道等部位的市電供給均較為可靠，因此系統(tǒng)各監(jiān)測站不考慮再設(shè)置獨立的電源系統(tǒng)，就近接入現(xiàn)地照明或檢修供電系統(tǒng)，必要時牽引部分電纜。

為保證系統(tǒng)的連續(xù)不間斷運行，防止偶爾跳閘引起的網(wǎng)絡(luò)中斷及數(shù)據(jù)丟失，在每個現(xiàn)地測站均配置免維護電池作為備用電源，并采用充電器進行浮充，以便在臨時停電時為數(shù)據(jù)采集裝置及通信設(shè)備供電。

3 監(jiān)測成果

3.1 典型泄洪情況

根據(jù)調(diào)度安排及現(xiàn)場實際水文情況，溪洛渡大壩于9月23日10：29開始當年首次泄洪，泄洪前上游水位590.3m，下游水位382.8m。截至10月7日24時，期間經(jīng)歷兩次泄洪過程，主要運用3號和6號深孔泄洪。第一次泄洪為9月23日10：29至10月3日11：53，首先開啟3號深孔進行泄洪，9月27日16：35增加開啟6號深孔，兩孔于10月2日和3日先后關(guān)閉。第二次泄洪發(fā)生在10月4日17：32至10月7日22：15，期間僅開啟3號深孔。泄洪結(jié)束后上游水位為599.3m，下游水位為382.5m。相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷時過程見表1和圖3。

表1 溪洛渡大壩泄洪深孔啟閉情況統(tǒng)計 （截至2019年10月7日）Table 1 Statistics of opening and closing of flood discharge deep hole in Xiluodu dam （By Oct.7，2019）

圖3 溪洛渡大壩泄洪期間庫水位過程線Figure 3 Xiluodu reservoir water level court line in flood discharge

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 壩體橫縫動位移

選擇9月24～25日典型時段的15號壩段接縫位移監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析樣本，工況條件為上游水位590.3m，單開3號深孔泄洪。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，15號壩段各典型高程接縫在本工況泄洪期間的開合度變化量級極小，最大值為0.796μm，最大變幅為0.699μm，出現(xiàn)在527.25m高程。從各測點變化時程上看（如圖4所示），接縫在泄洪過程均處于窄幅快速波動中，總體未見明顯突變或異常趨勢性變化，接縫基本處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。從位移分布規(guī)律上看，低高程的壩段接縫變化幅度最小，在2/3壩高處的接縫位移變化相對劇烈，約為低高程位移量的3倍，此現(xiàn)象與泄洪深孔的位置及拱冠梁壩段的約束條件有關(guān)，總體符合規(guī)律。

3.2.2 壩體振動速度及動位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明（見表2），不同水位下609m高程徑向振動能量10號壩段徑向＞22壩段徑向＞15壩段。3號和6號深孔同時開啟時振動速度均值大于單獨開啟3號深孔（上游水位590m）時，泄洪時振動速度均值是未泄洪時的5～20倍，振動位移為1 ～9μm之間。

圖4 15號壩段527m高程接縫位移時程圖Figure 4 Joint displacement court line at EL.527m of 15# dam section

表2 壩頂高程測點動力響應參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Measure point dynamic response value statistics at dam crest

如圖5和圖6所示，上游水位590m泄洪期間，在3號深孔單開、3號與6號深孔同時開啟情況下，609高程各測點壩段振動均較明顯，雙曲拱壩的徑向與切向主頻約為1.56Hz，豎向的振動能量集中在16.74Hz。在上游水位599m單開3號深孔情況下，壩體自振頻率為1.53Hz，振動能量主頻值為15.45Hz。壩頂10號、15號、22號各個壩段振動均較明顯，且大于水位590m時振動，說明壩體泄洪振動大小與庫水位有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）針對泄洪工況下的高拱壩低頻、隨機、微幅振動參數(shù)監(jiān)測，要求傳感器具有很好的低頻響應能力。通過在重點壩段的典型高程分別布設(shè)速度型三向低頻振動傳感器和動位移計，能夠?qū)崿F(xiàn)對壩體及壩肩抗力體的振動實時監(jiān)測，獲取振動加速度、速度、振幅及振動頻率及壩體接縫開合等重要效應量。

（2）對于高拱壩振動監(jiān)測采用分布式自動化監(jiān)測系統(tǒng)，具有采樣頻次高、處理數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)同步性好等特點，能夠適用于泄洪工況下的結(jié)構(gòu)振動實時監(jiān)測，并且可與常規(guī)大壩監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)動，便于進行大壩安全性態(tài)綜合評估。

（3）監(jiān)測成果表明溪洛渡高拱壩泄洪時壩體接縫開合度變化量極小，且無明顯異常趨勢。大壩自振頻率屬于低頻振動，其振動能量與庫水位有明顯相關(guān)，后期可針對不同泄洪工況開展進一步的大壩振動響應敏感性分析。

圖5 3號與6號深孔同時開啟時10號壩段壩頂徑向時程圖與自功率譜（庫水位590m）Figure 5 Radial time history and self power spectrum at 10# dam crest during 3# & 6# deep hole opening（Water level is 590m.）

圖6 3號與6號深孔同時開啟時15號壩段壩頂切向時程圖與自功率譜（庫水位590m）Figure 6 Radial time history and self power spectrum at 15# dam crest during 3# & 6# deep hole opening （Water level is 590m.）