黃金坪溢洪道泄流振動研究

曹海濤

（大唐四川發(fā)電有限公司，四川成都，610031）

1 概述

溢洪道是水利樞紐中最常見的泄水建筑物，由于溢洪道水流的強烈紊動，水流對結(jié)構(gòu)物不斷作用脈動荷載，結(jié)構(gòu)的形狀又影響水流的流態(tài)，它們之間的相互作用是動態(tài)的、耦合的[1]。水流與建筑物之間相互作用的復雜機理導致水工建筑物以及周邊環(huán)境的振動現(xiàn)象時有發(fā)生[2]。溢洪道泄流，尤其是大流量泄流時，引起的各種振動問題會逐漸顯現(xiàn)出來。溢洪道泄流引起的振動可能會影響到溢洪道自身、水庫大壩、電站廠房、岸坡及周邊建筑物等重要部位的穩(wěn)定安全。該問題已得到眾多國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。例如，鄭文新[3]利用原型觀測的方法對東風電站在不同工況下樞紐各部位的振動情況進行了觀測，并對觀測結(jié)果及對運行的影響進行了分析；徐國賓等[4]通過水彈性模型試驗，研究了糯扎渡水電站溢洪道泄槽隔墻通過寬大的F1和F3斷層時的流激動力響應，并對其安全性進行評估；代仲海[5]對面板堆石壩在脈動水流作用下隨機振動問題做了相應的研究。

一直以來，對泄洪引起的振動問題的研究范圍多局限于水工建筑物結(jié)構(gòu)本身，而對泄洪誘發(fā)建筑物周邊場地振動的研究很少。針對黃金坪水利工程，筆者分析了周圍環(huán)境隨溢洪道泄流量變化的振動情況，并根據(jù)原始試驗探尋出了較為合理的溢洪道泄流方案。

2 工程概況

黃金坪水電站處于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級”的第11級電站，上接長河壩電站，下游為瀘定電站。電站是以發(fā)電為主的大（Ⅱ）型工程。電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發(fā)，電站總裝機容量850 MW。樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條3孔岸邊溢洪道、1條泄洪（放空）洞、左岸大廠房和右岸小廠房引水發(fā)電建筑物等組成。2015年5月下閘蓄水近3個月以來，先后啟用左岸泄洪（放空）洞、溢洪道進行單獨或聯(lián)合控泄，期間上下游水頭一般在40～60 m、泄流量一般在1 000～2 000 m3/s，最大泄流量約4 500 m3/s，泄洪出池水流歸河總體平順、河岸沖刷不明顯，但位于泄洪出口下游700～1 500 m的右岸浸水村（原黃金坪村）陸續(xù)有居民反映房屋門窗振動影響現(xiàn)象，村民對此反響較大。黃金坪水利工程樞紐平面圖如圖1所示。

圖1 黃金坪水利工程樞紐平面圖Fig.1 Layout of Huangjinping water conservancy project

3 原型試驗

通過試驗研究可制定減振措施，優(yōu)化泄洪調(diào)度方案，減小泄洪振動對水工建筑物、村民房屋安全的影響，消除政府、村民疑慮。為摸索壩身泄洪與周圍環(huán)境的振動關(guān)系，尋找對周邊村子振動影響較小的閘門開啟組合，開展原型試驗進行研究十分必要。為此，選取部分測點進行泄流振動分析，其測點布置如圖2所示。

圖2 振動測點布置圖Fig.2 Layout of vibration measuring points

3.1 振動影響因素分析

為了直觀了解汛期不同泄流量對周邊振動的影響，對汛期各測點歷史趨勢進行統(tǒng)計分析。為了對比分析汛期與無流量時的振動加速度歷史趨勢，選取2017年5月1～30日期間無流量的數(shù)據(jù)作為與6月1日～9月30日汛期趨勢對比數(shù)據(jù)。選取與溢洪道距離逐漸增大的嚴小林、村委會和鄭紅3個測點的振動加速度數(shù)據(jù)進行觀察，如圖3～5所示。

圖3 嚴小林測點振動加速度Fig.3 Vibration acceleration of measuring point at Yanxiaolin

圖4 村委會測點振動加速度Fig.4 Vibration acceleration of measuring point at village committee

圖5 鄭紅測點振動加速度Fig.5 Vibration acceleration of measuring point at Zhenghong

選取振動加速度最大值作為分析參數(shù)，是因為在評價人體對振動的感知時，通常都是采用加速度最大值進行評價。在振動加速度最大值小于0.8 cm/ss（gal）時，人體無感覺；加速度最大值在0.8～2.5 cm/ss（gal）時，靜止的人或?qū)φ駝犹貏e敏感的人能感到振動；加速度最大值大于2.5 cm/ss（gal）時，人能感到明顯振動。現(xiàn)場測得的各測點振動加速度最大值均小于0.8 gal，人體無感覺。

泄流量分別為 4000m3/s、3000m3/s、2000m3/s、1 000 m3/s和0 m3/s時，對尹霞、嚴小林、徐夢蓮、張明秀、村委會、陳永章、高樹全、鄭紅和項目部9個測點振動加速度數(shù)據(jù)進行定量統(tǒng)計分析。為盡可能減小人為活動的影響，選取不同流量下各測點在2017年3月15日、6月16日、6月21日、9月2日及9月8日凌晨1點的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)。為分析泄流對各測點的影響，計算得到各測點振動加速度均方差值，如圖6和圖7所示。

圖6 隨流量變化各測點振動加速度均方差變化趨勢圖Fig.6 Variation trend of mean square deviation of vibration acceleration at each measuring point with flow rate

圖7 相同流量下各測點振動加速度均方差對比圖Fig.7 Comparison of mean square deviation of vibration acceleration at each measuring point under same flow rate

由圖6和圖7可知，除距離壩體較遠的項目部測點外，呈現(xiàn)的基本規(guī)律為各測點振動加速度隨著流量的增大而增大，且流量變化對距離壩體較近的尹霞、嚴小林、徐夢蓮、張明秀測點影響更大。項目部測點偶有較大振動，可能由于人為因素引起。

3.2 泄洪方案研究

不同的泄洪調(diào)度方式對于振動的影響情況并不一致，可通過原型調(diào)度試驗得到減振效果相對較好的閘門調(diào)度方式。

選取實際泄流時較為常見的泄流量為2 000 m3/s時的工況，制定3種不同的泄洪調(diào)度方案，分析該工況下各測點的振動影響，其中：

方案1：1號、3號閘門均開，流量均為1 000 m3/s；

方案2：1號、3號閘門流量均為800 m3/s，2號閘門流量400 m3/s；

方案3：3個閘門均開，1～3號閘門流量均為666 m3/s。

統(tǒng)計結(jié)果見表1和圖8，由此可知，調(diào)度方案3要優(yōu)于調(diào)度方案2和調(diào)度方案1；表明，閘門三孔同時開啟到同一高度時減振效果相對較好。

表1 流量2 000 m3/s不同泄洪調(diào)度方式振動速度均方差統(tǒng)計表Table 1 Statistic of mean square deviation of vibration velocity for each discharge scheme(discharge of 2 000 m3/s)

4 樓房動力學試驗

筆者對浸水村樓房模態(tài)動力學特性進行試驗研究，選取距離壩體較遠的樓層最高的紅云山莊、村中央較堅固的1號二層樓房和距離壩體最近的2號二層樓房進行模態(tài)試驗研究。通過3棟典型樓房的模態(tài)試驗分析，獲取此3棟樓房的動力學模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼比和振型），為評價樓房的自振特性及泄洪振動對樓房的影響提供試驗依據(jù)。

圖8 不同調(diào)度方案各測點振動速度均方差（流量2 000 m3/s）Fig.8 Comparison of mean square deviation of vibration velocity for each discharge scheme(discharge of 2 000 m3/s)

樓房結(jié)構(gòu)由于受外界自然風、地脈動等環(huán)境的影響，處于微小而不規(guī)則的振動之中。利用高靈敏測振傳感器測量并記錄結(jié)構(gòu)在環(huán)境隨機激勵下的脈動信號。由于脈動信號包含的頻率成份相當豐富，同時為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)隨機過程，通過對脈動信號進行快速傅里葉轉(zhuǎn)換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）分析，可直接得到自振頻率f。按照結(jié)構(gòu)動力學原理，可采用半功率點法由共振曲線確定結(jié)構(gòu)阻尼比ξ。通過在振型節(jié)點外的水平或豎向方向布置一定數(shù)量的拾振點，同時測量各拾振點的脈動信號，應用模態(tài)分析法識別對應頻率的振型。

采用基于多輸入多輸出的環(huán)境激勵運行模態(tài)識別（Operational Modal Analysis，OMA）試驗方法進行模態(tài)測試，通過布置于樓層的低頻振動傳感器對樓層東西水平方向和南北水平方向的振動信號進行拾??；后續(xù)通過OMA模態(tài)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，得到其模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、阻尼比和振型）。

每一層的測點布置如圖9所示，需布置南北水平和東西水平方向各兩個測點。對于二層小樓，測試頂層即可；對于樓層較高的，可根據(jù)試驗條件選擇一層或其中某幾層。參考點位置選擇在頂層。

圖9 樓層截面測點布置示意圖Fig.9 Layout of measuring points for each floor

本次模態(tài)試驗測試采用的主要儀器及軟件如表2所示。

采用ERA特征實現(xiàn)算法[6]和增強型頻域分解法（Enhanced Frequency Domain Decomposition，EFDD）等模態(tài)分析方法對此3棟樓房進行分析，其模態(tài)參數(shù)如表3所示。

圖10和圖11分別是浸水村中央村中間較堅固的1號樓房二層的第1階和第2階振型。

測試中選取的1號樓房基本為浸水村中最為堅固的樓房之一。因此，可以初步得出：浸水村樓房第1階自振頻率基本在9.002 Hz以下。而壩體泄洪各測點振動頻率均集中在低頻部分，有可能會引起共振現(xiàn)象，兩者之間的關(guān)系還需進一步研究。

5 結(jié)語

水利樞紐泄流引起周圍環(huán)境振動是普遍存在的現(xiàn)象，該問題可能會引起水工建筑物及周圍其他建筑物的損傷，存在一定的安全隱患。筆者就黃金坪水利工程溢洪道泄洪時引起周圍環(huán)境振動的問題，分析了溢洪道下游不同位置隨溢洪道泄流的振動情況，并根據(jù)原始試驗對比研究了溢洪道泄流方案，主要結(jié)論如下：

表2 測試使用的主要儀器和軟件統(tǒng)計表Table 2 Main instruments and softwares for modal test

表3 模態(tài)試驗結(jié)果列表Table 3 Modal test results

圖10 1號樓房二層第一階振型（沿東西方向一階彎曲）Fig.10 First model shape of second floor of building No.1(east-west direction)

圖11 1號樓房二層第二階振型（沿南北方向一階彎曲）Fig.11 Second model shape of second floor of building No.1(north-south direction)

（1）距離泄流振源較近的位置受泄流激勵振動的影響較大。

（2）泄流量越大，相同位置受到泄流激勵振動的影響越大。

（3）黃金坪水利工程三孔溢洪道同時同開度開啟時，周圍環(huán)境受到的泄流激勵振動影響最小。

（4）浸水村樓房第一階自振頻率基本在9.002 Hz以下，而壩體泄洪各測點振動頻率均集中在低頻部分，有可能會引起共振現(xiàn)象，兩者之間的關(guān)系還需進一步研究。