金沙江溪洛渡水電站大壩深孔過流振動測試分析

歐陽金惠，時洪濤，周光平

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000；3.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

1 研究背景

近年來我國陸續(xù)建設(shè)了一批大型水利樞紐工程，這些工程在施工或運行過程中泄洪誘發(fā)的振動問題非常突出，對建筑物本身及周邊環(huán)境都造成了一定的影響[1]。高壩泄流振動問題備受關(guān)注，陸續(xù)開展了針對二灘、錦屏一級、向家壩和烏東德等高拱壩泄洪誘發(fā)振動的試驗與理論研究，但研究內(nèi)容多集中于壩體、消能設(shè)施等水工建筑，而對泄洪誘發(fā)場地周邊建筑物振動的研究較少[2-6]。

溪洛渡水電站是金沙江下游河段開發(fā)規(guī)劃的第三個梯級，其樞紐布置具有“窄河谷、高拱壩、大泄量、多機組”的特點，壩頂高程610.0 m，最大壩高285.5 m。按照“分層出流、空中碰撞、水墊塘消能”的布置形式，泄洪建筑物采用7個表孔和8個深孔組成雙層泄水孔口布置，表孔出口為大差動齒坎消能，深孔出口為挑流消能。大壩下游設(shè)置400 m長的水墊塘，在水墊塘末端設(shè)置二道壩，起壅高塘內(nèi)水位，淹沒擴散消能的作用。壩身最大總泄量為32278 m3/s，約占樞紐最大總泄量的66%[7]。

根據(jù)工程施工進度，溪洛渡水電站于2013年5月11日封閉導(dǎo)流底孔正式蓄水。為有效地減緩水庫水位上升速度，確保大壩蓄水安全，溪洛渡大壩深孔首次開啟過流。隨著過流流量的增大，大壩右岸制冰樓和拌合樓（以下簡稱冰樓）等建筑物出現(xiàn)了較強有感振動。本文為確保冰樓、壩體、水墊塘等建筑物的振動安全，保證安全施工，并為今后其他工程實踐提供參考，針對溪洛渡深孔過流引起的振動問題開展了現(xiàn)場振動測試并進行了振動幅值變化規(guī)律和頻譜特性分析[8]。

2 測試系統(tǒng)與測試工況

本次測試采用由中國水利水電科學(xué)研究院自主開發(fā)的振動測試儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由集成測試系統(tǒng)、力平衡傳感器、壓電晶體傳感器及其他相關(guān)設(shè)備組成。該系統(tǒng)設(shè)備間連接簡便，可同時接入多種多通道傳感器，其良好的擴展性及高效性，使測試效率大幅提高，同時為測試結(jié)果的準確性提供了保障。

根據(jù)溪洛渡建設(shè)部要求及工程安全需要，深孔過流振動測試以冰樓和水墊塘為主，同時對壩體其他部位開展必要測試。已開展的測試部位與深孔開啟過流工況見表1。

表1 振動測試部位與過流工況

3 測點布置與測試結(jié)果分析

3.1 冰樓各樓層測點布置與測試結(jié)果分析冰樓平面布置如圖1所示。根據(jù)溪洛渡建設(shè)部以及冰樓設(shè)計單位提出的要求，對6-6’跨柱子開展橫河向振動同步測試，其測點布置如圖2所示。

圖1 冰樓平面布置圖

圖2 冰樓同步測試測點布置

冰樓各層橫河向振動響應(yīng)測試結(jié)果如圖3—圖9所示，測試結(jié)果表明：

圖3 冰樓靠一層橫河向加速度頻譜

圖4 冰樓二層橫河向加速度頻譜

圖5 冰樓三層橫河向加速度頻譜

圖6 冰樓四層橫河向加速度頻譜

圖7 冰樓五層橫河向加速度傳遞函數(shù)

圖8 冰樓頂層橫河向加速度傳遞函數(shù)

（1）橫河向加速度：如圖9（a）所示，冰樓各層橫河向加速度幅值隨層高變化趨勢不明顯，甚至出現(xiàn)低層幅值比高層大，其原因在于冰樓地面與樓層存在多處動力設(shè)備等振源。如圖3—圖6的頻譜分析所示，一層地面的振動頻帶較寬，主頻不突出；隨著樓層的增加，高頻成分逐漸降低，低頻成分逐漸占主導(dǎo)；低頻振動的主頻為2.30 Hz。

（2）橫河向速度：如圖9（b）所示，冰樓橫河向速度隨樓層的增高而增大。但由于冰樓五層頂部與拌和樓之間存在鋼結(jié)構(gòu)連接，使得冰樓五層頂部的振動速度（7.85 mm/s）小于五層樓面（9.24 mm/s）。

（3）橫河向位移：如圖9（c）所示，冰樓橫河向位移也隨樓層的增高而增大。同樣由于冰樓與拌和樓之間的相互約束，五層頂部的位移（0.55 mm）小于五層樓面（0.64 mm）。此外，冰樓三層樓面—五層頂部的橫河向加速度對一層地面的傳遞函數(shù)表明，冰樓橫河向第一階自振頻率為2.30 Hz，與振動主頻一致，因此冰樓存在橫河向共振。

3.2 冰樓五層樓面測點布置與測試結(jié)果分析冰樓各樓層橫河向振動同步測試結(jié)果表明，五層樓面的振動響應(yīng)較其他各層大，因此對冰樓五層樓面開展普查測試。為了解冰樓橫梁兩端的橫河向振動差別，對測點M和F進行了同步測試。冰樓五層樓面各柱子根部的測點布置如圖10所示。溪洛渡右岸的冰樓和拌和樓之間架設(shè)有氨管等附屬結(jié)構(gòu)如圖11所示，為分析冰樓和拌合樓的相對振動對氨管安全運行的影響，了解冰樓與拌合樓橫河向振動差別，本次對氨管兩端支撐的振動響應(yīng)也進行了測試。

圖10 冰樓五層樓面測點布置

圖11 氨管

冰樓五層樓面各柱子的測試結(jié)果如圖12—圖16。測試結(jié)果表明：

圖12 測點M加速度頻譜（豎向）

圖13 冰樓橫河向加速度頻譜

圖14 拌和樓橫河向加速度頻譜

圖15 冰樓五層加速度（峰值）

圖16 冰樓五層位移（峰值）

（1）如圖15—圖16所示，冰樓五層樓面以橫河向振動響應(yīng)為主，冰樓橫梁兩端的橫河向振動幅值差別較小。但由于測試時M和F間的制冰機開啟，引起了頻帶較寬的豎向振動（見圖12），使得制冰機區(qū)域的豎向加速度大于其他兩個方向。冰樓橫河向的最大加速度為56.85 gal（測點M），橫河向最大速度為13.62 mm/s（測點H），橫河向最大位移為0.96 mm（測點H），三者的振動主頻均為2.30 Hz。

（2）拌和樓橫河向最大加速度為55.84 gal，橫河向最大位移為0.19 mm，氨管兩端最大相對位移為0.77 mm，說明冰樓和拌合樓的相對振動對氨管安全運行的無明顯影響。拌和樓與冰樓的橫河向加速度振動主頻不一致。冰樓的主頻為2.30 Hz，而拌和樓的加速度主頻為7.58Hz（見圖13—圖14）。

3.3 大壩527廊道與啟閉機平臺測點布置與測試結(jié)果分析為研究溪洛渡大壩深孔啟閉機平臺在首次開啟過流過程中的振動響應(yīng)，本次測試在大壩527廊道以及啟閉機平臺布置的測點如圖17所示：左岸4、5、6號壩段以及右岸27、28號壩段各1個測點；1～8深孔啟閉機平臺各1個測點。

圖17 大壩527廊道與啟閉機平臺測點

大壩527廊道與啟閉機平臺振動測試結(jié)果見圖18—圖21。測試結(jié)果表明：

圖18 大壩527廊道與啟閉機平臺加速度

圖19 大壩527廊道與啟閉機平臺位移

圖20 啟閉機平臺順河向加速度傳遞函數(shù)

圖21 大壩527廊道28#壩段順河向加速度頻譜

（1）啟閉機平臺的振動響應(yīng)相對較大，最大加速度為8.21 gal，最大位移為17 μm，振動響應(yīng)第1階卓越頻率為1.83 Hz；通過啟閉機平臺振動響應(yīng)與水墊塘振動響應(yīng)的傳遞函數(shù)分析（見圖20），傳遞函數(shù)第1階卓越頻率也是1.83 Hz，說明該頻率為大壩第1階自振頻率。

（2）大壩527廊道振動響應(yīng)相對較小，最大加速度不足0.1 gal，三個方向位移均不足1 μm。大壩527廊道內(nèi)測點位于岸坡壩段，其振動頻率頻帶較寬，優(yōu)勢頻率不明顯（見圖21）。

3.4 水墊塘測點布置與測試結(jié)果分析水墊塘等作為大壩下游河道的主要防護結(jié)構(gòu)，其在高速水流沖擊下的安全性，是實現(xiàn)消能防沖作用的關(guān)鍵，影響大壩的安全運行[9]。為間接了解溪洛渡水墊塘的脈動壓力特性，本次對溪洛渡水墊塘泄洪消能的振動響應(yīng)特性進行了詳細的振動測試。水墊塘廊道內(nèi)的測點布置如圖22所示。

圖22 水墊塘測點布置圖

水墊塘振動測試結(jié)果如圖23—圖26所示，測試結(jié)果表明：

圖23 縱3廊道豎向加速度頻譜

圖24 縱4廊道豎向加速度頻譜

圖25 二道壩廊道豎向加速度時程與位移時程

圖26 二道壩廊道豎向加速度時頻分析

（1）水墊塘底板和二道壩的豎向振動響應(yīng)要大于其余兩個方向。三個方向的加速度均較小，最大加速度為縱4測點豎向加速度，其值為7.07 gal。水墊塘底板測點的加速度均表現(xiàn)為寬頻振動，主頻不穩(wěn)定（見圖23—圖24），由此可說明水墊塘底板區(qū)域的脈動壓力的頻帶較寬，主頻不突出。

（2）首次發(fā)現(xiàn)了水墊塘二道壩廊道的振動響應(yīng)主頻隨時間變化并存在間歇性低頻振動，由此可推斷泄洪時二道壩附近存在能量較大且主頻隨時間變化的動水壓力。如圖25所示，二道壩附近的水墊塘內(nèi)存在明顯間歇性低頻振動；時頻分析（見圖26）表明，二道壩縱1廊道的振動卓越頻率呈現(xiàn)隨時間變化趨勢，當卓越頻率下降到2.0 Hz以下時，加速度雖有所降低，但位移不斷增大，最大值達到0.95 mm。該間歇性低頻振動產(chǎn)生相對較大位移可能影響二道壩結(jié)構(gòu)安全運行。因此，務(wù)必高度重視二道壩區(qū)域的間歇性低頻振動問題。

4 結(jié)論

針對溪洛渡深孔過流引起的振動問題，本文對冰樓、大壩廊道、深孔啟閉機平臺及水墊塘等部位開展了振動測試分析，得出以下主要結(jié)論：（1）對于制冰樓、拌合樓等柔性結(jié)構(gòu)，以橫河向振動響應(yīng)為主，其振幅不影響正常運行安全；（2）拱壩深孔過流時引起大壩527岸坡壩段廊道的振動響應(yīng)較低，最大加速度不足0.1 gal，三個方向位移均不足1 μm，其頻帶較寬且卓越頻率不顯著；（3）啟閉機平臺的振動響應(yīng)相對較大，且振動響應(yīng)第1階卓越頻率為1.83 Hz；通過啟閉機平臺振動響應(yīng)與水墊塘振動響應(yīng)的傳遞函數(shù)分析，傳遞函數(shù)第1階卓越頻率也是1.83 Hz，說明該頻率為大壩第1階自振頻率。（4）對于水墊塘底板和二道壩等泄洪消能結(jié)構(gòu)，以豎向振動響應(yīng)為主。最大加速度為縱4測點豎向加速度，其值為7.07 gal。水墊塘振動響應(yīng)頻帶較寬且主頻不突出；首次發(fā)現(xiàn)了水墊塘二道壩廊道的振動響應(yīng)主頻隨時間變化并存在間歇性低頻振動，由此可推斷泄洪時二道壩附近存在能量較大且主頻隨時間變化的動水壓力；該間歇性低頻振動產(chǎn)生相對較大位移可能影響二道壩結(jié)構(gòu)安全運行。為確保溪洛渡水電站大流量泄洪時大壩關(guān)鍵部位的振動安全，建議繼續(xù)對水墊塘、大壩廊道與啟閉機平臺、兩岸建筑等部位開展長期振動監(jiān)測，對水墊塘內(nèi)的間歇性低頻振動予以高度重視并進行深入分析研究。