尚銀磊，李德玉，歐陽金惠

（中國水利水電科學研究院 工程抗震研究中心，北京 100048）

大型水電站廠房振動問題研究綜述

尚銀磊，李德玉，歐陽金惠

（中國水利水電科學研究院 工程抗震研究中心，北京 100048）

隨著水電站水輪機組單機出力和尺寸日益增大，特別是抽水蓄能電站的運行水頭和轉(zhuǎn)速不斷提高，機組的水力穩(wěn)定性與廠房結(jié)構(gòu)振動等問題日益突出。本文從廠房結(jié)構(gòu)振源、廠房結(jié)構(gòu)自振特性和廠房結(jié)構(gòu)動力響應分析三方面總結(jié)了大型水電站廠房振動相關(guān)的研究和應用成果。結(jié)果表明，建立全耦合整體仿真模型對于推動大型水電站廠房振動問題研究的發(fā)展具有積極意義。同時，對有待于進一步研究的問題提出了展望。

自振特性；流固耦合；廠房結(jié)構(gòu)；壓力脈動；影響因素

1 研究背景

振動不僅會消耗一部分功率使機組的效率降低，縮短檢修周期和使用壽命，甚至會引起整個廠房結(jié)構(gòu)和引水管道的振動而被迫停機［1］。尤其隨著水輪機組單機出力和蝸殼尺寸的不斷增大，機組和廠房結(jié)構(gòu)的剛度相對降低，水輪機在某些運行工況下普遍出現(xiàn)了振動不穩(wěn)定現(xiàn)象，進而加劇了廠房結(jié)構(gòu)的振動。特別是對于抽水蓄能電站，由于其具有高轉(zhuǎn)速、大容量、高水頭、抽水和發(fā)電雙工況頻繁變換等特點，機組和廠房振動問題較常規(guī)電站更為突出［2］。已有研究表明［3-6］，水電站機組和廠房結(jié)構(gòu)的振動機理十分復雜，既有機組和廠房結(jié)構(gòu)的相互影響，也有流體和固體結(jié)構(gòu)之間的耦合振動。徐偉等［7］從結(jié)構(gòu)振動能量傳導的角度，闡述了傳導路徑對結(jié)構(gòu)動力響應的貢獻度；歐陽金惠等［8］利用模型試驗的實測值并經(jīng)相似轉(zhuǎn)換后構(gòu)造流道脈動壓力場，分析整體廠房結(jié)構(gòu)的動力響應特征；陳婧等［9］綜合考慮機組動荷載和水力荷載，研究廠房結(jié)構(gòu)的振動特性。學者們基于不同的方法從不同的角度對水電站機組和廠房結(jié)構(gòu)的振動問題進行研究，取得了很多共識性的成果，但是也存在一些分歧，比如壓力脈動區(qū)水力振動問題發(fā)生機理和振動特性，包括其相位分布和傳遞規(guī)律等。本文系統(tǒng)總結(jié)大型水電站廠房振動相關(guān)的研究成果，并在此基礎(chǔ)之上對有待進一步深入研究的問題提出展望。

2 廠房振動的振源分析

廠房振動是一個多振源相互影響、聯(lián)合作用、共同激發(fā)的綜合響應，一般認為，引起機組和廠房結(jié)構(gòu)振動的振源主要分為水力、機械和電磁3個方面［10］。機械振動主要是由于水輪機組和發(fā)電機組結(jié)構(gòu)不合理或者制造安裝質(zhì)量控制較差引起的，其振動頻率一般表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻倍數(shù)。電磁振動是由于水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙不對稱所產(chǎn)生的不均衡電磁力造成的，一般分為轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動。隨著水電站機組制作安裝工藝的日益完善和科技認知的進步，機械、電磁振動的機理和傳遞路徑現(xiàn)已基本清楚，兩者引發(fā)的廠房振動很大程度上已經(jīng)得到解決。大量研究表明［11-12］，水力振源是引起水輪發(fā)電機組和廠房振動的主要振源，這是由水輪機過流部件單一，對偏離最優(yōu)設(shè)計工況的流量和水頭的變化適應范圍相對較窄的固有特點所決定的［13］。文獻［14］進一步研究表明，水力振源中渦帶頻率成分引起的振動能量占振動總能量的40%-70%。

由于水輪機流道邊界的復雜性，水流在流經(jīng)流道的過程中，形成了夾有渦帶的復雜湍流。長期以來，國內(nèi)外學者在湍流方面做了許多研究工作，雖然在湍流理論和計算方法方面取得了許多成果，但對于水輪機組流道中這種夾有渦帶的湍流，其三維數(shù)值模擬仍處在探索階段［15-19］。目前工程應用中，流道內(nèi)水壓脈動壓力的研究主要以模型試驗和原型觀測為主。文獻［20］基于三峽VGS水輪機模型試驗測得的流道脈動壓力數(shù)據(jù)，并參考其他混流式水輪機原型觀測與模型試驗成果對壓力脈動換算系數(shù)的一般規(guī)律和初步共識，采用線性插值的方法構(gòu)造了三峽水輪機組流道內(nèi)的脈動壓力場，對156m水位下的廠房結(jié)構(gòu)進行了振動響應分析。文獻［21］通過水輪機流道內(nèi)蝸殼和尾水管壓力脈動實測值的幅值和主頻，在蝸殼和尾水管分別構(gòu)造同主頻、同幅值、同相位的簡諧振動，并采用時間歷程分析法得到廠房結(jié)構(gòu)典型部位的振動反應時程曲線。文獻［3］按照流道內(nèi)不同測點實測的主頻和主頻幅值，利用諧響應分析方法，將各測點脈動壓力載荷作為同相位和均勻分布的簡諧力施加在相應的位置，然后將各個測點脈動壓力作用下的計算結(jié)果疊加，得到廠房結(jié)構(gòu)的振動響應。

以上各壓力脈動的處理方式在廠房結(jié)構(gòu)振動響應分析中都取得了比較理想的效果，但是在脈動壓力施加過程中的各種假設(shè)，還是讓計算結(jié)果不夠精確。在現(xiàn)有大型水輪機組普遍存在水力振動的情況下，如何描述流道壓力脈動載荷在廠房結(jié)構(gòu)振動響應計算中的施加方式，這一跨學科的研究目前進展緩慢。另外，在振源傳遞路徑方面也需要進一步的研究。

3 廠房振動的自振特性分析

3.1 自振特性分析 自振特性分析是水電站廠房結(jié)構(gòu)振動研究的基本問題，以往的廠房結(jié)構(gòu)振動研究大多集中于此。通常是先計算出廠房結(jié)構(gòu)前幾階的自振頻率，再與機組的激振頻率進行共振校核。實踐中發(fā)現(xiàn)，相對剛度較大的水電站廠房下部樓板結(jié)構(gòu)和立柱結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型在廠房結(jié)構(gòu)整體模型中很難表現(xiàn)出來，因此借鑒大壩抗震分析中“無質(zhì)量地基”［22］方法在整體模型中進行局部結(jié)構(gòu)的自振頻率計算，即不考慮不作為重點研究對象部分的質(zhì)量，只考慮它們對研究結(jié)構(gòu)的約束作用。目前在廠房結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計中，通常按《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》（SL266-2014）［23］規(guī)定：“機墩自振頻率與強迫振動頻率之差和自振頻率之比值應大于20%～30%，以防共振?！钡囊?guī)定，通過機墩的自振頻率與各類振源的激振頻率的比較，進行其共振復核。由于水電站廠房結(jié)構(gòu)十分復雜，相互之間耦合影響，僅僅對機墩結(jié)構(gòu)進行共振校核尚不能全面評價整個廠房結(jié)構(gòu)的振動安全。

雖然廠房結(jié)構(gòu)自振特性分析都是從以上兩個方面進行的，但這當中也存在一些問題。首先，自振頻率和相應的振型屬性相結(jié)合進行廠房結(jié)構(gòu)自振特性分析是必要的。水電站廠房結(jié)構(gòu)是一個復雜的多構(gòu)件組合系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)的某一階頻率其振型往往表現(xiàn)在某一構(gòu)件的局部范圍內(nèi)，僅僅以自振頻率和激振頻率的錯開度是否小于30%來判斷共振與否是不全面的，應該考慮激振頻率作用方向和自振頻率相應振型的主振方向是否一致。其次，水電站廠房的樓板上往往布置精密的儀表設(shè)施，同時也是人員的工作場所，從儀表正常工作和人員適宜方面對樓板的振幅和振動速度提出了具體的限值要求。要滿足這些具體的限值，就必須對樓板結(jié)構(gòu)的振動進行定量分析，了解其振動分布規(guī)律，評價其對廠房正常運行及人體的影響。

3.2 自振特性的影響因素 要改善水電站廠房結(jié)構(gòu)的自振特性，優(yōu)化抗振設(shè)計，就必須全面了解廠房結(jié)構(gòu)的自振特性規(guī)律和影響因素。而大型水電站廠房是多孔洞交叉的復雜空間結(jié)構(gòu)，邊界條件和受力情況都很復雜，自振特性的影響因素也多種多樣。

3.2.1 邊界條件的合理選取 從水電站廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率和相應振型可以看出，廠房振動強烈部位大部分是樓板和梁柱結(jié)構(gòu)等薄弱部位。在確定結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，上下游邊界條件是影響廠房結(jié)構(gòu)自振特性的重要因素。文獻［21］分析研究了不同邊界條件下廠房結(jié)構(gòu)的自振特性，結(jié)果表明，邊界條件對結(jié)構(gòu)自振頻率和振型的影響較大。具體說來，對地下廠房而言，考慮3倍廠房開挖跨度洞室圍巖作用的廠房結(jié)構(gòu)模型，其約束相對較弱，自振頻率相對較低，振型多表現(xiàn)為廠房在圍巖中的整體振動。將廠房結(jié)構(gòu)四周圍巖作用簡化為法向彈性約束的模型，其約束作用增強，自振頻率提高，低階頻率均表現(xiàn)為樓板的局部振動。在邊界節(jié)點上加三向固定約束的模型，約束最強，自振頻率略有提高。3種邊界條件中，三向固定約束過高強調(diào)了圍巖對廠房結(jié)構(gòu)的約束作用，是不完全合理的。

文獻［24］進行了圍巖對廠房結(jié)構(gòu)自振頻率敏感性分析。結(jié)果表明，圍巖抗力系數(shù)變化對廠房整體結(jié)構(gòu)的基頻影響較為明顯，對廠房局部結(jié)構(gòu)的基頻影響均可忽略。綜上可知，邊界條件對模型計算結(jié)果的影響十分顯著，合理的邊界條件是保證模型計算結(jié)果正確的關(guān)鍵。在模型計算中，采用彈簧單元等效圍巖抗力剛度是符合工程實際的，計算結(jié)果也是合理的。

3.2.2 流固耦合的影響 大型水電站的蝸殼和尾水管流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸巨大，流道內(nèi)流經(jīng)的大量水體和流道結(jié)構(gòu)的耦合作用，改變了廠房結(jié)構(gòu)的自振特性，使得振動問題更加復雜。流固耦合問題一般可通過其耦合方程來求解［25］，文獻［26-27］利用強耦合法，把有限元理論和聲場理論結(jié)合起來，通過與無流體存在情況下的廠房自振特性進行對比，研究了流固耦合對廠房結(jié)構(gòu)自振特性的影響規(guī)律和影響程度。文獻［3］采用基于勢的流體單元模擬水電站廠房結(jié)構(gòu)流道內(nèi)的水體，應用數(shù)值方法使其與流道結(jié)構(gòu)耦合求解，進而研究水電站廠房結(jié)構(gòu)和流道水體的耦合特性。

研究成果表明，流道內(nèi)水體對廠房結(jié)構(gòu)自振特性有不同程度的影響，其中對高階頻率的影響最大。考慮流固耦合作用下廠房結(jié)構(gòu)頻率值比未考慮流體的頻率值偏低，最大降低幅度達到10.20%，出現(xiàn)在自振頻率的第21階［3］。該階振型主要表現(xiàn)為廠房下部蝸殼和尾水管結(jié)構(gòu)的振動，流道內(nèi)流體對其振動貢獻較大，導致兩種狀態(tài)下頻率值差別較大。流道內(nèi)流體對發(fā)電機層以上結(jié)構(gòu)和下游副廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率無明顯影響，主要是因為流道內(nèi)流體對這部分結(jié)構(gòu)振動參與度低。

3.2.3 其它因素的影響 文獻［28］研究了不同樓板結(jié)構(gòu)形式下廠房結(jié)構(gòu)的自振特性，結(jié)果表明，在混凝土方量相同的前提下，純厚板結(jié)構(gòu)高階自振頻率明顯高于板梁結(jié)構(gòu)和厚板加圈梁結(jié)構(gòu)，增加樓板厚度有利于大部分區(qū)域的樓板抗振。文獻［29］針對樓板與上下游墻不同的連接方式對廠房結(jié)構(gòu)自振特性的影響進行研究，結(jié)果表明，與樓板和上下游墻固結(jié)的方式相比，搭接方式減小了樓板和風罩的水平剛度，致使上部廠房結(jié)構(gòu)和樓板振感較強，不利于廠房結(jié)構(gòu)的抗振。對于水電站機組支承結(jié)構(gòu)而言，模擬范圍的變化必然引起結(jié)構(gòu)剛度的變化。為了研究模擬范圍對機組支承結(jié)構(gòu)自振特性計算結(jié)果的影響，文獻［30］從結(jié)構(gòu)動力學推導和有限元計算兩個方面進行了分析，分析指出，水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性分析的模型范圍應取至尾水管底板。

4 廠房振動的動力響應分析和安全評價

廠房結(jié)構(gòu)自振特性分析中，共振校核只是從廠房局部結(jié)構(gòu)和激勵振源是否能產(chǎn)生共振方面對水電站廠房結(jié)構(gòu)振動情況進行定性評價，而且往往由于廠房結(jié)構(gòu)和激勵振源的頻率分布都非常廣泛，導致共振校核的工作難以操作。為了更精確和全面的研究水電站廠房結(jié)構(gòu)的振動情況，對水電站廠房結(jié)構(gòu)進行動力響應分析，計算廠房結(jié)構(gòu)典型部位的位移、應力和振動速度等響應結(jié)果是非常必要的。在已有的水電站廠房結(jié)構(gòu)振動特性研究中［31-32］，都進行了動力響應分析工作，通過比較典型部位動力響應值和規(guī)范限值，合理評價廠房結(jié)構(gòu)的抗振性能。

4.1 動力響應分析 蝸殼是水輪機重要的過流部件，要有足夠的強度和剛度保證安全運行，是水電站中最重要的結(jié)構(gòu)。目前我國大型水電站蝸殼的埋設(shè)方式主要有3種，即保壓、直埋和墊層。不同的蝸殼埋設(shè)方式，鋼蝸殼和混凝土之間的約束作用不一樣，會對廠房結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生不同程度的影響。文獻［33］建立了包括蝸殼在內(nèi)的三維廠房整體模型，研究蝸殼3種埋設(shè)方式的固有振動特性。研究表明，蝸殼埋設(shè)方式對水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性的影響很小。文獻［34］采用雙結(jié)點接觸非線性模型，計算三峽水電站3種不同蝸殼埋設(shè)方式下廠房結(jié)構(gòu)的振動響應，并將計算結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明，計算結(jié)果與測試結(jié)果在趨勢上存在可比性，對于混凝土結(jié)構(gòu)而言，直埋方案的振動響應明顯大于墊層方案和保壓方案，其中保壓方案的振動響應最小。

目前，大型水電站機組和廠房結(jié)構(gòu)原型振動測試越來越被重視，模型計算數(shù)據(jù)和原型實測數(shù)據(jù)對比分析將在水電站廠房結(jié)構(gòu)抗振特性研究中發(fā)揮越來越重要的作用，文獻［8，20，34］對三峽電站廠房結(jié)構(gòu)模型計算數(shù)據(jù)和原型實測數(shù)據(jù)進行了對比分析，結(jié)果表明，在相同工況條件下，模型計算振動響應的主頻、最大值位置和分布規(guī)律與實測結(jié)果基本一致。通過兩者的對比分析，既驗證了計算模型荷載施加方式的可行性，也證明了原型實測試驗方法和流程的正確性。當然，原型實測數(shù)據(jù)的可靠性受傳感器精度和測試方法等因素的影響，制定科學、統(tǒng)一的水電站廠房結(jié)構(gòu)原型實測試驗規(guī)范，是保證實測數(shù)據(jù)可靠性的前提，也是目前亟需解決的問題。

4.2 廠房振動的安全評價 與地震作用引起的結(jié)構(gòu)物振動相比較，水力機械所產(chǎn)生的振動一般不會對廠房結(jié)構(gòu)物本身安全構(gòu)成威脅，其主要影響發(fā)電機層樓板上的控制電站運行的儀器設(shè)備和工作人員的人體健康。由于水電站廠房結(jié)構(gòu)振動問題的復雜性，目前國內(nèi)外對水力引起的廠房結(jié)構(gòu)振動的安全評價還沒有統(tǒng)一和系統(tǒng)的規(guī)定。文獻［35］參考國內(nèi)外其他行業(yè)有關(guān)振動的標準，從振動對廠房結(jié)構(gòu)本身、儀器設(shè)備和人體健康3個方面進行了三峽電站廠房振動安全評價。

5 展望

大型水電站廠房振動特性分析方面已取得大量研究成果［36-37］，但由于水電站機組和廠房結(jié)構(gòu)相互耦合影響，這些成果在應用到實際工程的過程中還是遇到許多問題和困難。本文作者認為以下幾個方面問題的研究對于推進大型水電站廠房振動特性分析的發(fā)展具有重要意義：（1）建立符合實際的廠房流道水流-機組-混凝土結(jié)構(gòu)全耦合整體仿真模型，對廠房整體和局部結(jié)構(gòu)進行流固耦合振動分析研究。蝸殼和尾水管流道中的大量水體必然對廠房結(jié)構(gòu)的自振特性產(chǎn)生影響，而流體和固體的耦合作用又加劇了廠房結(jié)構(gòu)的振動。通過全耦合整體仿真模型對廠房結(jié)構(gòu)進行流固耦合分析，必將得到更為符合實際的結(jié)構(gòu)自振頻率值，但由于問題的復雜性，這項工作至今未有效開展；（2）深入研究蝸殼和尾水管流道內(nèi)的水壓脈動在大型水電站廠房振動特性分析中的合理作用方式和振源傳遞路徑。在已有的研究成果中，學者們提出多種關(guān)于水壓脈動在流道內(nèi)的作用方式，如何評價水壓脈動各種作用方式的合理性和正確性，值得進一步研究；（3）重視模型計算和原型觀測結(jié)果對比分析在水電站廠房振動特性研究中的作用。水電站廠房結(jié)構(gòu)原型觀測值反應的是廠房結(jié)構(gòu)在各種荷載共同作用下的綜合響應，通過與模型計算結(jié)果對比可以判定計算模型的準確性和合理性，為同類型模型的建立提供參考；（4）進行水力振動引起水電站廠房結(jié)構(gòu)振動安全評價標準的研究。由于建筑物振源機理和振動路徑等方面的差異，其他行業(yè)的標準對于水力因素引起的廠房振動的適用性還有待進一步研究。

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Review on powerhouse self-oscillation characteristics of a large-scale power station

SHANG Yinlei，LI Deyu，OUYANG Jinhui
（Earthquake Engineering Research Center，IWHR，Beijing 100048，China）

With the single-output and size of the hydropower turbines increasing day by day，especially the water head and rotational speed of the pumped storage power station improving continually，the hydraulic stability of the turbines and the structure vibration of the powerhouse as well as other problems have become increasingly prominent.From the three aspects of powerhouse structure vibration source，self-oscillation characteristics and dynamic responses， the powerhouse vibration-related research and application achievement were summarized in this paper.The results show that creating a fluid-solid interaction finite element model is of active significance for the powerhouse self-oscillation characteristics of a large-scale power station.Also，some topics which are worth studying further were proposed.

self-oscillation characteristics；fluid-solid interaction；powerhouse structure；pressure fluctuations；influencing factor

TV731

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.01.008

1672-3031（2016）01-0048-05

（責任編輯：王冰偉）

2015-08-22

水利部公益行業(yè)專項（抗行業(yè)專項1519）；中國水利水電科學研究院專項（抗基本科研1509）

尚銀磊（1990-），河南鹿邑人，碩士生，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程振動研究。E-mail：shangyinlei_2011@126.com

李德玉（1962-），教授級高級工程師，主要從事工程抗震研究。E-mail：lideyu@iwhr.com