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(qiáng)烈紊動(dòng)，水流對(duì)結(jié)構(gòu)物不斷作用脈動(dòng)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(dòng)態(tài)的、耦合的[1]。水流與建筑物之間相互作用的復(fù)雜機(jī)理導(dǎo)致水工建筑物以及周邊環(huán)境的振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2]。溢洪道泄流，尤其是大流量泄流時(shí)，引起的各種振動(dòng)問(wèn)題會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。溢洪道泄流引起的振動(dòng)可能會(huì)影響到溢洪道自身、水庫(kù)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(wèn)題已得到眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如，鄭文新[3]利用原型觀測(cè)的方法對(duì)東風(fēng)電站在不同工況下樞紐各部位的振動(dòng)情況進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果及對(duì)運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析；徐國(guó)賓等[4]通過(guò)水彈性模型試驗(yàn)，研究了糯扎渡水電站溢洪道泄槽隔墻通過(guò)寬大的F1和F3斷層時(shí)的流激動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估；代仲海[5]對(duì)面板堆石壩在脈動(dòng)水流作用下隨機(jī)振動(dòng)問(wèn)題做了相應(yīng)的研究。

一直以來(lái)，對(duì)泄洪引起的振動(dòng)問(wèn)題的研究范圍多局限于水工建筑物結(jié)構(gòu)本身，而對(duì)泄洪誘發(fā)建筑物周邊場(chǎng)地振動(dòng)的研究很少。針對(duì)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(dòng)情況，并根據(jù)原始試驗(yàn)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(kù)22級(jí)”的第11級(jí)電站，上接長(zhǎng)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(kù)大壩和“一站兩廠”的混合式開發(fā)，電站總裝機(jī)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(gè)月以來(lái)，先后啟用左岸泄洪（放空）洞、溢洪道進(jìn)行單獨(dú)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(dòng)影響現(xiàn)象，村民對(duì)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(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)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(dòng)對(duì)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(dòng)關(guān)系，尋找對(duì)周邊村子振動(dòng)影響較小的閘門開啟組合，開展原型試驗(yàn)進(jìn)行研究十分必要。為此，選取部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行泄流振動(dòng)分析，其測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of vibration measuring points

3.1 振動(dòng)影響因素分析

為了直觀了解汛期不同泄流量對(duì)周邊振動(dòng)的影響，對(duì)汛期各測(cè)點(diǎn)歷史趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為了對(duì)比分析汛期與無(wú)流量時(shí)的振動(dòng)加速度歷史趨勢(shì)，選取2017年5月1～30日期間無(wú)流量的數(shù)據(jù)作為與6月1日～9月30日汛期趨勢(shì)對(duì)比數(shù)據(jù)。選取與溢洪道距離逐漸增大的嚴(yán)小林、村委會(huì)和鄭紅3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，如圖3～5所示。

圖3 嚴(yán)小林測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度Fig.3 Vibration acceleration of measuring point at Yanxiaolin

圖4 村委會(huì)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度Fig.4 Vibration acceleration of measuring point at village committee

圖5 鄭紅測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度Fig.5 Vibration acceleration of measuring point at Zhenghong

選取振動(dòng)加速度最大值作為分析參數(shù)，是因?yàn)樵谠u(píng)價(jià)人體對(duì)振動(dòng)的感知時(shí)，通常都是采用加速度最大值進(jìn)行評(píng)價(jià)。在振動(dòng)加速度最大值小于0.8 cm/ss（gal）時(shí)，人體無(wú)感覺(jué)；加速度最大值在0.8～2.5 cm/ss（gal）時(shí)，靜止的人或?qū)φ駝?dòng)特別敏感的人能感到振動(dòng)；加速度最大值大于2.5 cm/ss（gal）時(shí)，人能感到明顯振動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值均小于0.8 gal，人體無(wú)感覺(jué)。

泄流量分別為 4000m3/s、3000m3/s、2000m3/s、1 000 m3/s和0 m3/s時(shí)，對(duì)尹霞、嚴(yán)小林、徐夢(mèng)蓮、張明秀、村委會(huì)、陳永章、高樹全、鄭紅和項(xiàng)目部9個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析。為盡可能減小人為活動(dòng)的影響，選取不同流量下各測(cè)點(diǎn)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(diǎn)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為分析泄流對(duì)各測(cè)點(diǎn)的影響，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方差值，如圖6和圖7所示。

圖6 隨流量變化各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方差變化趨勢(shì)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方差對(duì)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(yuǎn)的項(xiàng)目部測(cè)點(diǎn)外，呈現(xiàn)的基本規(guī)律為各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度隨著流量的增大而增大，且流量變化對(duì)距離壩體較近的尹霞、嚴(yán)小林、徐夢(mèng)蓮、張明秀測(cè)點(diǎn)影響更大。項(xiàng)目部測(cè)點(diǎn)偶有較大振動(dòng)，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(duì)于振動(dòng)的影響情況并不一致，可通過(guò)原型調(diào)度試驗(yàn)得到減振效果相對(duì)較好的閘門調(diào)度方式。

選取實(shí)際泄流時(shí)較為常見的泄流量為2 000 m3/s時(shí)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)影響，其中：

方案1：1號(hào)、3號(hào)閘門均開，流量均為1 000 m3/s；

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

方案3：3個(gè)閘門均開，1～3號(hào)閘門流量均為666 m3/s。

統(tǒng)計(jì)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(shí)開啟到同一高度時(shí)減振效果相對(duì)較好。

表1 流量2 000 m3/s不同泄洪調(diào)度方式振動(dòng)速度均方差統(tǒng)計(jì)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(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

筆者對(duì)浸水村樓房模態(tài)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，選取距離壩體較遠(yuǎn)的樓層最高的紅云山莊、村中央較堅(jiān)固的1號(hào)二層樓房和距離壩體最近的2號(hào)二層樓房進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)研究。通過(guò)3棟典型樓房的模態(tài)試驗(yàn)分析，獲取此3棟樓房的動(dòng)力學(xué)模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼比和振型），為評(píng)價(jià)樓房的自振特性及泄洪振動(dòng)對(duì)樓房的影響提供試驗(yàn)依據(jù)。

圖8 不同調(diào)度方案各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(fēng)、地脈動(dòng)等環(huán)境的影響，處于微小而不規(guī)則的振動(dòng)之中。利用高靈敏測(cè)振傳感器測(cè)量并記錄結(jié)構(gòu)在環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)下的脈動(dòng)信號(hào)。由于脈動(dòng)信號(hào)包含的頻率成份相當(dāng)豐富，同時(shí)為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)對(duì)脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(dòng)力學(xué)原理，可采用半功率點(diǎn)法由共振曲線確定結(jié)構(gòu)阻尼比ξ。通過(guò)在振型節(jié)點(diǎn)外的水平或豎向方向布置一定數(shù)量的拾振點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量各拾振點(diǎn)的脈動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用模態(tài)分析法識(shí)別對(duì)應(yīng)頻率的振型。

采用基于多輸入多輸出的環(huán)境激勵(lì)運(yùn)行模態(tài)識(shí)別（Operational Modal Analysis，OMA）試驗(yàn)方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，通過(guò)布置于樓層的低頻振動(dòng)傳感器對(duì)樓層?xùn)|西水平方向和南北水平方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拾??；后續(xù)通過(guò)OMA模態(tài)分析軟件進(jìn)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(cè)點(diǎn)布置如圖9所示，需布置南北水平和東西水平方向各兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)于二層小樓，測(cè)試頂層即可；對(duì)于樓層較高的，可根據(jù)試驗(yàn)條件選擇一層或其中某幾層。參考點(diǎn)位置選擇在頂層。

圖9 樓層截面測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.9 Layout of measuring points for each floor

本次模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試采用的主要儀器及軟件如表2所示。

采用ERA特征實(shí)現(xiàn)算法[6]和增強(qiáng)型頻域分解法（Enhanced Frequency Domain Decomposition，EFDD）等模態(tài)分析方法對(duì)此3棟樓房進(jìn)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(jiān)固的1號(hào)樓房二層的第1階和第2階振型。

測(cè)試中選取的1號(hào)樓房基本為浸水村中最為堅(jiān)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率均集中在低頻部分，有可能會(huì)引起共振現(xiàn)象，兩者之間的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語(yǔ)

水利樞紐泄流引起周圍環(huán)境振動(dòng)是普遍存在的現(xiàn)象，該問(wèn)題可能會(huì)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(shí)引起周圍環(huán)境振動(dòng)的問(wèn)題，分析了溢洪道下游不同位置隨溢洪道泄流的振動(dòng)情況，并根據(jù)原始試驗(yàn)對(duì)比研究了溢洪道泄流方案，主要結(jié)論如下：

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

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

圖10 1號(hào)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(hào)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(lì)振動(dòng)的影響較大。

（2）泄流量越大，相同位置受到泄流激勵(lì)振動(dòng)的影響越大。

（3）黃金坪水利工程三孔溢洪道同時(shí)同開度開啟時(shí)，周圍環(huán)境受到的泄流激勵(lì)振動(dòng)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率均集中在低頻部分，有可能會(huì)引起共振現(xiàn)象，兩者之間的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。