黃和平

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 長(zhǎng)沙市 410007）

1 工程概況

某電站1號(hào)排沙管上半段位于左岸非溢流18號(hào)壩段，下半段位于左岸電站廠房Ⅱ號(hào)安裝間。管道進(jìn)口底板▽90.0 m，出口底板▽60.0 m。排沙管道內(nèi)徑5.0 m，全斷面采用24 mm厚的加肋鋼板襯砌，按明管設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮鋼管與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力的形式。管道出口向右岸偏10°，且靠廠房尾水邊坡較近。最高運(yùn)行庫(kù)水位150 m，出口流速30 m/s，近岸最大流速5.0 m/s。為了解排沙管排沙過程中水流對(duì)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)響應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)在排沙管布置了3組加速度計(jì)和3組振動(dòng)計(jì)。振動(dòng)傳感器沿管軸線方向布置，分別安裝在進(jìn)口管段（檢修門內(nèi)側(cè)）、中間管段（上拐彎處）和出口管段（工作門上游側(cè)）3個(gè)斷面，每個(gè)斷面各安裝1組加速度計(jì)和1組振動(dòng)計(jì)，其中，加速度計(jì)固定在排沙管道的外襯鋼板上，振動(dòng)計(jì)是埋入鋼管的外包鋼筋混凝土內(nèi)（距鋼管50 cm左右）。每組分3個(gè)方向安裝 （每個(gè)方向布置1個(gè)），分別監(jiān)測(cè)鉛直向、平行壩軸線和垂直壩軸線方向的加速度響應(yīng)。儀器安裝位置見圖1。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在進(jìn)行1號(hào)排沙管道通水振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，進(jìn)行工作閘門開啟、關(guān)閉、正常通水過程3個(gè)工況的測(cè)試。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖2。

圖1 電站1號(hào)排沙孔振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器布置圖

圖2 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成框圖

振動(dòng)信號(hào)采樣頻率視所安裝的傳感器類型而定，為了保證開啟、關(guān)閉全過程振動(dòng)信號(hào)采集的完整性，選取采集時(shí)間均大于開啟、關(guān)閉門所需時(shí)間。

3 監(jiān)測(cè)資料整理及分析

現(xiàn)場(chǎng)采集的原始資料必須進(jìn)行資料剪輯、濾波和去除零漂后，方可對(duì)資料進(jìn)行整理分析。對(duì)原始資料的時(shí)域分析，通常計(jì)算原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征值。對(duì)于等間距采集的振動(dòng)樣本函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值由下式給出：

對(duì)原始數(shù)據(jù)的頻域分析通常采用傅立葉變換將時(shí)域函數(shù)轉(zhuǎn)換為頻域函數(shù)，并做功率譜密度函數(shù)。

各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)計(jì)算原理見框圖3。

圖3 功率譜密度函數(shù)計(jì)算原理框圖

對(duì)1號(hào)排沙孔工作閘6進(jìn)行開啟、關(guān)閉過程和正常通水過程的監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)資料時(shí)序過程線見圖4～圖9。在閘門開啟過程的（7～9）min和閘門關(guān)閉過程的（3～5）min 時(shí)段內(nèi)（相當(dāng)于閘門開度（3.5 m～4.5）m 之間），排沙鋼管以及外包鋼筋混凝土各部位的加速度響應(yīng)均較其它時(shí)段的大。從圖3中可得知測(cè)點(diǎn)在閘門開門過程 （0～7）min時(shí)段內(nèi)響應(yīng)加速度的極大值為 2.70 m/s2，而在（7～9）min 時(shí)段內(nèi)響應(yīng)加速度的極大值為 13.78 m/s2。 總之，閘門開啟過程的（7～9）min和關(guān)門過程的 （3～5）min時(shí)段內(nèi)各部位的振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)明顯。導(dǎo)致該時(shí)段內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)增大的原因主要是由于水流摻氣作用所致。從測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可明顯感覺到該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)摻氣作用響聲比其它時(shí)段要大，以及摻氣作用次數(shù)比其它時(shí)段密集等現(xiàn)象也說明振動(dòng)響應(yīng)增大與摻氣作用的強(qiáng)度和出現(xiàn)的頻度有關(guān)。

圖4 MAT07PSK1測(cè)點(diǎn)閘門開啟過程加速度響應(yīng)時(shí)序曲線

圖5 MAT07PSK1測(cè)點(diǎn)閘門關(guān)閉過程加速度響應(yīng)時(shí)序曲線

圖6 ZD04PSK1測(cè)點(diǎn)閘門開啟過程加速度響應(yīng)曲線

圖7 ZD09PSK1測(cè)點(diǎn)閘門關(guān)閉過程加速度響應(yīng)曲線

圖8 MAT04PSK1測(cè)點(diǎn)通水排沙過程加速度時(shí)程曲線（部分）

圖9 ZD03PSK1測(cè)點(diǎn)通水排沙過程加速度時(shí)程曲線（部分）

在閘門開啟、關(guān)閉過程及通水（排沙）各工況下，鋼管振動(dòng)響應(yīng)最大值均出現(xiàn)在出口段，且是出現(xiàn)在垂直向。鋼管外包混凝土在各種工況下的振動(dòng)響應(yīng)量分布規(guī)律與鋼管的相似，但加速度響應(yīng)值遠(yuǎn)比鋼管處小。不同時(shí)段不同工況加速度響應(yīng)特征值見附表。

特征值顯示：在閘門開啟、閘門關(guān)閉過程及通水（排沙）各工況下，排沙鋼管除MAT07PSK1測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)1.885 m/s2外（閘門關(guān)閉過程3～5 min時(shí)段）及 1.062 m/s2（閘門開啟過程 7～9 min時(shí)段），其它測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差均在0.2 m/s2以內(nèi)；在正常通水（排沙）過程中，除MAT07PSK1測(cè)點(diǎn)響應(yīng)較大外（最大加速度標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 m/s2），其它測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差均不超過0.1 m/s2。外包混凝土各斷面的加速度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于鋼管各斷面，在閘門開啟、閘門關(guān)閉過程中加速度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差均不超過0.01 m/s2；而在通水（排沙）過程中加速度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.001 6 m/s2。由此可見，排沙管道運(yùn)行時(shí)，除閘門開啟、關(guān)閉過程的局部時(shí)段鋼管出口段產(chǎn)生稍大振動(dòng)響應(yīng)外，其余各斷面的振動(dòng)響應(yīng)均較小，這說明排沙管在正常運(yùn)行中，不會(huì)引起自身及鄰近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大振動(dòng)響應(yīng)。

附表 不同工況（或時(shí)段)加速度響應(yīng)特征值 m/s2

從監(jiān)測(cè)成果還可得到如下規(guī)律：在閘門開啟、閘門關(guān)閉及通水（排沙）各種工況下，排沙鋼管加速度響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外包混凝土加速度響應(yīng)，其中排沙鋼管加速度響應(yīng)最大峰值達(dá)13.87 m/s2，而外包混凝土加速度響應(yīng)最大峰值僅為0.04 m/s2。二者振動(dòng)響應(yīng)相差顯著主要與下述因素有關(guān)：

（1）振動(dòng)激勵(lì)方式，排沙鋼管直接受到振源（管內(nèi)高速水流脈動(dòng)及氣體脈沖波）激勵(lì)，而外包混凝土是受到振源的間接激勵(lì)。

（2）振動(dòng)激勵(lì)強(qiáng)度，排沙鋼管與外包混凝土之間不可能完全緊密結(jié)合，二者不構(gòu)成一個(gè)完整結(jié)合體。因而，在振源激勵(lì)下，鋼管的振動(dòng)能量不可能全部傳遞給混凝土，即傳遞過程中損失一部分能量，混凝土受到激勵(lì)強(qiáng)度必然比排沙鋼管要小。

（3）構(gòu)件的物理特性，由于鋼管外包混凝土的剛度和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排沙鋼管，因而在同一振源激勵(lì)下，剛度和質(zhì)量大的構(gòu)件產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)必然比剛度和質(zhì)量小的構(gòu)件振動(dòng)響應(yīng)要小。

對(duì)各斷面的加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后得到功率譜見圖10～圖13。從頻譜曲線可看出，排沙鋼管發(fā)生振動(dòng)的諧波分量是分布在一個(gè)很寬的頻帶（0～100 Hz）上。 在整個(gè)頻帶內(nèi)，振動(dòng)諧波分量分布規(guī)律為低頻段大，而后隨著振動(dòng)頻率的增高逐漸減小，直到高頻段為最小。監(jiān)測(cè)成果說明，在水流脈動(dòng)壓力和摻氣作用沖擊波等隨機(jī)信號(hào)共同激勵(lì)下，排沙鋼管僅是隨之作受迫振動(dòng)，沒有在某些頻段上產(chǎn)生大的振動(dòng)響應(yīng)。通水（排沙）過程，鋼管振動(dòng)諧波分量的分布規(guī)律與閘門開啟、閘門關(guān)閉過程相同。

在（0～50）Hz頻段內(nèi)，鋼管外包混凝土部位多數(shù)測(cè)點(diǎn)在單位頻帶內(nèi)呈均勻分布，這說明鋼管外包混凝土的振動(dòng)頻率分量較為豐富，在水流脈動(dòng)壓力和摻氣作用沖擊波等隨機(jī)信號(hào)間接激勵(lì)下，（0～50）Hz頻段內(nèi)振動(dòng)各單位頻帶內(nèi)振動(dòng)諧波分量的能量大似相等。通水排沙過程，鋼管外包混凝土在 （0～50）Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)諧波分布規(guī)律與閘門開啟、閘門關(guān)閉工況的相似。

圖10 MAT07PSK1測(cè)點(diǎn)關(guān)門過程功率頻譜曲線

圖11 ZD07PSK1測(cè)點(diǎn)關(guān)門過程功率頻譜曲線

圖12 MAT07PSK1測(cè)點(diǎn)通水排沙功率頻譜曲線

圖13 ZD09PSK1測(cè)點(diǎn)通水排沙功率頻譜曲線

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)1號(hào)排沙孔通水振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果的分析，可得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 在閘門開啟過程的（7～9）min時(shí)段和閘門關(guān)閉過程的（3～5）min時(shí)段內(nèi)（相當(dāng)于閘門開度在3.5 m～4.5 m之間），受鋼管內(nèi)摻氣的影響，各斷面的振動(dòng)響應(yīng)均呈現(xiàn)明顯增大，其中，鋼管的最大加速度峰值達(dá)13.87 m/s2，而外包混凝土的最大加速度響峰值應(yīng)僅為0.04 m/s2。所以在閘門開啟、閘門關(guān)閉過程中，當(dāng)閘門開度在（3.5～4.5）m之間時(shí)，要特別注意閘門提升的速率。

（2）各斷面的振動(dòng)響應(yīng)分布規(guī)律：鋼管處比外包混凝土處大，出口段大，且垂直向較水平向大。最大的加速度響應(yīng)出現(xiàn)在鋼管出口段的垂直向。所以對(duì)鋼管出口段要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（3）排沙管道運(yùn)行時(shí)，除閘門開啟、閘門關(guān)閉過程的局部時(shí)段鋼管出口管段產(chǎn)生稍大振動(dòng)響應(yīng)外，其它斷面的振動(dòng)響應(yīng)均較小，說明排沙管在正常運(yùn)行中，不會(huì)引起自身及鄰近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大振動(dòng)響應(yīng)。

（4）在水流脈動(dòng)壓力和摻氣沖擊波的激勵(lì)下，鋼管僅隨之作受迫振動(dòng)，在（0～100）Hz的頻帶內(nèi)，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象或振動(dòng)響應(yīng)較大的頻段；而鋼管外包混凝土在水流脈動(dòng)壓力和摻氣作沖擊波的間接激勵(lì)下，也是作受迫振動(dòng)，在（0～50）Hz的頻帶內(nèi)，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

1 GB/T 13823.2-92振動(dòng)與沖擊傳感器的校準(zhǔn)方法基本概念[S].

2 DL/T 5178-2003混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

3振動(dòng)與沖擊手冊(cè)編輯委員會(huì).振動(dòng)與沖擊手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1988.

4錢培峰.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社,1964.

5應(yīng)懷樵.振動(dòng)測(cè)試和分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1987.