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        溪洛渡高拱壩泄洪振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

        2020-11-21 04:54:30毛延翩馬文鋒劉頂明
        水電與抽水蓄能 2020年5期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)

        凌 騏,毛延翩,馬文鋒,劉頂明,胡 波

        [1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇省南京市 211106;2.溪洛渡水力發(fā)電廠,云南省永善縣 657300]

        0 引言

        混凝土拱壩是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的壩型,由于其泄洪方便,抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。隨著壩工建設(shè)水平和技術(shù)的不斷發(fā)展,拱壩的高度在不斷地增加,目前我國(guó)已建成投產(chǎn)了多座300m級(jí)的高拱壩。國(guó)內(nèi)外對(duì)于流激振動(dòng)引起的事故屢有報(bào)道,水工結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)水流荷載作用下的振動(dòng)問題逐漸引起人們的重視。由于高拱壩水電樞紐工程的泄水建筑物往往具有高水頭、大流量、超高流速等特點(diǎn),且壩體結(jié)構(gòu)趨于輕型化,因此泄洪時(shí)水流誘發(fā)的壩體振動(dòng)問題愈發(fā)突出,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響樞紐安全運(yùn)行甚至結(jié)構(gòu)破壞。由于泄洪運(yùn)用不當(dāng)造成結(jié)構(gòu)物損壞的情況時(shí)有發(fā)生,如二灘水電站1號(hào)泄洪洞的大規(guī)模破壞[1]、五強(qiáng)溪水電站溢流壩消力池底板的沖毀破壞[2]等。

        國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)30年代已開始工程振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究,但最初是應(yīng)用在橋梁、高樓等建筑結(jié)構(gòu)上。1964年,G.R.Darbe等人[3]對(duì)250m高的Mauvoisin拱壩進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn),研究了水位對(duì)大壩自振頻率的影響;1980年,F(xiàn)lesch等人[4]對(duì)澳大利亞Kolnbrein拱壩進(jìn)行了原型振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)專家和學(xué)者對(duì)大壩的原型振動(dòng)監(jiān)測(cè)也進(jìn)行了長(zhǎng)期探索研究,并取得了有益的成果。1981年,羅學(xué)海[5]和徐道遠(yuǎn)等[6]分別對(duì)恒山拱壩和豐樂拱壩的自振特性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析;1986年,張光斗院士等[7]分析了泉水拱壩在人工激振、泄洪振動(dòng)和天然脈動(dòng)等情況下的自振頻率;2007年,寇立夯等[8]對(duì)國(guó)內(nèi)外40座拱壩原型振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析,認(rèn)為壩高與壩體固有頻率存在密切相關(guān)。從國(guó)內(nèi)外近幾十年的工程實(shí)踐成果看,利用現(xiàn)場(chǎng)原型振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試以掌握其運(yùn)行參數(shù)是可行的。

        常規(guī)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于采樣頻次稀疏,且所測(cè)物理量有限,難以捕捉壩體在振動(dòng)工況下的動(dòng)力學(xué)相關(guān)特征參數(shù)。因此需對(duì)泄洪工況下的高拱壩進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并結(jié)合大壩靜態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),更加準(zhǔn)確地對(duì)不同工況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析和評(píng)估,為科學(xué)合理地進(jìn)行大壩泄洪調(diào)度提供參考。由于國(guó)外已建成高拱壩的泄量和泄洪功率都不大,因而缺乏成熟的高拱壩大流量泄洪的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)雖然在近年來(lái)對(duì)不同高拱壩的泄洪振動(dòng)問題開展了相關(guān)的理論分析、試驗(yàn)研究以及部分原型觀測(cè),但由于各高拱壩的運(yùn)行環(huán)境和條件均不同,只能得到部分相關(guān)的初步定性分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果。而縮尺模型試驗(yàn)在模型與原型的可比性、“尺寸效應(yīng)”等方面存在困擾[9];數(shù)值仿真由于計(jì)算參數(shù)很難準(zhǔn)確獲取、不連續(xù)面力學(xué)特性難于描述、計(jì)算邊界條件很難與實(shí)際情況相符等因素導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度也存在局限。在此背景下,研究設(shè)計(jì)適用于泄洪工況下的高拱壩振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已是必然要求。

        為了掌握高拱壩壩身泄洪時(shí)壩身的振動(dòng)特性、壩體不同部位加速度、振幅等情況,本文結(jié)合溪洛渡雙曲拱壩的運(yùn)行工況特點(diǎn),研究設(shè)計(jì)了泄洪振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩泄洪期間的關(guān)鍵效應(yīng)量數(shù)據(jù),分析壩體動(dòng)力特性參數(shù)和工作性態(tài),以此確定受泄洪振動(dòng)影響顯著的部位,為評(píng)價(jià)泄洪振動(dòng)對(duì)水工建筑物的影響程度提供技術(shù)支撐。

        1 監(jiān)測(cè)布置

        溪洛渡水電站樞紐是由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。溪洛渡大壩為混凝土雙曲拱壩,壩頂高程610.0m,最大壩高285.5m。壩身泄洪建筑物包括7個(gè)泄洪表孔和8個(gè)泄洪深孔,采用表孔下跌式、深孔上翹式布置,采用分層出流、空中碰撞、水墊塘消能的方式,兩股水舌在空中碰撞后跌入水墊塘內(nèi)紊動(dòng)消能。在大壩下游設(shè)置水墊塘和二道壩,二道壩布置于水墊塘末端,起壅高塘內(nèi)水位的作用。溪洛渡水電站具有“窄河谷、高拱壩、巨泄量”的特點(diǎn)[10],大壩壩身孔口泄洪振動(dòng)可能對(duì)大壩、水墊塘的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響,一方面壩體混凝土的抗拉強(qiáng)度低,另一方面大壩在泄洪振動(dòng)的長(zhǎng)期作用下,局部可能發(fā)生疲勞損傷。

        為掌握高拱壩泄洪振動(dòng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性,考慮對(duì)壩體的加速度、速度以及接縫動(dòng)位移等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于泄洪誘發(fā)的壩體振動(dòng)屬于低頻、隨機(jī)、微幅振動(dòng),故需要傳感器具有很好的低頻響應(yīng)能力。因此監(jiān)測(cè)方法采用速度型三向低頻振動(dòng)傳感器對(duì)壩體及壩肩抗力體進(jìn)行振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取振動(dòng)加速度、速度、振幅及振動(dòng)頻率等;采用接縫動(dòng)位移傳感器在不同泄洪工況下壩體橫縫的開合情況,分析評(píng)價(jià)壩體橫縫開合受泄洪的影響程度。

        振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選取大壩典型斷面10號(hào)壩段、15號(hào)壩段、22號(hào)壩段不同高程以及壩頂兩岸平洞,共布置12個(gè)三分量振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4個(gè)橫縫動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)(見圖1)。另外選取近壩肩的抗力體平洞布設(shè)典型斷面(距壩軸線約143m),沿不同高程在左右岸抗力體平洞內(nèi)各布置3個(gè)三分量振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

        圖1 溪洛渡大壩泄洪振動(dòng)監(jiān)測(cè)布置圖Figure 1 Xiluodu dam flood discharge vibration monitoring arrangement chart

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

        由于溪洛渡大壩泄洪振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)分散,為減少傳感信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸而引入的干擾,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采取分布式布置,在壩頂、527廊道、470廊道及395廊道等高程部位分別設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置,實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)就近接入采集,如圖2所示。

        2.2 數(shù)據(jù)采集通信

        由于本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)傳感器類型不同、采樣頻次高、數(shù)據(jù)量大,且需要實(shí)現(xiàn)各傳感器同步采集,并具有一致的時(shí)標(biāo),因此對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬及實(shí)時(shí)性都有較高的要求。為保證可靠性,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信采用基于TCP/IP通信協(xié)議的星形光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。根據(jù)測(cè)站位置的分布,新鋪設(shè)光纖或利用已有的光纖建立各個(gè)站點(diǎn)的通信線路,在數(shù)據(jù)采集管理站及每個(gè)采集裝置節(jié)點(diǎn)處分別設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī),提供RJ45以太網(wǎng)接入接口。數(shù)據(jù)采集裝置本身自帶有LAN口,可以直接接入交換機(jī);管理站的采集服務(wù)器亦通過LAN口接入網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集裝置的高速通信。

        2.3 系統(tǒng)供電

        2.3.1 采集管理站

        采集管理站的用電設(shè)備主要為數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要求不間斷供電。采集站所處的控制室內(nèi)市電供給較為可靠,可直接引接,同時(shí)配置一臺(tái)UPS電源,以避免意外斷電。

        圖2 溪洛渡大壩泄洪振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 Xiluodu dam flood discharge vibration monitoring system framework

        2.3.2 現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站

        現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站的用電設(shè)備主要為數(shù)據(jù)采集裝置及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候要求不間斷供電。由于大壩及廊道等部位的市電供給均較為可靠,因此系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)站不考慮再設(shè)置獨(dú)立的電源系統(tǒng),就近接入現(xiàn)地照明或檢修供電系統(tǒng),必要時(shí)牽引部分電纜。

        為保證系統(tǒng)的連續(xù)不間斷運(yùn)行,防止偶爾跳閘引起的網(wǎng)絡(luò)中斷及數(shù)據(jù)丟失,在每個(gè)現(xiàn)地測(cè)站均配置免維護(hù)電池作為備用電源,并采用充電器進(jìn)行浮充,以便在臨時(shí)停電時(shí)為數(shù)據(jù)采集裝置及通信設(shè)備供電。

        3 監(jiān)測(cè)成果

        3.1 典型泄洪情況

        根據(jù)調(diào)度安排及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水文情況,溪洛渡大壩于9月23日10:29開始當(dāng)年首次泄洪,泄洪前上游水位590.3m,下游水位382.8m。截至10月7日24時(shí),期間經(jīng)歷兩次泄洪過程,主要運(yùn)用3號(hào)和6號(hào)深孔泄洪。第一次泄洪為9月23日10:29至10月3日11:53,首先開啟3號(hào)深孔進(jìn)行泄洪,9月27日16:35增加開啟6號(hào)深孔,兩孔于10月2日和3日先后關(guān)閉。第二次泄洪發(fā)生在10月4日17:32至10月7日22:15,期間僅開啟3號(hào)深孔。泄洪結(jié)束后上游水位為599.3m,下游水位為382.5m。相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷時(shí)過程見表1和圖3。

        表1 溪洛渡大壩泄洪深孔啟閉情況統(tǒng)計(jì) (截至2019年10月7日)Table 1 Statistics of opening and closing of flood discharge deep hole in Xiluodu dam (By Oct.7,2019)

        圖3 溪洛渡大壩泄洪期間庫(kù)水位過程線Figure 3 Xiluodu reservoir water level court line in flood discharge

        3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

        3.2.1 壩體橫縫動(dòng)位移

        選擇9月24~25日典型時(shí)段的15號(hào)壩段接縫位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析樣本,工況條件為上游水位590.3m,單開3號(hào)深孔泄洪。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,15號(hào)壩段各典型高程接縫在本工況泄洪期間的開合度變化量級(jí)極小,最大值為0.796μm,最大變幅為0.699μm,出現(xiàn)在527.25m高程。從各測(cè)點(diǎn)變化時(shí)程上看(如圖4所示),接縫在泄洪過程均處于窄幅快速波動(dòng)中,總體未見明顯突變或異常趨勢(shì)性變化,接縫基本處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。從位移分布規(guī)律上看,低高程的壩段接縫變化幅度最小,在2/3壩高處的接縫位移變化相對(duì)劇烈,約為低高程位移量的3倍,此現(xiàn)象與泄洪深孔的位置及拱冠梁壩段的約束條件有關(guān),總體符合規(guī)律。

        3.2.2 壩體振動(dòng)速度及動(dòng)位移

        監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明(見表2),不同水位下609m高程徑向振動(dòng)能量10號(hào)壩段徑向>22壩段徑向>15壩段。3號(hào)和6號(hào)深孔同時(shí)開啟時(shí)振動(dòng)速度均值大于單獨(dú)開啟3號(hào)深孔(上游水位590m)時(shí),泄洪時(shí)振動(dòng)速度均值是未泄洪時(shí)的5~20倍,振動(dòng)位移為1 ~9μm之間。

        圖4 15號(hào)壩段527m高程接縫位移時(shí)程圖Figure 4 Joint displacement court line at EL.527m of 15# dam section

        表2 壩頂高程測(cè)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Measure point dynamic response value statistics at dam crest

        如圖5和圖6所示,上游水位590m泄洪期間,在3號(hào)深孔單開、3號(hào)與6號(hào)深孔同時(shí)開啟情況下,609高程各測(cè)點(diǎn)壩段振動(dòng)均較明顯,雙曲拱壩的徑向與切向主頻約為1.56Hz,豎向的振動(dòng)能量集中在16.74Hz。在上游水位599m單開3號(hào)深孔情況下,壩體自振頻率為1.53Hz,振動(dòng)能量主頻值為15.45Hz。壩頂10號(hào)、15號(hào)、22號(hào)各個(gè)壩段振動(dòng)均較明顯,且大于水位590m時(shí)振動(dòng),說明壩體泄洪振動(dòng)大小與庫(kù)水位有關(guān)。

        4 結(jié)論

        (1)針對(duì)泄洪工況下的高拱壩低頻、隨機(jī)、微幅振動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè),要求傳感器具有很好的低頻響應(yīng)能力。通過在重點(diǎn)壩段的典型高程分別布設(shè)速度型三向低頻振動(dòng)傳感器和動(dòng)位移計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壩體及壩肩抗力體的振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取振動(dòng)加速度、速度、振幅及振動(dòng)頻率及壩體接縫開合等重要效應(yīng)量。

        (2)對(duì)于高拱壩振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用分布式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有采樣頻次高、處理數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)同步性好等特點(diǎn),能夠適用于泄洪工況下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并且可與常規(guī)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng),便于進(jìn)行大壩安全性態(tài)綜合評(píng)估。

        (3)監(jiān)測(cè)成果表明溪洛渡高拱壩泄洪時(shí)壩體接縫開合度變化量極小,且無(wú)明顯異常趨勢(shì)。大壩自振頻率屬于低頻振動(dòng),其振動(dòng)能量與庫(kù)水位有明顯相關(guān),后期可針對(duì)不同泄洪工況開展進(jìn)一步的大壩振動(dòng)響應(yīng)敏感性分析。

        圖5 3號(hào)與6號(hào)深孔同時(shí)開啟時(shí)10號(hào)壩段壩頂徑向時(shí)程圖與自功率譜(庫(kù)水位590m)Figure 5 Radial time history and self power spectrum at 10# dam crest during 3# & 6# deep hole opening(Water level is 590m.)

        圖6 3號(hào)與6號(hào)深孔同時(shí)開啟時(shí)15號(hào)壩段壩頂切向時(shí)程圖與自功率譜(庫(kù)水位590m)Figure 6 Radial time history and self power spectrum at 15# dam crest during 3# & 6# deep hole opening (Water level is 590m.)

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