歐陽(yáng)金惠，時(shí)洪濤，周光平

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.中國(guó)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(lái)我國(guó)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(yùn)行過(guò)程中泄洪誘發(fā)的振動(dòng)問(wèn)題非常突出，對(duì)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(dòng)問(wèn)題備受關(guān)注，陸續(xù)開(kāi)展了針對(duì)二灘、錦屏一級(jí)、向家壩和烏東德等高拱壩泄洪誘發(fā)振動(dòng)的試驗(yàn)與理論研究，但研究?jī)?nèi)容多集中于壩體、消能設(shè)施等水工建筑，而對(duì)泄洪誘發(fā)場(chǎng)地周邊建筑物振動(dòng)的研究較少[2-6]。

溪洛渡水電站是金沙江下游河段開(kāi)發(fā)規(guī)劃的第三個(gè)梯級(jí)，其樞紐布置具有“窄河谷、高拱壩、大泄量、多機(jī)組”的特點(diǎn)，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(gè)表孔和8個(gè)深孔組成雙層泄水孔口布置，表孔出口為大差動(dòng)齒坎消能，深孔出口為挑流消能。大壩下游設(shè)置400 m長(zhǎng)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(méi)擴(kuò)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(jìn)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(kù)水位上升速度，確保大壩蓄水安全，溪洛渡大壩深孔首次開(kāi)啟過(guò)流。隨著過(guò)流流量的增大，大壩右岸制冰樓和拌合樓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)冰樓）等建筑物出現(xiàn)了較強(qiáng)有感振動(dòng)。本文為確保冰樓、壩體、水墊塘等建筑物的振動(dòng)安全，保證安全施工，并為今后其他工程實(shí)踐提供參考，針對(duì)溪洛渡深孔過(guò)流引起的振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試并進(jìn)行了振動(dòng)幅值變化規(guī)律和頻譜特性分析[8]。

2 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試工況

本次測(cè)試采用由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主開(kāi)發(fā)的振動(dòng)測(cè)試儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由集成測(cè)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(jiǎn)便，可同時(shí)接入多種多通道傳感器，其良好的擴(kuò)展性及高效性，使測(cè)試效率大幅提高，同時(shí)為測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)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(guò)流振動(dòng)測(cè)試以冰樓和水墊塘為主，同時(shí)對(duì)壩體其他部位開(kāi)展必要測(cè)試。已開(kāi)展的測(cè)試部位與深孔開(kāi)啟過(guò)流工況見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)測(cè)試部位與過(guò)流工況

3 測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試結(jié)果分析

3.1 冰樓各樓層測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)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(jì)單位提出的要求，對(duì)6-6’跨柱子開(kāi)展橫河向振動(dòng)同步測(cè)試，其測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 冰樓平面布置圖

圖2 冰樓同步測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

冰樓各層橫河向振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖3—圖9所示，測(cè)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(shì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)主頻一致，因此冰樓存在橫河向共振。

3.2 冰樓五層樓面測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試結(jié)果分析冰樓各樓層橫河向振動(dòng)同步測(cè)試結(jié)果表明，五層樓面的振動(dòng)響應(yīng)較其他各層大，因此對(duì)冰樓五層樓面開(kāi)展普查測(cè)試。為了解冰樓橫梁兩端的橫河向振動(dòng)差別，對(duì)測(cè)點(diǎn)M和F進(jìn)行了同步測(cè)試。冰樓五層樓面各柱子根部的測(cè)點(diǎn)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(duì)振動(dòng)對(duì)氨管安全運(yùn)行的影響，了解冰樓與拌合樓橫河向振動(dòng)差別，本次對(duì)氨管兩端支撐的振動(dòng)響應(yīng)也進(jìn)行了測(cè)試。

圖10 冰樓五層樓面測(cè)點(diǎn)布置

圖11 氨管

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

圖12 測(cè)點(diǎn)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(dòng)響應(yīng)為主，冰樓橫梁兩端的橫河向振動(dòng)幅值差別較小。但由于測(cè)試時(shí)M和F間的制冰機(jī)開(kāi)啟，引起了頻帶較寬的豎向振動(dòng)（見(jiàn)圖12），使得制冰機(jī)區(qū)域的豎向加速度大于其他兩個(gè)方向。冰樓橫河向的最大加速度為56.85 gal（測(cè)點(diǎn)M），橫河向最大速度為13.62 mm/s（測(cè)點(diǎn)H），橫河向最大位移為0.96 mm（測(cè)點(diǎn)H），三者的振動(dòng)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(duì)位移為0.77 mm，說(shuō)明冰樓和拌合樓的相對(duì)振動(dòng)對(duì)氨管安全運(yùn)行的無(wú)明顯影響。拌和樓與冰樓的橫河向加速度振動(dòng)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(jiàn)圖13—圖14）。

3.3 大壩527廊道與啟閉機(jī)平臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試結(jié)果分析為研究溪洛渡大壩深孔啟閉機(jī)平臺(tái)在首次開(kāi)啟過(guò)流過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)，本次測(cè)試在大壩527廊道以及啟閉機(jī)平臺(tái)布置的測(cè)點(diǎn)如圖17所示：左岸4、5、6號(hào)壩段以及右岸27、28號(hào)壩段各1個(gè)測(cè)點(diǎn)；1～8深孔啟閉機(jī)平臺(tái)各1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖17 大壩527廊道與啟閉機(jī)平臺(tái)測(cè)點(diǎn)

大壩527廊道與啟閉機(jī)平臺(tái)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖18—圖21。測(cè)試結(jié)果表明：

圖18 大壩527廊道與啟閉機(jī)平臺(tái)加速度

圖19 大壩527廊道與啟閉機(jī)平臺(tái)位移

圖20 啟閉機(jī)平臺(tái)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(jī)平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較大，最大加速度為8.21 gal，最大位移為17 μm，振動(dòng)響應(yīng)第1階卓越頻率為1.83 Hz；通過(guò)啟閉機(jī)平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)與水墊塘振動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)分析（見(jiàn)圖20），傳遞函數(shù)第1階卓越頻率也是1.83 Hz，說(shuō)明該頻率為大壩第1階自振頻率。

（2）大壩527廊道振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較小，最大加速度不足0.1 gal，三個(gè)方向位移均不足1 μm。大壩527廊道內(nèi)測(cè)點(diǎn)位于岸坡壩段，其振動(dòng)頻率頻帶較寬，優(yōu)勢(shì)頻率不明顯（見(jiàn)圖21）。

3.4 水墊塘測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試結(jié)果分析水墊塘等作為大壩下游河道的主要防護(hù)結(jié)構(gòu)，其在高速水流沖擊下的安全性，是實(shí)現(xiàn)消能防沖作用的關(guān)鍵，影響大壩的安全運(yùn)行[9]。為間接了解溪洛渡水墊塘的脈動(dòng)壓力特性，本次對(duì)溪洛渡水墊塘泄洪消能的振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的振動(dòng)測(cè)試。水墊塘廊道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置如圖22所示。

圖22 水墊塘測(cè)點(diǎn)布置圖

水墊塘振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖23—圖26所示，測(cè)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(shí)程與位移時(shí)程

圖26 二道壩廊道豎向加速度時(shí)頻分析

（1）水墊塘底板和二道壩的豎向振動(dòng)響應(yīng)要大于其余兩個(gè)方向。三個(gè)方向的加速度均較小，最大加速度為縱4測(cè)點(diǎn)豎向加速度，其值為7.07 gal。水墊塘底板測(cè)點(diǎn)的加速度均表現(xiàn)為寬頻振動(dòng)，主頻不穩(wěn)定（見(jiàn)圖23—圖24），由此可說(shuō)明水墊塘底板區(qū)域的脈動(dòng)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(dòng)響應(yīng)主頻隨時(shí)間變化并存在間歇性低頻振動(dòng)，由此可推斷泄洪時(shí)二道壩附近存在能量較大且主頻隨時(shí)間變化的動(dòng)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(dòng)；時(shí)頻分析（見(jiàn)圖26）表明，二道壩縱1廊道的振動(dòng)卓越頻率呈現(xiàn)隨時(shí)間變化趨勢(shì)，當(dāng)卓越頻率下降到2.0 Hz以下時(shí)，加速度雖有所降低，但位移不斷增大，最大值達(dá)到0.95 mm。該間歇性低頻振動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)較大位移可能影響二道壩結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。因此，務(wù)必高度重視二道壩區(qū)域的間歇性低頻振動(dòng)問(wèn)題。

4 結(jié)論

針對(duì)溪洛渡深孔過(guò)流引起的振動(dòng)問(wèn)題，本文對(duì)冰樓、大壩廊道、深孔啟閉機(jī)平臺(tái)及水墊塘等部位開(kāi)展了振動(dòng)測(cè)試分析，得出以下主要結(jié)論：（1）對(duì)于制冰樓、拌合樓等柔性結(jié)構(gòu)，以橫河向振動(dòng)響應(yīng)為主，其振幅不影響正常運(yùn)行安全；（2）拱壩深孔過(guò)流時(shí)引起大壩527岸坡壩段廊道的振動(dòng)響應(yīng)較低，最大加速度不足0.1 gal，三個(gè)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(jī)平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較大，且振動(dòng)響應(yīng)第1階卓越頻率為1.83 Hz；通過(guò)啟閉機(jī)平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)與水墊塘振動(dòng)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(shuō)明該頻率為大壩第1階自振頻率。（4）對(duì)于水墊塘底板和二道壩等泄洪消能結(jié)構(gòu)，以豎向振動(dòng)響應(yīng)為主。最大加速度為縱4測(cè)點(diǎn)豎向加速度，其值為7.07 gal。水墊塘振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)主頻隨時(shí)間變化并存在間歇性低頻振動(dòng)，由此可推斷泄洪時(shí)二道壩附近存在能量較大且主頻隨時(shí)間變化的動(dòng)水壓力；該間歇性低頻振動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)較大位移可能影響二道壩結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。為確保溪洛渡水電站大流量泄洪時(shí)大壩關(guān)鍵部位的振動(dòng)安全，建議繼續(xù)對(duì)水墊塘、大壩廊道與啟閉機(jī)平臺(tái)、兩岸建筑等部位開(kāi)展長(zhǎng)期振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)水墊塘內(nèi)的間歇性低頻振動(dòng)予以高度重視并進(jìn)行深入分析研究。