郭建強，許亮華，王少華，羅國虎，倪馬兵，歐陽金惠

（1．安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省金寨縣 237333；2．中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100048；3．中國長江三峽集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，北京市 100038）

0 引言

國內(nèi)許多已投產(chǎn)的抽水蓄能電站在運行中發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能電站的機組及廠房普遍存在振動問題。由于抽水蓄能電站的機組雙向轉(zhuǎn)換運行，抽水與發(fā)電工況頻繁轉(zhuǎn)換，加上機組高水頭運行，造成了機組及廠房的振動問題突出[1，2]。國內(nèi)許多抽水蓄能電站在機組運行期間，廠房振動強烈、噪聲超標，對運行人員的工作環(huán)境及身心健康造成了不利影響[3]；嚴重的甚至還造成廠房局部結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)安全問題[4]。

中國水利水電科學(xué)研究院聯(lián)合國網(wǎng)新源公司對抽水蓄能電站機組及廠房振動問題的研究已開展多年。隨著對振動問題研究的深入，也發(fā)現(xiàn)了大型抽水蓄能電站除機組及廠房振動以外，在其輸水管道區(qū)域也存在振動和噪聲影響，這是以往未關(guān)注到的問題。通過測試分析表明抽水蓄能電站機組運行不僅引起廠房振動問題，也會在輸水管道區(qū)域引發(fā)振動和噪聲。目前在兩座抽水蓄能電站（Ⅰ抽水蓄能電站、Ⅱ抽水蓄能電站）的振動問題研究中發(fā)現(xiàn)，廠房機組的發(fā)電和抽水運行會在輸水管道區(qū)域的山谷和建筑物內(nèi)產(chǎn)生一定的噪聲影響，這是電站在建設(shè)規(guī)劃時所沒有預(yù)料到的。

大型抽水蓄能電站需要運行水頭高，設(shè)計的輸水管道很長，輸水管道涉及區(qū)域的面積就較大。已投產(chǎn)的抽水蓄能電站中的多數(shù)電站在該區(qū)域并沒有居民居住，所以對輸水管道區(qū)域的振動和噪聲少有關(guān)注。本文通過兩座抽水蓄能電站輸水管道區(qū)域的振動噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，研究抽水蓄能電站機組運行對輸水管道區(qū)域環(huán)境造成振動和噪聲影響的特點和規(guī)律，為新建的抽水蓄能電站避免出現(xiàn)類似問題提供參考。

1 Ⅰ抽水蓄能電站輸水管道區(qū)域振動和噪聲測試分析

1.1 Ⅰ抽水蓄能電站簡介

Ⅰ抽水蓄能電站，總裝機容量1200MW，上下庫相距約2km，上下水庫水頭落差約440m，其中，輸水系統(tǒng)采用一洞二機的布置型式，單條引水隧洞總長約1147.8m。輸水管道前端部分在村莊的地下穿過。居民區(qū)和輸水管的位置關(guān)系如圖1所示，具體地形和前洋村居民區(qū)所在位置在圖2 所示的A 區(qū)和B 區(qū)位置（按居民區(qū)所在區(qū)域的基巖風(fēng)化特點又將居民區(qū)劃分成A 區(qū)和B 區(qū)，地質(zhì)調(diào)查表明A 區(qū)的基巖風(fēng)化程度相對較高，且覆蓋層相對較厚；B 區(qū)的基巖風(fēng)化程度相對較低，覆蓋層較?。?，大部分建筑物處于B 區(qū)位置。

圖2 居民住宅區(qū)（左圖：紅色標示區(qū)，右圖：A 區(qū)與B 區(qū)）Figure 2 Residential area（left ：Red marked area，right：Area A and area B）

1.2 Ⅰ抽水蓄能電站廠房振動分析

通過對Ⅰ抽水蓄能電站廠房的振動監(jiān)測結(jié)果（見圖3）分析表明：廠房結(jié)構(gòu)的振動加速度頻譜主頻為128.60Hz。電站機組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，正常轉(zhuǎn)速為428.6r/min（即7.14Hz），1 倍的機組過流頻率為7.14×9=64.29Hz，128.58Hz是2 倍的機組過流頻率，表明廠房結(jié)構(gòu)的主振源來自水力脈動[5]。

圖3 廠房振動的三向時程曲線和頻譜圖Figure 3 Three dimensional time history curves and spectrum diagrams of plant vibration

1.3 I 抽水蓄能電站輸水管道區(qū)域振動和噪聲測試分析

電站自投入運行后，輸水管道上方區(qū)域居民反映房屋內(nèi)有噪聲影響。為此，I 抽水蓄能電站對該村所在的居民區(qū)組織開展了噪聲與振動的普查性測試。

（1）振動測試。振動普查測試分析結(jié)果表明居民區(qū)的地面振動基本為無感振動，最大值均小于1gal，另外分析表明處于A 區(qū)的建筑物地面振動要小于B 區(qū)的房屋地面振動。為了輸水管道區(qū)域自然環(huán)境的振動情況，在附近基巖上進行了振動測試。通過對比基巖測點在機組運行前（見圖4）和機組運行后（見圖5）的振動加速度頻譜圖看出：運行前，基巖振動頻譜中主頻特征不明顯，而機組運行后的測點振動頻譜中明顯出現(xiàn)了128.6Hz 主頻，表明輸水管道區(qū)域產(chǎn)生振動的振源和廠房結(jié)構(gòu)振動振源一致，都是2 倍頻機組過流頻率的水力脈動。從進水口附近和居民區(qū)的測點振動監(jiān)測數(shù)據(jù)頻譜圖（見圖6 和圖7）看出，輸水管道區(qū)域從進水口到居民區(qū)普遍也都受到2 倍頻機組過流頻率的水力脈動影響，產(chǎn)生了輕微受迫振動。

圖4 山坳基巖上本底振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，機組未運行）Figure 4 Time history（left）and frequency spectrum（right）of background vibration on bedrock of mountain depression（Z direction，no unit operation）

圖5 山坳基巖振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，4 號機組發(fā)電）Figure 5 Time history（left）and frequency spectrum（right）of bedrock vibration in mountain depression（Z direction，4# unit in operation）

圖6 上庫進水口附近保安室地面振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，1 號與3 號機組發(fā)電）Figure 6 Ground vibration time history（left）and frequency spectrum（right）of the security room near the water inlet of the upper reservoir（Z direction，1# unit and 3# unit in operation）

圖7 民居門廳地面振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，2、3、4 號機組發(fā)電）Figure 7 Time history（left）and frequency spectrum（right）of ground vibration in the lobby of residential buildings（Z direction，2# unit and 3# unit and 4# unit in operation）

（2）輸水管道區(qū)域噪聲測試。結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測表明居民區(qū)的振動為無感或者輕微有感，但通過噪聲監(jiān)測表明這種微小振動也能引發(fā)一定影響的結(jié)構(gòu)噪聲。從現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這是一種單一頻段的噪聲，容易發(fā)生在較小且比較封閉的建筑物、通風(fēng)不暢的山坳和進水口附近。這些形同音箱構(gòu)造的位置，輸入的振動雖然較小，但也能引起結(jié)構(gòu)周邊空氣隨同持續(xù)振動，經(jīng)過時間積累，會引發(fā)相對封閉空間內(nèi)空氣振動從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，聽起來是持續(xù)類似嗡嗡的悶響聲，這種單調(diào)的結(jié)構(gòu)噪聲雖然強度不大，但會引發(fā)聲音敏感人士產(chǎn)生煩躁心理。村莊建筑物多為比較為低矮、單層的土坯房：窗戶小、房間小，房屋本身不太穩(wěn)固更是放大了結(jié)構(gòu)噪聲。通過測試表明：在開闊空曠的室外環(huán)境，這種結(jié)構(gòu)噪聲基本消失。

通過噪聲監(jiān)測分析的倍頻程頻譜（見圖8），可以看出頻譜中噪聲級最大的頻段正是處在2 倍頻過流頻率（128.6Hz）所在的125Hz 倍頻程上。通過普查性的噪聲監(jiān)測并統(tǒng)計，部分建筑物噪聲測點的125Hz 倍頻程的聲壓級與機組工況變化關(guān)系的曲線見圖9，從建筑物內(nèi)監(jiān)測的噪聲聲壓級統(tǒng)計結(jié)果看，機組開啟，125Hz 倍頻程的結(jié)構(gòu)噪聲明顯增大。頻率特征表明，輸水管道區(qū)域噪聲主要是因為機組運行而產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)噪聲。隨機組運行，管道內(nèi)水力脈動引發(fā)產(chǎn)生的振動沿著管道、覆蓋層向建筑物傳播，在居民居住環(huán)境中產(chǎn)生噪聲影響。

圖8 居民區(qū)噪聲倍頻程頻譜Figure 8 Octave frequency spectrum of noise in residential area

圖9 部分建筑物內(nèi)噪聲級與機組運行狀態(tài)變化的關(guān)系Figure 9 Relationship between noise level in some buildings and changes in unit operation state

《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3096—2008）規(guī)定，鄉(xiāng)村原則上執(zhí)行1 類聲環(huán)境功能區(qū)要求。該標準對于1 類聲環(huán)境功能區(qū)的125Hz 倍頻程聲壓級規(guī)定：晝間不超過48dB、夜間不超過39dB。參照該標準，圖9 中部分建筑物內(nèi)測試統(tǒng)計的倍頻程聲壓級已超過該標準2dB，可見廠房振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲對周邊環(huán)境產(chǎn)生了一定的干擾影響。

1.4 Ⅰ抽水蓄能電站輸水管道區(qū)域振動和噪聲測試分析小結(jié)

（1）機組發(fā)電或抽水運行期間，居民區(qū)地面振動、結(jié)構(gòu)噪聲的主頻（128.6Hz）與廠房振動主頻完全一致，均為機組過流頻率的2 倍頻，表明振動和噪聲的振源來自機組運行，是機組運行產(chǎn)生的水力脈動。

（2）機組運行引發(fā)輸水管道區(qū)域建筑物的地面振動基本屬于無感振動，部分建筑物的結(jié)構(gòu)噪聲略高于《社會生活環(huán)境噪聲排放標準》（GB 22337—2008）規(guī)定的標準。

（3）所處基巖風(fēng)化程度相對較高且覆蓋層相對較厚的A區(qū)建筑物的地面振動和結(jié)構(gòu)噪聲要小于B 區(qū)的建筑物，表明這種振動傳播受覆蓋層風(fēng)化程度和厚度影響：覆蓋層風(fēng)化程度越高、覆蓋層越厚，振動傳播衰減越快。

2 Ⅱ抽水蓄能電站輸水管道區(qū)域振動監(jiān)測分析

2.1 Ⅱ抽水蓄能電站簡介

Ⅱ抽水蓄能電站，總裝機容量1200MW。Ⅱ抽水蓄能電站下庫區(qū)域分布有居民區(qū)，電站運行后有居民反映存在振動和噪聲問題，電站針對該問題在下庫區(qū)域的居民區(qū)房屋和基巖展開環(huán)境振動問題研究[6]，主要是振動測試分析研究。通過現(xiàn)場查勘，選定了高壓岔管（輸水管道）覆蓋層上方的居民樓（見圖10）和基巖開展振動測試。

圖10 監(jiān)測點居民樓位置示意圖Figure 10 Location of residential buildings at monitoring points

2.2 振動監(jiān)測統(tǒng)計分析

通過監(jiān)測分析表明，機組滿負荷發(fā)電運行時輸水管道居民樓的振動加速度最大值均超過3.0gal，已經(jīng)屬于有感振動；而基巖上振動加速度最大值低于1.0gal，屬于無感振動；另外，機組在抽水運行時居民樓的振動很小，屬于無感振動。通過測試數(shù)據(jù)的頻譜分析：廠房和居民樓的振動加速度頻譜主頻為90.0Hz。B 抽水蓄能電站機組的2 倍過流頻率正是90Hz，推斷居民樓和廠房的振動振源同樣是機組流道的水力脈動。

2.3 機組變負荷發(fā)電工況試驗

輸水管道居民樓測點和廠房測點同時開展了機組變負荷發(fā)電工況的振動測試試驗，機組有功從90MW 開始，逐漸增大到300MW，有功遞增幅度為30MW。經(jīng)過測試分析統(tǒng)計，廠房振動測點和居民樓測點的變負荷工況監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果分別見圖11 和圖12?？梢钥闯?，隨機組有功的遞增變化，廠房振動和居民樓振動的變化趨勢基本相似。相似的振動變化規(guī)律進一步表明：輸水管道區(qū)域的振動和廠房振動均和機組運行工況密切關(guān)聯(lián)，受到機組不同運行工況下的流道內(nèi)水力脈動的變化影響。

圖11 居民區(qū)測點加速度峰值與機組有功變化曲線Figure 11 Correlation curves between peak acceleration of measuring points in residential area and changes of unit active power

圖12 廠房樓板測點Z 向振動響應(yīng)與機組有功變化曲線Figure 12 Correlation curves between Z-direction vibration responses of measuring points of powerhouse floor and changes of unit active power

3 結(jié)論

通過以上兩個大型抽水蓄能電站輸水管道區(qū)域的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析表明，機組運行產(chǎn)生水力脈動不僅能引起廠房振動，還能引起輸水管道產(chǎn)生振動，振動并會沿著輸水管道覆蓋層向地表傳播。總體來說，有以下結(jié)論：

（1）總體上輸水管道區(qū)域的振動介于無感振動和輕微有感振動之間，這種振動不會引起結(jié)構(gòu)安全問題。

（2）機組運行引發(fā)的輸水管道區(qū)域振動會在山坳和相對較封閉的居民建筑里產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)噪聲影響，另外進水口附近的振動和噪聲也很明顯。

（3）輸水管道區(qū)域附近如果存在居民區(qū)，這種結(jié)構(gòu)噪聲可能超標，對居民生活有一定干擾。

因此，輸水管道區(qū)域的振動和結(jié)構(gòu)噪聲問題需要引起關(guān)注，特別是新建抽水蓄能電站，在規(guī)劃選址時需要關(guān)注。為避免后期處理類似問題需要追加較大投入（附注：兩個電站目前已花費較大成本解決結(jié)構(gòu)噪聲影響的問題），新建抽水蓄能電站在設(shè)計階段進行輸水管道區(qū)域規(guī)劃時，盡量考慮避開居民點，或者加大埋深保證輸水管道上方的覆蓋層足夠厚，減小振動和噪聲影響。