基于原型观测的厂顶溢流式水电站厂房结构振动特性研究

张 龑，练继建，刘 昉，余晓华

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2. 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安710065)

水电站厂房是水电站中安装水轮机、水轮发电机和各种辅助设备的建筑物．它既是水工建筑物、机械和电气设备的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所，保持结构稳定尤为重要，其振动问题越来越为人们所重视[1]．传统水电站厂房结构的激振荷载主要来自水轮发电机组[2]，有关振动其特性及其对厂房振动的影响已有不少报道．马震岳等[3]将水轮发电机组引起的厂房振动原因分为水力、机械、电气等 3个方面；秦亮等[4]通过小波技术，对试验所测机组水压脉动及厂房结构振动频率进行识别，确定各种频率振动的动荷载来源；欧阳金惠等[5]通过数值模拟结合原型观测，总结出利用水轮机模型试验预测三峡水电站厂房结构振动的方法；练继建等[6]通过分析万家寨和李家峡水电站原型观测数据，研究水轮发电机组运行时结构竖向振动位移的大小及其产生的原因．然而，对于采用贯流式机组的厂顶溢流式水电站的厂房布置形式，厂房结构不仅支撑了整个贯流式机组，同时受泄流产生流激振动的影响，结构稳定性差；水轮机组运行的同时孔宣泄洪水，厂房结构振动表现为机组诱发结构振动和激流脉动两种振动形式，形成了振源更为复杂的机组-厂房-坝体结构的耦联体系振动．其次，厂坝结构中，上游、下游侧钢盖板(以下简称上、下游侧盖板)是薄弱和敏感部位，作为机组和厂房结构的组成部分，盖板不但与泄洪水流接触，而且受到机组运行的直接影响，掌握其与厂房结构产生振动时的相互关系十分重要．因此，研究厂房结构的振动特性以及机组运行和厂顶溢流对厂坝结构产生的影响成为一项新的课题．

本文首先根据某灯泡贯流式机组的厂顶溢流水电站原型观测资料建立有限元模型，分析厂房结构的自振特性，并进行共振复合；其次，通过观测数据，比较厂房结构、机组结构以及厂顶溢流结构在不同运行工况下的振动特性，分析机组运行及厂顶溢流对厂房结构的影响；最后，运用小波包技术对厂房结构及上游侧盖板振源进行识别，并分析两者振动的相关关系，以期全面把握这种厂房布置形式的振动特性，为同类工程的设计和运行提供理论依据．

1 厂房体型特点与原型测试工况

灯泡贯流式机组厂顶溢流水电站的厂房布置型式，是将溢洪道与厂房结合，溢洪道与部分或全部厂房结构在平面投影上重叠，共同使用一段挡水前沿的厂房设计．

某水电站枢纽工程是我国第 1座投入运行的灯泡贯流机组的厂顶溢流式水电站，其主要组成包括河床式厂房、厂顶泄洪表孔、泄水底孔、排沙孔等建筑物．电站布置5组贯流机组，单机容量为48,MW，额定转速为 107.1,r/min，额定流量为 335,m3/s，额定水头为16.1,m．同时，在1、3、4号机组的左侧设置了排沙孔．泄洪表孔分别布置于5组水轮发电机层之上．

原型观测试验共布置43个振动位移传感器和4个脉动压力传感器，主要分布于机组支撑结构、厂房所在坝段、厂顶溢流道等振动强烈或薄弱部位，厂房坝段及机组结构断面示意如图1所示．本次共进行3种工况试验：工况1，机组运行，排沙孔及表孔不泄洪的变负荷运行试验；工况 2，机组关闭，排沙孔全开，表孔闸门逐渐开启的变开度试验；工况 3，排沙孔全开，表孔局开 2.6,m，机组变负荷运行试验．全面测试机组运行为主振源、厂顶溢流为主振源以及两者共同作用下厂房结构的振动特性．

图1 厂房坝段及机组结构断面示意Fig.1 Sketch of section of powerhouse, dam and unit structure

2 厂房的自振特性分析

本文采用ANSYS有限元软件模拟试验结构，通过分析厂房主要结构型式，选取 1个厂房坝段，模拟水轮机及整个流道、表孔、排沙孔及尺寸大于 1,m的各类通道等结构，通过附加质量的形式，将起重设备等附属设备施加到相应节点．同时，坝基以下基础部分竖向延伸70,m，上下游方向均延伸70.5,m，两侧取至机组段分缝处．通过 6个自由度单元体模拟导墙、大体积混凝土结构及基岩；三维梁单元模拟厂房的立柱和梁格结构；上、下游结构迎水面动水压力考虑采用附加质量模拟．边界条件：地基底部施加固定全约束，四周法向链杆约束；混凝土结构四周为自由边界．水体与结构之间的流固耦合边界施加 FSI约束．厂房结构有限元模型和基岩-结构-水体有限元模型网格分别如图2和图3所示．

图2 厂房结构有限元模型网格Fig.2 Grid of finite element model of powerhouse structure

图3 基岩-结构-水体有限元模型网格Fig.3 Grid of finite element model of bed rock-structurewater

厂房结构的前 10阶自振频率如表 1所示．第 1阶自振频率为 2.84,Hz，振动型式表现为结构在横河向的摆动，第2阶自振频率为4.45,Hz，振动型式表现为结构的水平扭转，第3阶自振频率为5.36,Hz，振动型式是结构顺河向振动．前 3阶振型主要为混凝土整体结构不同方向的振动．第4、5阶振型主要为上、下游闸墩的横河向振动，第6～10阶主要为表孔底板的垂向振动．

表1 厂房结构前10阶自振频率Tab.1 The 1st ten natural frequencies of powerhouse

通常情况下，水轮机组振动引起的结构振动主要有 3个因素：水力因素、机械因素和电气因素．对于溢流式厂房，泄流产生的动水荷载及其脉动也可能是厂房振动激励源．以往研究[7-10]表明，低频、转频及其倍频、狭缝射流频率、转轮叶片振动和协联关系不正确引起振动的频率及其倍频以及高频是影响厂房结构振动的主要频率成分．其中，低频主要由泄流产生的水流脉动和机组运行过程中的水力因素造成，水流冲击厂房顶脉动荷载的优势频率分布在2,Hz以下[3]，水力原因中振动区的尾水涡带摆动频率为 0.297～0.595,Hz．转频是机组旋转的主频值，该水电站机组转频为 1.785,Hz，狭缝射流、转轮叶片振动和协联关系不正确引起振动的频率均为8.925,Hz．高频成分主要指频率为80～100,Hz的卡门涡引起的振动[11]．

结合有关规范[12]可知：①低频、转频及其倍频、高频与厂房结构产生共振的可能性基本不存在；②2倍转频与飞逸转频出现的概率相对于正常转频较低，其引起结构共振的可能性不大；③导叶数频率与结构的高阶自振频率理论上有共振可能，但是厂房结构出现高阶频率自振可能性小，其产生共振的可能均较低；④狭缝射流、转轮叶片振动和协联关系不正确引起振动的频率与结构第 4～7阶频率存在共振问题，但实际运行中，由于该水电站水头变幅的限制，机组出现转轮叶片数频率的几率较小，故产生共振的可能性较小．

3 贯流式机组与厂房振动的关系

水轮机组单独变负荷运行工况下，机组运行产生的振动为厂坝结构振动的主要激励源．选取机组结构上、下游侧盖板、管形座测点和厂房断面 A-A、B-B测点(见图 1)为例进行对比分析，试验结果采用平稳随机过程95%,置信度双幅值．

3.1 水平振动

机组运行工况下测点振动位移随机组负荷沿水平顺河向变化如图 4所示．可以看出，厂房与机组支撑结构测点振动情况随机组负荷变化规律相似，管形座振幅整体大于其余结构．各测点在低负荷区间振幅稳定，在 28.8～38.4,MW 负荷区间振幅增大，在满负荷运行时振幅达到最大值，其中管形座测点振幅的增幅较其他测点明显．

图4 机组运行工况下测点振动位移随机组负荷沿水平顺河向的变化Fig.4 Variation of vibration displacement of measurement points with unit load in downriver direction under unit operation condition

机组满负荷运行工况下测点水平顺河向振动功率谱如图 5所示．从图 5可以看出，机组单独运行时，上游侧盖板、厂房断面 B-B以及管形座测点在水平顺河向的频域分布相同，各测点主频均为 62.55 Hz，其他频率主要为 8.93 Hz、44.25 Hz、53.62 Hz、71.48 Hz、80.42,Hz，这些频率是转频，狭缝射流、转轮叶片振动和协联关系不正确引起振动的频率及其倍频．

图5 机组满负荷运行工况下测点水平顺河向振动功率谱Fig.5 Vibration power spectrum of measurement points in downriver direction under unit full load operating condition

3.2 竖向振动

机组运行工况下测点振动位移随机组负荷竖向变化如图 6所示．上游侧盖板振幅高于其他部位，其振动变化规律与管形座测点类似．整体呈现随着机组负荷的增大振动增强的特点．下游侧盖板、厂房断面 A-A、B-B及管形座测点振动变化规律相同，其中振动位移最大值出现在9.6,MW及48,MW负荷．

图6 机组运行工况下测点振动位移随机组负荷沿竖向的变化Fig.6 Vibration of displacement of measurement points with unit load in vertical direction under unit operation condition

机组满负荷运行工况下测点竖向振动功率谱如图7所示．

图7 机组满负荷运行工况下测点竖向振动功率谱Fig.7 Vibration power spectrum of measurement points in vertical direction under unit full load operating condition

根据各测点频率分布可知，厂房结构主频为35.74,Hz，上游侧盖板测点主频为 44.68,Hz，管形座测点主频为 53.61,Hz，均为狭缝射流、转轮叶片振动和协联关系不正确引起振动的频率及其倍频．另外，管形座与上游侧盖板在 53.62、62.66,Hz都有能量分布，厂房断面 B-B测点和上游侧盖板测点在 35.75、0.18,Hz上有能量分布，但 3个部位测点有相同频率分布情况较少．

总之，厂房结构与机组在水平顺河向的振动幅值随机组负荷变化的规律、频率分布规律均相同．管形座振幅及振动能量最大，其余结构振幅相近，厂房结构主要振动频率皆由机组振动引起．竖向振动方面，上、下游侧盖板振幅较大，厂房结构振幅次之，管形座振幅最小．管形座振动主要频率主要在厂房结构上得到体现．因此，机组结构水平向振动强于竖向振动，厂房结构振动明显受到了机组振动的影响．

4 水流脉动与厂房振动的关系

机组停止运行、排沙孔全开、溢流表孔变开度泄流工况下，厂顶水流荷载为厂坝结构振动的主要激励源．试验结果采用平稳随机过程95%置信度双幅值.

4.1 水平向振动

泄流工况下测点振动位移随闸门开度沿水平顺河向的变化如图 8所示．可以看出，闸门变开度运行工况下机组结构上、下游侧盖板的振幅较大；厂房结构振动平稳，其振幅次之；管形座结构振动平稳，其振幅最小．厂房结构和管形座振动随闸门开度的改变而变化的规律相似，上、下游侧盖板振动随闸门开度的改变振动规律相似．

图8 泄流工况下测点振动位移随闸门开度沿水平顺河向的变化Fig.8 Vibration of displacement of measurement points with gate opening level in downriver direction under discharging condition

泄流工况下测点水平顺河向振动功率谱如图 9所示．从频域上看，单独泄流时上游侧盖板主频为0.30,Hz，是水流荷载引起的振动，在 8.94,Hz也有能量分布．厂房断面 B-B主频为 8.94,Hz，管形座测点主频为 62.55,Hz，二者都是狭缝射流、转轮叶片数振动以及协联关系不正确等引起振动的频率及其倍频，同时，水流脉动引起的振动使得低频处也有能量分布.

图9 泄流工况下测点水平顺河向振动功率谱Fig.9 Vibration power spectrum of measurement points in downriver direction under discharge condition

4.2 竖向振动

泄流工况下测点振动位移随闸门开度沿竖向的变化如图 10所示．单独泄流时，厂房结构及管形座测点振幅整体较小且不随闸门开度变化，振幅在1,μm左右．上、下游侧盖板测点振幅随闸门开度增大而增大，在闸门全开时振幅有所减小．

图10 泄流工况下测点振动位移随闸门开度沿竖向的变化Fig.10 Vibration of displacement of measurement points with gate opening level in vertical direction under discharging condition

图11 泄流工况下测点竖向振动功率谱Fig.11 Vibration power spectrum of measurement points in vertical direction under discharge condition

泄流工况下测点竖向振动功率谱如图11所示.上游侧盖板测点竖向振动与顺河向振动频谱分布类似，主频为 0.35,Hz的水流脉动频率．管形座测点主频为 26.78,Hz，其他频率也主要集中在狭缝射流、转轮叶片振动以及协联关系不正确引起振动的频率及其倍频．厂房结构竖向振动受泄流的影响，在水流脉动频率区间出现振动能量分布，主频为0.83,Hz，其余频率分布主要集中于转频以及狭缝射流等引起振动的频率及其倍频，对于厂房的影响较泄流更大．

可以看出，泄流工况下厂房结构和管形座各向振动整体平稳且不随工况变化，振动能量也主要分布于机组运行引起的振动频率．这是因为单独泄流工况下 4号机组停机，但相邻机组仍在运行．上、下游侧盖板受水流荷载影响明显，各向主频都由水流脉动引起．说明泄流主要引起上、下游侧盖板的各向振动，对厂房各向振动影响有限，其引起振动的能量甚至小于相邻机组振动传递到厂房的振动能量．

5 厂房结构振源特性及其与钢盖板的振动响应关系

在机组运行的同时厂顶泄流工况，利用小波包技术对厂房断面 B-B测点及机组上游侧盖板测点振动峰值的各分频所占比重定量分解．

信号的小波分解可以表达为通过一组小波基来表示信号的不同成分，通过不同小波基的属性，达到时、频局部化分析目的．设信号函数的空间为 F，且f(t)∈F，则小波分解[13]可以表示为

式中：Z为整数集；Vi为基体尺度函数 Φ 生成的空间；Wi为小波包函数 Ψ 生成的空间．存在 fj∈Vj，gj∈Wj，则实测信号f(t)可以表示为

此即等带宽的局部信号的组合．其中，m为尺度序列，m＝{0, 1, 2, …, 2i-1}，n＝{0, 1, 2, …, 2i-1}．通过小波包实现信号的等带宽分解，以获得良好的频率局部化信息．

运用小波包对测点信号进行9层分解，并根据分解后信号频带的分布情况进行重构，得到厂房断面B-B测点在不同振源影响下的各分频信号，如图 12所示．

机组满负荷运行工况下测点水平顺河向振动振源比重如图 13所示．从振源组成上看，上游侧盖板和厂房断面 B-B测点的水平顺河向振动各频率所占比重几乎完全相同，狭缝射流振动、转轮叶片数振动以及协联关系不正确等引起振动的能量超过总能量的 60%,，总能量中只有 8%,左右来自于以水流脉动为主的低频．

图12 厂房断面B-B测点不同振源频谱Fig.12 Frequency spectra of different vibration sources of cross section B-B of powerhouse

图13 机组满负荷运行工况下测点水平顺河向振动振源比重Fig.13 Percentage of vibration sources of measurement points in downriver direction under unit full load operating condition

不同机组负荷工况下，上、下游侧盖板与厂房结构水平顺河向振动的相关性系数如表2所示．

表2 上、下游侧盖板与厂房结构水平顺河向振动相关性系数Tab.2 Correlation coefficient of steel plate of upstream and downstream and powerhouse in downriver vibration

由表 2可以看出：①上、下游侧盖板和厂房断面B-B测点水平顺河向振动随负荷变化的相关性系数均在 0.60以上，相关关系较好；在 38.4,MW 负荷工况下都达到0.77，可见此工况下两者的耦联振动特性明显；②上游侧盖板和厂房断面 A-A测点水平顺河向振动相关性系数较小，仅在 38.4～33.6,MW 负荷工况下相关性系数达到 0.7以上，其余工况下都在0.55左右；③从测试结果来看，机组与厂房结构的竖向振动相关规律性较弱；④在不同测点和不同负荷下，两者的相关性系数有高有低，并且均在 0.5～1.0之间，这是厂房结构和机组非线性耦联振动特性的一个表征．

6 结 论

(1) 通过共振复核，泄流产生水流脉动的频率与厂房结构各阶自振频率相差较大，共振产生的可能性基本不存在；水轮机叶片振动频率和狭缝射流以及协联关系不正确引起的频率，可能与上、下游闸墩顺河向及上、下游侧盖板竖向振动存在共振问题．因此，考虑此类结构可将上、下游框架修改为实体墙结构．

(2) 从原型观测数据分析来看，机组振动为厂房振动主要振源，厂顶溢流产生的水流脉动对厂房结构各向振动的影响微弱，这一点在水平顺河向能量传递上表现得更为明显．

(3) 厂顶溢流产生的水流脉动从厂顶向机组传递过程衰减明显，机组几乎不受水流脉动影响．

(4) 机组运行中产生的狭缝射流、转轮叶片振动及协联关系不正确等引起振动的频率及其倍频是厂房结构振动的主要来源，上、下游侧盖板与厂房结构水平向振动耦联性强，竖向较弱．今后可通过厂房内实时监测反映敏感结构的振动情况．

［1］ 李松辉，练继建. 水电站厂房结构模态参数的遗传识别方法[J]. 天津大学学报，2009，42(1)：11-16.Li Songhui，Lian Jijian. Genetic algorithm for hydraulic power house modal parameters identification[J]. Journal of Tianjin University，2009，42(1)：11-16(in Chinese).

［2］ 王 珂. 水力机组振动[M]. 北京：水利电力出版社，1986.Wang Ke. Vibration for Hydraulic Sets[M]. Beijing：Water Resources and Electric Power Press，1986(in Chinese).

［3］ 马震岳，董毓新. 水电站机组及厂房振动的研究与治理[M]. 北京：中国水利水电出版社，2004.Ma Zhenyue，Dong Yuxin. Vibration and Its Corrective Actions of Water Turbine Generator Set and Powerhouse[M]. Beijing：China Water Power Press，2004(in Chinese).

［4］ 秦 亮，王正伟. 水电站振源识别及其对厂房结构的影响研究[J]. 水力发电学报，2008，27(4)：135-140.Qin Liang，Wang Zhengwei. Study on identification of vibration source and the influence on hydropower plant structure[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2008，27(4)：135-140(in Chinese).

［5］ 欧阳金惠，陈厚群，张超然，等. 156,m 水位下三峡电站厂房振动计算与测试分析[J]. 水力发电学报，2008，27(6)：173-178.Ouyang Jinhui，Chen Houqun，Zhang Chaoran，et al.Computing and testing analysis on the vibration of Three Gorges hydropower house under the water level of 156,m[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2008，27(6)：173-178(in Chinese).

［6］ 练继建，秦 亮，何成连. 基于原型观测的水电站厂房结构振动分析[J]. 天津大学学报，2006，39(2)：176-179.Lian Jijian，Qin Lian，He Chenglian. Structural vibration of hydropower house based on prototype observation[J]. Journal of Tianjin University，2006，39(2)：176-179(in Chinese).

［7］ 曹 伟，张运良，马震岳，等. 厂顶溢流式水电站厂房振动分析[J]. 水利学报，2007，38(9)：1090-1095.Cao Wei，Zhang Yunliang，Ma Zhenyue，et al. Vibration analysis of roof overflow powerhouse[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2007，38(9)：1090-1095 (in Chinese).

［8］ 彭新民，崔广涛. 漫湾水电站厂房泄洪振动模拟研究[J]. 水利水电技术，2001，32(7)：44-48.Peng Xinmin，Cui Guangtao. Study on modeling of the discharge flow induced vibration for Manwan hydropower station[J]. Water Resources and Hydropower Engineering，2001，32(7)：44-48(in Chinese).

［9］ 《中国水力发电工程》编委会. 中国水力发电工程·水工卷[M]. 北京：中国电力出版社，2000.Editorial Board of Hydropower Engineering in China.Hydropower Engineering in China·Hydraulic Structures[M]. Beijing：China Electic Power Press，2000(in Chinese).

［10］ 练继建，王海军，秦 亮. 水电站厂房结构研究[M].中国水利水电出版社，2007.Lian Jijian，Wang Haijun，Qin Liang. Analysis on Hydraulic Power Station House[M]. Beijing：China Water Power Press，2007(in Chinese).

［11］ 练继建，张 龑，刘 昉，等. 厂顶溢流式水电站振源特性研究[J]. 振动与冲击，2013，32(18)：8-14.Lian Jijian，Zhang Yan，Liu Fang，et al. Vibration source characteristics of a roof overflow hydropower station[J]，Journal of Vibration and Shock，2013，32(18)：8-14(in Chinese).

［12］ 天津水利水电勘测设计研究院. SL 266—2001 水电站厂房设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2001.Tianjin Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower. SL 266—2001 Design Code for Hydropower House[S]. Beijing：China Water Power Press，2001(in Chinese).

［13］ 胡子谷，宓为建，石来德. 故障信号的小波包分解与诊断[J]. 振动与冲击，1998，7(2)：54-59，97.Hu Zigu，Mi Weijian，Shi Laide. On decomposition and diagnosis of fault vibration signal with wavelet principle [J]. Journal of Vibration and Shock，1998，7(2)：54-59，97(in Chinese).