基于模型试验的高坝泄洪诱发场地振动影响因素研究

张　龑， 练继建， 刘　昉， 张文皎， 李松辉

(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.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京　100038)



基于模型试验的高坝泄洪诱发场地振动影响因素研究

张龑1,2， 练继建1， 刘昉1， 张文皎1， 李松辉2

(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.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

高坝泄洪引起巨大水流脉动荷载产生的振动，通过地基沿河谷向上下游传播，结果会导致场地振动，对周围建筑物及居民正常生活造成不利影响。通过改进传统物理模型，结合原型观测建立关联体系，研究高坝泄洪诱发场地振动的振源特性，以及影响振动强度的关键因素。结果表明：通过一系列隔振、减振措施建立的完全水弹性模型，能较好的模拟实际泄洪振动情况；通过线性预测，能准确的反映实际场地振动情况。泄流时孔口处脉动荷载是诱发坝体地基以及场地振动的首要振源，导墙和底板荷载次之。泄洪过程中不同的孔口开启方式，以及不同的上、下游水位是影响场地振动强度的主要因素。通过调节泄流方式可以从振动源头上有效的控制场地振动强度。地基刚度较小区域会对场地振动产生放大效应。

水弹性模型；水流脉动荷载；泄流方式；振源；振动强度

高坝大库工程是水资源综合利用和水能资源开发的需要，一直倍受世界各国重视。由于高坝泄水时泄洪落差大，水体携带能量巨大，泄洪引起的水流脉动荷载会诱发泄流结构及其他水工建筑物产生振动，振动由大坝上部结构传递至大坝基础，进而通过地基传递至周边场地，对周边环境造成影响[1]。一直以来，高坝泄洪引起振动问题主要局限于泄洪建筑物本身，其引起周边环境振动的研究鲜有报道。原因在于高坝大库大多距离城市较远，泄洪引起的振动在传递过程中已经有很大的衰减；另外，泄洪引起的环境振动振幅和能量相对较小，其影响形式是一个长期累积过程，一般不会像地震那样造成较大而直接的破坏。然而，高坝泄洪引起的水流脉动荷载地基向周边场地传递过程中，遇到特殊的场地条件，会对振动产生“放大效应”，而场地上的房屋或其他建筑物又可能会对场地上的振动进行“二次放大”，经“多次放大”的场地振动会造成一定的环境危害，即对建筑物的结构安全和人的身体心理产生的不利影响。国内外有关高坝泄洪引起的周边环境振动，对建筑物的结构安全和人的身体心理产生影响已有事例。

俄罗斯的Zhigulevskaya水电站1979年汛期宣泄大洪水曾引起了左岸城市场地和房屋强烈振动，甚至在距大坝左岸3 km远处的居民楼也产生了可感振动。长期的场地振动导致大坝附近区域一些房屋开裂，使附近居民出现焦虑，头晕，恶心等现象[2]。我国溪洛渡水电站曾在主汛期坝身4个深孔开启泄洪，坝区下游右岸混凝土拌合系统的制冰楼(一栋5层钢结构建筑)发生明显振动[3]。2012年10月我国某水电站中孔开闸泄洪期间，中孔启闭机室声振、塔带机立柱振动，下游县城部分门店卷帘门晃动、民居及校舍的门窗响动、家具颤动、吊灯摆动等，振动现象引起坝区和城区民众的不安。

因此，对泄洪诱发场地振动问题进行研究十分必要。高坝泄洪产生的振动由水流引起，与水力学条件和泄流结构自身的动力特性有着密切关系。由于流固耦合振动机理较为复杂，通过完全水弹性模拟，建立流固耦合问题的物理模型，进行流激振动试验，是解决高坝泄洪流激振动问题的有效研究手段[4]。

本文以中国某底流消能水电站为研究背景，针对泄流诱发场地振动现象，提出传统水弹性模型的改进措施，结合原型观测资料，对模型进行修正。同时建立大坝与场地的关联体系，研究泄流诱发场地振动的振源特性及影响场地振动强度主要因素，以期为高坝结构减振研究提供理论基础。

1　工程简介

以国内某高坝为研究背景，该坝为混凝土重力坝，坝顶高程384.00 m，最大坝高162.00 m，坝顶长度909.26 m，正常蓄水位380.00 m，校核洪水位381.86 m，死水位及汛限水位370.00 m。坝身由12个表孔和10个中孔组成，采用表中孔间隔布置形式，由中导墙分割成两个对称的消能区，属于典型的高坝底流消能的布置形式。

水电站距下游县城区距离最近处仅为0.5 km，最远可达2.5 km。根据实际观测，下游县城靠近右岸山体一侧场地振感明显，存在振动放大现象。而根据下游场地的地质勘探成果：下游场地表面为砂层覆盖层，下部基础为泥岩。下游主城区靠近右岸山体一侧存在一条古河道，平均宽度200 m左右，古河道上的覆盖层最大厚度达80 m。与之相比，主城区其他区域的场地覆盖层厚度明显较小。不同区域位置见图1。

图1　水电站坝区与场地基础示意图Fig.1 Schematic diagram of the dam area and ground of the hydropower station

2　模拟原理

泄流激振的水弹性试验模拟，是对“结构-水体-地基-动荷载”四位一体的流固耦合振动系统的模拟，要求同时满足“动力荷载”输入系统相似和结构系统动力响应相似，即要求同时满足水力学条件和结构动力学条件相似[5]。

2.1底流消能水力学条件相似

水力学条件相似，即“动力荷载”输入系统相似，实质是按重力相似律设计的水力学模型中脉动压力相似律问题。天津大学通过系列比尺模型试验和原型观测对比，发现由整体边界或水流条件急剧变化引起的水流分离或扩散所导致的边壁压力脉动，主要是受低频大尺度涡漩运动控制，在雷诺数足够大的模型中大尺度涡旋运动能够得到较好的模拟，脉动压力可按重力相似定律引伸到原型。该结论通过不同比尺水跃模型试验(见图2～3)结合二滩水电站原型观测资料分析得出(见图4)。

图2　水跃脉动压力强度系数分布图Fig.2 Distribution of fluctuating pressure intensity coefficient of hydraulic jump

图3　不同比尺归一化功率谱图Fig.3 Normalized power spectrums of different scales

图4　二滩水电站水垫塘原型与模型数据比较(按重力律换算为原型)Fig.4 Comparison between prototype and model data of cushion pool of Ertan hydropower station(Conversion according to the law of gravitation)

2.2结构动力学条件相似

结构动力学条件相似指的是结构系统的动力响应相似，它与结构的频率、振型、阻尼等因素有关，包括几何条件相似、物理条件相似、运动条件相似、边界条件相似[6]。

依据水力学相似条件和结构动力学相似条件相协调的原则水弹性模型模拟时应该满足：等密度(λγs=1)、等阻尼比(λε=1)、弹性模量小(λE=λL)、等泊松比(λμ=1)等的相似准则，并合理地选取水域和地基的模拟范围来保证结构动力响应系统的相似[7]。

3　水弹性模型改进

3.1模型试验精度及影响因素

场地振动及大坝结构振动都属微幅振动，振动信号采集过程中易受噪声和干扰信号的影响。因此，在开展试验前需研究各种干扰因素对数据有效性的影响。首先，对试验场地背景振动情况进行24小时监测，各个时间段试验场地地面3个方向的加速度典型的监测结果见图5。

图5　试验场地地面背景振动Fig.5 Background vibration of the test ground

可以看出，地面的背景振动加速度均方根值在凌晨相对较低，在白天的8∶00-12∶00，14∶00-16∶00及17∶00-19∶00等几个时段振幅较大，主要由于在几个交通高峰时段，场地附近道路交通振动引起。原型较小流量(300～3 360 m3/s)时，消力池廊道地面各位置测点的竖向加速度均方根值范围为0.01～0.11 gal，因此，水弹模型基础的微小振动信号容易被试验场地的背景振动噪声淹没。

其次，试验过程中，水泵运行产生振动可能对结果产生影响，水泵运行前后试验场地测点竖向振动情况见图6，典型测点频谱见图7。

图6　水泵运行前后试验场地测点竖向振动Fig.6 Test ground vibration before and after the pump operation in vertical direction

图7　水泵运行前后试验场地测点竖向振动频谱图Fig.7 Test ground spectrum before and after the pump operation in vertical direction

可以看出，水泵开启后产生振动通过地基传递至水弹性模型基础，引起模型基础振动增大，8个基础测点的竖向加速度均方根整体提高10%左右。开泵前，模型基础背景振动优势频带在0～20 Hz；开泵后，基础测点谱图高频成分比重普遍有所增加，并在24.5 Hz附近出现了一个峰值，水泵转速为24.5 r/s，因此，增加的振动正是由水泵运行引起。

图8　距模型基础不同距离人工激励加速度衰减Fig.8 Acceleration attenuation from different distance of model based on the artificial excitation

可以看出，对于同一种人工激励方式，激振力相同，随着激励点距离增大，水弹性模型基础的振动加速度有所减小。当距离达到7 m左右时，随着距离的进一步增大，水弹性模型基础的加速度衰减较慢。同时，尾水达到7 m时，水流平顺。

3.2改进措施

通过对影响因素的分析，在制作水弹模型时，底部素填土基础进行开挖置换加固处理，浇注成C50混凝土基础(长7 m×宽7 m×深1.5 m)，并在基础四周预留一条隔振沟(宽10 cm×深1.5 m)，以减小背景振动及水泵运行产生振动对模型的影响。另外，为了防止水弹性模型上、下游衔接段形成背景振动至水弹模型的振动传递路径，在上、下游衔接段与水弹模型连接处采用橡胶带形成软连接，减小模型周边振动对水弹模型试验的影响。同时，跌水位置选定在距水弹性模型基础末端下游7 m处。图9为模型隔振、减振措施。

改进后的试验模型隔振沟内外测点功率谱图见图10。水泵开启前后，隔振系统对振源的高频成分皆有一定的隔振效果，隔振沟内外地面的低频背景振动情况较为一致。从幅值上看，隔振沟内外地面测点竖向加速度均方根值从0.055 gal减小为0.034 gal。试验进行(水泵运行)过程中，隔振沟外地面的高频成分明显增大(0～200 Hz)，而隔振沟内水弹模型地面的高频成分作用明显降低。隔振沟内外地面测点竖向加速度均方根值从0.081 gal减小为0.052 gal。因此，该减振隔振系统，能有效减小水弹模型外部振动源的干扰。

在此基础上建立模型比尺1∶80的两个消力池、模拟地基(长500 m×宽400 m×深90 m)的完全水弹性模型，见图11。振动加速度传感器测点布置见图12。

3.3结果修正及验证

某泄洪工况场地竖向振动实测相对幅值见图13。其中，T1、T2和T3为大坝测点，其余为场地测点。以场地振幅最大测点T9测点为例，统计出13个典型的原型观测工况，对应进行模型试验研究。典型工况见表1，模型各结构各测点与原型T9测点竖向振动振幅对比见图14。

我经常在厨房听音频，与其说厨房的活儿干得时间够长，足够听完一期《奇葩说》，不如说厨房里总有干不完的活儿：洗菜、切菜、炒菜、清理水池、擦洗灶台……这些活儿，很难想象不听着点儿啥的话，能坚持干完哪怕一件。

从图14中可知，水弹性模型各基础测点与原型场地T9测点的竖向振动变化趋势和规律较为一致：首先，振动强度整体上随消力池过流量增大而增大；其次，振动强度对泄洪方式比较敏感，不利的开孔方式能明显增大振动强度。水弹性模型测点振动加速度与原型T9测点振动位移的相关性分析见图15。

可以看出，模型消力池基础内、坝踵基础测点与原型场地振动的相关系数分别为0.84和0.86，而水弹模型基础其余测点的竖向加速度与原型T9测点的实测竖向位移、竖向加速度的相关系数在0.71～0.89内，相关性较高。因此，试验结果可以有效反映实际泄流状况。

图10　隔振沟内外地面测点竖向振动功率谱密度对比Fig.10 The comparison of power spectrums between inside and outside isolation trench in vertical direction

图11　水弹性模型Fig.11 Water elastic model

图12　振动加速度传感器测点布置图(黑色圆点表示传感器所在位置)Fig.12 Arrangement of measuring points of vibration acceleration sensor(The black dots indicate the location of sensors)

图13　实测场地竖向振动位移Fig.13 Ground vibration displacements in flow direction

工况编号消力池流量/(m3·s-1)泄洪工况13306#、10#中孔局开1.3m23601#、5#中孔局开1.5m35501#、5#中孔局开2.4m46861#、5#中孔局开1.4m,2#、4#中孔局开1.3m57006#、10#中孔局开3.1m69406#、8#、10#中孔局开2.4m79601#、5#中孔局开4.5m811006#、8#、10#中孔局开3.3m929001#、3#、5#中孔局开3.0m,6#、8#、10#中孔局开3.6m,7#、9#中孔局开3.4m1033201#、3#、5#中孔局开3.9m,2#、4#中孔局开3.4m,6#、8#、10#中孔局开2.8m,7#、9#中孔局开2.4m1133601#、3#、5#中孔局开4.4m,6#、8#、10#中孔局开3.6m,7#、9#中孔局开3.2m1234301#、3#、5#中孔局开3.9m,2#、4#中孔局开3.5m,6#、8#、10#中孔局开2.8m,7#、9#中孔局开2.6m136600左池5中孔局开6.0m,右池5中孔局开5.8m

图14　模型各测点振动与原型T9测点竖向振动对比Fig.14 Comparison of vertical vibration between the model measuring points and the prototype measuring point T9

图15　模型消力池基础测点Fig.15 Correlation between measuring points of the base of stilling pool

研究泄流诱发场地振动相关问题时，建立大坝模型与场地原型观测数据的联系是进行各种分析的前提。在模型上进行反演2013年和2014年所有原型泄洪工况，根据试验结果，对场地振动进行线性预测，T9竖向振动加速度预测值与实测值对比见图16。

图16　2013年与2014年T9竖向振动加速度预测值与实测值对比Fig.16 Comparison between the prediction value and the measured value of acceleration in vertical direction in the year of 2013 and 2014

可以看出，T9测点的竖向加速度预测结果与原型实测结果吻合较好，不同流态与泄洪方式对原型场地振动的影响都能通过水弹性模型得到直接的反映。因此，可通过以上改进措施建立水弹性模型，并根据各种泄洪工况下水弹性模型的振动规律，来研究泄洪诱发下游场地的振动问题。

4　泄流诱发场地振动特性

4.1振源分析

泄洪诱发结构及周边场地振动问题的研究，首先要正确判断产生振动的机制，一般包括外部诱发的振动、不确定诱发的振动和运动诱发的振动，其中最重要的是外部诱发的振动，它是由水流脉动及压力脉动引起的[8]。在泄流结构自身条件一定的情况下，泄流状态下不同类型和特征的水流脉动荷载对于结构振动的产生、分布和传递起到了关键性作用，不同荷载振源对泄洪诱发结构及场地振动所做的贡献也不同[9]。该水电站采用表、中孔联合的底流泄流消能方式，通过消力池内形成淹没水跃产生表面旋滚和水流间强烈的紊动剪切来消除下泄水流的动能，同时在表孔或中孔溢流面和边墙上产生水流脉动荷载，这些荷载都有可能成为场地振动振源。在泄流状态下可能出现的水流脉动荷载有：孔口脉动荷载、消力池底板脉动荷载、导墙脉动荷载、尾坎脉动荷载以及跌坎脉动荷载[10]，荷载位置见图17。

图17　荷载位置图Fig.17 Loads positions

试验测定了不同工况下各个振源的荷载变化情况。通过试验发现，不同泄流方式的振源比重不尽相同，结果见图18。两种泄洪方式水流流态见图19。

图18　不同泄洪工况振源脉压强度百分比Fig.18 Percentage of energy generated by vibration sources under different discharging conditions

图19　不同泄洪工况水流流态Fig.19 Flow patterns under different discharging conditions

从柱状图可以看出，不同泄流方式作用在溢流坝上的孔口振动能量均大于其他位置。表孔泄洪情况下，导墙的振动能量仅次于孔口荷载，消力池底板与尾坎振动能量相当且小于导墙处，跌坎振动能量最小。中孔泄洪情况下，消力池底板的振动能量增大，仅次于孔口荷载，导墙振动能量有所减小，尾坎与跌坎与表孔泄流时振动能量比重相当。

根据泄水过程水流流态可以看出，不同工况泄水过程中，溢流坝孔口出口段水流条件极为复杂，紊动最为强烈，因此，孔口荷载产生振动最为复杂且能量巨大。中孔泄流时出流水舌由于出口高程较低，进入消力池后形成淹没射流，水舌以较大的流速冲击到消力池底板，在底板上产生较大的脉动压力，因此其产生脉动压力增大。表孔泄流时出流水舌出口高程相对较高，距消力池底板的距离更远，主流进入消力池后主要在表层形成表面旋滚，对底板的冲击较小，但导墙的脉动压力增大。两种泄流方式的下泄水流流经尾坎与跌坎时都已达到稳定状态，产生能量相当。

4.2场地振动影响因素

4.2.1泄洪方式

验证模型有效性时发现，下游场地振动强度与泄洪流量及泄洪方式关系密切，其具体表现为表孔、中孔开启方式，上游水位、下游水位的变化等。因此，通过控制单一变量原则，研究以上因素对场地振动的影响。试验所得各因素影响下，场地T9测点振动预测结果见图20～24。

图23　不同下游水位T9测点竖向振动加速度预测Fig.23 Prediction of vertical vibration acceleration of T9 with different downstream water level

图24　不同泄洪方式振动情况对比Fig.24 Vertical vibration acceleration of T9 under different discharge conditions

从图20～22可知，不同的孔口开启方式振动规律差异较大。中孔与表孔单独运行时，振动随开度增大而增大，其中，中孔存在不利运行区，不利开度范围在5～7 m左右，此时泄流产生漩滚在孔口处，因此在孔口产生较大脉动荷载。小开度流量较小，大开度时水流流速与脉动能量增大，产生漩滚远离孔口，两者在孔口处产生脉动荷载较小。表孔运行工况不存在不利运行区，但在大开度时振动强度增长幅度有所减小。表中孔联合泄洪时，场地振动对中孔的开度更为敏感，开度为1～4 m时，振幅显著减小。从图23可知，下游水位越高，振幅越小。而从图24可知，上游水位越高，振动越强，但与流量增长速度相比，振幅增长量可以忽略。另外，同流量级下，表孔泄洪时场地振动强度最大，中孔泄洪时振动次之，且存在明显的不利运行区间，表中孔联合泄洪时振动强度明显小于同流量其余工况。

4.2.2场地基础

观测资料显示，该水电站下游场地振动强度分布有所不同，靠近右岸山体一侧古河道区域出现振动放大现象，左侧非古河道区域振动强度不大，泄洪前后场地古河道与非古河道实测工况下典型测点竖向振动功率谱见图25和图26。

图25　场地古河道区域T9测点振动功率谱密度谱Fig.25 Vibration power spectrum density of T9 in the area of the ancient river channel

图26　场地非古河道区域T12测点振动功率谱密度谱Fig.26 Vibration power spectrum density of T12 in the area of the non-ancient river channel

将场地典型频谱分布与场地地质条件结合不难发现，在大坝右岸下游场地范围，场地的背景振动幅值较小，频谱特性有明显的规律：由于古河道上厚覆盖层的影响，地基刚度相对较小，场地较“软”，自振频率较低，在低频振动激励下，一定程度上激发了地基的自振，背景振动响应频谱反映出了地基的自振特性。在古河道区域测点所在位置覆盖层越厚，背景振动响应频谱中的地基自振特性越明显；其他区域覆盖层较浅，地基刚度相对较大，场地较“硬”，自振频率较高，表现为低频振动激励下的随机受迫振动，其背景振动响应频谱反映的是地脉动振源的频率特性。

5　结　论

文章利用水弹性模型试验结合原型观测资料，研究高坝泄流引起周围场地振动振源以及影响振动强度因素。研究发现：

首先，传统的物理模型受环境振动、试验设备以及其他因素影响，试验结果难以反映场地振动情况。因此，建立模型前，通过对模型底部素填土基础进行开挖置换加固处理，并在基础四周预留一条隔振沟，并在上、下游衔接段与水弹模型连接处采用橡胶带形成软连接可以有效减小水弹模型外部振动源的干扰。同时，模型试验反演实际泄洪工况结果与实测场地振动变化规律一致，相关性较高。其预测结果真实反映实际场地振动情况。

其次，大坝在泄流状态下可能出现孔口脉动荷载、消力池底板脉动荷载、导墙脉动荷载、尾坎脉动荷载以及跌坎脉动荷载，这些荷载成为影响场地振动的主要振源。不同泄流方式下，作用在孔口的振动能量远大于其他位置；中孔泄洪情况下，除了孔口振动能量为主要振源外，消力池底板的振动能量较大；表孔泄洪情况下，导墙的振动能量增大到第二，底板的振动能量小于尾坎，减小到第四。

最后，泄水过程中，孔口开启方式、上下游水位、消力池内流水流流态等因素对场地振动强度有不同程度的影响，而表孔与中孔联合泄洪并避开中孔不利运行区是减小场地振动的有利运行工况；不同的场地土体条件对振动的传播有较大影响，地基刚度较小区域易激发土体自振，从而产生振动放大效应。

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Influencing factors of the ground vibration induced by flood discharge of high dams based on model experiments

ZHANG Yan1,2, LIAN Jijian1, LIU Fang1, ZHANG Wenjiao1, LI Songhui2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072, China;2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institate of Water Resoures and Hydropower Research, Beijing 100038,China)

While flood is discharged in a high dam, the vibration generated by huge flow fluctuating load can be transmitted to upstream and downstream along the river through the ground, which results in ground vibration and is harmful to the neighboring residents and buildings. In this paper, the traditional physical model was improved, and then a correlation system was established by combining the model with prototype observations. Further, the characteristics of vibration sources as well as factors influencing vibration intensities were investigated. The results show that the established hydroelastic model with a series of vibration isolation and vibration damping can simulate the flood discharging conditions and reflect the ground vibration accurately through a linear prediction. The vibration energy of orifice is the primary vibration source of ground vibration, and the secondary vibration source is the load of guide wall and stilling pool base slab. The orifice opening modes, upstream and downstream water levels seriously influence the vibration intensity of ground. So it suggests to control the vibration intensity from the sources through regulating the discharge modes. The vibration will be amplified when the foundation stiffness is small.

hydroelastic model; flow fluctuating load; discharge modes; vibration source; vibration intensity

国家自然科学基金资助项目(51379140;51209158;51379177);中国水科院科研专项(1513)

2015-04-28修改稿收到日期：2015-08-18

张龑 男，博士，1988年11月生

练继建 男，教授，博士生导师，1965年8月生

TV61

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.16.006