龙羊峡水电站大坝振动分析与安全评价

马正龙，李长和

（黄河上游水电开发有限责任公司，青海省西宁市 810016）

0 引言

龙羊峡水电站在经历高水位运行时，坝顶、尾水平台等部位的振感比较明显，出于对工程安全性的考虑，在2005年高水位运行工况下，西北电力试验研究院通过在大坝不同部位布置加速度传感器，并借用机组稳定性测试成果对龙羊峡水电站坝体振动情况进行了幅值分析和频谱分析，做了相应的安全性评价，并对振源进行了推断。2005年的大坝振动测试分析提出了确定坝体主要振源的基本思路，并利用振动测试成果对大坝安全运行进行了评价，但该试验由于测试周期的局限性，无法进一步分析库水位、机组负荷变化与大坝振动之间存在的关系。

龙羊峡大坝强震监测系统于2009年进行技术改造后，具备了大坝强震实时监测能力，但数字化强震观测数据一直未得到应用。因此，本文利用龙羊峡水电站数字化强震观测数据，以及以往的机组稳定性测试成果与2005年大坝振动测试分析成果，对龙羊峡大坝振动的原因及规律进一步深入分析，评价大坝振动的安全性，为今后运行管理单位能够更好地了解龙羊峡大坝运行规律提供依据。

1 研究区概况

1.1 工程概况

龙羊峡水电站位于黄河上游青海省共和、贵南两县交界处的黄河龙羊峡进口处，距西宁市147km。工程任务以发电为主。水库正常蓄水位2600m，相应库容247亿m3。工程枢纽由主坝，左、右岸重力墩，左、右岸副坝，溢洪道、泄水建筑物，水电站引水系统、坝后厂房、厂坝间副厂房等组成。电站安装有4台水轮发电机组，单机容量32万kW，总装机容量128万kW。电站工程地质条件极为复杂，处于我国西部高地震烈度区。坝址区基本烈度为Ⅶ度，根据工程的重要性和水库诱发地震的可能，大坝按Ⅷ度地震设计设防。

1.2 强震监测系统概况

龙羊峡大坝强震监测系统始建于1986年，经过多年运行，于2009年对强震系统进行了技术改造，改造后的强震监测系统采用TDA-23电子加速度计和TDA324FA/CA数字采集器，该系统动态范围较大、灵敏度高、抗机械冲击能力较强，监测能力可以达到-2g～+2g，而且能监测到0～100Hz的强震动反应，并通过网络技术实现了大坝强震动的实时监测能力。龙羊峡强震监测系统网络结构图见图1。

图1 龙羊峡强震系统网络结构图Fig.1 Network structure diagram of the Longyangxia strong motion system

该强震监测系统分布有13个观测点（坝内12个观测点，1个自由场点），共39个监测分向，测点沿拱冠梁从坝顶到坝基、1/4拱圈处，坝肩布置，拱坝的拱座沿不同高度、河谷自由场布置，传感器测量方向为坝体的水平径向、水平切向和竖向三分量，强震系统测点分布见图2。

图2 龙羊峡强震系统测点布置图Fig.2 Layout for monitoring points of the Longyangxia strong motion system

2 研究方法

2.1 研究思路

本次大坝振动分析以龙羊峡水电站数字化强震数据为基础，定量分析库水位变化和机组不同运行工况下与大坝振动之间的关系，结合以往机组运行工况稳定性试验成果，确定并诊断引起坝体振动的主要振源；进一步分析机组尾水压力脉动引起的大坝振动对结构安全性是否产生影响，同时对坝体结构共振可能性进行分析，综合评价龙羊峡水电站大坝运行安全性。

2.2 相关依据

文中的加速度量级使用“gal”和“g”为量纲，两者的单位换算公式为：

式中g——重力加速度；

gal——加速度单位。

龙羊峡水电站大坝水平向设计地震加速度为Ⅷ度地震的峰值加速度0.242g，根据水工抗震规范，竖向设计地震加速度的代表值应取水平向设计地震加速度代表值的2/3，相应竖向的设计地震加速度应为0.161g[1]。

频谱特性分析依据：以某频率段占有绝对优势为窄频振动的依据，否则判断其为宽频振动。如果出现明显的窄频振动，就需要考虑结构是否存在共振情况。

3 大坝振动规律分析

3.1 库水位与大坝振动关系分析

进入高水位运行期，现场能够明显感受到坝体振动加剧，为了验证该现象，在机组运行负荷不变的情况下，根据混凝土拱坝的结构特点，选取沿拱冠梁从坝顶到坝基分布点9-1（高程：2600m）、9-2（高程：2560m）、9-3（高程：2530m）、9-5（高程：2463m）数字化强震测点，定量分析不同水位振动最大加速度的变化情况，确定大坝振动的变化规律。

从图3可以明显看出库水位与大坝振动存在以下关系：

（1）不论在任何水位下，由于坝体振动的放大效应，坝体高程越高，振动越明显。

（2）在机组运行负荷不变的情况下，库水位越高，拱冠处水平切向、水平径向和竖向振动就越大，尤其在高水位运行情况下，其振动更加明显。

图3 水位与最大加速度关系Fig.3 The relations between the water level and Maximum acceleration

3.2 机组开停机大坝瞬时振动分析

现场运行人员反映，在低水位下进行开、停机操作时，开机时的瞬时振动感要比停机时的瞬时振动感明显。为了印证该现象，在低水位（H=2579m）运行时，利用大坝强震实时监测数据对机组开、停机时大坝瞬时振动进行分析（见表1～表3），可以看出，机组在低水位运行的情况下，开机时大坝强震系统监测到的瞬时振动的确比停机时监测到的瞬时振动明显，对大坝有一定的影响，但影响时间较短。

表1 1号机组振动最大加速度统计表Tab.1 Maximum acceleration statistics of the unit 1# 水位：Δ2579m

表2 2号机组振动最大加速度统计表Tab.2 Maximum acceleration statistics of the unit 2# 水位：Δ2579m

表3 4号机组振动最大加速度统计表Tab.3 Maximum acceleration statistics of the unit 4# 水位：Δ2579m

3.3 大坝振动振源分析

由库水位与大坝振动关系分析可知，库水位上升过程中大坝振动逐渐加剧，而除发电系统外无明显引起结构振动的外在原因，大坝振动可能来源主要是发电系统。发电系统包括机组进水口、引水管道、水轮发电机组、尾水管等结构和设备。为了解大坝振动的振源，需要对可能的振源逐一排查。

机组在调负荷和开停机时，对大坝振动虽然有一定的影响，但这种影响为瞬时特征，在机组开停机与大坝振动关系研究中也可以看到，机组在变负荷和开停机时，振动并不是长时间存在的，因此机组进水口和引水管道水力状况不应是大坝长时间振动的主要原因。对机组进水口和拦污栅进行观察和测试，发现拦污栅处得振动较小[2]。

进一步分析1～4号机组尾水管结构是否是大坝振动的主要原因：库水位升高时，下机架振动、蜗壳、顶盖压力脉动量值变化不明显，因此，下机架振动、蜗壳和顶盖压力脉动不应是大坝振动的主要原因。分析尾水压力脉动与水头变化关系（见图4），尾水压力脉动随水头增加而增大，因而随水头升高，尾水压力脉动对尾水管振动的影响进一步增大，同时从库水位与大坝振动关系分析可知，库水位的升高对大坝振动有影响，尤其大坝在高水位运行下，其振动更加明显，这进一步印证了在高水头、低负荷区时，水轮机尾水管压力脉动偏大是引起大坝振动的主要原因[3]。

3.4 振动最大加速度及频谱分析

通过对大坝数字化强震监测资料进行分析可知，在低水位下，机组开停机瞬时振动对大坝有一定的影响，但影响时间较短；而机组在低负荷区运行时，随着水头的升高，使得尾水压力脉动增大，大坝振动量也随之增大，那么振动量及振动频谱特性是否对大坝安全有影响，需要进一步分析强震数据表现出的振动最大加速度和频谱特性。

由前面分析可知，由于振动的放大效应，坝顶分布的强震测点振动量级最大，因此，对高水位运行时的坝顶强震测点的振动量级进行统计（见表4、表5），可以看出，强震系统所测机组振动引起的大坝振动加速度峰值在Ⅲ度烈度以内，考虑到坝顶数倍的放大量，坝基的振动输入很小[4]。

图4 尾水管压力脉动与机组负荷关系Fig.4 The relations between the unit load and the pressure fluctuation in the draft tube

图5 9-1测点频谱图Fig.5 Spectrums of the 9-1 monitoring points

表4 坝顶强震测点最大加速度统计表Tab.4 Maximum acceleration statistics for monitoring points of the dam crest strong motion system水位：Δ2589m

表5 坝顶强震测点最大加速度统计表Tab.5 Maximum acceleration statistics for monitoring points of the dam crest strong motion system水位：Δ2596m

从频谱方面分析龙羊峡水电站大坝在高水位下运行时，坝体在100Hz频率范围内的频谱特性（见图5），可以看出，坝体在3Hz和6Hz左右的频率成分有所表现。对比中国水利水电科学研究院就龙羊峡水电站坝体振型的研究成果（见表6），龙羊峡大坝的第一阶振型、第三阶振型的频率与本次研究反映的频谱特性较接近。从整个频谱范围看，该频率成分总体比例较小，坝体各强震测点振动普遍表现为宽频振动，意味着大坝没有出现明显的共振现象。

表6 龙羊峡大坝振型研究数据[5]Tab.6 Modal research data of the Longyangxia dam[5]

综合分析龙羊峡水电站在高水位运行时的强震测点最大振动加速度和频谱特性，可以看出，虽然龙羊峡水电站在高水位运行时坝体振动现象明显，但强震系统所测的大坝振动加速度峰值在Ⅲ度烈度以内，且没有出现明显的共振现象，并不会给大坝运行的安全性带来影响。

4 结束语

通过对龙羊峡大坝振动进行综合分析及安全评价得出以下结论：

（1）强震监测数据与库水位的变化关系表明，库水位越高，龙羊峡强震系统监测到的大坝振动加速度就越大，这一结论与龙羊峡水电站进入高水位运行期时，大坝振动现象明显增大的事实相符。

（2）从大坝强震监测资料看，大坝振动与机组振动具有时间上的同一性，机组低水头开停过程中穿越振动区时，大坝的瞬时振动非常明显，但对坝体的影响时间较短。

（3）下机架、蜗壳、顶盖随库水位的变化关系不明显，而尾水压力脉动随着库水位的升高而增大，因此，尾水压力脉动是大坝振动的主要原因。

（4）对大坝强震监测资料进行振动量分析和频谱分析可知，强震系统所测大坝坝顶振动加速度峰值在Ⅲ度烈度以内，考虑到坝顶数倍的放大量，坝基的振动输入很小，从量级看此类振动不影响大坝安全。

（5）通过频谱特性分析，揭示出大坝在3Hz、6Hz左右的频率成分有所表现，但并无持续激振累积，频率成分占整个频谱的总体比例较小，总体表现为宽频振动，没有出现明显的共振现象，电站在高水位运行时，坝体振动并不会给大坝的安全性带来影响。