黄金坪溢洪道泄流振动研究

曹海涛

（大唐四川发电有限公司，四川成都，610031）

1 概述

溢洪道是水利枢纽中最常见的泄水建筑物，由于溢洪道水流的强烈紊动，水流对结构物不断作用脉动荷载，结构的形状又影响水流的流态，它们之间的相互作用是动态的、耦合的[1]。水流与建筑物之间相互作用的复杂机理导致水工建筑物以及周边环境的振动现象时有发生[2]。溢洪道泄流，尤其是大流量泄流时，引起的各种振动问题会逐渐显现出来。溢洪道泄流引起的振动可能会影响到溢洪道自身、水库大坝、电站厂房、岸坡及周边建筑物等重要部位的稳定安全。该问题已得到众多国内外学者的广泛关注。例如，郑文新[3]利用原型观测的方法对东风电站在不同工况下枢纽各部位的振动情况进行了观测，并对观测结果及对运行的影响进行了分析；徐国宾等[4]通过水弹性模型试验，研究了糯扎渡水电站溢洪道泄槽隔墙通过宽大的F1和F3断层时的流激动力响应，并对其安全性进行评估；代仲海[5]对面板堆石坝在脉动水流作用下随机振动问题做了相应的研究。

一直以来，对泄洪引起的振动问题的研究范围多局限于水工建筑物结构本身，而对泄洪诱发建筑物周边场地振动的研究很少。针对黄金坪水利工程，笔者分析了周围环境随溢洪道泄流量变化的振动情况，并根据原始试验探寻出了较为合理的溢洪道泄流方案。

2 工程概况

黄金坪水电站处于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站，上接长河坝电站，下游为泸定电站。电站是以发电为主的大（Ⅱ）型工程。电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发，电站总装机容量850 MW。枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、1条3孔岸边溢洪道、1条泄洪（放空）洞、左岸大厂房和右岸小厂房引水发电建筑物等组成。2015年5月下闸蓄水近3个月以来，先后启用左岸泄洪（放空）洞、溢洪道进行单独或联合控泄，期间上下游水头一般在40～60 m、泄流量一般在1 000～2 000 m3/s，最大泄流量约4 500 m3/s，泄洪出池水流归河总体平顺、河岸冲刷不明显，但位于泄洪出口下游700～1 500 m的右岸浸水村（原黄金坪村）陆续有居民反映房屋门窗振动影响现象，村民对此反响较大。黄金坪水利工程枢纽平面图如图1所示。

图1 黄金坪水利工程枢纽平面图Fig.1 Layout of Huangjinping water conservancy project

3 原型试验

通过试验研究可制定减振措施，优化泄洪调度方案，减小泄洪振动对水工建筑物、村民房屋安全的影响，消除政府、村民疑虑。为摸索坝身泄洪与周围环境的振动关系，寻找对周边村子振动影响较小的闸门开启组合，开展原型试验进行研究十分必要。为此，选取部分测点进行泄流振动分析，其测点布置如图2所示。

图2 振动测点布置图Fig.2 Layout of vibration measuring points

3.1 振动影响因素分析

为了直观了解汛期不同泄流量对周边振动的影响，对汛期各测点历史趋势进行统计分析。为了对比分析汛期与无流量时的振动加速度历史趋势，选取2017年5月1～30日期间无流量的数据作为与6月1日～9月30日汛期趋势对比数据。选取与溢洪道距离逐渐增大的严小林、村委会和郑红3个测点的振动加速度数据进行观察，如图3～5所示。

图3 严小林测点振动加速度Fig.3 Vibration acceleration of measuring point at Yanxiaolin

图4 村委会测点振动加速度Fig.4 Vibration acceleration of measuring point at village committee

图5 郑红测点振动加速度Fig.5 Vibration acceleration of measuring point at Zhenghong

选取振动加速度最大值作为分析参数，是因为在评价人体对振动的感知时，通常都是采用加速度最大值进行评价。在振动加速度最大值小于0.8 cm/ss（gal）时，人体无感觉；加速度最大值在0.8～2.5 cm/ss（gal）时，静止的人或对振动特别敏感的人能感到振动；加速度最大值大于2.5 cm/ss（gal）时，人能感到明显振动。现场测得的各测点振动加速度最大值均小于0.8 gal，人体无感觉。

泄流量分别为 4000m3/s、3000m3/s、2000m3/s、1 000 m3/s和0 m3/s时，对尹霞、严小林、徐梦莲、张明秀、村委会、陈永章、高树全、郑红和项目部9个测点振动加速度数据进行定量统计分析。为尽可能减小人为活动的影响，选取不同流量下各测点在2017年3月15日、6月16日、6月21日、9月2日及9月8日凌晨1点的振动监测数据。为分析泄流对各测点的影响，计算得到各测点振动加速度均方差值，如图6和图7所示。

图6 随流量变化各测点振动加速度均方差变化趋势图Fig.6 Variation trend of mean square deviation of vibration acceleration at each measuring point with flow rate

图7 相同流量下各测点振动加速度均方差对比图Fig.7 Comparison of mean square deviation of vibration acceleration at each measuring point under same flow rate

由图6和图7可知，除距离坝体较远的项目部测点外，呈现的基本规律为各测点振动加速度随着流量的增大而增大，且流量变化对距离坝体较近的尹霞、严小林、徐梦莲、张明秀测点影响更大。项目部测点偶有较大振动，可能由于人为因素引起。

3.2 泄洪方案研究

不同的泄洪调度方式对于振动的影响情况并不一致，可通过原型调度试验得到减振效果相对较好的闸门调度方式。

选取实际泄流时较为常见的泄流量为2 000 m3/s时的工况，制定3种不同的泄洪调度方案，分析该工况下各测点的振动影响，其中：

方案1：1号、3号闸门均开，流量均为1 000 m3/s；

方案2：1号、3号闸门流量均为800 m3/s，2号闸门流量400 m3/s；

方案3：3个闸门均开，1～3号闸门流量均为666 m3/s。

统计结果见表1和图8，由此可知，调度方案3要优于调度方案2和调度方案1；表明，闸门三孔同时开启到同一高度时减振效果相对较好。

表1 流量2 000 m3/s不同泄洪调度方式振动速度均方差统计表Table 1 Statistic of mean square deviation of vibration velocity for each discharge scheme(discharge of 2 000 m3/s)

4 楼房动力学试验

笔者对浸水村楼房模态动力学特性进行试验研究，选取距离坝体较远的楼层最高的红云山庄、村中央较坚固的1号二层楼房和距离坝体最近的2号二层楼房进行模态试验研究。通过3栋典型楼房的模态试验分析，获取此3栋楼房的动力学模态参数（固有频率、阻尼比和振型），为评价楼房的自振特性及泄洪振动对楼房的影响提供试验依据。

图8 不同调度方案各测点振动速度均方差（流量2 000 m3/s）Fig.8 Comparison of mean square deviation of vibration velocity for each discharge scheme(discharge of 2 000 m3/s)

楼房结构由于受外界自然风、地脉动等环境的影响，处于微小而不规则的振动之中。利用高灵敏测振传感器测量并记录结构在环境随机激励下的脉动信号。由于脉动信号包含的频率成份相当丰富，同时为平稳各态历经随机过程，通过对脉动信号进行快速傅里叶转换（Fast Fourier Transformation，FFT）分析，可直接得到自振频率f。按照结构动力学原理，可采用半功率点法由共振曲线确定结构阻尼比ξ。通过在振型节点外的水平或竖向方向布置一定数量的拾振点，同时测量各拾振点的脉动信号，应用模态分析法识别对应频率的振型。

采用基于多输入多输出的环境激励运行模态识别（Operational Modal Analysis，OMA）试验方法进行模态测试，通过布置于楼层的低频振动传感器对楼层东西水平方向和南北水平方向的振动信号进行拾取；后续通过OMA模态分析软件进行数据分析，得到其模态参数（模态频率、阻尼比和振型）。

每一层的测点布置如图9所示，需布置南北水平和东西水平方向各两个测点。对于二层小楼，测试顶层即可；对于楼层较高的，可根据试验条件选择一层或其中某几层。参考点位置选择在顶层。

图9 楼层截面测点布置示意图Fig.9 Layout of measuring points for each floor

本次模态试验测试采用的主要仪器及软件如表2所示。

采用ERA特征实现算法[6]和增强型频域分解法（Enhanced Frequency Domain Decomposition，EFDD）等模态分析方法对此3栋楼房进行分析，其模态参数如表3所示。

图10和图11分别是浸水村中央村中间较坚固的1号楼房二层的第1阶和第2阶振型。

测试中选取的1号楼房基本为浸水村中最为坚固的楼房之一。因此，可以初步得出：浸水村楼房第1阶自振频率基本在9.002 Hz以下。而坝体泄洪各测点振动频率均集中在低频部分，有可能会引起共振现象，两者之间的关系还需进一步研究。

5 结语

水利枢纽泄流引起周围环境振动是普遍存在的现象，该问题可能会引起水工建筑物及周围其他建筑物的损伤，存在一定的安全隐患。笔者就黄金坪水利工程溢洪道泄洪时引起周围环境振动的问题，分析了溢洪道下游不同位置随溢洪道泄流的振动情况，并根据原始试验对比研究了溢洪道泄流方案，主要结论如下：

表2 测试使用的主要仪器和软件统计表Table 2 Main instruments and softwares for modal test

表3 模态试验结果列表Table 3 Modal test results

图10 1号楼房二层第一阶振型（沿东西方向一阶弯曲）Fig.10 First model shape of second floor of building No.1(east-west direction)

图11 1号楼房二层第二阶振型（沿南北方向一阶弯曲）Fig.11 Second model shape of second floor of building No.1(north-south direction)

（1）距离泄流振源较近的位置受泄流激励振动的影响较大。

（2）泄流量越大，相同位置受到泄流激励振动的影响越大。

（3）黄金坪水利工程三孔溢洪道同时同开度开启时，周围环境受到的泄流激励振动影响最小。

（4）浸水村楼房第一阶自振频率基本在9.002 Hz以下，而坝体泄洪各测点振动频率均集中在低频部分，有可能会引起共振现象，两者之间的关系还需进一步研究。