振动监测在电站排沙孔运行过程中的应用

黄和平

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410007）

1 工程概况

某电站1号排沙管上半段位于左岸非溢流18号坝段，下半段位于左岸电站厂房Ⅱ号安装间。管道进口底板▽90.0 m，出口底板▽60.0 m。排沙管道内径5.0 m，全断面采用24 mm厚的加肋钢板衬砌，按明管设计。结构计算考虑钢管与外包钢筋混凝土联合受力的形式。管道出口向右岸偏10°，且靠厂房尾水边坡较近。最高运行库水位150 m，出口流速30 m/s，近岸最大流速5.0 m/s。为了解排沙管排沙过程中水流对结构物振动响应的影响，设计在排沙管布置了3组加速度计和3组振动计。振动传感器沿管轴线方向布置，分别安装在进口管段（检修门内侧）、中间管段（上拐弯处）和出口管段（工作门上游侧）3个断面，每个断面各安装1组加速度计和1组振动计，其中，加速度计固定在排沙管道的外衬钢板上，振动计是埋入钢管的外包钢筋混凝土内（距钢管50 cm左右）。每组分3个方向安装 （每个方向布置1个），分别监测铅直向、平行坝轴线和垂直坝轴线方向的加速度响应。仪器安装位置见图1。

2 现场测试

在进行1号排沙管道通水振动监测时，进行工作闸门开启、关闭、正常通水过程3个工况的测试。振动测试系统构成如图2。

图1 电站1号排沙孔振动监测传感器布置图

图2 振动测试系统构成框图

振动信号采样频率视所安装的传感器类型而定，为了保证开启、关闭全过程振动信号采集的完整性，选取采集时间均大于开启、关闭门所需时间。

3 监测资料整理及分析

现场采集的原始资料必须进行资料剪辑、滤波和去除零漂后，方可对资料进行整理分析。对原始资料的时域分析，通常计算原始数据的统计特征值。对于等间距采集的振动样本函数的统计特征值由下式给出：

对原始数据的频域分析通常采用傅立叶变换将时域函数转换为频域函数，并做功率谱密度函数。

各测点振动信号的功率谱密度函数计算原理见框图3。

图3 功率谱密度函数计算原理框图

对1号排沙孔工作闸6进行开启、关闭过程和正常通水过程的监测，实测资料时序过程线见图4～图9。在闸门开启过程的（7～9）min和闸门关闭过程的（3～5）min 时段内（相当于闸门开度（3.5 m～4.5）m 之间），排沙钢管以及外包钢筋混凝土各部位的加速度响应均较其它时段的大。从图3中可得知测点在闸门开门过程 （0～7）min时段内响应加速度的极大值为 2.70 m/s2，而在（7～9）min 时段内响应加速度的极大值为 13.78 m/s2。 总之，闸门开启过程的（7～9）min和关门过程的 （3～5）min时段内各部位的振动响应相对明显。导致该时段内振动响应增大的原因主要是由于水流掺气作用所致。从测试现场可明显感觉到该时段内出现掺气作用响声比其它时段要大，以及掺气作用次数比其它时段密集等现象也说明振动响应增大与掺气作用的强度和出现的频度有关。

图4 MAT07PSK1测点闸门开启过程加速度响应时序曲线

图5 MAT07PSK1测点闸门关闭过程加速度响应时序曲线

图6 ZD04PSK1测点闸门开启过程加速度响应曲线

图7 ZD09PSK1测点闸门关闭过程加速度响应曲线

图8 MAT04PSK1测点通水排沙过程加速度时程曲线（部分）

图9 ZD03PSK1测点通水排沙过程加速度时程曲线（部分）

在闸门开启、关闭过程及通水（排沙）各工况下，钢管振动响应最大值均出现在出口段，且是出现在垂直向。钢管外包混凝土在各种工况下的振动响应量分布规律与钢管的相似，但加速度响应值远比钢管处小。不同时段不同工况加速度响应特征值见附表。

特征值显示：在闸门开启、闸门关闭过程及通水（排沙）各工况下，排沙钢管除MAT07PSK1测点的响应加速度标准差达1.885 m/s2外（闸门关闭过程3～5 min时段）及 1.062 m/s2（闸门开启过程 7～9 min时段），其它测点的响应加速度标准差均在0.2 m/s2以内；在正常通水（排沙）过程中，除MAT07PSK1测点响应较大外（最大加速度标准差为0.12 m/s2），其它测点的加速度响应标准差均不超过0.1 m/s2。外包混凝土各断面的加速度响应标准差远小于钢管各断面，在闸门开启、闸门关闭过程中加速度响应标准差均不超过0.01 m/s2；而在通水（排沙）过程中加速度响应标准差仅为0.001 6 m/s2。由此可见，排沙管道运行时，除闸门开启、关闭过程的局部时段钢管出口段产生稍大振动响应外，其余各断面的振动响应均较小，这说明排沙管在正常运行中，不会引起自身及邻近结构物产生较大振动响应。

附表 不同工况（或时段)加速度响应特征值 m/s2

从监测成果还可得到如下规律：在闸门开启、闸门关闭及通水（排沙）各种工况下，排沙钢管加速度响应远远大于外包混凝土加速度响应，其中排沙钢管加速度响应最大峰值达13.87 m/s2，而外包混凝土加速度响应最大峰值仅为0.04 m/s2。二者振动响应相差显著主要与下述因素有关：

（1）振动激励方式，排沙钢管直接受到振源（管内高速水流脉动及气体脉冲波）激励，而外包混凝土是受到振源的间接激励。

（2）振动激励强度，排沙钢管与外包混凝土之间不可能完全紧密结合，二者不构成一个完整结合体。因而，在振源激励下，钢管的振动能量不可能全部传递给混凝土，即传递过程中损失一部分能量，混凝土受到激励强度必然比排沙钢管要小。

（3）构件的物理特性，由于钢管外包混凝土的刚度和质量远远大于排沙钢管，因而在同一振源激励下，刚度和质量大的构件产生的振动响应必然比刚度和质量小的构件振动响应要小。

对各断面的加速度响应信号进行频谱分析后得到功率谱见图10～图13。从频谱曲线可看出，排沙钢管发生振动的谐波分量是分布在一个很宽的频带（0～100 Hz）上。 在整个频带内，振动谐波分量分布规律为低频段大，而后随着振动频率的增高逐渐减小，直到高频段为最小。监测成果说明，在水流脉动压力和掺气作用冲击波等随机信号共同激励下，排沙钢管仅是随之作受迫振动，没有在某些频段上产生大的振动响应。通水（排沙）过程，钢管振动谐波分量的分布规律与闸门开启、闸门关闭过程相同。

在（0～50）Hz频段内，钢管外包混凝土部位多数测点在单位频带内呈均匀分布，这说明钢管外包混凝土的振动频率分量较为丰富，在水流脉动压力和掺气作用冲击波等随机信号间接激励下，（0～50）Hz频段内振动各单位频带内振动谐波分量的能量大似相等。通水排沙过程，钢管外包混凝土在 （0～50）Hz频段内的振动谐波分布规律与闸门开启、闸门关闭工况的相似。

图10 MAT07PSK1测点关门过程功率频谱曲线

图11 ZD07PSK1测点关门过程功率频谱曲线

图12 MAT07PSK1测点通水排沙功率频谱曲线

图13 ZD09PSK1测点通水排沙功率频谱曲线

4 结论与建议

通过对1号排沙孔通水振动监测成果的分析，可得出几点结论：

（1） 在闸门开启过程的（7～9）min时段和闸门关闭过程的（3～5）min时段内（相当于闸门开度在3.5 m～4.5 m之间），受钢管内掺气的影响，各断面的振动响应均呈现明显增大，其中，钢管的最大加速度峰值达13.87 m/s2，而外包混凝土的最大加速度响峰值应仅为0.04 m/s2。所以在闸门开启、闸门关闭过程中，当闸门开度在（3.5～4.5）m之间时，要特别注意闸门提升的速率。

（2）各断面的振动响应分布规律：钢管处比外包混凝土处大，出口段大，且垂直向较水平向大。最大的加速度响应出现在钢管出口段的垂直向。所以对钢管出口段要加强监测。

（3）排沙管道运行时，除闸门开启、闸门关闭过程的局部时段钢管出口管段产生稍大振动响应外，其它断面的振动响应均较小，说明排沙管在正常运行中，不会引起自身及邻近结构物产生较大振动响应。

（4）在水流脉动压力和掺气冲击波的激励下，钢管仅随之作受迫振动，在（0～100）Hz的频带内，未出现共振现象或振动响应较大的频段；而钢管外包混凝土在水流脉动压力和掺气作冲击波的间接激励下，也是作受迫振动，在（0～50）Hz的频带内，未出现共振现象。

1 GB/T 13823.2-92振动与冲击传感器的校准方法基本概念[S].

2 DL/T 5178-2003混凝土大坝安全监测技术规范[S].

3振动与冲击手册编辑委员会.振动与冲击手册[M].北京：国防工业出版社,1988.

4钱培峰.结构动力学[M].北京：中国工业出版社,1964.

5应怀樵.振动测试和分析[M].北京：中国铁道出版社,1987.