高坝泄洪诱发场地振动特性原型观测分析

王 新,李晓慧,钱文勋

(1.南京水利科学研究院,江苏南京210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029；3.通航建筑物建设技术交通行业重点实验室,江苏南京210029)

高坝泄洪诱发场地振动特性原型观测分析

王 新1,2,3,李晓慧1,2,钱文勋1,2

(1.南京水利科学研究院,江苏南京210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029；3.通航建筑物建设技术交通行业重点实验室,江苏南京210029)

针对近期出现的高坝泄洪诱发场地大范围振动问题,通过系统的现场观测,研究了泄洪诱发的环境振动特性。观测表明,泄洪引起的场地、结构振动具有持续、低频、微幅、冲击等鲜明特征,振动主频1.5～3 Hz,传播距离远、影响范围大,与常见的高频环境振动明显不同；城区环境振动具有明显的分布特征和变化规律,受泄量、调度方式、地质条件等影响较大,居民楼随高度增加振动有明显的放大效应,水平向与竖直向差异明显,软基上的居民楼顶楼振动最大应当重视。大范围低频环境振动的减振难度很大,从源头优化调度减小激励是当前有效措施之一,减振措施与抗振安全评价仍需进一步研究。

泄洪；环境振动；原型观测；振动特性；高坝

0 引 言

高坝泄洪消能是水利水电工程建设中一项十分重要内容,高速水流的巨大能量需要在有限的消能工内安全、快速耗散,泄洪消能设计成功与否直接关系到整个枢纽的安全。在利用水流旋滚、剪切、摩擦耗散自身能量的过程中,消能工结构一直承受着高速水流的冲击作用,发生强烈的流激振动,国内外工程中不乏泄水建筑物破坏的实例,前苏联萨扬水电站消力池底板曾两度遭到破坏,巨大的水动荷载将近8 m厚的底板掀起,引起了工程界和学术界的震惊；我国的五强溪水电站在泄洪时,3 m厚的消力池底板被大面积掀起且基岩冲深近30 m；美国的Texarkana坝消力池导墙、前苏联的巴帕津斯、我国万安水电站导墙等都出现了水力破坏。流激振动问题一直是高速水流领域关注的重点,经过多年不断研究,在模型试验、数值分析、原型观测等各个方面均取得了长足的进步,通过多种手段的反复充分论证,基本能够确保泄水建筑物的振动安全。

图1 坝区县城地面环境振动分布

2012年,某水电站首次蓄水泄洪时,因消力池距离城区较近(最近仅500 m),引发了始料未及的城区大范围环境振动,居民楼门窗振动,商铺卷帘门响动,自来水和煤气管道、吊灯晃动等现象；2015年,又一座水电站下闸蓄水泄洪,同样出现了因泄洪诱发附近村庄环境振动现象。虽然大坝泄洪诱发环境振动问题一直存在,但因水电站通常远离城乡,却未曾受到重视,对相关问题的认知十分匮乏,水流激励引起环境振动问题鲜有报道。蔡忠祥[1]曾对钱塘江涌潮引起的钱江隧道振动响应进行监测,获得振动主频约2 Hz；E. M. Shumakovaa[2]曾通过观测分析了俄罗斯Zhigulevskii水电站机组运行对附近地表振动的影响,地表振动主频8～10 Hz与机组转频吻合,并获得机组流量与地表振动的关系；R. G. Yin[3]曾对泄洪引起的近域振动的振源和振动吸收机制进行研究。泄洪流激振动更多关注的是泄水建筑物的振动安全[4-7],而环境振动相关研究几乎全部关于城市交通[8-12],因此,有必要对泄洪引起的大面积环境振动特性进行研究分析,为振动安全评价、减振措施探讨提供依据。本文通过大范围场地振动原型观测,系统分析了泄洪诱发环境振动特性及影响因素,并提出了减振措施的主要方向。

1 观测概况

在坝区出现大范围场地振动时,并未很快认识到是大坝泄洪引起的,普遍以为发生了地震。笔者所在的课题组第一时间抵达现场,根据现场振动现象,当即采用高精度的低频振动位移传感器进行了振动监测,分析振动特性,综合几天观测到的振动变化、大坝的泄洪情况、消力池的流态特征等信息,判断振动由泄洪引起,振源在消力池。从现场民众反映看,振动传播距离较远,影响范围较广,因此,以消力池为中心,在半径为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 km线上分别布置5个县城地表测点,共25个测点,涵盖了居民楼、学校、化工厂等重点关注位置。振动观测期间,大坝泄洪流量从6 600 m3/s逐渐减小至0。同时为了与泄洪诱发环境振动特性对比,监测了市区列车轨道交通引起的环境振动。

2 坝区环境振动特性

2.1 地表振动

县城距离消力池最近仅500 m,在枢纽开始泄洪后,在距消力池5 km范围内均出现明显的振动现象,消力池内水流冲击、脉动是产生城区环境振动的根源。现场感知和振动监测反映,并非距离消力池越远振动越小,而是表现出独特的分布规律,如图1城区场地振动响应等值线分布所示,沿右坝肩向下游的原古河床的带状区域,是后期回填地基,振动明显大于其他区域,在距离消力池1.5 km海拔较高的古河床位置,振动响应最大,以该点为例,泄洪流量6 600 m3/s时,顺河向、横河向及竖直向的振动加速度峰值分别为0.39、0.38、0.25 cm/s2,速度峰值分别为0.26、0.26、0.12 mm/s,位移峰值分别为15.95、10.59、6.30 μm,可以看出,水平方向(顺河向、横河向)振动大小基本相同,竖直向相对较小,频谱分析表明,场地振动主频2～3 Hz,与水流脉动主频一致。

图2 居民楼7楼振动位移时程及其功率谱密度

图3 振动沿楼层的放大效应

2.2 居民楼振动特性

为分析评价泄洪诱发环境振动对民居建筑物安全、人们身心健康影响,选择多座典型建筑物不同楼层进行振动监测,考察民居建筑物的振动特性。监测楼层主要包括1楼、3.5楼和7楼,以居民楼7楼为例,3个方向的振动位移时程及其功率谱密度曲线见图2,可以看出,振动稳定、持续、冲击特征较明显,振动波经城区地层的过滤后,地表及建筑物场地振动频带更窄,主频2.5～3 Hz,体现了地基的卓越频率。

现场观测资料显示,随建筑物楼层增加,振动响应呈增大趋势,水平向振动增大明显,竖直向增大相对较小,如图3所示,统计多个建筑物不同楼层振动响应得出,3.5楼水平向振动平均放大3倍,竖直向平均放大1.2倍,7楼水平向振动平均放大6倍,竖直向平均放大1.5倍。在整个汛期泄洪过程中,监测到居民楼7楼最大振动加速度均方根值为0.54 cm/s2、峰值1.98 cm/s2,最大振动速度均方根值为0.38 mm/s、峰值1.36 mm/s,最大振动位移均方根值为27.59 μm、峰值100.63 μm。

2.3 大型化工厂厂区振动特性

距离消力池约2 km有一国有大型化工厂,工厂内有重要的化工设备管道、精密仪器等,故厂区的振动情况备受关注。在工厂内布置4个测点,3个位于生产区,1个位于精密仪器室。由监测资料可知,化工厂内地基振动与城区地基振动特征不同,厂区正常生产时,厂区振动呈现明显的高频激励特征,信号中含有多个高频分量,如12.4、16.6、24.9 Hz等,主要由生产区多台不同类型的机械运转引起,主要表现为高频小幅振动,振动加速度偏大,振动位移较小；4个测点中,因为精密仪器室距离生产区较远,地基振动最小,尤其加速度相对较小,其他3个测点位于生产区,加速度均较大,且竖直向明显大于水平向；振动位移的大小、分布及主频可以看出厂区振动也有泄洪低频振动的贡献；当化工厂停产时,高频激励基本消失,振动量明显降低,加速度的降幅最大,速度次之,位移最小,尤其竖直向的振动降低显著,水平向位移变化不大与泄洪低频激励有关。因此,厂区振动特性体现了生产机器运转与泄洪的共同作用。

2.4 轨道交通引起环境振动特性

为了与泄洪诱发环境振动对比,在枯水期不泄洪时,在城区距离消力池约4 km的铁路轨道附近监测列车经过引起的环境振动,现场距离铁轨10、40、100 m的地表布置3个测点,同时也对轨道附近的居民楼不同楼层振动进行了测量。其中距离铁轨10 m位置的振动响应列于表1,振动特性与泄洪诱发环境振动明显不同,地面振动以竖直向为主,振动加速度较大、振动位移较小,振动频带较宽,主频较高。列车激励作用下,建筑物的高层振动相对地基没有出现明显的放大现象。列车诱发环境振动沿程衰减迅速,如图4所示,近似呈指数衰减,距离增大几十米,振动即降低一个数量级。列车引起的环境振动范围较小,且持续时间较短,总体影响不大。

表1 列车运行引起的附近环境振动

表2 不同调度方式振动比较

图4 列车引起环境振动随距离衰减特性

3 影响因素及减振措施

3.1 泄洪流量

图5 环境振动与泄量的关系

自大坝蓄水泄洪以来,泄量逐渐减小,民众对振动的感知也从很明显变至感觉不到,直观上看振动与泄洪流量存在一定关系。以坝区地基振动最为显著的测点为例,不同泄量对应地基的振动参数见图5,包含了蓄水泄洪较长系列资料。总体上看,随泄量减小振动呈降低趋势,泄量从6 600 m3/s减小至330 m3/s左右,振动降低约90%。振动随泄量变化的真正机理是因为泄量与水流脉动存在密切关系,该工程大比尺模型试验表明,在相同的调度方式下,消力池内水流紊动能量随泄量减小而减小,即环境振动的激励源——消力池内的脉动压力减小,进而场区振动减小。

3.2 泄洪调度方式

现场振动监测发现,在泄量保持960 m3/s不变的情况下,上午采用2个中孔均匀泄水,下午变为4个中孔均匀泄水,每孔开度减小,现场振动发生较大变化。以振动最大的测点为例,振动响应对比见表2,相同泄量,采用4孔均匀泄水时振动显著降低,平均降幅约70%。可见,环境振动与泄洪调度方式也存在密切关系,减小单宽泄量可降低振动响应,因为水流脉动荷载决定振动大小,尽管泄量相同,不同调度方式在消力池内产生的脉动荷载不同,故引起的环境振动不同。据此,在各级流量下,可以通过不同调度方式的优化试验,提出水流脉动荷载最小的调度方式,可使环境振动尽可能减小,这是目前泄洪引起大范围环境振动的有效减振措施之一。

3.3 地质条件

观测表明,场地振动具有明显的区域分布特征,右岸下游古河道带状区域振动相对较大,说明振动响应与地质构造关系密切。现场勘探显示,振动较小的位置地基软弱覆盖层较薄,厚度在20 m以内,而振动较大的位置即为古河道,软弱覆盖层厚度超过80 m,与其他位置明显不是同一类别的场地,振动有明显放大效应,放大约4～6倍。

3.4 减振措施

在基本掌握泄洪诱发环境振动特性及主要影响因素后,需要提出合理可行的减振措施,就现场大范围场地振动问题,多位专家从各自领域提出了减振措施的建议,包括轨道交通中应用较多的减振沟、减振桩(属于切断传递路径),建筑抗震中的橡胶支座、阻尼器(被动隔振)等,但均很难实现或效果不佳。

本文根据现场振动的特点及影响因素,提出从振源出发,通过优化调度方式,减小动水作用荷载进而减小振动。首先,在大坝过流量一定的情况下,尽量增加机组过流量,减小大坝泄洪流量；其次,在泄洪流量一定的情况下,泄洪调度应采用尽量多的泄洪孔均匀泄流,减小单宽泄量,可以将振动控制到最小。当然,这种低频场地振动无法完全消除,其长期作用对居民楼安全、人们身心健康影响需要进行评估和进一步研究。

4 结 论

本文针对巨型水电站泄洪引起的场地大范围振动问题,通过系统的原型观测,分析探讨了泄洪诱发环境振动特性及影响因素,得出以下结论：

(1)泄洪引起的场地、结构振动具有持续、低频、微幅、冲击等特征,振动主频1.5～3 Hz,传播距离远、影响范围大,与通常的机械、轨道交通等高频环境振动差别较大。

(2)城区环境振动具有明显的分布特征和变化规律,受泄量、调度方式、地质条件影响较大。随泄量增大,振动响应总体呈增大趋势；增大泄水宽度、减小单宽泄量可降低振动影响；右岸下游古河道带状区域振动相对其他区域明显较大,振动响应最大位置为距离消力池约1.5 km处的古河道位置,因为此处有80 m以上的软弱覆盖层,较同半径浅覆盖层位置振动放大4～6倍。

(3)大型化工厂振动受泄洪与运转机器共同作用,机器高频荷载对加速度贡献较大,泄洪低频荷载对振动位移贡献较大；居民楼随高度增加振动有明显的放大效应,水平向与竖直向差异明显,7楼水平向振动平均放大6倍,竖直向平均放大1.5倍。

(4)大范围低频振动的减振难度很大,从源头优化调度减小激励是目前有效措施之一。另外,持续低频微幅环境振动对建筑、人体的影响及安全评价有必要进一步深入研究。

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(责任编辑 王 琪)

Characteristics and Influence Factor Analysis of Field Vibration Caused by Flood Discharge of High Dam

WANG Xin1,2,3, LI Xiaohui1,2, QIAN Wenxun1,2

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, China;2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, Jiangsu, China;3. Key Laboratory of Navigation Structures, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

For the problem of a wide range of ground vibration induced by the flood discharge in a hydropower station, the vibration characteristics and influence factors are analyzed based on systematical field monitoring. The results indicate that: (a) the ground and structure vibrations have distinctive characteristics of constancy, low-frequency, small amplitude and impact with a long propagation distance and wide influenced area, and the main frequency of vibration is around 1.5-3 Hz, which is obviously different from usual high-frequency vibration; and (b) the urban environmental vibration has special distribution characteristics and changing rules, and greatly affected by discharge flow, scheduling mode and geological conditions. With the increase of the height of residential buildings, the vibration has a significant amplification effect, and the horizontal and the vertical vibrations are obvious different. The top floor vibration of the buildings based on soft foundation is the most. It is very difficult to reduce large-scale low-frequency environment vibration, but it is one of effective measures to reduce the excitation from power station scheduling optimization. The vibration reduction measures and anti-vibration safety evaluation still need to be further studied．

flood discharge; environmental vibration; field monitoring; vibration characteristics; high dam

2016- 07- 25

国家自然科学基金面上项目(51479124,51479125)；南京水利科学研究院基金面上项目(Y115006)

王新(1983—),男,江苏宿迁人,高级工程师,博士,主要从事水工结构流激振动相关研究工作．

TV697.24;TV698.13

A

0559- 9342(2017)03- 0115- 05