拉西瓦拱坝环境振动测试与分析

武志刚，向致谦，李 帅，罗广衡，王进廷

(1.国家电投集团青海黄河电力技术有限责任公司，青海 西宁 810016；2.清华大学水利水电工程系，北京 100084)

0 引 言

高坝大库兼具防洪、发电、灌溉、引水、航运等多重功能，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。大坝一旦发生溃决破坏，可能造成灾难性的后果。随着结构监测技术的持续发展，进行大坝的环境振动测试和评估大坝的健康状态，已经成为保障大坝的安全运行的重要手段。

从20世纪80年代开始，高坝环境振动试验技术逐渐发展。1986年，张光斗等[1]通过人工激振、泄流激振、环境激振等3种激振方式在泉水拱坝进行现场试验。1998年，朱葳等[2]在新丰江大坝上开展了环境振动试验，安全评估了坝体状态。2002年，Darbre等[3]展了250 m高的Mauvoison拱坝连续环境振动试验。2002年，张翠然等[4]采用爆破、人工激振和环境激励等3种方法，对佛子岭拱坝的坝顶和11支墩进行了动力试验。2012年，Sevim等[5]采用环境振动试验方法，研究了水位对拱坝模型动力特性的影响，并用环境振动试验的结果来标定有限元模型。对于200 m级以上的高坝来说，人工激振引起的响应有限，且成本高昂。环境振动试验以风、水、人、车、发电机组等环境动力荷载为激励荷载，研究高拱坝系统的振动特性。环境振动试验可以真实地反映高拱坝的工作状态，以实现监测大坝健康的目的。

本文主要以坝体环境振动试验的时间序列幅值为研究对象，分析拱坝坝顶的真实振动状态。通过对环境振动试验数据进行时空对比分析，揭示了坝体环境振动的时空分布规律。

图2 2019年7月16日至7月17日测点振动速度时程

1 拉西瓦拱坝环境振动试验

拉西瓦拱坝最大坝高250 m，坝顶高程2 460.0 m，坝顶厚度10 m。本次试验测点均布置在坝顶靠近下游面的一侧。

2019年7月至8月，笔者在拉西瓦拱坝坝顶进行了泄洪期间的环境振动试验(中途由于闸门检修，拱坝有短暂的非泄洪状态)。试验仪器为941B型超低频测振仪，所有测振仪均为顺河向(径向)布置。仪器采集的数据为坝顶顺河向振动速度，采样频率均为102.4 Hz，每次试验时间为10～25 h。仪器拾得测点的环境振动响应速度信号，由多通道数据采集仪汇总采集并且记录在采集仪内存卡中。每次试验结束时，用USB线连通数据采集仪和笔记本电脑，将数据转入电脑。仪器之间通过GPS实现时间上的同步采集。考虑到地震仪的水平分量受风速变化的影响[6]，试验中已用橡皮泥等加固仪器，使之与坝顶表面紧密接触。在泄洪期间，因为坝顶有大量的水雾，还需对仪器设备用保护薄膜进行防水处理。

试验测点空间分布的原则是尽可能多获得坝顶振动特性。受数据采集系统(速度传感器，采集仪等)的成本和可访问性限制，本次试验共布置14个测点，从坝顶左岸到右岸依次编号，如图1所示。由于采集仪通道数的限制，试验采用分组的办法，每个采集仪和与之所连的测振仪为一组。一部分试验使用3个采集仪，将14个测点分为3组，1～4号测点为a组，5～9号测点为b组，10～14号测点为c组，记这部分试验为A类试验；另一部分试验使用2个采集仪，将14个测点分为2组，1～7号测点为a组，8～14号测点为b组，记这部分试验为B类试验。

图1 坝顶测点空间分布(垂直坝顶曲线向上为顺河向)

2 坝顶振动幅值空间变化

现场试验时，偶尔有车辆和工作人员经过坝顶表面，故消去了数据中明显异常的波动段，且去掉了数据中的漂移趋势项。图2和图3分别给出了从2019年7月16日19∶00至7月17日08∶00进行的A类试验振动时程和振动最大值统计结果。两图均按照测点的对称分布规律排序，以便对照。从图2和图3可以明显看出，振动速度的最大值从坝顶中点向两端坝肩先增大后逐渐减小，且坝顶中心的振动速度最大值明显大于两端坝肩。

图3 2019年7月16日至7月17日测点振动最大值时空分布

图4 2019年7月26日至7月27日测点振动最大值时空分布

3 坝顶振动幅值时间变化

图4给出了从2019年7月26日10∶00至7月27日09∶00进行的B类试验振动最大值统计结果。其中，横坐标09∶30不表示实际时刻，而代指09∶00～10∶00这1 h内振动最大值出现的时刻。从测点3至测点12，振动最大值统计图的变化趋势基本一致。此外，图4还显示一天24 h的振动速度最大值基本出现在14∶00～19∶00之间。14∶00～19∶00的温度是一天内相对较高的时间段，故推测一天内坝顶振动幅值的波动可能受环境温度和水电站机组运行负荷等因素的影响。

统计所有环境振动试验中振动速度出现最大值的时刻，然后按照测点位置进行散点图绘制，见图5。从图5可以看到，两端坝肩测点的时刻分布没有统计规律。而测点越靠近坝顶中心，振动最大值的出现时刻越集中；尤其是测点3至测点11，振动最大值出现时刻明显集中在12∶00～20∶00时间段。下午和傍晚的温度一般高于其他时间，所以振动最大值出现的时刻可能与外界温度和机组运行有关，需做进一步的试验研究。

图5 环境振动试验中振动最大值的时刻散点图

图6 泄洪状态和非泄洪状态坝顶测点振动幅值对比

4 拱坝坝顶泄洪状态与非泄洪状态对比

在环境振动试验期间，拱坝绝大部分时间处于泄洪状态。期间由于闸门检修存在非泄洪状态。选取7月19日19∶00至7月20日08∶00的时间段数据，拱坝在这段时间里处于非泄洪状态；选取7月26日19∶00至7月27日08∶00的时间段数据作为参照，拱坝在此期间处于泄洪状态。从图6可以看出，泄洪状态坝体的振幅显著大于非泄洪状态。非泄洪状态下，坝顶振动幅值均在0.04～0.10 m/s内，最大值为0.091 m/s；泄洪状态下，坝顶振动幅值均在0.15～0.40 m/s内，最大值为0.353 m/s。7月至8月的所有环境振动试验中，非泄洪状态的坝顶振动幅值最大值为0.1 m/s，泄洪状态的坝顶振动幅值最大值为1.2 m/s。

5 结 论

拉西瓦拱坝坝顶的环境振动试验表明，坝顶振动幅值在时空两个维度有一定的统计学规律。根据坝体振动试验结果的分析，得到如下结论：

(1)从空间分布来看，振动速度的最大值从坝顶中心向两端坝肩先增大后减小。

(2)从时间分布来看，下午和傍晚时振动容易达到幅值。

(3)试验开展期间，拱坝处于泄洪状态时，坝顶的振动速度最大值为1.2 m/s；处于非泄洪状态时为0.1 m/s。泄洪状态时振动幅值明显比非泄洪状态时大。

需要进一步说明的是，环境振动试验需要综合使用传感器、数据采集仪、计算机等仪器设备。这些设备组成了一套系统性很强的试验系统。笔者通过试验发现，风、天气、人、车等外界因素容易影响仪器对振动特征的捕捉，坝体的振动又随着环境激励因素而变化。因此，对振动的时域幅值进行详细地分析，不仅可以揭示坝体的振动特性，而且为进一步开展模态分析奠定了基础。