冷東升++楊敏++馬斌++劉昉

摘要：[JP2]錦屏一級(jí)水電站大壩作為目前世界最高雙曲拱壩，對于高水頭水墊塘振動(dòng)安全問題最為顯著?；阱\屏一級(jí)高拱壩水墊塘泄洪振動(dòng)原型觀測試驗(yàn)，分析研究了在不同組次下水墊塘底板的振動(dòng)響應(yīng)，研究結(jié)果表明錦屏一級(jí)水墊塘底板在深孔單獨(dú)泄洪時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度沿程逐漸增大，在表孔單獨(dú)泄洪和表深孔聯(lián)合泄洪時(shí)水舌在水墊塘附著點(diǎn)水流紊動(dòng)劇烈，振動(dòng)強(qiáng)度大；底板振動(dòng)的優(yōu)勢頻率基本分布在03～13 Hz之間，屬于水流脈動(dòng)的頻率范圍，在水流荷載作用下，底板做受迫振動(dòng)；各相鄰測點(diǎn)底板振動(dòng)有很好的相關(guān)性；各組次底板振動(dòng)的空間積分尺度都維持在45 m以上，底板的整體性和結(jié)構(gòu)完好。給錦屏一級(jí)水電站合理調(diào)度、科學(xué)的運(yùn)行以及下游泄洪建筑物的運(yùn)行安全提供了參考。

關(guān)鍵詞：原型觀測；水墊塘底板；振動(dòng)特性；相關(guān)性；空間積分尺度

中圖分類號(hào)：TVI35.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2016）06010506

The vibration characteristics of slabs in plunge pool based on archetypal observation of JinpingⅠDam

LENG Dongsheng，YANG Min，MA Bin，LIU Fang

（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：JinpingⅠDam is the highest hyperbolic arch dam in the world.Vibration and safe protection of plunge pool is particularly significant.Based on the spillway vibration test archetypal observation of plunge pool of JinpingⅠarch dam，the flowinduced vibration response of slabs in plunge pool in different groups were analyzed and studied.The results showed JinpingI plunge Pool vibration intensity increased along the way at a separate middle outlets flood，slabs had serious vibration in plunge pool during surface outlet and both surface and middle outlet discharge；the dominant frequency of vibration of slabs was distributed between 0.3 and 1.3Hz，belonging to the frequency range of fluctuating，the slabs had forced vibration under water load；the correlation of slabs vibration between adjacent measuring points was remarkable，the spatial integral scale of slabs vibration was kept above 45 m in all groups，the integrity and structure of the slabs were good.The results had a certain reference value for reasonable dispatching，scientific operational and protection of the safe operation of the downstream flood releasing structure of JinpingⅠhydropower station.

Key words：archetypal observation；slabs in plunge Pool；vibration characteristics；relevance ；spatial integral scale

[JP2]隨著高壩技術(shù)的日臻完善，在我國近十幾年涌現(xiàn)出一大批高壩，特高壩，取得了豐碩的成果，如錦屏一級(jí)拱壩（305 m）、小灣拱壩（292 m）、溪洛渡拱壩（278 m）、白鶴灘拱壩（277 m）、拉西瓦拱壩（250 m） 、二灘拱壩（240 m）、構(gòu)皮灘拱壩（233 m）等等。對于高壩、特高壩而言，由高水頭、大流量、窄河谷產(chǎn)生的泄流消能，尤其是對下游河床的沖刷的問題尤為突出[13]。贊比亞的卡里巴拱壩[45]，運(yùn)行數(shù)年后河床的沖刷深度竟超過70 m，薩揚(yáng)·舒申斯克水電站[6]消力池曾兩度遭到破壞，我國境內(nèi)的五強(qiáng)溪[7]水電站、安康[8]水電站均發(fā)生過消力池的破壞，作為泄洪消能的一部分，保護(hù)下游河道安全運(yùn)行變的十分關(guān)鍵。

作為目前世界最高的雙曲高拱壩-錦屏一級(jí)水電站，在泄流時(shí)引起下游水墊塘底板振動(dòng)問題更為突出 [910]。本文基于錦屏一級(jí)拱壩泄流原型觀測成果，對錦屏一級(jí)下游水墊塘底板的泄流振動(dòng)特性進(jìn)行了全面的分析。

1錦屏一級(jí)水墊塘底板泄洪振動(dòng)試驗(yàn)

1.1工程簡介

位于四川省西南部大涼山雅礱江上的錦屏一級(jí)水利樞紐是雅礱江干流下游的梯級(jí)電站。水庫總庫容為776億m3，電站總裝機(jī)容量為3 600 MW[11]。

最大壩高305 m的錦屏一級(jí)水電站是混凝土雙曲高拱壩。泄洪及消能建筑物為壩身孔口、壩后水墊塘及下游二道壩及位于右岸的泄洪洞。錦屏一級(jí)水電站拱壩壩頂高程為1 885 m，正常蓄水位為1 800 m，最低死水位為1 800 m，在1 700 m高程上布置5孔導(dǎo)流底孔。在1 750 m高程上布置2孔放空底孔。在1 789～1 792 m高程上設(shè)5個(gè)泄洪深孔，另有4個(gè)泄洪表孔（圖1），溢流面堰頂高程1 868 m。拱壩壩后是平地板水墊塘，水墊塘是梯形斷面，底部寬度為4500 m，其水墊塘建基面的高程為1 59500 m，頂部底板的高程為1 59500 m，水墊塘深度66 m，并在水墊塘后設(shè)置二道壩。

1.2測點(diǎn)布置和安裝

在水墊塘內(nèi)共布置如圖2所示的振動(dòng)位移垂直傳感器，分別在水墊塘溢流中心線左側(cè)和右側(cè)沿程布置振動(dòng)位移傳感器，在同一樁號(hào)位置，傳感器沿溢流中心線對稱布置，具體布置方式見圖3。

1.3原型觀測試驗(yàn)過程及觀測組次

錦屏一級(jí)原型觀測為導(dǎo)流底孔在封堵后表中孔泄洪時(shí)的組次（表1），采用振動(dòng)位移傳感器和DASP[12]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和處理，采樣頻率為200 Hz，采樣時(shí)長120 s。

2底板泄洪振動(dòng)位移時(shí)域特征分析

由振動(dòng)位移傳感器可以直接測量得出水墊塘底板的振動(dòng)位移，水墊塘底板振動(dòng)強(qiáng)度可以通過振動(dòng)位移均方差來表征，底板振動(dòng)越劇烈，則其均方差變化幅度就越大。一般通過分析振動(dòng)位移均方差來研究底板的振動(dòng)特性[1314]。

2.1水墊塘泄洪振動(dòng)強(qiáng)度特征分析

組次1和其他深孔單獨(dú)泄洪組次規(guī)律基本一致、組次7和其他表孔和深孔聯(lián)合泄洪組次規(guī)律基本一致、組次8為表孔單獨(dú)泄洪組次，各個(gè)組次振動(dòng)強(qiáng)度規(guī)律分別由典型組次1、組次7和組次8分別說明，圖4給出了典型測點(diǎn)16在各試驗(yàn)組次的位移時(shí)程圖，圖5（a）給出了水墊塘底板右側(cè)附近良好測點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度順河向的分布情況，圖5（b）給出了水墊塘底板良好測點(diǎn)左側(cè)附近測點(diǎn)沿程的分布情況。由圖5（a）可以看出，靠近右側(cè)在組次1（深孔泄洪）的時(shí)候良好測點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度順河向是逐漸增加的，而在組次7（表深聯(lián)合泄洪）和組次8（深孔泄洪）時(shí)在0+148 m處出現(xiàn)峰值，最大動(dòng)位移均方差為18 μm，然后組次8向下游幾乎呈線性遞減，而組次7向下游呈現(xiàn)先減小后逐漸增大的情況。

分析研究后認(rèn)為，組次7和組次8在0+148 m處附近是表孔泄洪水舌下泄與水墊塘底板附著點(diǎn)，在水墊塘這個(gè)位置附近底板 承受下泄水流脈動(dòng)荷載和沖擊荷載造成水流紊動(dòng)更為劇烈，底板振動(dòng)加劇，之后隨著距離越遠(yuǎn)，底板振動(dòng)沿程減弱。組次1中深孔挑射出流，水舌挑距較遠(yuǎn)，水舌下泄和水墊塘的附著點(diǎn)在0+193 m下游處，水舌入水產(chǎn)生劇烈的剪切旋滾，底板振動(dòng)劇烈，振動(dòng)強(qiáng)度沿程增加。

由圖5（b）可以看出左側(cè)的變化規(guī)律和右側(cè)的基本一致，在試驗(yàn)觀測范圍內(nèi)最大位移均方差為24 μm，而在組次7（表深孔聯(lián)合）泄洪時(shí)，深孔水舌附著點(diǎn)下游底板左側(cè)振動(dòng)強(qiáng)度比右側(cè)略大，分析認(rèn)為，水 舌入水時(shí)變成沖擊射 流，相鄰 各股 沖擊 射流之間互相 形 成“動(dòng)水墊 效應(yīng)，沖擊射流在未達(dá)到水墊 塘底板時(shí)其主 流方 向發(fā)生了變化，偏向左側(cè)，造成左側(cè)水墊塘水流剪切旋滾更加劇烈，水流荷載變大引起底板振動(dòng)強(qiáng)度劇烈。

2.2水墊塘泄洪振動(dòng)頻域特征分析

水墊塘底板的振動(dòng)屬于隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)是由眾多頻率不同的正弦余弦信號(hào)疊加而成的，一般情況下通過傅里葉變換可以將時(shí)域的振動(dòng)位移信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域[15]，應(yīng)用現(xiàn)代譜分析方法可以將求出振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度，通過頻域的角度來分析水墊塘的振動(dòng)特性。圖7（a）和圖7（b）給出了不同測點(diǎn)在不同典型組次1、7和8下的主頻分布，圖6 為典型測點(diǎn)24在各典型試驗(yàn)組次下的功率譜密度圖。

由圖7（a）和圖7（b）可知，錦屏一級(jí)水墊塘底板各測點(diǎn)振動(dòng)動(dòng)位移的主頻基本分布在03～14 Hz之間。在各組次下，各個(gè)測 點(diǎn)的頻 率基本在0～2 Hz之間，在高壩泄流中，水 流的脈 動(dòng)頻 率也屬于該范圍內(nèi)，因此在水流荷載作用下，底板各測點(diǎn)都是受迫振動(dòng)。

分析認(rèn)為，圖7中在5號(hào)和11號(hào)測點(diǎn)附近出現(xiàn)頻率較大的情況是因?yàn)榇舜畏謩e為表孔和深孔水舌沖擊區(qū)，對水墊塘底板沖擊壓力增大，振動(dòng)頻率增大，通過圖7（a）和圖7（b）的對比可以看出在表孔水舌落水點(diǎn)附近的主頻左側(cè)比右側(cè)偏大，即水流的主流方向，偏向左側(cè)是由左側(cè)水墊塘水流旋滾加劇，底板振動(dòng)更加劇烈造成的。由圖6可以明顯的看出振動(dòng)頻率的范圍維持在0～2 Hz之間。一般認(rèn)為出現(xiàn)這種窄頻帶，優(yōu)勢頻率較小的情況是因?yàn)樵谒畨|塘底部出現(xiàn)大尺度漩渦所致。

3水墊塘底板板塊整體性分析

3.1底板板塊振動(dòng)的互相關(guān)性分析

相關(guān)性分析反映出底板不同 位置的測 點(diǎn)之間的相互聯(lián)系，底板振動(dòng)在不同位置的相關(guān)性越好，說明底板振 動(dòng)的整 體性和結(jié)構(gòu)的完整性越好。英國的Karl Pearson提出的簡單相關(guān)系數(shù)是最常使用的相關(guān)系數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

R（x，y）=[SX（]∑[DD（]n[]i=1[DD）]（xi-x*）（yi-y*）[]

[KF（]∑[DD（]n[]i=1[DD）]（xi-x*）2∑[DD（]n[]i=1[DD）]（yi-y*）2[KF）][SX）][JY]（1）

式中：x和y是測點(diǎn)的振動(dòng)位移值，是時(shí)間的函數(shù)；（xi，yi）（i=1，2，…，n）為x和y的個(gè)數(shù)值；x*和y*分別為x和y的平均值。一般情況下根據(jù)|R|的大小，將相關(guān)系數(shù)分為4個(gè)等級(jí)：0<|R|<03為微弱相關(guān)；03<|R|<05為低度相關(guān)；05<|R|<08為中度相關(guān)；0.8<|R|<1為高度相關(guān)[1618]。

表2給出了同樁號(hào)相鄰1號(hào)和2號(hào)測點(diǎn)和水墊塘底板左側(cè)1號(hào)和3號(hào)測點(diǎn)以及右側(cè)2號(hào)和4號(hào)測點(diǎn)在不同組次下的相關(guān)系數(shù)，圖8（a）給出了在典型組次7時(shí)水墊塘左側(cè)附近測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)沿程的變化趨勢，圖8（b）給出了水墊塘右側(cè)附近測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)沿程的變化趨勢。

由表2可以看出，各個(gè)組次中相鄰兩測點(diǎn)位置底板的相關(guān)性較高，整體性比較好，均大于0.8，屬于高度相關(guān)范疇。同一樁號(hào)的兩個(gè)測點(diǎn)的相關(guān)性隨著流量的增加也是變大的。沿水流方向，相鄰測點(diǎn)的相關(guān)性也是隨著下泄流量的增加呈遞增趨勢，結(jié)合圖8（a）和圖8（b）中大量測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)分析可以看出，測點(diǎn)的相關(guān)性隨著距離的增加呈線性減小的趨勢，相同樁號(hào)的兩個(gè)測點(diǎn)左側(cè)比右側(cè)的相關(guān)系數(shù)略小，在同一側(cè)沿水流方向橫向測點(diǎn)比縱向測點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)要小。

3.2底板振動(dòng)的空間積分尺度研究

壩身下泄水流在水墊塘旋滾形成大大小小的渦旋，底板振動(dòng)是在水流荷載作用下的響應(yīng)，振動(dòng)的空間積分尺度的大小也在一定程度上用來表征渦旋特征尺度的大小[1920]。當(dāng)水流中的最小渦旋尺度大于l時(shí)，水流的瞬時(shí)空間相關(guān)系數(shù)大小為1。當(dāng)水流中的最小渦旋尺度小于l時(shí)，小于l的渦旋會(huì)引起水流不同方向的脈動(dòng)，而同向脈動(dòng)是由大于1的渦旋產(chǎn)生的。當(dāng)l增大到一定程度時(shí)，瞬時(shí)空間相關(guān)系數(shù)趨近于零。振動(dòng)位移的空間積分尺度Lx的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Lx=∫b0ρ（x，l）dl[JY]（2）

式中：ρ（x，l）為瞬時(shí)空間相關(guān)系數(shù)；l為兩點(diǎn)之間的距離；l0為在瞬時(shí)空間相關(guān)系數(shù)中第一個(gè)使得為零的l值 [21]。

圖9給出了沿水墊塘中心線兩側(cè)各個(gè)組次1號(hào)和2號(hào)測點(diǎn)的縱向空間積分尺度。由圖中左側(cè)和右側(cè)各組次的縱向空間積分尺度對比分析可以得出左側(cè)和右側(cè)底板振動(dòng)的空間積分尺度都比較大，說明底板的整體性較好，結(jié)構(gòu)完好，右側(cè)縱向空間積分尺度都在46 m以上，而左側(cè)縱向空間積分尺度在53 m以上，最小值左側(cè)比右側(cè)空間積分尺度略大。

從整體上看，右側(cè)比左側(cè)空間積分尺度大，空間積分尺度最大能達(dá)到119 m，說明底板的整體性和結(jié)構(gòu)較好。在同一開孔（深孔）泄洪的情況下，隨著下泄流量的增加，左側(cè)和右側(cè)泄洪振動(dòng)的空間積分尺度基本在減小，組次5（5深孔全開）的時(shí)空間積分尺度略大，認(rèn)為組次5深孔全開水舌對稱落入水墊塘，水墊塘流態(tài)較其它深孔單獨(dú)泄洪時(shí)好，底板振動(dòng)的整體性較好。在表孔和深孔聯(lián)合（組次6和組次7）泄洪時(shí)，左側(cè)和右側(cè)泄洪振動(dòng)的空間積分尺度也是隨著下泄流量的增加而減小?？臻g積分尺度也是底板振動(dòng)響應(yīng)的表現(xiàn)，認(rèn)為在底板的兩側(cè)空間積分尺度的差異除了下泄沖擊 射流之間互相 形 成“動(dòng)水墊 效應(yīng)，使得主流方向發(fā)生改變以外，由圖2可以看出，水墊塘溢流中心線偏向左側(cè)，下泄水流在水墊塘里會(huì)推向左側(cè)，使得下泄水流在水墊塘里誘發(fā)底板兩側(cè)振動(dòng)響應(yīng)也會(huì)不同，兩者相互影響，造成了底板兩側(cè)空間積分尺度的差異。

4結(jié)語

通過對錦屏一級(jí)水電站水墊塘泄洪振動(dòng)原型試驗(yàn)結(jié)果分析研究，在正常泄水條件下，底板振動(dòng)強(qiáng)度最大值在允許范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度最劇烈的部位發(fā)生在表深孔聯(lián)合泄洪時(shí)在表孔水舌與水墊塘附著點(diǎn)（樁號(hào)0+148 m附近）處和深孔水舌與水墊塘附著點(diǎn)（0+193 m）下游；其優(yōu)勢頻率在水流脈動(dòng)頻率范圍內(nèi)，底板是在做水流脈動(dòng)荷載作用的受迫振動(dòng)；底板板塊相鄰測點(diǎn)屬于高度相關(guān)，均大于08，水墊塘運(yùn)行的整體性和結(jié)構(gòu)完好。下泄流量越大，水墊塘底板振動(dòng)越劇烈；表孔和表深聯(lián)合泄水時(shí)水墊塘振動(dòng)較深孔單獨(dú)泄水時(shí)激烈。針對下泄流量、優(yōu)化開孔方式可以使水墊塘底板有更好的整體性，保障水墊塘底板安全運(yùn)行，給錦屏一級(jí)水電站合理調(diào)度、科學(xué)的運(yùn)行以及下游泄洪建筑物的運(yùn)行安全提供了參考。

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