振動監(jiān)測在電站排沙孔運行過程中的應用

黃和平

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 工程概況

某電站1號排沙管上半段位于左岸非溢流18號壩段，下半段位于左岸電站廠房Ⅱ號安裝間。管道進口底板▽90.0 m，出口底板▽60.0 m。排沙管道內(nèi)徑5.0 m，全斷面采用24 mm厚的加肋鋼板襯砌，按明管設計。結構計算考慮鋼管與外包鋼筋混凝土聯(lián)合受力的形式。管道出口向右岸偏10°，且靠廠房尾水邊坡較近。最高運行庫水位150 m，出口流速30 m/s，近岸最大流速5.0 m/s。為了解排沙管排沙過程中水流對結構物振動響應的影響，設計在排沙管布置了3組加速度計和3組振動計。振動傳感器沿管軸線方向布置，分別安裝在進口管段（檢修門內(nèi)側）、中間管段（上拐彎處）和出口管段（工作門上游側）3個斷面，每個斷面各安裝1組加速度計和1組振動計，其中，加速度計固定在排沙管道的外襯鋼板上，振動計是埋入鋼管的外包鋼筋混凝土內(nèi)（距鋼管50 cm左右）。每組分3個方向安裝 （每個方向布置1個），分別監(jiān)測鉛直向、平行壩軸線和垂直壩軸線方向的加速度響應。儀器安裝位置見圖1。

2 現(xiàn)場測試

在進行1號排沙管道通水振動監(jiān)測時，進行工作閘門開啟、關閉、正常通水過程3個工況的測試。振動測試系統(tǒng)構成如圖2。

圖1 電站1號排沙孔振動監(jiān)測傳感器布置圖

圖2 振動測試系統(tǒng)構成框圖

振動信號采樣頻率視所安裝的傳感器類型而定，為了保證開啟、關閉全過程振動信號采集的完整性，選取采集時間均大于開啟、關閉門所需時間。

3 監(jiān)測資料整理及分析

現(xiàn)場采集的原始資料必須進行資料剪輯、濾波和去除零漂后，方可對資料進行整理分析。對原始資料的時域分析，通常計算原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征值。對于等間距采集的振動樣本函數(shù)的統(tǒng)計特征值由下式給出：

對原始數(shù)據(jù)的頻域分析通常采用傅立葉變換將時域函數(shù)轉換為頻域函數(shù)，并做功率譜密度函數(shù)。

各測點振動信號的功率譜密度函數(shù)計算原理見框圖3。

圖3 功率譜密度函數(shù)計算原理框圖

對1號排沙孔工作閘6進行開啟、關閉過程和正常通水過程的監(jiān)測，實測資料時序過程線見圖4～圖9。在閘門開啟過程的（7～9）min和閘門關閉過程的（3～5）min 時段內(nèi)（相當于閘門開度（3.5 m～4.5）m 之間），排沙鋼管以及外包鋼筋混凝土各部位的加速度響應均較其它時段的大。從圖3中可得知測點在閘門開門過程 （0～7）min時段內(nèi)響應加速度的極大值為 2.70 m/s2，而在（7～9）min 時段內(nèi)響應加速度的極大值為 13.78 m/s2。 總之，閘門開啟過程的（7～9）min和關門過程的 （3～5）min時段內(nèi)各部位的振動響應相對明顯。導致該時段內(nèi)振動響應增大的原因主要是由于水流摻氣作用所致。從測試現(xiàn)場可明顯感覺到該時段內(nèi)出現(xiàn)摻氣作用響聲比其它時段要大，以及摻氣作用次數(shù)比其它時段密集等現(xiàn)象也說明振動響應增大與摻氣作用的強度和出現(xiàn)的頻度有關。

圖4 MAT07PSK1測點閘門開啟過程加速度響應時序曲線

圖5 MAT07PSK1測點閘門關閉過程加速度響應時序曲線

圖6 ZD04PSK1測點閘門開啟過程加速度響應曲線

圖7 ZD09PSK1測點閘門關閉過程加速度響應曲線

圖8 MAT04PSK1測點通水排沙過程加速度時程曲線（部分）

圖9 ZD03PSK1測點通水排沙過程加速度時程曲線（部分）

在閘門開啟、關閉過程及通水（排沙）各工況下，鋼管振動響應最大值均出現(xiàn)在出口段，且是出現(xiàn)在垂直向。鋼管外包混凝土在各種工況下的振動響應量分布規(guī)律與鋼管的相似，但加速度響應值遠比鋼管處小。不同時段不同工況加速度響應特征值見附表。

特征值顯示：在閘門開啟、閘門關閉過程及通水（排沙）各工況下，排沙鋼管除MAT07PSK1測點的響應加速度標準差達1.885 m/s2外（閘門關閉過程3～5 min時段）及 1.062 m/s2（閘門開啟過程 7～9 min時段），其它測點的響應加速度標準差均在0.2 m/s2以內(nèi)；在正常通水（排沙）過程中，除MAT07PSK1測點響應較大外（最大加速度標準差為0.12 m/s2），其它測點的加速度響應標準差均不超過0.1 m/s2。外包混凝土各斷面的加速度響應標準差遠小于鋼管各斷面，在閘門開啟、閘門關閉過程中加速度響應標準差均不超過0.01 m/s2；而在通水（排沙）過程中加速度響應標準差僅為0.001 6 m/s2。由此可見，排沙管道運行時，除閘門開啟、關閉過程的局部時段鋼管出口段產(chǎn)生稍大振動響應外，其余各斷面的振動響應均較小，這說明排沙管在正常運行中，不會引起自身及鄰近結構物產(chǎn)生較大振動響應。

附表 不同工況（或時段)加速度響應特征值 m/s2

從監(jiān)測成果還可得到如下規(guī)律：在閘門開啟、閘門關閉及通水（排沙）各種工況下，排沙鋼管加速度響應遠遠大于外包混凝土加速度響應，其中排沙鋼管加速度響應最大峰值達13.87 m/s2，而外包混凝土加速度響應最大峰值僅為0.04 m/s2。二者振動響應相差顯著主要與下述因素有關：

（1）振動激勵方式，排沙鋼管直接受到振源（管內(nèi)高速水流脈動及氣體脈沖波）激勵，而外包混凝土是受到振源的間接激勵。

（2）振動激勵強度，排沙鋼管與外包混凝土之間不可能完全緊密結合，二者不構成一個完整結合體。因而，在振源激勵下，鋼管的振動能量不可能全部傳遞給混凝土，即傳遞過程中損失一部分能量，混凝土受到激勵強度必然比排沙鋼管要小。

（3）構件的物理特性，由于鋼管外包混凝土的剛度和質(zhì)量遠遠大于排沙鋼管，因而在同一振源激勵下，剛度和質(zhì)量大的構件產(chǎn)生的振動響應必然比剛度和質(zhì)量小的構件振動響應要小。

對各斷面的加速度響應信號進行頻譜分析后得到功率譜見圖10～圖13。從頻譜曲線可看出，排沙鋼管發(fā)生振動的諧波分量是分布在一個很寬的頻帶（0～100 Hz）上。 在整個頻帶內(nèi)，振動諧波分量分布規(guī)律為低頻段大，而后隨著振動頻率的增高逐漸減小，直到高頻段為最小。監(jiān)測成果說明，在水流脈動壓力和摻氣作用沖擊波等隨機信號共同激勵下，排沙鋼管僅是隨之作受迫振動，沒有在某些頻段上產(chǎn)生大的振動響應。通水（排沙）過程，鋼管振動諧波分量的分布規(guī)律與閘門開啟、閘門關閉過程相同。

在（0～50）Hz頻段內(nèi)，鋼管外包混凝土部位多數(shù)測點在單位頻帶內(nèi)呈均勻分布，這說明鋼管外包混凝土的振動頻率分量較為豐富，在水流脈動壓力和摻氣作用沖擊波等隨機信號間接激勵下，（0～50）Hz頻段內(nèi)振動各單位頻帶內(nèi)振動諧波分量的能量大似相等。通水排沙過程，鋼管外包混凝土在 （0～50）Hz頻段內(nèi)的振動諧波分布規(guī)律與閘門開啟、閘門關閉工況的相似。

圖10 MAT07PSK1測點關門過程功率頻譜曲線

圖11 ZD07PSK1測點關門過程功率頻譜曲線

圖12 MAT07PSK1測點通水排沙功率頻譜曲線

圖13 ZD09PSK1測點通水排沙功率頻譜曲線

4 結論與建議

通過對1號排沙孔通水振動監(jiān)測成果的分析，可得出幾點結論：

（1） 在閘門開啟過程的（7～9）min時段和閘門關閉過程的（3～5）min時段內(nèi)（相當于閘門開度在3.5 m～4.5 m之間），受鋼管內(nèi)摻氣的影響，各斷面的振動響應均呈現(xiàn)明顯增大，其中，鋼管的最大加速度峰值達13.87 m/s2，而外包混凝土的最大加速度響峰值應僅為0.04 m/s2。所以在閘門開啟、閘門關閉過程中，當閘門開度在（3.5～4.5）m之間時，要特別注意閘門提升的速率。

（2）各斷面的振動響應分布規(guī)律：鋼管處比外包混凝土處大，出口段大，且垂直向較水平向大。最大的加速度響應出現(xiàn)在鋼管出口段的垂直向。所以對鋼管出口段要加強監(jiān)測。

（3）排沙管道運行時，除閘門開啟、閘門關閉過程的局部時段鋼管出口管段產(chǎn)生稍大振動響應外，其它斷面的振動響應均較小，說明排沙管在正常運行中，不會引起自身及鄰近結構物產(chǎn)生較大振動響應。

（4）在水流脈動壓力和摻氣沖擊波的激勵下，鋼管僅隨之作受迫振動，在（0～100）Hz的頻帶內(nèi)，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象或振動響應較大的頻段；而鋼管外包混凝土在水流脈動壓力和摻氣作沖擊波的間接激勵下，也是作受迫振動，在（0～50）Hz的頻帶內(nèi)，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

1 GB/T 13823.2-92振動與沖擊傳感器的校準方法基本概念[S].

2 DL/T 5178-2003混凝土大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范[S].

3振動與沖擊手冊編輯委員會.振動與沖擊手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,1988.

4錢培峰.結構動力學[M].北京：中國工業(yè)出版社,1964.

5應懷樵.振動測試和分析[M].北京：中國鐵道出版社,1987.