某消力池泄洪引發(fā)近場振動的三維有限元動力分析

殷榮崗，張建海，劉喜康

（1.四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國家重點實驗室，四川成都610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065）

某消力池泄洪引發(fā)近場振動的三維有限元動力分析

殷榮崗1，2，張建海1，2，劉喜康1，2

（1.四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國家重點實驗室，四川成都610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065）

某水電工程下閘蓄水以后，消力池泄洪消能引發(fā)了近場振動，致使附近建筑有輕微晃動。為了能夠準(zhǔn)確分析近場振動機理，采用三維有限元動力計算方法反演計算參數(shù)并進(jìn)行動力響應(yīng)分析。計算結(jié)果表明，近場振動最大值出現(xiàn)在覆蓋層最厚的育才路，最大加速度為0.30 gal；距離消力池較近的云天化幼兒園振動反而較弱，最大加速度為0.10 gal。近場振動沿著育才路形成一條傳播路徑，符合實際規(guī)律?？梢娪怕返鼗采w層沒有良好吸波減震效應(yīng)，而云天化幼兒園地基中發(fā)育的裂隙、斷層是導(dǎo)致云天化幼兒園晃動減弱的主要原因。

消力池；泄洪消能；近場振動；反演分析

某水電站擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高162.00m。泄洪壩段位于河床中部略靠右岸，12個表孔10個中孔間隔布置，由中隔墻分隔成兩個對稱的消能區(qū)。電站采用高低坎消力池消能，由中導(dǎo)墻分割為左右對稱的雙池，消力池末端設(shè)尾坎，尾坎后接海曼。電站遇小洪水時表、中孔單獨開啟泄洪，遇大洪水時表、中孔聯(lián)合泄洪。

2012年10月10日該水電工程下閘蓄水，隨后附近縣城居民陸續(xù)反映：云天化幼兒園門窗有連續(xù)晃動，育才路兩側(cè)門面卷簾門連續(xù)晃動，部分居民家中出現(xiàn)家具顫動，吊燈擺動的情況。為此，本文對包括某混凝土重力壩、壩身孔口、消力池等主要結(jié)構(gòu)，以及晃動現(xiàn)象發(fā)生的主要區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)建模，對不同反演工況進(jìn)行有限元動力計算［1］，對比實測值確定最優(yōu)反演工況，結(jié)合該工況的計算結(jié)果，對出現(xiàn)晃動區(qū)域的位移、速度和加速度進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 研究條件

1.1 計算軟件簡介

本文有限元分析采用四川大學(xué)開發(fā)的水工巖土問題二維和三維靜動力非線性有限元分析程序NASGEWIN。該分析系統(tǒng)先后成功地應(yīng)用于國家“七·五”、“八·五”、“九·五”攻關(guān)課題及二灘、錦屏一級、紫坪鋪、官地、瀑布溝等二十多個重大工程項目研究，取得了良好的效果，并在工程實踐中不斷豐富完善，現(xiàn)已具備很強的分析功能。

1.2 計算范圍及結(jié)構(gòu)離散

該消力池振動分析的三維有限元模型范圍：X方向為順河向，由上游指向下游，截取總長為3 600 m；Y方向為鉛直向，從50 m高程延伸至800 m高程；Z方向為橫河向，沿該方向整個區(qū)域劃為69個樁號，其中消力池范圍內(nèi)有49個樁號，由左岸樁號0m取至右岸樁號0＋3246 m。三維計算模型共計離散為78 759個節(jié)點和72 908個單元。有限元計算［2－3］三維模型如圖1所示。

圖1 有限元計算的三維模型

1.3 物理力學(xué)參數(shù)

混凝土密度：2.4 t／m3，彈性模量：25.5 GPa，泊松比：0.167，內(nèi)摩擦系數(shù)：1.5，凝聚力：2 MPa，阻尼比：0.04。各類材料動變形模量取靜變形模量的1.3倍，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各類巖體的物理力學(xué)參數(shù)

1.4 約束與作用荷載

消力池泄洪消能引發(fā)近場振動分析模型選擇區(qū)域較大，覆蓋11.69 km2的范圍。近場振動傳到模型邊界時完全可以忽略，因此計算中前后左右下邊界施加x、y、z三向約束。

近場振動主要由下泄水流與表中孔流道、表中孔隔墻、消力池底板、消力池導(dǎo)墻等相互碰撞產(chǎn)生。有限元動力計算分析時，通過模型試驗得出動水荷載，施加于消力池及表中孔上，以此來模擬某消力池泄洪消能引發(fā)的振動。

2 反演分析

2.1 反演方法研究思路

該消力池泄洪消能引發(fā)振動分析模型的計算范圍較大。計算范圍內(nèi)揭露有斷層，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，巖體的阻尼系數(shù)與變形模量難以準(zhǔn)確確定。

鑒于以上原因，本文采用反演分析方法［4－7］，按照以下反演思路進(jìn)行分析：

（1）充分模擬場區(qū)工程地質(zhì)條件，特別是對振動起阻止緩沖作用的斷層和破碎帶，進(jìn)而計入泄洪動力荷載作用，進(jìn)行動力響應(yīng)分析。

（2）通過變化地基阻尼和變模，使計算模型振動與實測達(dá)到接近的反演要求。

2.2 反演分析過程

2.2.1 實測值選取

近場振動主要體現(xiàn)如下特點：振動較為明顯的區(qū)域主要包括育才路兩側(cè)和云天化幼兒園附近的建筑物，盡管云天化幼兒園附近的建筑物距離消力池更近，但是育才路兩側(cè)建筑物振動明顯較大。育才路兩側(cè)建筑物、云天化幼兒園附近建筑物和消力池位置相對關(guān)系如圖2所示。

圖2 育才路、云天化幼兒園與消力池的位置

為此選擇育才路兩側(cè)建筑物和云天化幼兒園附近建筑物的實測值作為反演的參考值（如表2所示）。

表2 位移、速度、加速度的實測峰值

2.2.2 反演工況

綜合分析育才路兩側(cè)建筑物和云天化幼兒園附近建筑物的實測值，按照反演分析方法的研究思路，在合理控制范圍內(nèi)，不斷搜索擬合后，擬定四種反演分析工況，四種反演工況的詳細(xì)情況如表3所示。

表3 反演分析工況

2.2.3 計算結(jié)果反演分析

（1）如圖3所示，工況1和工況2條件下，育才路兩側(cè)和云天化幼兒園附近建筑物的計算位移和實測位移差距較大。工況3和工況4條件下，育才路兩側(cè)建筑物最大計算位移大于云天化幼兒園附近建筑物最大計算位移，與實測規(guī)律相符。工況3和工況4條件下，云天化幼兒園附近建筑物最大計算位移分別為7.500μm和10.100μm，接近實測位移峰值11.010μm；工況3和工況4條件下，育才路兩側(cè)建筑物最大計算位移分別為17.500μm和17.600 μm，小于實測位移峰值79.760μm。

圖3 最大計算位移與實測位移峰值

（2）在不同反演工況下，育才路兩側(cè)和云天化幼兒園附近建筑物的計算速度和實測速度如圖4所示。計算速度和實測速度在工況1和工況2條件下有較大差距。在工況3和工況4條件下，育才路兩側(cè)建筑物計算速度最大值大于云天化幼兒園附近建筑物計算速度最大值。云天化幼兒園附近建筑物的計算速度最大值分別為0.072mm／s和0.085mm／s，接近實測峰值0.050 mm／s；育才路兩側(cè)建筑物的計算速度最大值分別為0.205mm／s和0.251mm／s，接近實測峰值0.260mm／s。

圖4 最大計算速度與實測速度峰值

（3）如圖5所示，工況1和工況2條件下，計算加速度和實測加速度不同。在工況3和工況4條件下，對于計算加速度最大值，育才路兩側(cè)建筑物大于云天化幼兒園附近建筑物，符合實測規(guī)律。云天化幼兒園計算加速度最大值分別為0.112 gal和0.192 gal，接近實測值0.074 gal；育才路兩側(cè)建筑物計算加速度最大值分別為0.30 gal和0.382 gal，和實測峰值0.175 gal接近。

圖5 最大計算加速度與實測加速度峰值

綜上所述，工況3和工況4條件下，位移、速度、加速度計算最大值與實測峰值都比較接近，且都符合育才路兩側(cè)建筑物大于云天化幼兒園附近建筑物的規(guī)律。相比工況4的參數(shù)，工況3提高云天化幼兒園位置覆蓋層的變形模量達(dá)20 GPa，缺乏勘測數(shù)據(jù)支持。因此選取工況4的計算結(jié)果進(jìn)行有限元動力詳細(xì)分析［8－11］。

3 有限元動力分析

3.1 動位移分析

（1）樁號0＋1661.15 m經(jīng)過云天化幼兒園附近，順河向位移等值線如圖6所示。云天化幼兒園順河向位移最大值約為10.00μm，沒有出現(xiàn)位移等值線集中現(xiàn)象。由圖7可見，樁號0＋2261.15 m經(jīng)過育才路，育才路順河向最大位移為18.00μm，育才路出現(xiàn)位移等值線集中現(xiàn)象。育才路地基有厚約80m的覆蓋層，云天化幼兒園地基覆蓋層厚約25 m，云天化幼兒園地基發(fā)育斷層、裂隙?？梢姼采w層對消力池的阻尼效應(yīng)并不顯著，云天化幼兒園以下發(fā)育的斷層、裂隙對振動產(chǎn)生主要阻尼效應(yīng)。

圖6 0＋1661.15m順河向位移等值線圖（μm）

圖7 0＋2261.15m順河向位移等值線圖（μm）

（2）育才路和云天化幼兒園位置水平向位移隨時間變化規(guī)律如圖8所示。由圖8（a）可見，消力池振動后0.2 s，云天化幼兒園起振，振動頻率約為1.5 Hz～3 Hz，且隨著消力池泄洪消能持續(xù)振動。由圖8（b）可見，消力池泄洪消能開始后約0.4 s，育才路起振，振動頻率約為1.5 Hz～2.5 Hz，并隨著消力池泄洪消能持續(xù)振動。相比云天化幼兒園，育才路距離消力池更遠(yuǎn)，起振時刻更晚。

圖8 水平向位移時程圖

3.2 速度與加速度分析

（1）消力池泄洪消能引發(fā)近場振動的速度等值線如圖9所示。由圖9可見，育才路水平向速度計算最大值約為0.20 mm／s，且水平向出現(xiàn)速度等值線集中的現(xiàn)象，沿育才路形成振動傳播路徑。云天化幼兒園水平向速度計算最大值約為0.10 mm／s，沒有出現(xiàn)速度等值線集中的現(xiàn)象。

圖9 水平向速度等值線（mm／s）

（2）消力池泄洪消能引發(fā)近場振動計算加速度等值線如圖10所示。育才路水平向最大計算加速度約為0.30 gal，加速度等值線在育才路位置附近集中。云天化幼兒園水平向最大計算加速度約為0.15 gal，且等值線分布稀疏。

圖10 水平向加速度等值線圖（gal）

4 結(jié) 論

采用反演分析方法，對比實測結(jié)果，對某消力池泄洪消能引發(fā)近場振動進(jìn)行有限元分析。得到以下幾點結(jié)論：

（1）反演工況4條件下，育才路與云天化幼兒園位移、速度、加速度的計算最大值都接近實測峰值，符合實測值規(guī)律，因此采用工況4進(jìn)行有限元動力分析是合理的。

（2）對近場振動進(jìn)行有限元動力分析后，發(fā)現(xiàn)距離消力池較遠(yuǎn)且覆蓋層最厚的育才路計算值最大，覆蓋層較薄、基礎(chǔ)發(fā)育斷層和裂隙的云天化幼兒園計算值較小。由此可見，覆蓋層沒有很好的吸收消力池引發(fā)的振動，而斷層和裂隙則產(chǎn)生較大的阻尼效應(yīng)，減小了云天化幼兒園位置的振動。

（3）育才路和云天化幼兒園位置計算位移、速度和加速度的變化規(guī)律，揭示出育才路和云天化幼兒園位置的振動規(guī)律：振動沿著育才路形成一條傳播路徑，而由于斷層和裂隙的阻尼效應(yīng)，云天化幼兒園附近振動較為微弱。

［1］ 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

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3D Dynam ic FEM Analysis of Near-field Vibration Caused by Flood Discharge and Energy Dissipation of a Stilling Pool

YIN Rong-gang1，2，ZHANG Jian-hai1，2，LIU Xi-kang1，2
（1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Developmentand Protection，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China；2.College ofWater Resources＆Hydropower，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China）

After the impoundmentof a hydropower project，the near-field vibration was caused by the flood discharge and energy dissipation of a stilling pool，which had slighteffecton nearby buildings.In order to accurately analyze themechanism of the near-field vibration，the 3D dynamic FEM is used to backly analyze the choosing parameters such as damping ratio and deformationmodulus andmake the study on the seismic response of nearby buildings.The results show that the calculated maximum vibration value occurs in Yucai Road which has themost thick overburden layer，and themaximum acceleration reaches0.30gal.However，the vibration of Yuntianhua Kindergarten near the stilling pool is not obvious，and themaximum acceleration value is 0.10gal.The near-field vibration propagates along Yucai Road，which accordswith the practical law.It is clearly seen that the overburden layer under YucaiRoad plays less role in reducing the vibration，and there are the fracture and fault in the foundation of Yutianhua Kindergarten，which are themain reason of vibration reducing.

stilling pool；flood discharge and energy dissipation；near-filed vibration；back analysis

TV653

A

1672—1144（2014）01—0072—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.015

2013-09-10

2013-10-14

殷榮崗（1988—），男，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向為巖土數(shù)值分析。