高拱壩泄流誘發(fā)地基場地振動特性及泄流方案優(yōu)化研究

馬 斌，葛金釗，梁 帥，練繼建

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

隨著我國高壩大庫的興建，其泄流安全問題日益突出，高壩泄流安全運行作為重點研究課題一直廣受學術和工程界的關注[1-3]．高壩泄流誘發(fā)的地基及場地振動問題在國內外的大型水利工程中均有報道，如古比雪富水電站汛期泄流誘發(fā)大壩左岸樓房建筑強烈振動，部分房屋開裂．黃金坪水電站汛期下游居民區(qū)房屋門窗明顯振動．溪洛渡水電站汛期泄流誘發(fā)下游右岸混凝土制冰樓強烈振動等．

目前軌道交通引發(fā)的場地及環(huán)境振動已取得較為豐富的研究成果[4-9]．而大型水電站泄流誘發(fā)的場地振動現象并未引起足夠的關注．文獻[10-11]針對電站泄流期場地及建筑物振動現象進行原型觀測，發(fā)現在汛期通過溢流壩泄流時，周邊場地的振動比較強烈，可以認為振動主要是由溢流壩泄流引起的；文獻[12]曾對泄流引起的近域振動的振源和振動吸收機制進行研究；文獻[13]對錢塘江涌潮引起的錢江隧道振動響應進行監(jiān)測，發(fā)現振動主頻在2 Hz 左右；文獻[11]通過觀測，分析了水電站機組運行對附近地表振動的影響，并獲得機組流量與地表振動的關系；文獻[14]通過系統的現場觀測，研究了泄流誘發(fā)的環(huán)境振動特性，發(fā)現從源頭優(yōu)化調度減小激勵是當前有效的減振措施之一．文獻[15]結合模型與原型結果，研究了高壩泄洪誘發(fā)場地振動的振源特性，以及影響振動強度的關鍵因素．結果表明全水彈性模型能較好地模擬實際泄洪振動情況，通過調節(jié)泄流方式可以從振動源頭上有效地控制場地振動強度．文獻[16]通過烏東德水彈性模型試驗發(fā)現其表孔泄流時，場地振動與流量存在指數函數關系，一定流量范圍內，表孔的開孔方式對場地振動的影響很大．

為此，本文依托烏東德水彈性模型，研究流量和開孔方式對地基和場地振動分布特性的影響，并從源頭出發(fā)，進一步探究了不同流量級的減振優(yōu)化方案．

1 試驗概況

1.1 水彈性模型簡介

烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩為金沙江下游河段4 個世界級梯級水電站．烏東德水電站作為最上游梯級，采用混凝土雙曲拱壩擋水，壩頂高程為988 m，最大壩高 270 m；壩體窄而薄，厚高比為0.171，弧高比為1.21．水電站泄洪消能方案為壩身布置5 個表孔、6 個中孔加岸邊3 條泄洪洞的聯合泄洪方案．壩下利用天然水墊塘消能，水墊深度超過100 m．模型使用特制的橡膠材料保證與原型的結構動力相似，模型比尺為1∶100，模擬范圍包括上游庫身、雙曲拱壩壩體、下游水墊塘以及二道壩．由于烏東德水電站尚處于工程建設階段，缺乏相關的原型觀測資料，為達到對實際泄流振動情況的有效模擬，確定合理的模擬范圍，將有限元軟件計算結果與溪洛渡、二灘、拉西瓦等同類工程模型進行對比，相關參數基本一致．此外，在上、下游采用橡膠帶形成軟連接，用以緩沖進水和回水影響，基礎周邊設置2 m 深的隔振溝，用以減小環(huán)境干擾．受試驗溫度等因素影響，試驗結果與實際泄流振動值可能存在一定的折減或倍數關系，后期可根據原型觀測資料進行修正，但兩者反映的振動規(guī)律相似．水彈性模型如圖1所示.

1.2 測點布置

水彈性模型共布置20 個加速度測點，測點布置如圖2 所示．埋設33 個加速度傳感器，上、下游底部拱圈(732 m)各布置1 個豎直向(V1 和V2)加速度傳感器，水墊塘底部(732 m)泄流中心線樁號 0+125 m(V3)、0+150 m(V4)、0+175 m(V5)、0+200 m(V6)、0+245 m(V7)、0+300 m(V8)共布置6個豎直向加速度傳感器．邊坡左岸分別在767 m 和827 m 高程樁號0+150 m、0+200 m 及0+300 m 各放置3 個豎直向傳感器(V9～V14)．邊坡右岸在與左岸相同高程和樁號處對稱布置6 個豎直向傳感器(V15～V20)．此外，本次試驗還布置了10 個順河向和3 個橫河向傳感器對比研究．水墊塘底部732 m高程共布置了4 個順河向的傳感器和2 個橫河向的傳感器，分別位于下游拱圈中心(S1、H1)、泄流中心線樁號0+100 m(S2)、0+200 m(S3、H2)和0+300 m(S4)處，邊坡左岸布置2 個順河向傳感器，分別位于827 m 高程樁號0+300 m(S5)和767 m 高程樁號0+150 m(S6)處．邊坡右岸共布置4 個順河向和1 個橫河向傳感器，分別位于827 m 高程樁號0+150 m(S7)、0+200 m(S8、H3)、0+300 m(S9)和767 m 高程樁號0+150 m(S10)處．

圖1 水彈性模型Fig.1 Hydroelastic model

圖2 試驗測點布置Fig.2 Layout of the measuring point

2 試驗結果分析

烏東德水墊深厚，消能水體巨大，流量和開孔方式對水墊塘的振動響應有著重要的影響．因此下文主要從流量和開孔方式兩方面研究基巖和水墊塘邊坡的振動響應分布規(guī)律．

2.1 流量對水墊塘振動分布的影響

表1 試驗工況設置Tab.1 Setting of test modes

為了研究流量大小對水墊塘基巖和邊坡振動情況的影響，選取不同流量級的表孔泄流、中孔泄流和表中聯合泄流工況進行比較，所選工況盡量保持對稱和連續(xù)開孔，如表1 所示．

從圖3 中可以看出，底部基巖的豎直向振動普遍大于順河向振動，不同的泄流方式下振動和流量關系存在一定差異．工況1～工況6 為表中聯合泄流，除工況5 和工況6 外，基巖的振動量值與流量呈大致的正相關關系．分析發(fā)現工況5、工況6 均為表孔開孔數大于中孔的泄流方式，雖然流量在表中聯合泄流工況中處于較低水平，但基巖的振動較大．工況7～工況9 為表孔泄流，基巖的振動隨流量增加整體上呈先增大后基本保持不變的趨勢．工況10～工況12 為中孔泄流，基巖的振動量值與流量呈明顯的正相關關系.

進一步分析發(fā)現，不同的泄流方式下，水墊塘底部豎直向振動分布主要與表中孔水舌落點位置有關，且表孔水舌的影響大于中孔．所有表孔參與泄流的工況，其豎直向加速度均方根峰值位置均偏向上游，與表孔水舌落點區(qū)域吻合，而僅開啟中孔泄流時，豎直向加速度均方根峰值位置偏向下游，與中孔水舌落點區(qū)域吻合．

從圖4 可以看出，邊坡767 m 高程左、右岸豎直向振動分布與底部基巖相仿，振動量值較基巖有所減?。捎谒畨|塘上游段左岸較右岸的坡比大且更加靠近水舌沖擊區(qū)域，左岸豎直向加速度均方根整體大于右岸．而邊坡827 m 高程與767 m 高程相比受到水舌沖擊作用較小，受水位紊動的拍擊作用較大，影響其振動分布的因素更為復雜，振動沿樁號沒有明顯的分布規(guī)律．

圖3 各流量工況下地基振動加速度沿樁號的分布Fig.3 Vibration acceleration distribution along stake number in the foundation of the plunge pool of different discharge

圖4 各流量工況下水墊塘邊坡振動加速度沿樁號的分布Fig.4 Vibration acceleration distribution along stake number on the plunge pool slope of different discharge

2.2 開孔方式對水墊塘振動分布的影響

比較流量相近開孔方式不同的工況．首先工況3為表中聯合泄流，工況10 為中孔泄流，兩者的流量均在9 000 m3/s 左右，工況3 基巖的振動小于工況10，但對于邊坡來說，表中聯合泄流時，水位紊動劇烈，827 m 高程處的振動情況要遠大于中孔泄流，因此工況10 基巖和邊坡的振動整體較小，應優(yōu)先考慮．此外，工況6 和工況11 流量均在6 000 m3/s 左右，工況5 和工況7 流量均在7 300 m3/s 左右，工況5和工況6 采用表、中聯合泄流，且表孔開孔數大于中孔，其基巖及邊坡的振動情況遠大于同流量級其他工況．這證明表孔和中孔泄流誘發(fā)地基及邊坡的振動響應是正相關的，此種開孔方式會誘發(fā)較大的振動，單獨采用表孔或中孔泄流時振動更小．

進一步比較發(fā)現，工況4、工況8 和工況12 流量均在4 500 m3/s 左右，工況4 為表中聯合泄流，工況8為表孔泄流，工況12 為中孔泄流，工況8 基巖及邊坡767 m 高程的振動較大，而工況4 和工況12 的振動相對較?。懊嫣岬奖碇新摵闲沽骺赡苷T發(fā)較大振動，工況4 雖然采用表中聯合泄流，但表孔開孔數小于中孔開孔數，其振動反而處于較低水平．這說明表孔、中孔泄流振動響應并不是影響地基和邊坡振動的唯一因素，流量、表中孔組合方式、水舌碰撞消能狀況也會在特定條件下對振動產生較大影響．

3 泄流減振優(yōu)化研究

為了在泄流中避免不利的開孔方式，滿足渡汛和安全運行要求，設計大小兩個流量級的不同開孔組合方案，進行相應的減振優(yōu)化研究．其中小流量(6 000 m3/s)工況下，流量小于表孔全開泄量，大流量(10 500 m3/s)工況下，流量大于中孔全開泄量．

3.1 小流量減振優(yōu)化分析

表2 列出了小流量(6 000 m3/s)下不同表、中孔組合工況．包括表孔泄流、中孔泄流、表中聯合泄流(表孔數大于中孔、中孔數大于表孔)三大類情況．由圖5～圖7 可知，工況11 為只開中孔工況，同流量級下引起的水墊塘振動整體較小，工況13、工況14 為只開表孔工況．兩者開孔數相同，流量相同，然而工況14 基巖和邊坡整體振動情況更小．分析可知，工況14 為連續(xù)開孔而工況13 為間隔開孔，間隔開孔可能對結構振動產生不利影響．

表2 流量6 000 m3/s時試驗工況設置Tab.2 Setting test modes at 6 000 m3/s discharge

工況15～17 均為表孔開孔數大于中孔的表中聯合泄流工況，其水墊塘整體振動情況較表孔泄流工況更大，與第2 節(jié)中工況5 振動大于工況7 的現象一致．分析認為當表孔開孔數遠大于中孔開孔數時，表中孔水舌對撞消能作用要遠小于表中孔泄流振動響應的疊加作用．相比之下，工況18 也是表中對撞泄流工況，但中孔開孔數大于表孔開孔數，其整體振動情況在表2 所列工況中處于較低水平，這也恰恰證實了之前的分析結果．

圖5 水墊塘基礎振動加速度沿樁號的分布(6 000 m3/s)Fig.5 Vibration acceleration distribution along stake number of the bottom of the plunge pool(6 000 m3/s)

圖6 水墊塘邊坡振動加速度沿樁號的分布(高程767 m，6 000 m3/s)Fig.6 Vibration acceleration distribution along stake number of the plunge pool slope(elevation 767 m，6 000 m3/s)

圖7 水墊塘邊坡振動加速度沿樁號的分布(高程827 m，6 000 m3/s)Fig.7 Vibration acceleration distribution along stake number of the plunge pool slope(elevation 827 m，6 000 m3/s)

3.2 大流量減振優(yōu)化分析

中孔全開泄量為 9 151.5 m3/s，設計流量在10 500 m3/s 左右的大流量工況如表3 所示．此時需采用表中聯合泄流，研究結果可為水墊塘地基及邊坡的減振優(yōu)化方案提供參考．

由圖8～圖10 可知，與小流量工況結果相似，表孔開孔數大于中孔開孔數的工況19～工況22，其水墊塘基巖和邊坡整體振動情況較大，而表孔開孔數小于中孔開孔數的工況23，其水墊塘基礎、邊坡767 m高程處的振動加速度均方根明顯低于其他工況．但隨著中孔開孔數的增加，邊坡左岸827 m 高程的振動有所加大．

圖8 水墊塘基礎振動加速度沿樁號的分布(10 500 m3/s)Fig.8 Vibration acceleration distribution along stake number of the bottom the plunge pool(10 500 m3/s)

圖9 水墊塘邊坡振動加速度沿樁號分布(高程767 m，10 500 m3/s)Fig.9 Vibration acceleration distribution along stake number of the plunge pool slope(elevation 767 m，10 500 m3/s)

圖10 水墊塘邊坡振動加速度沿樁號的分布(高程827 m，10 500 m3/s)Fig.10 Vibration acceleration distribution along stake number of the plunge pool slope(elevation 827 m，10 500 m3/s)

表3 流量10 500 m3/s時試驗工況設置Tab.3 Setting of test modes at 10 500 m3/s discharge

工況24～工況27 的中孔開啟方式完全一致，均為全開，但表孔開孔數和開度存在一定差異．相應工況下水墊塘基巖和邊坡767 m 高程左右岸振動都相對較小，邊坡827 m 高程左岸振動加速度均方根從表孔開1 孔到3 孔逐漸降低．由此可見，大流量表中聯合泄流時，在保證中孔開孔數大于表孔的前提下，適當增大表孔的開孔數，可以有效地分散表孔水流能量，減小邊坡827 m 高程處的振動．

4 結 論

本文依據烏東德水彈性模型試驗結果，研究不同流量和開孔方式下，地基及水墊塘邊坡的振動分布規(guī)律，進而分析了流量和開孔方式對振動情況的影響．在此基礎上，設計大小兩個流量級的不同泄流方式，研究相應的減振優(yōu)化方案，結論如下.

(1) 對水墊基巖來說，豎直向的振動明顯大于順河向和橫河向．其豎直向加速度均方根沿樁號分布主要受水舌位置影響，且表孔水舌影響大于中孔．表孔參與泄流時，其峰值位置偏向上游，中孔泄流時其

峰值位置偏向下游．

(2) 不同的開孔方式下，流量與振動的關系存在一定差異．表孔泄流時，水墊塘基巖及邊坡振動量值隨流量增大呈先增大后基本保持不變的趨勢，中孔泄流時振動量值與流量呈明顯的正相關關系，表中聯合泄流時，表孔開孔數小于中孔的工況，振動與流量呈大致的正相關關系，而表孔開孔數大于中孔的工況，即使流量較小，振動也相對較大．同流量級下，中孔泄流和表孔開孔數小于中孔的開孔方式誘發(fā)振動較小，表孔泄流和表孔開孔數大于中孔的開孔方式誘發(fā)振動較大．

(3) 邊坡767 m 高程處左右岸振動分布主要受泄流水舌對水墊塘的沖擊荷載影響，與底部基巖相比，分布規(guī)律相似，但振動量級更小，且左岸豎直向振動情況整體高于右岸．邊坡827 m 高程處受“沖擊荷載”、“拍擊荷載”、泄量大小、開孔方式等諸多因素的共同影響，振動分布情況較為復雜，沒有明顯的分布規(guī)律．

(4) 小流量泄流時，中孔泄流引發(fā)地基及邊坡的振動整體較小，建議優(yōu)先選?。髁枯^大、必須采用表中聯合泄流時，在保證開孔對稱性和連續(xù)性的前提下，應選擇中孔開孔數大于表孔的工況，同時應兼顧邊坡827 m 高程的振動情況，適當增大表孔開孔數，分散表孔水舌能量．