薄拱坝和厂房顶溢流的振动实例

6.3.4.1 薄拱坝的流激振动实例

近年来拱坝建设发展迅速，修建混凝土高拱坝是坝工建设中的重要发展方向之一。由于薄拱坝具有许多优点，不仅节约混凝土方量，而且刚性小、富有弹性，能更好地适应基础的某些不均匀沉降及外界温度的变化，从而减小出现裂缝的可能性。一些高拱坝及超高拱坝均为双曲薄拱坝，如坝高240m的二滩拱坝，250m的拉西瓦拱坝及300m级的小湾拱坝。

薄拱坝大多修建在深山峡谷之中，在汛期其坝身需集中宣泄足够大量的洪水，由此产生各种动力荷载，将不同程度地诱发坝体振动，尤其是超高拱坝的泄流振动更值得关注。在部分拱坝建成后的七八十年代，由于条件的限制，薄拱坝的坝体泄流振动原型观测资料不多，部分实际工程的泄流振动资料见表6.4[72]。进入21世纪以来，随着精密测量技术等方面的不断发展以及我国首座240m级的二滩高拱坝的建成运行，对二滩拱坝及副厂房的泄洪诱发振动情况进行了一些原型观测。观测结果表明，当观测工况分别为2中孔、4中孔和3表4中孔，其泄流量分别为2000m3/s、4180m3/s、7200m3/s，坝身最大振动响应（均方根）为20～38μm，实测最大双倍振幅为0.12～0.19mm，泄洪振动不会对拱坝本身的安全构成威胁；二滩水电站二副厂房位于大坝左岸坝肩下游30～90m处，汛期大坝泄洪时，在二副厂房办公室内可以感觉到建筑物的间歇振动，二副厂房结构和山体的振动响应量级不大，最大振动响应均发生在二副厂房结构的顶部测点，最大动位移不超过0.1025mm，二副厂房结构的振动是由于大坝泄洪过程高速水流冲击水垫塘产生振动，振动效应通过山体的传播放大引起的。从抗震角度看，二滩大坝泄洪引起的二副厂房振动响应远远低于其抗震设防标准。

表6.4　早期的薄拱坝泄流振动实例

续表

由以上薄拱坝泄流振动工程实例可知，引起薄拱坝振动的动荷载与其泄洪方式有关，不同的泄洪方式，其泄流引起的动荷载特性及作用方式均不同，泄流方式大致可分为：

（1）坝顶小鼻坎挑流跌落泄流，在水舌未脱离坝顶时，水流对坝顶的动荷载属于急流紊流边界层内压力脉动性质的随机动荷载，其标准差不超过流速水头的1.5%，其频谱图呈衰减函数曲线状，能量不大且集中在低频部分，一般不会引起坝体强烈振动；水舌脱离坝顶向下游河床跌落过程中，水舌与坝体下游可形成一空气腔，倘若水舌处于不稳定状态下，空腔内通气不足，则易引起水舌振动，但空腔压力对拱坝作用较小，一般不会引起坝体的可观振动；水舌跌落到下游河床后，动水压力具有强烈的脉动性质，跌落水舌在水垫中扩散、漩滚，冲击河床，产生附加动水压力和压力脉动，其比静水压力增加的量要视射流的能量大小、消能效果和下游水垫的深度而论。(www.xing528.com)

（2）坝身孔口泄洪，孔口泄流的动荷载为随机性的脉动压力，若在闸门局部开启中，闸门有流激振动或空化空蚀现象，将对坝身产生激励动荷载。

（3）岸边溢洪道泄流，作用在溢洪道结构上的动荷载类似于溢流面上的随机脉动荷载，其挑坎射流入下游河道水垫中，产生的动水荷载视其泄量大小、落差、消能率及水垫深度而论，其对薄拱坝体的影响与落水区域同坝的距离以及基岩性质、地质构造情况等因素相关。此外，薄拱坝的振动除取决于外部动荷载作用外，还取决于其本身的自振特性，包括空库或满库的研究，有助于判断在泄流过程中，坝体是否会产生共振效应以及动力响应的强度是否在允许范围之内。

6.3.4.2 厂房顶溢流的振动实例

在高山峡谷地区修建高坝、大型泄水建筑物和大容量机组水利工程枢纽，采用厂坝联合泄洪方案，即把厂房顶部作为溢洪道的一部分以行洪水，这样的枢纽布置紧凑、工程量较少，可以加快施工，并充分利用原河床宽度宣泄洪水获得较优的下游流态。我国是较早应用厂房顶溢流技术的国家，20世纪50年代末修建了新安江水电站厂房顶溢流水电站，60年代初修建了修文薄拱坝厂房顶溢流的新型结构，70年代兴建了池潭厂顶溢流式水电站和水头高达100m的厂前挑跃和厂房溢流混合结构的乌江渡水电站。作为厂房顶溢流工程的厂房结构泄流振动、厂顶不均匀沉陷与其连接结构、厂顶的空化空蚀等三大问题之一的厂房流激振动问题是众所关心的问题。国内在新安江、修文、池潭、乌江渡等工程建成后进行了一些原型观测[72]，部分观测成果分析如下。

由1983年新安江水电站原型观测的振动资料可知，不溢流时因有机组（5号、6号机导叶开度为零）和四台通风机运转的影响，仍使厂房产生轻微的振动，其值除副厂房顶板下游角垂向测点位移均方根值有1.19μm外，其余均小于1μm。当开7孔溢流时，5号、6号机导叶开度为16%，各测点的振动位移略有增大，但量级很小，主厂房顶中心垂向振动均方根值为1.98μm，水平向为1.53μm；副厂房拉板垂向振动位移均方根值在1.0～2.6μm之间，平均为2.02μm，水平向全部小于1μm，平均值为0.89μm；盖板垂向振动位移均方根值在0.6～2.0μm之间，平均为0.89μm，水平向平均为0.39μm。由于拉板刚度（厚1m）比副厂房盖板刚度（最小厚度1.8m）小，所以拉板垂向振动位移要比盖板大1.3倍。1995年6月，5孔泄流时5号机导叶开度为72.3%，其厂房振动量比1983年略有增加，但仍为同一量级。由于溢流厂房顶的水流脉动压力很小，其均方根值不超过流速水头的0.7%，且频带宽，因此，厂房结构虽设计很轻，但引起的振动却轻微，主副厂房的垂向和水平向振动位移均方根值均小于2.6μm，对厂房结构和机组的安全运行无影响。

由修文水电站厂房顶振动资料可知，溢流时与不溢流时的厂房振动增加量相比并不显著，其厂房顶板的最大位移振幅值为8μm。修文厂顶溢流坝自1962年建成运行以来，经过了30多年的频繁泄洪考验，特别是1963年7月经受一次特大洪水的考验，洪峰流量为设计洪水流量的2.2倍，为校核洪水流量的1.75倍，水头超过坝顶1.35m而漫坝，大坝及电站振动轻微，并无随溢流增大而发展的趋势，整个工程安然无恙。

池潭水电站厂房振动观测资料表明，停机溢流情况下的振动最小，而机组稳定性较好的负荷范围为3.5k W～3.0×104 k W，厂房振动与停机溢流相差无几，故厂房振动以空载溢流情况下为最大。这与机组运行工况相对应的，因为空载水轮机组的振动也最大。总的来看，厂房振动轻微，特别是停机情况下，厂房仅由厂房顶的水跃的脉动压力所激励，其振动微乎其微。

乌江渡1号和6号孔溢流式厂房的泄洪观测，其厂顶落差98.03m，最大单宽流量163.08m3/（s·m），且在厂顶溢流面上游还增加了通气槽，测得脉压强度系数为1.08%～1.54%。在未过水时，在各种旋转机械影响下，长房顶部最大垂向振动位移均方根值为0.25μm（位于上游1/4拱）及0.22μm（位于拱顶中心）；在泄洪时，在脉动压力的激励下，其振动强度有所增大，厂房顶部最大垂向振动位移均方根值为2.72μm（位于上游1/4拱）及2.28μm（位于拱顶中心）。但振动仅为微米量级。乌江渡厂顶溢流振动原型观测资料为高水头、大单宽流量的溢流式厂房的发展提供了新的实际经验。