欧阳金惠，时洪涛，周光平

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610000；3.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

1 研究背景

近年来我国陆续建设了一批大型水利枢纽工程，这些工程在施工或运行过程中泄洪诱发的振动问题非常突出，对建筑物本身及周边环境都造成了一定的影响[1]。高坝泄流振动问题备受关注，陆续开展了针对二滩、锦屏一级、向家坝和乌东德等高拱坝泄洪诱发振动的试验与理论研究，但研究内容多集中于坝体、消能设施等水工建筑，而对泄洪诱发场地周边建筑物振动的研究较少[2-6]。

溪洛渡水电站是金沙江下游河段开发规划的第三个梯级，其枢纽布置具有“窄河谷、高拱坝、大泄量、多机组”的特点，坝顶高程610.0 m，最大坝高285.5 m。按照“分层出流、空中碰撞、水垫塘消能”的布置形式，泄洪建筑物采用7个表孔和8个深孔组成双层泄水孔口布置，表孔出口为大差动齿坎消能，深孔出口为挑流消能。大坝下游设置400 m长的水垫塘，在水垫塘末端设置二道坝，起壅高塘内水位，淹没扩散消能的作用。坝身最大总泄量为32278 m3/s，约占枢纽最大总泄量的66%[7]。

根据工程施工进度，溪洛渡水电站于2013年5月11日封闭导流底孔正式蓄水。为有效地减缓水库水位上升速度，确保大坝蓄水安全，溪洛渡大坝深孔首次开启过流。随着过流流量的增大，大坝右岸制冰楼和拌合楼（以下简称冰楼）等建筑物出现了较强有感振动。本文为确保冰楼、坝体、水垫塘等建筑物的振动安全，保证安全施工，并为今后其他工程实践提供参考，针对溪洛渡深孔过流引起的振动问题开展了现场振动测试并进行了振动幅值变化规律和频谱特性分析[8]。

2 测试系统与测试工况

本次测试采用由中国水利水电科学研究院自主开发的振动测试仪器系统，该系统由集成测试系统、力平衡传感器、压电晶体传感器及其他相关设备组成。该系统设备间连接简便，可同时接入多种多通道传感器，其良好的扩展性及高效性，使测试效率大幅提高，同时为测试结果的准确性提供了保障。

根据溪洛渡建设部要求及工程安全需要，深孔过流振动测试以冰楼和水垫塘为主，同时对坝体其他部位开展必要测试。已开展的测试部位与深孔开启过流工况见表1。

表1 振动测试部位与过流工况

3 测点布置与测试结果分析

3.1 冰楼各楼层测点布置与测试结果分析冰楼平面布置如图1所示。根据溪洛渡建设部以及冰楼设计单位提出的要求，对6-6’跨柱子开展横河向振动同步测试，其测点布置如图2所示。

图1 冰楼平面布置图

图2 冰楼同步测试测点布置

冰楼各层横河向振动响应测试结果如图3—图9所示，测试结果表明：

图3 冰楼靠一层横河向加速度频谱

图4 冰楼二层横河向加速度频谱

图5 冰楼三层横河向加速度频谱

图6 冰楼四层横河向加速度频谱

图7 冰楼五层横河向加速度传递函数

图8 冰楼顶层横河向加速度传递函数

（1）横河向加速度：如图9（a）所示，冰楼各层横河向加速度幅值随层高变化趋势不明显，甚至出现低层幅值比高层大，其原因在于冰楼地面与楼层存在多处动力设备等振源。如图3—图6的频谱分析所示，一层地面的振动频带较宽，主频不突出；随着楼层的增加，高频成分逐渐降低，低频成分逐渐占主导；低频振动的主频为2.30 Hz。

（2）横河向速度：如图9（b）所示，冰楼横河向速度随楼层的增高而增大。但由于冰楼五层顶部与拌和楼之间存在钢结构连接，使得冰楼五层顶部的振动速度（7.85 mm/s）小于五层楼面（9.24 mm/s）。

（3）横河向位移：如图9（c）所示，冰楼横河向位移也随楼层的增高而增大。同样由于冰楼与拌和楼之间的相互约束，五层顶部的位移（0.55 mm）小于五层楼面（0.64 mm）。此外，冰楼三层楼面—五层顶部的横河向加速度对一层地面的传递函数表明，冰楼横河向第一阶自振频率为2.30 Hz，与振动主频一致，因此冰楼存在横河向共振。

3.2 冰楼五层楼面测点布置与测试结果分析冰楼各楼层横河向振动同步测试结果表明，五层楼面的振动响应较其他各层大，因此对冰楼五层楼面开展普查测试。为了解冰楼横梁两端的横河向振动差别，对测点M和F进行了同步测试。冰楼五层楼面各柱子根部的测点布置如图10所示。溪洛渡右岸的冰楼和拌和楼之间架设有氨管等附属结构如图11所示，为分析冰楼和拌合楼的相对振动对氨管安全运行的影响，了解冰楼与拌合楼横河向振动差别，本次对氨管两端支撑的振动响应也进行了测试。

图10 冰楼五层楼面测点布置

图11 氨管

冰楼五层楼面各柱子的测试结果如图12—图16。测试结果表明：

图12 测点M加速度频谱（竖向）

图13 冰楼横河向加速度频谱

图14 拌和楼横河向加速度频谱

图15 冰楼五层加速度（峰值）

图16 冰楼五层位移（峰值）

（1）如图15—图16所示，冰楼五层楼面以横河向振动响应为主，冰楼横梁两端的横河向振动幅值差别较小。但由于测试时M和F间的制冰机开启，引起了频带较宽的竖向振动（见图12），使得制冰机区域的竖向加速度大于其他两个方向。冰楼横河向的最大加速度为56.85 gal（测点M），横河向最大速度为13.62 mm/s（测点H），横河向最大位移为0.96 mm（测点H），三者的振动主频均为2.30 Hz。

（2）拌和楼横河向最大加速度为55.84 gal，横河向最大位移为0.19 mm，氨管两端最大相对位移为0.77 mm，说明冰楼和拌合楼的相对振动对氨管安全运行的无明显影响。拌和楼与冰楼的横河向加速度振动主频不一致。冰楼的主频为2.30 Hz，而拌和楼的加速度主频为7.58Hz（见图13—图14）。

3.3 大坝527廊道与启闭机平台测点布置与测试结果分析为研究溪洛渡大坝深孔启闭机平台在首次开启过流过程中的振动响应，本次测试在大坝527廊道以及启闭机平台布置的测点如图17所示：左岸4、5、6号坝段以及右岸27、28号坝段各1个测点；1～8深孔启闭机平台各1个测点。

图17 大坝527廊道与启闭机平台测点

大坝527廊道与启闭机平台振动测试结果见图18—图21。测试结果表明：

图18 大坝527廊道与启闭机平台加速度

图19 大坝527廊道与启闭机平台位移

图20 启闭机平台顺河向加速度传递函数

图21 大坝527廊道28#坝段顺河向加速度频谱

（1）启闭机平台的振动响应相对较大，最大加速度为8.21 gal，最大位移为17 μm，振动响应第1阶卓越频率为1.83 Hz；通过启闭机平台振动响应与水垫塘振动响应的传递函数分析（见图20），传递函数第1阶卓越频率也是1.83 Hz，说明该频率为大坝第1阶自振频率。

（2）大坝527廊道振动响应相对较小，最大加速度不足0.1 gal，三个方向位移均不足1 μm。大坝527廊道内测点位于岸坡坝段，其振动频率频带较宽，优势频率不明显（见图21）。

3.4 水垫塘测点布置与测试结果分析水垫塘等作为大坝下游河道的主要防护结构，其在高速水流冲击下的安全性，是实现消能防冲作用的关键，影响大坝的安全运行[9]。为间接了解溪洛渡水垫塘的脉动压力特性，本次对溪洛渡水垫塘泄洪消能的振动响应特性进行了详细的振动测试。水垫塘廊道内的测点布置如图22所示。

图22 水垫塘测点布置图

水垫塘振动测试结果如图23—图26所示，测试结果表明：

图23 纵3廊道竖向加速度频谱

图24 纵4廊道竖向加速度频谱

图25 二道坝廊道竖向加速度时程与位移时程

图26 二道坝廊道竖向加速度时频分析

（1）水垫塘底板和二道坝的竖向振动响应要大于其余两个方向。三个方向的加速度均较小，最大加速度为纵4测点竖向加速度，其值为7.07 gal。水垫塘底板测点的加速度均表现为宽频振动，主频不稳定（见图23—图24），由此可说明水垫塘底板区域的脉动压力的频带较宽，主频不突出。

（2）首次发现了水垫塘二道坝廊道的振动响应主频随时间变化并存在间歇性低频振动，由此可推断泄洪时二道坝附近存在能量较大且主频随时间变化的动水压力。如图25所示，二道坝附近的水垫塘内存在明显间歇性低频振动；时频分析（见图26）表明，二道坝纵1廊道的振动卓越频率呈现随时间变化趋势，当卓越频率下降到2.0 Hz以下时，加速度虽有所降低，但位移不断增大，最大值达到0.95 mm。该间歇性低频振动产生相对较大位移可能影响二道坝结构安全运行。因此，务必高度重视二道坝区域的间歇性低频振动问题。

4 结论

针对溪洛渡深孔过流引起的振动问题，本文对冰楼、大坝廊道、深孔启闭机平台及水垫塘等部位开展了振动测试分析，得出以下主要结论：（1）对于制冰楼、拌合楼等柔性结构，以横河向振动响应为主，其振幅不影响正常运行安全；（2）拱坝深孔过流时引起大坝527岸坡坝段廊道的振动响应较低，最大加速度不足0.1 gal，三个方向位移均不足1 μm，其频带较宽且卓越频率不显著；（3）启闭机平台的振动响应相对较大，且振动响应第1阶卓越频率为1.83 Hz；通过启闭机平台振动响应与水垫塘振动响应的传递函数分析，传递函数第1阶卓越频率也是1.83 Hz，说明该频率为大坝第1阶自振频率。（4）对于水垫塘底板和二道坝等泄洪消能结构，以竖向振动响应为主。最大加速度为纵4测点竖向加速度，其值为7.07 gal。水垫塘振动响应频带较宽且主频不突出；首次发现了水垫塘二道坝廊道的振动响应主频随时间变化并存在间歇性低频振动，由此可推断泄洪时二道坝附近存在能量较大且主频随时间变化的动水压力；该间歇性低频振动产生相对较大位移可能影响二道坝结构安全运行。为确保溪洛渡水电站大流量泄洪时大坝关键部位的振动安全，建议继续对水垫塘、大坝廊道与启闭机平台、两岸建筑等部位开展长期振动监测，对水垫塘内的间歇性低频振动予以高度重视并进行深入分析研究。