高拱坝泄流诱发地基场地振动特性及泄流方案优化研究

马 斌，葛金钊，梁 帅，练继建

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350)

随着我国高坝大库的兴建，其泄流安全问题日益突出，高坝泄流安全运行作为重点研究课题一直广受学术和工程界的关注[1-3]．高坝泄流诱发的地基及场地振动问题在国内外的大型水利工程中均有报道，如古比雪富水电站汛期泄流诱发大坝左岸楼房建筑强烈振动，部分房屋开裂．黄金坪水电站汛期下游居民区房屋门窗明显振动．溪洛渡水电站汛期泄流诱发下游右岸混凝土制冰楼强烈振动等．

目前轨道交通引发的场地及环境振动已取得较为丰富的研究成果[4-9]．而大型水电站泄流诱发的场地振动现象并未引起足够的关注．文献[10-11]针对电站泄流期场地及建筑物振动现象进行原型观测，发现在汛期通过溢流坝泄流时，周边场地的振动比较强烈，可以认为振动主要是由溢流坝泄流引起的；文献[12]曾对泄流引起的近域振动的振源和振动吸收机制进行研究；文献[13]对钱塘江涌潮引起的钱江隧道振动响应进行监测，发现振动主频在2 Hz 左右；文献[11]通过观测，分析了水电站机组运行对附近地表振动的影响，并获得机组流量与地表振动的关系；文献[14]通过系统的现场观测，研究了泄流诱发的环境振动特性，发现从源头优化调度减小激励是当前有效的减振措施之一．文献[15]结合模型与原型结果，研究了高坝泄洪诱发场地振动的振源特性，以及影响振动强度的关键因素．结果表明全水弹性模型能较好地模拟实际泄洪振动情况，通过调节泄流方式可以从振动源头上有效地控制场地振动强度．文献[16]通过乌东德水弹性模型试验发现其表孔泄流时，场地振动与流量存在指数函数关系，一定流量范围内，表孔的开孔方式对场地振动的影响很大．

为此，本文依托乌东德水弹性模型，研究流量和开孔方式对地基和场地振动分布特性的影响，并从源头出发，进一步探究了不同流量级的减振优化方案．

1 试验概况

1.1 水弹性模型简介

乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝为金沙江下游河段4 个世界级梯级水电站．乌东德水电站作为最上游梯级，采用混凝土双曲拱坝挡水，坝顶高程为988 m，最大坝高 270 m；坝体窄而薄，厚高比为0.171，弧高比为1.21．水电站泄洪消能方案为坝身布置5 个表孔、6 个中孔加岸边3 条泄洪洞的联合泄洪方案．坝下利用天然水垫塘消能，水垫深度超过100 m．模型使用特制的橡胶材料保证与原型的结构动力相似，模型比尺为1∶100，模拟范围包括上游库身、双曲拱坝坝体、下游水垫塘以及二道坝．由于乌东德水电站尚处于工程建设阶段，缺乏相关的原型观测资料，为达到对实际泄流振动情况的有效模拟，确定合理的模拟范围，将有限元软件计算结果与溪洛渡、二滩、拉西瓦等同类工程模型进行对比，相关参数基本一致．此外，在上、下游采用橡胶带形成软连接，用以缓冲进水和回水影响，基础周边设置2 m 深的隔振沟，用以减小环境干扰．受试验温度等因素影响，试验结果与实际泄流振动值可能存在一定的折减或倍数关系，后期可根据原型观测资料进行修正，但两者反映的振动规律相似．水弹性模型如图1所示.

1.2 测点布置

水弹性模型共布置20 个加速度测点，测点布置如图2 所示．埋设33 个加速度传感器，上、下游底部拱圈(732 m)各布置1 个竖直向(V1 和V2)加速度传感器，水垫塘底部(732 m)泄流中心线桩号 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个竖直向加速度传感器．边坡左岸分别在767 m 和827 m 高程桩号0+150 m、0+200 m 及0+300 m 各放置3 个竖直向传感器(V9～V14)．边坡右岸在与左岸相同高程和桩号处对称布置6 个竖直向传感器(V15～V20)．此外，本次试验还布置了10 个顺河向和3 个横河向传感器对比研究．水垫塘底部732 m高程共布置了4 个顺河向的传感器和2 个横河向的传感器，分别位于下游拱圈中心(S1、H1)、泄流中心线桩号0+100 m(S2)、0+200 m(S3、H2)和0+300 m(S4)处，边坡左岸布置2 个顺河向传感器，分别位于827 m 高程桩号0+300 m(S5)和767 m 高程桩号0+150 m(S6)处．边坡右岸共布置4 个顺河向和1 个横河向传感器，分别位于827 m 高程桩号0+150 m(S7)、0+200 m(S8、H3)、0+300 m(S9)和767 m 高程桩号0+150 m(S10)处．

图1 水弹性模型Fig.1 Hydroelastic model

图2 试验测点布置Fig.2 Layout of the measuring point

2 试验结果分析

乌东德水垫深厚，消能水体巨大，流量和开孔方式对水垫塘的振动响应有着重要的影响．因此下文主要从流量和开孔方式两方面研究基岩和水垫塘边坡的振动响应分布规律．

2.1 流量对水垫塘振动分布的影响

表1 试验工况设置Tab.1 Setting of test modes

为了研究流量大小对水垫塘基岩和边坡振动情况的影响，选取不同流量级的表孔泄流、中孔泄流和表中联合泄流工况进行比较，所选工况尽量保持对称和连续开孔，如表1 所示．

从图3 中可以看出，底部基岩的竖直向振动普遍大于顺河向振动，不同的泄流方式下振动和流量关系存在一定差异．工况1～工况6 为表中联合泄流，除工况5 和工况6 外，基岩的振动量值与流量呈大致的正相关关系．分析发现工况5、工况6 均为表孔开孔数大于中孔的泄流方式，虽然流量在表中联合泄流工况中处于较低水平，但基岩的振动较大．工况7～工况9 为表孔泄流，基岩的振动随流量增加整体上呈先增大后基本保持不变的趋势．工况10～工况12 为中孔泄流，基岩的振动量值与流量呈明显的正相关关系.

进一步分析发现，不同的泄流方式下，水垫塘底部竖直向振动分布主要与表中孔水舌落点位置有关，且表孔水舌的影响大于中孔．所有表孔参与泄流的工况，其竖直向加速度均方根峰值位置均偏向上游，与表孔水舌落点区域吻合，而仅开启中孔泄流时，竖直向加速度均方根峰值位置偏向下游，与中孔水舌落点区域吻合．

从图4 可以看出，边坡767 m 高程左、右岸竖直向振动分布与底部基岩相仿，振动量值较基岩有所减小．由于水垫塘上游段左岸较右岸的坡比大且更加靠近水舌冲击区域，左岸竖直向加速度均方根整体大于右岸．而边坡827 m 高程与767 m 高程相比受到水舌冲击作用较小，受水位紊动的拍击作用较大，影响其振动分布的因素更为复杂，振动沿桩号没有明显的分布规律．

图3 各流量工况下地基振动加速度沿桩号的分布Fig.3 Vibration acceleration distribution along stake number in the foundation of the plunge pool of different discharge

图4 各流量工况下水垫塘边坡振动加速度沿桩号的分布Fig.4 Vibration acceleration distribution along stake number on the plunge pool slope of different discharge

2.2 开孔方式对水垫塘振动分布的影响

比较流量相近开孔方式不同的工况．首先工况3为表中联合泄流，工况10 为中孔泄流，两者的流量均在9 000 m3/s 左右，工况3 基岩的振动小于工况10，但对于边坡来说，表中联合泄流时，水位紊动剧烈，827 m 高程处的振动情况要远大于中孔泄流，因此工况10 基岩和边坡的振动整体较小，应优先考虑．此外，工况6 和工况11 流量均在6 000 m3/s 左右，工况5 和工况7 流量均在7 300 m3/s 左右，工况5和工况6 采用表、中联合泄流，且表孔开孔数大于中孔，其基岩及边坡的振动情况远大于同流量级其他工况．这证明表孔和中孔泄流诱发地基及边坡的振动响应是正相关的，此种开孔方式会诱发较大的振动，单独采用表孔或中孔泄流时振动更小．

进一步比较发现，工况4、工况8 和工况12 流量均在4 500 m3/s 左右，工况4 为表中联合泄流，工况8为表孔泄流，工况12 为中孔泄流，工况8 基岩及边坡767 m 高程的振动较大，而工况4 和工况12 的振动相对较小．前面提到表中联合泄流可能诱发较大振动，工况4 虽然采用表中联合泄流，但表孔开孔数小于中孔开孔数，其振动反而处于较低水平．这说明表孔、中孔泄流振动响应并不是影响地基和边坡振动的唯一因素，流量、表中孔组合方式、水舌碰撞消能状况也会在特定条件下对振动产生较大影响．

3 泄流减振优化研究

为了在泄流中避免不利的开孔方式，满足渡汛和安全运行要求，设计大小两个流量级的不同开孔组合方案，进行相应的减振优化研究．其中小流量(6 000 m3/s)工况下，流量小于表孔全开泄量，大流量(10 500 m3/s)工况下，流量大于中孔全开泄量．

3.1 小流量减振优化分析

表2 列出了小流量(6 000 m3/s)下不同表、中孔组合工况．包括表孔泄流、中孔泄流、表中联合泄流(表孔数大于中孔、中孔数大于表孔)三大类情况．由图5～图7 可知，工况11 为只开中孔工况，同流量级下引起的水垫塘振动整体较小，工况13、工况14 为只开表孔工况．两者开孔数相同，流量相同，然而工况14 基岩和边坡整体振动情况更小．分析可知，工况14 为连续开孔而工况13 为间隔开孔，间隔开孔可能对结构振动产生不利影响．

表2 流量6 000 m3/s时试验工况设置Tab.2 Setting test modes at 6 000 m3/s discharge

工况15～17 均为表孔开孔数大于中孔的表中联合泄流工况，其水垫塘整体振动情况较表孔泄流工况更大，与第2 节中工况5 振动大于工况7 的现象一致．分析认为当表孔开孔数远大于中孔开孔数时，表中孔水舌对撞消能作用要远小于表中孔泄流振动响应的叠加作用．相比之下，工况18 也是表中对撞泄流工况，但中孔开孔数大于表孔开孔数，其整体振动情况在表2 所列工况中处于较低水平，这也恰恰证实了之前的分析结果．

图5 水垫塘基础振动加速度沿桩号的分布(6 000 m3/s)Fig.5 Vibration acceleration distribution along stake number of the bottom of the plunge pool(6 000 m3/s)

图6 水垫塘边坡振动加速度沿桩号的分布(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)

图7 水垫塘边坡振动加速度沿桩号的分布(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 大流量减振优化分析

中孔全开泄量为 9 151.5 m3/s，设计流量在10 500 m3/s 左右的大流量工况如表3 所示．此时需采用表中联合泄流，研究结果可为水垫塘地基及边坡的减振优化方案提供参考．

由图8～图10 可知，与小流量工况结果相似，表孔开孔数大于中孔开孔数的工况19～工况22，其水垫塘基岩和边坡整体振动情况较大，而表孔开孔数小于中孔开孔数的工况23，其水垫塘基础、边坡767 m高程处的振动加速度均方根明显低于其他工况．但随着中孔开孔数的增加，边坡左岸827 m 高程的振动有所加大．

图8 水垫塘基础振动加速度沿桩号的分布(10 500 m3/s)Fig.8 Vibration acceleration distribution along stake number of the bottom the plunge pool(10 500 m3/s)

图9 水垫塘边坡振动加速度沿桩号分布(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)

图10 水垫塘边坡振动加速度沿桩号的分布(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时试验工况设置Tab.3 Setting of test modes at 10 500 m3/s discharge

工况24～工况27 的中孔开启方式完全一致，均为全开，但表孔开孔数和开度存在一定差异．相应工况下水垫塘基岩和边坡767 m 高程左右岸振动都相对较小，边坡827 m 高程左岸振动加速度均方根从表孔开1 孔到3 孔逐渐降低．由此可见，大流量表中联合泄流时，在保证中孔开孔数大于表孔的前提下，适当增大表孔的开孔数，可以有效地分散表孔水流能量，减小边坡827 m 高程处的振动．

4 结 论

本文依据乌东德水弹性模型试验结果，研究不同流量和开孔方式下，地基及水垫塘边坡的振动分布规律，进而分析了流量和开孔方式对振动情况的影响．在此基础上，设计大小两个流量级的不同泄流方式，研究相应的减振优化方案，结论如下.

(1) 对水垫基岩来说，竖直向的振动明显大于顺河向和横河向．其竖直向加速度均方根沿桩号分布主要受水舌位置影响，且表孔水舌影响大于中孔．表孔参与泄流时，其峰值位置偏向上游，中孔泄流时其

峰值位置偏向下游．

(2) 不同的开孔方式下，流量与振动的关系存在一定差异．表孔泄流时，水垫塘基岩及边坡振动量值随流量增大呈先增大后基本保持不变的趋势，中孔泄流时振动量值与流量呈明显的正相关关系，表中联合泄流时，表孔开孔数小于中孔的工况，振动与流量呈大致的正相关关系，而表孔开孔数大于中孔的工况，即使流量较小，振动也相对较大．同流量级下，中孔泄流和表孔开孔数小于中孔的开孔方式诱发振动较小，表孔泄流和表孔开孔数大于中孔的开孔方式诱发振动较大．

(3) 边坡767 m 高程处左右岸振动分布主要受泄流水舌对水垫塘的冲击荷载影响，与底部基岩相比，分布规律相似，但振动量级更小，且左岸竖直向振动情况整体高于右岸．边坡827 m 高程处受“冲击荷载”、“拍击荷载”、泄量大小、开孔方式等诸多因素的共同影响，振动分布情况较为复杂，没有明显的分布规律．

(4) 小流量泄流时，中孔泄流引发地基及边坡的振动整体较小，建议优先选取．而流量较大、必须采用表中联合泄流时，在保证开孔对称性和连续性的前提下，应选择中孔开孔数大于表孔的工况，同时应兼顾边坡827 m 高程的振动情况，适当增大表孔开孔数，分散表孔水舌能量．