某消力池泄洪引发近场振动的三维有限元动力分析

殷荣岗，张建海，刘喜康

（1.四川大学水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室，四川成都610065；2.四川大学水利水电学院，四川成都610065）

某消力池泄洪引发近场振动的三维有限元动力分析

殷荣岗1，2，张建海1，2，刘喜康1，2

（1.四川大学水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室，四川成都610065；2.四川大学水利水电学院，四川成都610065）

某水电工程下闸蓄水以后，消力池泄洪消能引发了近场振动，致使附近建筑有轻微晃动。为了能够准确分析近场振动机理，采用三维有限元动力计算方法反演计算参数并进行动力响应分析。计算结果表明，近场振动最大值出现在覆盖层最厚的育才路，最大加速度为0.30 gal；距离消力池较近的云天化幼儿园振动反而较弱，最大加速度为0.10 gal。近场振动沿着育才路形成一条传播路径，符合实际规律。可见育才路地基覆盖层没有良好吸波减震效应，而云天化幼儿园地基中发育的裂隙、断层是导致云天化幼儿园晃动减弱的主要原因。

消力池；泄洪消能；近场振动；反演分析

某水电站挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高162.00m。泄洪坝段位于河床中部略靠右岸，12个表孔10个中孔间隔布置，由中隔墙分隔成两个对称的消能区。电站采用高低坎消力池消能，由中导墙分割为左右对称的双池，消力池末端设尾坎，尾坎后接海曼。电站遇小洪水时表、中孔单独开启泄洪，遇大洪水时表、中孔联合泄洪。

2012年10月10日该水电工程下闸蓄水，随后附近县城居民陆续反映：云天化幼儿园门窗有连续晃动，育才路两侧门面卷帘门连续晃动，部分居民家中出现家具颤动，吊灯摆动的情况。为此，本文对包括某混凝土重力坝、坝身孔口、消力池等主要结构，以及晃动现象发生的主要区域进行详细建模，对不同反演工况进行有限元动力计算［1］，对比实测值确定最优反演工况，结合该工况的计算结果，对出现晃动区域的位移、速度和加速度进行了详细分析。

1 研究条件

1.1 计算软件简介

本文有限元分析采用四川大学开发的水工岩土问题二维和三维静动力非线性有限元分析程序NASGEWIN。该分析系统先后成功地应用于国家“七·五”、“八·五”、“九·五”攻关课题及二滩、锦屏一级、紫坪铺、官地、瀑布沟等二十多个重大工程项目研究，取得了良好的效果，并在工程实践中不断丰富完善，现已具备很强的分析功能。

1.2 计算范围及结构离散

该消力池振动分析的三维有限元模型范围：X方向为顺河向，由上游指向下游，截取总长为3 600 m；Y方向为铅直向，从50 m高程延伸至800 m高程；Z方向为横河向，沿该方向整个区域划为69个桩号，其中消力池范围内有49个桩号，由左岸桩号0m取至右岸桩号0＋3246 m。三维计算模型共计离散为78 759个节点和72 908个单元。有限元计算［2－3］三维模型如图1所示。

图1 有限元计算的三维模型

1.3 物理力学参数

混凝土密度：2.4 t／m3，弹性模量：25.5 GPa，泊松比：0.167，内摩擦系数：1.5，凝聚力：2 MPa，阻尼比：0.04。各类材料动变形模量取静变形模量的1.3倍，岩体物理力学参数见表1。

表1 各类岩体的物理力学参数

1.4 约束与作用荷载

消力池泄洪消能引发近场振动分析模型选择区域较大，覆盖11.69 km2的范围。近场振动传到模型边界时完全可以忽略，因此计算中前后左右下边界施加x、y、z三向约束。

近场振动主要由下泄水流与表中孔流道、表中孔隔墙、消力池底板、消力池导墙等相互碰撞产生。有限元动力计算分析时，通过模型试验得出动水荷载，施加于消力池及表中孔上，以此来模拟某消力池泄洪消能引发的振动。

2 反演分析

2.1 反演方法研究思路

该消力池泄洪消能引发振动分析模型的计算范围较大。计算范围内揭露有断层，岩体节理裂隙发育，工程地质条件相当复杂，岩体的阻尼系数与变形模量难以准确确定。

鉴于以上原因，本文采用反演分析方法［4－7］，按照以下反演思路进行分析：

（1）充分模拟场区工程地质条件，特别是对振动起阻止缓冲作用的断层和破碎带，进而计入泄洪动力荷载作用，进行动力响应分析。

（2）通过变化地基阻尼和变模，使计算模型振动与实测达到接近的反演要求。

2.2 反演分析过程

2.2.1 实测值选取

近场振动主要体现如下特点：振动较为明显的区域主要包括育才路两侧和云天化幼儿园附近的建筑物，尽管云天化幼儿园附近的建筑物距离消力池更近，但是育才路两侧建筑物振动明显较大。育才路两侧建筑物、云天化幼儿园附近建筑物和消力池位置相对关系如图2所示。

图2 育才路、云天化幼儿园与消力池的位置

为此选择育才路两侧建筑物和云天化幼儿园附近建筑物的实测值作为反演的参考值（如表2所示）。

表2 位移、速度、加速度的实测峰值

2.2.2 反演工况

综合分析育才路两侧建筑物和云天化幼儿园附近建筑物的实测值，按照反演分析方法的研究思路，在合理控制范围内，不断搜索拟合后，拟定四种反演分析工况，四种反演工况的详细情况如表3所示。

表3 反演分析工况

2.2.3 计算结果反演分析

（1）如图3所示，工况1和工况2条件下，育才路两侧和云天化幼儿园附近建筑物的计算位移和实测位移差距较大。工况3和工况4条件下，育才路两侧建筑物最大计算位移大于云天化幼儿园附近建筑物最大计算位移，与实测规律相符。工况3和工况4条件下，云天化幼儿园附近建筑物最大计算位移分别为7.500μm和10.100μm，接近实测位移峰值11.010μm；工况3和工况4条件下，育才路两侧建筑物最大计算位移分别为17.500μm和17.600 μm，小于实测位移峰值79.760μm。

图3 最大计算位移与实测位移峰值

（2）在不同反演工况下，育才路两侧和云天化幼儿园附近建筑物的计算速度和实测速度如图4所示。计算速度和实测速度在工况1和工况2条件下有较大差距。在工况3和工况4条件下，育才路两侧建筑物计算速度最大值大于云天化幼儿园附近建筑物计算速度最大值。云天化幼儿园附近建筑物的计算速度最大值分别为0.072mm／s和0.085mm／s，接近实测峰值0.050 mm／s；育才路两侧建筑物的计算速度最大值分别为0.205mm／s和0.251mm／s，接近实测峰值0.260mm／s。

图4 最大计算速度与实测速度峰值

（3）如图5所示，工况1和工况2条件下，计算加速度和实测加速度不同。在工况3和工况4条件下，对于计算加速度最大值，育才路两侧建筑物大于云天化幼儿园附近建筑物，符合实测规律。云天化幼儿园计算加速度最大值分别为0.112 gal和0.192 gal，接近实测值0.074 gal；育才路两侧建筑物计算加速度最大值分别为0.30 gal和0.382 gal，和实测峰值0.175 gal接近。

图5 最大计算加速度与实测加速度峰值

综上所述，工况3和工况4条件下，位移、速度、加速度计算最大值与实测峰值都比较接近，且都符合育才路两侧建筑物大于云天化幼儿园附近建筑物的规律。相比工况4的参数，工况3提高云天化幼儿园位置覆盖层的变形模量达20 GPa，缺乏勘测数据支持。因此选取工况4的计算结果进行有限元动力详细分析［8－11］。

3 有限元动力分析

3.1 动位移分析

（1）桩号0＋1661.15 m经过云天化幼儿园附近，顺河向位移等值线如图6所示。云天化幼儿园顺河向位移最大值约为10.00μm，没有出现位移等值线集中现象。由图7可见，桩号0＋2261.15 m经过育才路，育才路顺河向最大位移为18.00μm，育才路出现位移等值线集中现象。育才路地基有厚约80m的覆盖层，云天化幼儿园地基覆盖层厚约25 m，云天化幼儿园地基发育断层、裂隙。可见覆盖层对消力池的阻尼效应并不显著，云天化幼儿园以下发育的断层、裂隙对振动产生主要阻尼效应。

图6 0＋1661.15m顺河向位移等值线图（μm）

图7 0＋2261.15m顺河向位移等值线图（μm）

（2）育才路和云天化幼儿园位置水平向位移随时间变化规律如图8所示。由图8（a）可见，消力池振动后0.2 s，云天化幼儿园起振，振动频率约为1.5 Hz～3 Hz，且随着消力池泄洪消能持续振动。由图8（b）可见，消力池泄洪消能开始后约0.4 s，育才路起振，振动频率约为1.5 Hz～2.5 Hz，并随着消力池泄洪消能持续振动。相比云天化幼儿园，育才路距离消力池更远，起振时刻更晚。

图8 水平向位移时程图

3.2 速度与加速度分析

（1）消力池泄洪消能引发近场振动的速度等值线如图9所示。由图9可见，育才路水平向速度计算最大值约为0.20 mm／s，且水平向出现速度等值线集中的现象，沿育才路形成振动传播路径。云天化幼儿园水平向速度计算最大值约为0.10 mm／s，没有出现速度等值线集中的现象。

图9 水平向速度等值线（mm／s）

（2）消力池泄洪消能引发近场振动计算加速度等值线如图10所示。育才路水平向最大计算加速度约为0.30 gal，加速度等值线在育才路位置附近集中。云天化幼儿园水平向最大计算加速度约为0.15 gal，且等值线分布稀疏。

图10 水平向加速度等值线图（gal）

4 结 论

采用反演分析方法，对比实测结果，对某消力池泄洪消能引发近场振动进行有限元分析。得到以下几点结论：

（1）反演工况4条件下，育才路与云天化幼儿园位移、速度、加速度的计算最大值都接近实测峰值，符合实测值规律，因此采用工况4进行有限元动力分析是合理的。

（2）对近场振动进行有限元动力分析后，发现距离消力池较远且覆盖层最厚的育才路计算值最大，覆盖层较薄、基础发育断层和裂隙的云天化幼儿园计算值较小。由此可见，覆盖层没有很好的吸收消力池引发的振动，而断层和裂隙则产生较大的阻尼效应，减小了云天化幼儿园位置的振动。

（3）育才路和云天化幼儿园位置计算位移、速度和加速度的变化规律，揭示出育才路和云天化幼儿园位置的振动规律：振动沿着育才路形成一条传播路径，而由于断层和裂隙的阻尼效应，云天化幼儿园附近振动较为微弱。

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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

殷荣岗（1988—），男，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为岩土数值分析。