东江大坝坝体振动原因及抗震性能分析

东江大坝坝体振动原因及抗震性能分析
作者：阎朝辉
来源：《硅谷》2013年第21期
摘要东江电厂机组投产后，机组运行时坝体有振动现象，在坝顶处震感尤为明显。

针对振动较大的情况，东江水电厂于2008年完成了4台机组的减震改造。

本次课题主要为掌握改造后机组运行对大坝振动的影响，研究大坝的抗震性能，判断坝体振动对大坝安全运行是否造成影响。

关键词抗震安全性；大坝；振动
中图分类号：TV698 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）21-0162-01
东江水电厂位于湖南省湘江支流耒水上，大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高157 m。

电厂总装机560 MW（改造后）。

工程以发电为主，兼有防洪、航运、工业用水等综合效益。

1989年10月四台机组全部投产，1990年主体工程基本完工。

东江水电厂主要建筑物包括混凝土双曲拱坝、坝后式发电厂房、引水压力管道、两岸潜孔滑雪式泄洪道、左岸一级放空兼泄洪隧洞、右岸二级放空隧洞等建筑物。

东江拱坝最大坝高达157 m（坝基高程137 m，坝顶高程294 m），坝顶厚7 m，坝底厚35 m，为薄壁结构，那么大坝抗震安全性极为重要。

坝址基本地震烈度7度，大坝地震设防裂度8度，为进一步分析大坝振动的原因，并核验大坝在设计抗震烈度条件下大坝的安全性。

1 大坝振动机理
机组运行时，上游库水通过坝体压力管道进入蜗壳，冲击水轮机叶片带动机组转动，水流再通过尾水管泄下游河道，在此过程中水流的脉动压力激发压力管道、机组、蜗壳、尾水管振动、机组的机械振动都是大坝振动的激振源。

1）坝后背管直接位于下游坝面，与大坝构成整体，当背管过水时，管道内水压脉动激发管道振动，直接造成大坝振动。

2）机组的机械振动可通过支撑结构，如压力管道、混凝土结构向上传递，由于管道伸缩节和混凝土特性，机械振动传递至坝体的激振能量有限。

3）水轮机蜗壳、尾水管的水压脉动会通过水体直接传至背管，引起大坝振动。

对于东江拱坝坝后背管，管道内有水时，背管处于带压状态，机组运行时，背管内为动水，其水压脉动不可避免，水压脉动对背管就会产生一定的随时间变化的激振力，使管道结构产生受迫振动。

由于背管和大坝为整体结构，背管振动进而影响到大坝振动。

2 坝体自振特性
结构的自振特性可以反映结构受到外部激振力作用后的振动情况，通过三维有限元自振特性计算可以得出结构振动的固有频率和结构振型。

对东江坝体和压力管道进行三维有限元自振特性计算的目的在于掌握其在其振动规律，利用先进计算分析工具从直观上认识大坝的振动情况。

由于水体作用，不同水库水位条件会直接影响大坝的自振特性，结合现场试验和大坝的特征水位情况，计算4个工况下大坝的自振特性：①空库；②水库▽267 m水位；③水库▽276 m；④水库▽285m。

不同水位条件大坝各阶自振频率（Hz）
计算所得4种工况下大坝的自振基频介于1.66～2.41 Hz之间，受水体附加质量影响，水库水位越高大坝自振基频越低。

3 机组运行情况
大东江机组运行水头范围为81～139米，水头变幅过大。

水轮机运行存在较大不宜运行工况区。

东江机组的额定转速因历史原因选用166.7 r/min，在高水头段远离最优工况，致使转轮进口水流冲角较大，水流对叶片头部形成撞击，并产生复杂的高频或中频水压脉动。

4 共振校核
参照《水电站厂房设计规范》中关于避免结构共振的相关规定，设计中要求结构自振频率与激振频率之差与自振频率之比值大于20%～30%以防止共振。

计算结果表明东江拱坝的基频低，易受压力管道内低频水压脉动影响而产生较大振动，由于电厂为坝后式厂房，且接组转频为2.78 Hz，易于大坝自振频率的前几阶形成频率共振条件，从而引发大坝的振动。

由于大坝自振频率低，坝体易受流道内低频水压和机组振动影响，特别是大坝自振基频与水压脉动频率错频量小于10%，且大坝为坝后背管布置型式，因此大坝易受背管内水压脉动影响而发生振动。

5 大坝的抗震特性
为进一步核验大坝的抗震特性，对东江大坝进行了单向抗震性能计算，以获得在设防烈度条件下的地震响应，确定大坝的抗震安全性。

东江坝址处基本地震烈度7度，大坝地震设防裂度8度，根据DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》，其水平向设计地震加速度代表值为αh=0.2 g，竖向设计地震加速度代表值
αv=αh2/3。

按照抗震规范，抗震计算时的上游水位采用正常蓄水位▽285m。

规程要求进行抗震强度计算中其动态弹性模量标准值较静态标准值提高30%，因此在计算过程弹性模量取值提高30%。

计算表明，顺河向8度地震烈度作用下大坝的变形及应力值最大，其拱冠顺河向水平位移量为39.34 mm，横河向及竖直向地震作用下坝顶顺河向水平位移最大值分别为20.24 mm、12.90 mm，对比静态应力条件下控制工况（正常蓄水位温降）的大坝顺河向水平变形为127.08 mm，三向地震作用下大坝顺河向水平位移为控制工况的30.96%、15.93%和10.15%。

地震作用下，大坝的高应力区主要分布于进水口、背管上弯段、背管下弯段及溢洪道与坝体连接处。

受闸门井横向振动影响，进水口为抗震的薄弱部位。

）在8度地震烈度条件下，坝体没有出现贯穿性高应力区，其高应力区只分布在局部范围，不会对大坝整体构成威胁，大坝的整体抗震性能可以得到保证。

6 结论
通过对东江拱坝进行了结构自振特性计算，可以得出如下结论。

1）东江拱坝自振频率低，在有水工况水位越高基频越低，▽285 m水位基频仅为1.66 Hz，▽267 m水位基频为1.96 Hz。

大坝前几阶自振频率与机组转频2.78 Hz接近，易受机组运行影响而产生较大振动。

由于其基频低，容易受管道内水压脉动影响，形成频率共振条件，引起大坝振动。

2）不同工况下大坝振型主要以拱圈顺河向水平弯曲变形为主，自振频率越高，拱圈振型的“波峰”越多，不同水位条件基频的振型均为拱圈的单峰弯曲变形为主。

3）在8度地震烈度条件下，不会对大坝整体构成威胁，大坝的整体抗震性能可以得到保证。

参考文献
[1]叶天荣.大坝与基础的结合面[J].人民长江，1981（03）.
作者简介
阎朝辉，男，工程师，长期从事大坝安全工作。