高水头、双向频繁启动是抽水蓄能电站的主要运行特点,因而厂房结构不可避免地存在振动问题。国内某大型抽水蓄能电站自从8台机组全面投入运行后,不同程度地出现了厂房结构振动问题,特别是在楼梯间的局部薄弱部位振动现象更加明显。受该抽水蓄能电站建设局委托,武汉大学课题组承担了“国内某大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动研究”项目。本文以该大型抽水蓄能电站地下厂房结构振动研究项目为依托,采用现场振动测试与有限元数值模拟分析相结合的方法,对该电站地下厂房结构的振动性能开展了较为系统的研究,主要研究成果如下。(1)利用有限元软件ANSYS,对国内某大型抽水蓄能电站地下厂房结构的振动性能进行有限元数值模拟分析,有限元建模计算时,考虑上下游边墙与围岩之间采用不同的连接形式,建立了4种有限元模型,其中模型1为不考虑围岩作用的地下厂房结构计算模型,模型2~模型4为考虑不同围岩作用的地下厂房结构计算模型。通过地下厂房结构自振频率有限元计算值与现场实测值的对比分析可知,除模型1以外,按动弹模计算的模型2~模型4的频率计算值与实测值均比较接近,且频率实测值介于模型2~模型4的频率计算值区域的中间,因而可以认为本文抽水蓄能电站地下厂房结构的有限元模态分析结果和现场模态测试结果是合理的、可信的。模型3按动弹模计算的频率计算值在1~6阶时与实测值较为接近,可以认为模型3的边界条件假设及按动弹模计算的方法,可能更接近该抽水蓄能电站地下厂房结构的实际情况。基于本工程的现场实际条件,有限元模态分析时,选择模型3的厂房结构与围岩模型比较合理。(2)有限元分析结果揭示了振动位移较大值在地下厂房结构中的分布规律,为地下厂房结构现场振动测试的测点布置方案提供了理论计算依据。振动位移较大值主要发生在发电机层楼板风罩顶部、发电机层楼板球阀吊物孔、发电机层楼板上游矩形长孔处、中间层楼板楼梯间洞口外侧、中间层机墩顶部、中间层楼板球阀吊物孔以及机墩中拆孔上面的定子基础板,现场检测时,应在这些部位的位移计算点附近布置振动位移测点,重点考虑在吊物孔、楼梯间等洞口处布置振动位移测点。(3)通过现场振源测试,发现该抽水蓄能电站机组运行产生的主要振源为转轮叶片在蜗壳中产生的不均匀流(振动频率为机组转频与转轮叶片数的乘积75Hz),次要振源为简谐荷载作用(振动频率为机组转频8.33Hz或其倍频),其他振源包括尾水涡带产生的水力振动(振动频率为0.5Hz、0.75Hz等);还发现抽水蓄能电站地下厂房结构的振动位移主要是尾水涡带和机组转频引起;水泵水轮机产生的振动能量相对较大,而发电机产生的振动能量相对较小;抽水开机或发电开机工况是抽水蓄能电站正常运行时地下厂房结构振动的不利工况;且现场振源测试和有限元计算结果均表明,厂房A、B结构抗振设计均避开了机组运行时振源产生的主要频率成分,不会产生“共振”。(4)通过现场单机组动力响应测试,发现地下厂房的振动位移最大值沿楼层分布规律是,水轮机层振动位移最大,中间层与发电机层的振动位移接近,但明显小于水轮机层的振动位移,动力响应沿楼层的差异与机组发电机、水轮机产生振动能量的大小相吻合,抽水蓄能电站中水轮机层楼板是地下厂房结构中刚度和强度比较薄弱的部件,最容易被诱发振动。(5)通过现场双机组甩负荷动力响应测试,发现甩负荷工况是抽水蓄能电站运营(正常及非正常运行)过程中对地下厂房结构振动影响的最不利工况,应依据现场实测数据研究抽水蓄能电站突然出现甩负荷工况时的减振应急措施。(6)通过现场振动测试结果分析,发现机组之间设置结构缝对相邻机组段的机组运行产生的振动能量具有较好的消能作用,从而对厂房结构的减振作用是非常明显的,说明该抽水蓄能电站地下厂房结构在设计上采取“一机一缝”的结构布置、边墙采取1m厚混凝土墙且通过连接锚杆与围岩浇筑成一体以及大柱、深梁和厚板结构等一系列减振措施,对于地下厂房结构的抗振设计是合理的、有效的。(7)针对传统的振动控制评价标准推荐值不够合理、缺乏针对性的情况,提出了抽水蓄能电站地下厂房结构振动控制评价标准建议方案,可供相关规范今后修订和工程设计及电站运营时选用和参考。(8)提出了修正后的动力系数计算公式,引入了调峰调频系数及水轮机转轮叶片数两项参数,可以更好地控制机墩结构的振动幅值,从而达到控制抽水蓄能电站地下厂房结构整体振动的目的;建议在进行抽水蓄能电站地下厂房结构抗振设计时,应分为稳态工况及瞬态工况两个部分分别进行组合计算。这样就可以更全面地分析抽水蓄能电站地下厂房结构在包含了抽水或发电的开机、停机以及相互转换等调峰调频瞬态工况的振动情况,使得在设计阶段就能为地下厂房结构的振动控制做出相应调整。(9)从主动控制振源、被动加固地下厂房结构、优化电站运营方案三个方面提出了抽水蓄能电站地下厂房结构的减振建议措施,可供相关规范今后修订和工程设计及电站运营时选用和参考:1)主动控制振源,增加水轮机转轮叶片数量或降低机组整体高度;2)被动加固地下厂房结构,在楼板局部增加质量块降低自振频率或改善蜗壳外围混凝土结构、机墩或者机组的支承结构的设计方案,限制振动能量传递;3)优化电站运营方案,通过机组设计研究减小抽水开机和发电开机过渡过程的机组振动,或错开多机组的开机和停机过渡过程。