淺談抗震阻尼器在大崗山水電工程中的應用

曾　憲，　吳　楠

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都　610041；

2.國電大渡河大崗山水電開發有限公司，四川 石棉　625409)

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淺談抗震阻尼器在大崗山水電工程中的應用

曾憲1，吳楠2

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都610041；

2.國電大渡河大崗山水電開發有限公司，四川 石棉625409)

摘要：目前，水電工程抗震阻尼器尚無成功應用的先例，大崗山水電站結合自身工程特點開展了探索性的試驗研究，設計并開發了短行程、低速度、大噸位的新型拱壩抗震阻尼器，并且通過自動監測系統實現對阻尼器運行狀態的監控，為研究水電站地震工況下阻尼器抗震效果創造了條件。

關鍵詞：阻尼器；特點；設計；性能檢測

1概況

粘滯阻尼器已經在建筑、橋梁、鐵路、工業、軍事等領域廣泛應用。發揮著抗風、抗震、增加阻尼比、減振等保護結構本身或其內部附屬結構、設備的功能。但是在國內外水電工程建設中尚無應用的實例。大崗山水電站壩址工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，混凝土雙曲拱壩設計地震加速度代表值的概率水準取基準期100年內超越概率P100為0.02，相應基巖水平峰值加速度為557.5 cm/s2，在國內外已建和在建的200 m級高拱壩中，大崗山設計地震動參數最高。

2阻尼器的發展

阻尼器是以內部填充物提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，達到減振消能的效果。阻尼器的性能主要取決于內部填充物的性能和密封裝置的可靠性。阻尼器最初利用硅膠作為中間介質，但是硅膠受溫度影響較大，阻尼器改進為液體介質。液壓粘滯阻尼器經歷三代發展：第一代阻尼器是在一個密封容器內充滿硅油，由一活塞桿帶動一組平板運動，與另一組平板產生剪切運動，起到阻尼作用，這種阻尼器效率低，受溫度影響也比較大。第二代阻尼器采用圓管缸體形式，一側設置拉桿，連接布有小孔活塞，充滿硅油，當活塞運動時硅油從高壓側有控制的向低壓側流動，通過調節油壓室起到平衡作用。第三代阻尼器是在第二代單桿的基礎上改為雙桿，改進密封技術，取消內設油室，進一步提高了阻尼器的穩定性和可靠性、阻尼器體積也較第二代大大減小。

圖1　阻尼器結構形式

3大壩抗震阻尼器的特點

目前阻尼器在大型建筑、橋梁、鐵路、工業領域都有廣泛應用，特別是在橋梁、建筑領域已經制定了阻尼器的技術規范，但在水電領域的應用目前還是一片空白。大崗山水電站大壩抗震阻尼器與這些工程相比是有差異的，大壩主要抵抗地震荷載，其特點是噸位大、行程短、速度低；建筑主要承受地震和風荷載，橋梁工程主要是承受過往車輛和風荷載，因此阻尼器行程較長；核電主要受運行過程振動荷載，對阻尼器的要求有限位閉鎖裝置，敏感性高，行程短、頻率高。基于荷載與特點的不同，阻尼器的性能要求也不一樣。

4大崗山水電站抗震阻尼器的設計

4.1拱壩抗震設計

結合工程建設條件和國內大壩抗震大崗山拱壩抗震設計主要技術措施如下：

(1)大壩采用雙曲拱壩體型和拱端嵌深方案；

(2)采用大壩適當加大中心角的方式，增加拱的作用以承擔大部分地震力。大壩中心角最終確定為:頂拱中心角92.40度；最大中心角93.54度(高程1 090 m)；

(3)采用壩體只設深孔的泄洪方式，增加拱壩上部結構的完整性；

(4)拱壩上下游邊坡采用混凝土進行回填貼角處理，增強整體性；

(5)大壩壩體混凝土強度等混凝土指標根據受力狀況采取分區方案；

(6)大壩壩體上下游面配置梁向抗震鋼筋，以限制地震裂縫的開度；

(7)大壩壩頂橫縫部位設置抗震阻尼器；

(8)兩岸拱肩抗力體布置預應力錨索，增強兩岸壩肩的動力穩定性；

(9)左右岸均布置抗力體排水洞，降低巖體內的滲透壓力；

(10)大壩上游面壩前基坑950 m高程以下回填天然粉砂，增強壩踵部位基巖裂隙自愈作用，同時有利于改善壩體下部溫度場及溫度應力分布。

4.2拱壩抗震阻尼器的布置

大崗山拱壩基頻約為1.7Hz。多種非線性有限元分析表明，考慮地基輻射阻尼，設計地震作用下，大壩橫縫最大開度約12 mm；順河向動位移最大值約20 cm；大壩最大拉應力約為3～5 MPa，出現在中高高程下游面壩體中部梁向；大壩最大壓應力約為15～17 MPa，出現在低高程下游壩趾附近。考慮無質量截斷地基，壩體橫縫，壩體非線性損傷斷裂，在設計地震條件下，計算得到大壩橫縫最大開度約為25 mm。考慮地基輻射阻尼和壩體材料非線性，在設計地震時，大壩橫縫開合的最大相對速度約200 mm/s。

因橫縫張開過大，可能危及上游止水結構，設置阻尼器的目的主要是減小上游面的張開度，所以考慮在壩體上游面設置阻尼器，而從未設阻尼器時橫縫張開度的分布情況來看，壩體右側橫縫開度普遍較小，左側橫縫開度較大，尤其是15#、16#縫，不僅壩頂開度較大，且在第二、第三高程也出現了較大的張開。為此，設計院初步建議的阻尼器布設方案為：壩體左側的9#至17#縫壩頂上游側設置阻尼器，15#縫1120 高 程、1090高 程，16#縫1120 高程設置阻尼器，以上各位置均設置8 臺阻尼器，共布設阻尼器96臺，其總C 值為6.8×104 KN v0.08 。按此方案阻尼器對減少橫縫法向張開度是有效的，正常蓄水位橫縫最大張開度(16#縫)可由5.93 mm 下降到4.67 mm，下降27%；運行低水位橫縫 最 大 張 開 度(15#縫)由

8.95 mm下降到7.35 mm，下降22%。但是布設阻尼器而對壩體應力狀態的影響很小，大壩的控制性主拉、壓應力幾乎沒有變化。

2013年，抗震專題咨詢專家從增強拱壩穩定性方面認為大崗山拱壩可不設置抗震阻尼器，但考慮大崗山水電站未來遭遇強震可能性較大，建議在壩頂開度較大橫縫設置一定數量阻尼器，研究阻尼器抗震效應，為將來應用積累現場科研成果。設計院經研究確定在幾個橫縫張開度較大的壩段布置阻尼器，最終在2#、14#、16# 3條橫縫每個斷面設置4臺2 500 kN抗震阻尼器，總共布置12臺阻尼器。

4.3阻尼器技術規格

阻尼器生產廠家根據設計要求提供的設計方案如下：

表1　大崗山水電站拱壩阻尼器技術規格表

圖2　大崗山水電站14#橫縫抗震阻尼器

4.3.1阻尼器材質

阻尼器主要由活塞桿、銷軸、關節軸承、缸體、缸體防護、左右球鉸座等零部件組成，主要采取合金鋼材，表面通過鍍鋅及防腐涂裝處理。

4.3.2密封系統

密封系統是阻尼器性能的關鍵，為保證阻尼器在長期工作條件下密封性能，在動密封結構設計中獨創性地采用了多重動密封結構設計，大崗山抗震阻尼器結構由兩重密封結構組成，第一重是不銹鋼彈簧，能自動補償密封圈的磨損；另一重密封結構為U型結構密封件。

4.3.3阻尼介質

目前國內外阻尼器中的阻尼介質幾乎都是采用硅油，主要因硅油具有比其它高分子合成材料更好的熱穩定性及耐輻照和耐候能力，并且具有無毒、無腐蝕、難燃、電絕緣等優異性能。

4.5阻尼器監測

為保證阻尼器的可靠性，收集在地震過程中阻尼器的運行狀況，對阻尼器發揮的作用進行評價，大崗山工程在設置阻尼器的同時也增加了阻尼器的健康監測。監測系統需對抗震阻尼器兩端的相對位移和加速度、抗震阻尼器活塞力、抗震阻尼器油缸的壓力和溫度等多種參量進行采集、監測、存儲、分析。

減振阻尼器健康監測光纖傳感系統主要由光纖應變計、溫度計、位移計和加速度計等光纖光柵傳感器和光纖傳感分析儀構成。

圖3　光纖光柵傳感系統原理

光纖光柵傳感系統使用光纖作為測量元件和信號傳輸介質，為提高光纖對溫度及應力、應變的敏感程度及準確定位能力，采用國際最先進的光纖局部加工技術，在普通單模光纖上制作一系列的溫度敏感區——光纖光柵，這些敏感區可以精確、靈敏地探測到周圍溫度的細微變化，而光纖的其他部分只是用于信號傳輸，對機械應力和環境干擾不敏感，從而保證整個光纖光柵傳感系統的高靈敏性和可靠性。其基本原理是利用光纖光柵傳感器內部敏感元件——光纖光柵反射的光學頻譜對溫度、應力變形、振動的敏感特性，通過光纖傳感分析儀內部各功能模塊完成對光纖光柵傳感器的輸入光源激勵/輸出光學頻譜分析和物理量換算，以數字方式給出各監測點的物理量測量值，并根據預先設定的數據采集、存儲、處理機制和通信程式把信息匯集到監測自動化系統。

5阻尼器的性能檢測

為確保阻尼器性能，大崗山公司要求廠家對所有阻尼器都要進行自檢，并且在自檢合格的基礎上，又抽檢部分阻尼器送交廣州大學抗震中心進行第三方檢測。結合大崗山工程特性設計檢測要求及標準如下：

圖4　阻尼器力-位移曲線

5.1總行程測試

在試驗機設備上作總行程測試，檢測是否滿足±50 mm的總行程要求。

5.2最大阻尼力測試

以最大設計荷載2 500 kN(最大速度0.4 m/s)對阻尼器施加5個完整的位移循環，檢測阻尼器能否滿足設計要求。

5.3阻尼力規律性測試(動力測試)

在簡諧振動荷載條件下，速度為最大設計速度的1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、75%、100%時，分別對抗震阻尼器各項數據進行動力測試。大崗山拱壩基頻僅為11.7Hz，廣州大學根據要求開展了以下頻率阻尼力檢測：

5.4疲勞性能測試

圖5　阻尼力理論值與試驗值曲線

阻尼器以速度200 mm/s往復運動10周期，檢驗阻尼器的抗疲勞性能。

5.5頻率相關性測試

考察阻尼器在各種頻率下的性能情況，在最大速度下，以不同的頻率進行測試。

5.6溫度相關性測試

根據大崗山實際氣溫情況，分別在-5 ℃、25 ℃、45 ℃的溫度下，對阻尼器溫度相關性進行測試。

鑒于大崗山工程阻尼器設計的特殊性，為驗證阻尼器自身摩擦阻力，在以上檢測的基礎上又開展了慢速測試和摩擦力測試。

6結語

目前，水電工程抗震阻尼器尚無成功應用的先例，大崗山水電站結合自身工程特點開展了探索性的試驗研究，設計并開發了短行程、低速度、大噸位的新型拱壩抗震阻尼器，并且通過自動監測系統實現對阻尼器運行狀態的監控，為研究水電站地震工況下阻尼器抗震效果創造了條件。“5·12”汶川地震以后，地震安全性問題越來越受關注，大崗山水電站地處高地震烈度區，工程抗震設防等級較高，因此開展阻尼器等抗震新技術研究具有十分重要的意義，研究成果將為今后水電工程拱壩抗震設計提供參考。

(責任編輯：卓政昌)

特別報道

曾憲(1987-)，女，四川遂寧人，畢業于華北電力大學自動化專業，助理工程師，主要從事水電工程建設管理工作；

吳楠(1985-)男，四川營山人，畢業于四川大學水利工程專業，工程師，主要從事水電工程建設管理工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0115-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:U211.9；TV741；O434.19

收稿日期:2016-03-23