大型抽水蓄能電站輸水管道區域振動影響監測分析

郭建強，許亮華，王少華，羅國虎，倪馬兵，歐陽金惠

（1．安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省金寨縣 237333；2．中國水利水電科學研究院，北京市 100048；3．中國長江三峽集團有限公司科學技術研究院，北京市 100038）

0 引言

國內許多已投產的抽水蓄能電站在運行中發現，抽水蓄能電站的機組及廠房普遍存在振動問題。由于抽水蓄能電站的機組雙向轉換運行，抽水與發電工況頻繁轉換，加上機組高水頭運行，造成了機組及廠房的振動問題突出[1，2]。國內許多抽水蓄能電站在機組運行期間，廠房振動強烈、噪聲超標，對運行人員的工作環境及身心健康造成了不利影響[3]；嚴重的甚至還造成廠房局部結構破壞，引發安全問題[4]。

中國水利水電科學研究院聯合國網新源公司對抽水蓄能電站機組及廠房振動問題的研究已開展多年。隨著對振動問題研究的深入，也發現了大型抽水蓄能電站除機組及廠房振動以外，在其輸水管道區域也存在振動和噪聲影響，這是以往未關注到的問題。通過測試分析表明抽水蓄能電站機組運行不僅引起廠房振動問題，也會在輸水管道區域引發振動和噪聲。目前在兩座抽水蓄能電站（Ⅰ抽水蓄能電站、Ⅱ抽水蓄能電站）的振動問題研究中發現，廠房機組的發電和抽水運行會在輸水管道區域的山谷和建筑物內產生一定的噪聲影響，這是電站在建設規劃時所沒有預料到的。

大型抽水蓄能電站需要運行水頭高，設計的輸水管道很長，輸水管道涉及區域的面積就較大。已投產的抽水蓄能電站中的多數電站在該區域并沒有居民居住，所以對輸水管道區域的振動和噪聲少有關注。本文通過兩座抽水蓄能電站輸水管道區域的振動噪聲監測數據進行分析，研究抽水蓄能電站機組運行對輸水管道區域環境造成振動和噪聲影響的特點和規律，為新建的抽水蓄能電站避免出現類似問題提供參考。

1 Ⅰ抽水蓄能電站輸水管道區域振動和噪聲測試分析

1.1 Ⅰ抽水蓄能電站簡介

Ⅰ抽水蓄能電站，總裝機容量1200MW，上下庫相距約2km，上下水庫水頭落差約440m，其中，輸水系統采用一洞二機的布置型式，單條引水隧洞總長約1147.8m。輸水管道前端部分在村莊的地下穿過。居民區和輸水管的位置關系如圖1所示，具體地形和前洋村居民區所在位置在圖2 所示的A 區和B 區位置（按居民區所在區域的基巖風化特點又將居民區劃分成A 區和B 區，地質調查表明A 區的基巖風化程度相對較高，且覆蓋層相對較厚；B 區的基巖風化程度相對較低，覆蓋層較薄），大部分建筑物處于B 區位置。

圖2 居民住宅區（左圖：紅色標示區，右圖：A 區與B 區）Figure 2 Residential area（left ：Red marked area，right：Area A and area B）

1.2 Ⅰ抽水蓄能電站廠房振動分析

通過對Ⅰ抽水蓄能電站廠房的振動監測結果（見圖3）分析表明：廠房結構的振動加速度頻譜主頻為128.60Hz。電站機組轉輪葉片數為9，正常轉速為428.6r/min（即7.14Hz），1 倍的機組過流頻率為7.14×9=64.29Hz，128.58Hz是2 倍的機組過流頻率，表明廠房結構的主振源來自水力脈動[5]。

圖3 廠房振動的三向時程曲線和頻譜圖Figure 3 Three dimensional time history curves and spectrum diagrams of plant vibration

1.3 I 抽水蓄能電站輸水管道區域振動和噪聲測試分析

電站自投入運行后，輸水管道上方區域居民反映房屋內有噪聲影響。為此，I 抽水蓄能電站對該村所在的居民區組織開展了噪聲與振動的普查性測試。

（1）振動測試。振動普查測試分析結果表明居民區的地面振動基本為無感振動，最大值均小于1gal，另外分析表明處于A 區的建筑物地面振動要小于B 區的房屋地面振動。為了輸水管道區域自然環境的振動情況，在附近基巖上進行了振動測試。通過對比基巖測點在機組運行前（見圖4）和機組運行后（見圖5）的振動加速度頻譜圖看出：運行前，基巖振動頻譜中主頻特征不明顯，而機組運行后的測點振動頻譜中明顯出現了128.6Hz 主頻，表明輸水管道區域產生振動的振源和廠房結構振動振源一致，都是2 倍頻機組過流頻率的水力脈動。從進水口附近和居民區的測點振動監測數據頻譜圖（見圖6 和圖7）看出，輸水管道區域從進水口到居民區普遍也都受到2 倍頻機組過流頻率的水力脈動影響，產生了輕微受迫振動。

圖4 山坳基巖上本底振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，機組未運行）Figure 4 Time history（left）and frequency spectrum（right）of background vibration on bedrock of mountain depression（Z direction，no unit operation）

圖5 山坳基巖振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，4 號機組發電）Figure 5 Time history（left）and frequency spectrum（right）of bedrock vibration in mountain depression（Z direction，4# unit in operation）

圖6 上庫進水口附近保安室地面振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，1 號與3 號機組發電）Figure 6 Ground vibration time history（left）and frequency spectrum（right）of the security room near the water inlet of the upper reservoir（Z direction，1# unit and 3# unit in operation）

圖7 民居門廳地面振動時程（左）與頻譜（右）（Z 向，2、3、4 號機組發電）Figure 7 Time history（left）and frequency spectrum（right）of ground vibration in the lobby of residential buildings（Z direction，2# unit and 3# unit and 4# unit in operation）

（2）輸水管道區域噪聲測試。結構振動監測表明居民區的振動為無感或者輕微有感，但通過噪聲監測表明這種微小振動也能引發一定影響的結構噪聲。從現場調查發現，這是一種單一頻段的噪聲，容易發生在較小且比較封閉的建筑物、通風不暢的山坳和進水口附近。這些形同音箱構造的位置，輸入的振動雖然較小，但也能引起結構周邊空氣隨同持續振動，經過時間積累，會引發相對封閉空間內空氣振動從而產生結構噪聲，聽起來是持續類似嗡嗡的悶響聲，這種單調的結構噪聲雖然強度不大，但會引發聲音敏感人士產生煩躁心理。村莊建筑物多為比較為低矮、單層的土坯房：窗戶小、房間小，房屋本身不太穩固更是放大了結構噪聲。通過測試表明：在開闊空曠的室外環境，這種結構噪聲基本消失。

通過噪聲監測分析的倍頻程頻譜（見圖8），可以看出頻譜中噪聲級最大的頻段正是處在2 倍頻過流頻率（128.6Hz）所在的125Hz 倍頻程上。通過普查性的噪聲監測并統計，部分建筑物噪聲測點的125Hz 倍頻程的聲壓級與機組工況變化關系的曲線見圖9，從建筑物內監測的噪聲聲壓級統計結果看，機組開啟，125Hz 倍頻程的結構噪聲明顯增大。頻率特征表明，輸水管道區域噪聲主要是因為機組運行而產生了結構噪聲。隨機組運行，管道內水力脈動引發產生的振動沿著管道、覆蓋層向建筑物傳播，在居民居住環境中產生噪聲影響。

圖8 居民區噪聲倍頻程頻譜Figure 8 Octave frequency spectrum of noise in residential area

圖9 部分建筑物內噪聲級與機組運行狀態變化的關系Figure 9 Relationship between noise level in some buildings and changes in unit operation state

《聲環境質量標準》（GB 3096—2008）規定，鄉村原則上執行1 類聲環境功能區要求。該標準對于1 類聲環境功能區的125Hz 倍頻程聲壓級規定：晝間不超過48dB、夜間不超過39dB。參照該標準，圖9 中部分建筑物內測試統計的倍頻程聲壓級已超過該標準2dB，可見廠房振動引起的結構噪聲對周邊環境產生了一定的干擾影響。

1.4 Ⅰ抽水蓄能電站輸水管道區域振動和噪聲測試分析小結

（1）機組發電或抽水運行期間，居民區地面振動、結構噪聲的主頻（128.6Hz）與廠房振動主頻完全一致，均為機組過流頻率的2 倍頻，表明振動和噪聲的振源來自機組運行，是機組運行產生的水力脈動。

（2）機組運行引發輸水管道區域建筑物的地面振動基本屬于無感振動，部分建筑物的結構噪聲略高于《社會生活環境噪聲排放標準》（GB 22337—2008）規定的標準。

（3）所處基巖風化程度相對較高且覆蓋層相對較厚的A區建筑物的地面振動和結構噪聲要小于B 區的建筑物，表明這種振動傳播受覆蓋層風化程度和厚度影響：覆蓋層風化程度越高、覆蓋層越厚，振動傳播衰減越快。

2 Ⅱ抽水蓄能電站輸水管道區域振動監測分析

2.1 Ⅱ抽水蓄能電站簡介

Ⅱ抽水蓄能電站，總裝機容量1200MW。Ⅱ抽水蓄能電站下庫區域分布有居民區，電站運行后有居民反映存在振動和噪聲問題，電站針對該問題在下庫區域的居民區房屋和基巖展開環境振動問題研究[6]，主要是振動測試分析研究。通過現場查勘，選定了高壓岔管（輸水管道）覆蓋層上方的居民樓（見圖10）和基巖開展振動測試。

圖10 監測點居民樓位置示意圖Figure 10 Location of residential buildings at monitoring points

2.2 振動監測統計分析

通過監測分析表明，機組滿負荷發電運行時輸水管道居民樓的振動加速度最大值均超過3.0gal，已經屬于有感振動；而基巖上振動加速度最大值低于1.0gal，屬于無感振動；另外，機組在抽水運行時居民樓的振動很小，屬于無感振動。通過測試數據的頻譜分析：廠房和居民樓的振動加速度頻譜主頻為90.0Hz。B 抽水蓄能電站機組的2 倍過流頻率正是90Hz，推斷居民樓和廠房的振動振源同樣是機組流道的水力脈動。

2.3 機組變負荷發電工況試驗

輸水管道居民樓測點和廠房測點同時開展了機組變負荷發電工況的振動測試試驗，機組有功從90MW 開始，逐漸增大到300MW，有功遞增幅度為30MW。經過測試分析統計，廠房振動測點和居民樓測點的變負荷工況監測統計結果分別見圖11 和圖12。可以看出，隨機組有功的遞增變化，廠房振動和居民樓振動的變化趨勢基本相似。相似的振動變化規律進一步表明：輸水管道區域的振動和廠房振動均和機組運行工況密切關聯，受到機組不同運行工況下的流道內水力脈動的變化影響。

圖11 居民區測點加速度峰值與機組有功變化曲線Figure 11 Correlation curves between peak acceleration of measuring points in residential area and changes of unit active power

圖12 廠房樓板測點Z 向振動響應與機組有功變化曲線Figure 12 Correlation curves between Z-direction vibration responses of measuring points of powerhouse floor and changes of unit active power

3 結論

通過以上兩個大型抽水蓄能電站輸水管道區域的振動監測數據的分析表明，機組運行產生水力脈動不僅能引起廠房振動，還能引起輸水管道產生振動，振動并會沿著輸水管道覆蓋層向地表傳播。總體來說，有以下結論：

（1）總體上輸水管道區域的振動介于無感振動和輕微有感振動之間，這種振動不會引起結構安全問題。

（2）機組運行引發的輸水管道區域振動會在山坳和相對較封閉的居民建筑里產生一定的結構噪聲影響，另外進水口附近的振動和噪聲也很明顯。

（3）輸水管道區域附近如果存在居民區，這種結構噪聲可能超標，對居民生活有一定干擾。

因此，輸水管道區域的振動和結構噪聲問題需要引起關注，特別是新建抽水蓄能電站，在規劃選址時需要關注。為避免后期處理類似問題需要追加較大投入（附注：兩個電站目前已花費較大成本解決結構噪聲影響的問題），新建抽水蓄能電站在設計階段進行輸水管道區域規劃時，盡量考慮避開居民點，或者加大埋深保證輸水管道上方的覆蓋層足夠厚，減小振動和噪聲影響。