大型抽水蓄能电站输水管道区域振动影响监测分析

郭建强，许亮华，王少华，罗国虎，倪马兵，欧阳金惠

（1．安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省金寨县 237333；2．中国水利水电科学研究院，北京市 100048；3．中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京市 100038）

0 引言

国内许多已投产的抽水蓄能电站在运行中发现，抽水蓄能电站的机组及厂房普遍存在振动问题。由于抽水蓄能电站的机组双向转换运行，抽水与发电工况频繁转换，加上机组高水头运行，造成了机组及厂房的振动问题突出[1，2]。国内许多抽水蓄能电站在机组运行期间，厂房振动强烈、噪声超标，对运行人员的工作环境及身心健康造成了不利影响[3]；严重的甚至还造成厂房局部结构破坏，引发安全问题[4]。

中国水利水电科学研究院联合国网新源公司对抽水蓄能电站机组及厂房振动问题的研究已开展多年。随着对振动问题研究的深入，也发现了大型抽水蓄能电站除机组及厂房振动以外，在其输水管道区域也存在振动和噪声影响，这是以往未关注到的问题。通过测试分析表明抽水蓄能电站机组运行不仅引起厂房振动问题，也会在输水管道区域引发振动和噪声。目前在两座抽水蓄能电站（Ⅰ抽水蓄能电站、Ⅱ抽水蓄能电站）的振动问题研究中发现，厂房机组的发电和抽水运行会在输水管道区域的山谷和建筑物内产生一定的噪声影响，这是电站在建设规划时所没有预料到的。

大型抽水蓄能电站需要运行水头高，设计的输水管道很长，输水管道涉及区域的面积就较大。已投产的抽水蓄能电站中的多数电站在该区域并没有居民居住，所以对输水管道区域的振动和噪声少有关注。本文通过两座抽水蓄能电站输水管道区域的振动噪声监测数据进行分析，研究抽水蓄能电站机组运行对输水管道区域环境造成振动和噪声影响的特点和规律，为新建的抽水蓄能电站避免出现类似问题提供参考。

1 Ⅰ抽水蓄能电站输水管道区域振动和噪声测试分析

1.1 Ⅰ抽水蓄能电站简介

Ⅰ抽水蓄能电站，总装机容量1200MW，上下库相距约2km，上下水库水头落差约440m，其中，输水系统采用一洞二机的布置型式，单条引水隧洞总长约1147.8m。输水管道前端部分在村庄的地下穿过。居民区和输水管的位置关系如图1所示，具体地形和前洋村居民区所在位置在图2 所示的A 区和B 区位置（按居民区所在区域的基岩风化特点又将居民区划分成A 区和B 区，地质调查表明A 区的基岩风化程度相对较高，且覆盖层相对较厚；B 区的基岩风化程度相对较低，覆盖层较薄），大部分建筑物处于B 区位置。

图2 居民住宅区（左图：红色标示区，右图：A 区与B 区）Figure 2 Residential area（left ：Red marked area，right：Area A and area B）

1.2 Ⅰ抽水蓄能电站厂房振动分析

通过对Ⅰ抽水蓄能电站厂房的振动监测结果（见图3）分析表明：厂房结构的振动加速度频谱主频为128.60Hz。电站机组转轮叶片数为9，正常转速为428.6r/min（即7.14Hz），1 倍的机组过流频率为7.14×9=64.29Hz，128.58Hz是2 倍的机组过流频率，表明厂房结构的主振源来自水力脉动[5]。

图3 厂房振动的三向时程曲线和频谱图Figure 3 Three dimensional time history curves and spectrum diagrams of plant vibration

1.3 I 抽水蓄能电站输水管道区域振动和噪声测试分析

电站自投入运行后，输水管道上方区域居民反映房屋内有噪声影响。为此，I 抽水蓄能电站对该村所在的居民区组织开展了噪声与振动的普查性测试。

（1）振动测试。振动普查测试分析结果表明居民区的地面振动基本为无感振动，最大值均小于1gal，另外分析表明处于A 区的建筑物地面振动要小于B 区的房屋地面振动。为了输水管道区域自然环境的振动情况，在附近基岩上进行了振动测试。通过对比基岩测点在机组运行前（见图4）和机组运行后（见图5）的振动加速度频谱图看出：运行前，基岩振动频谱中主频特征不明显，而机组运行后的测点振动频谱中明显出现了128.6Hz 主频，表明输水管道区域产生振动的振源和厂房结构振动振源一致，都是2 倍频机组过流频率的水力脉动。从进水口附近和居民区的测点振动监测数据频谱图（见图6 和图7）看出，输水管道区域从进水口到居民区普遍也都受到2 倍频机组过流频率的水力脉动影响，产生了轻微受迫振动。

图4 山坳基岩上本底振动时程（左）与频谱（右）（Z 向，机组未运行）Figure 4 Time history（left）and frequency spectrum（right）of background vibration on bedrock of mountain depression（Z direction，no unit operation）

图5 山坳基岩振动时程（左）与频谱（右）（Z 向，4 号机组发电）Figure 5 Time history（left）and frequency spectrum（right）of bedrock vibration in mountain depression（Z direction，4# unit in operation）

图6 上库进水口附近保安室地面振动时程（左）与频谱（右）（Z 向，1 号与3 号机组发电）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）

图7 民居门厅地面振动时程（左）与频谱（右）（Z 向，2、3、4 号机组发电）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）输水管道区域噪声测试。结构振动监测表明居民区的振动为无感或者轻微有感，但通过噪声监测表明这种微小振动也能引发一定影响的结构噪声。从现场调查发现，这是一种单一频段的噪声，容易发生在较小且比较封闭的建筑物、通风不畅的山坳和进水口附近。这些形同音箱构造的位置，输入的振动虽然较小，但也能引起结构周边空气随同持续振动，经过时间积累，会引发相对封闭空间内空气振动从而产生结构噪声，听起来是持续类似嗡嗡的闷响声，这种单调的结构噪声虽然强度不大，但会引发声音敏感人士产生烦躁心理。村庄建筑物多为比较为低矮、单层的土坯房：窗户小、房间小，房屋本身不太稳固更是放大了结构噪声。通过测试表明：在开阔空旷的室外环境，这种结构噪声基本消失。

通过噪声监测分析的倍频程频谱（见图8），可以看出频谱中噪声级最大的频段正是处在2 倍频过流频率（128.6Hz）所在的125Hz 倍频程上。通过普查性的噪声监测并统计，部分建筑物噪声测点的125Hz 倍频程的声压级与机组工况变化关系的曲线见图9，从建筑物内监测的噪声声压级统计结果看，机组开启，125Hz 倍频程的结构噪声明显增大。频率特征表明，输水管道区域噪声主要是因为机组运行而产生了结构噪声。随机组运行，管道内水力脉动引发产生的振动沿着管道、覆盖层向建筑物传播，在居民居住环境中产生噪声影响。

图8 居民区噪声倍频程频谱Figure 8 Octave frequency spectrum of noise in residential area

图9 部分建筑物内噪声级与机组运行状态变化的关系Figure 9 Relationship between noise level in some buildings and changes in unit operation state

《声环境质量标准》（GB 3096—2008）规定，乡村原则上执行1 类声环境功能区要求。该标准对于1 类声环境功能区的125Hz 倍频程声压级规定：昼间不超过48dB、夜间不超过39dB。参照该标准，图9 中部分建筑物内测试统计的倍频程声压级已超过该标准2dB，可见厂房振动引起的结构噪声对周边环境产生了一定的干扰影响。

1.4 Ⅰ抽水蓄能电站输水管道区域振动和噪声测试分析小结

（1）机组发电或抽水运行期间，居民区地面振动、结构噪声的主频（128.6Hz）与厂房振动主频完全一致，均为机组过流频率的2 倍频，表明振动和噪声的振源来自机组运行，是机组运行产生的水力脉动。

（2）机组运行引发输水管道区域建筑物的地面振动基本属于无感振动，部分建筑物的结构噪声略高于《社会生活环境噪声排放标准》（GB 22337—2008）规定的标准。

（3）所处基岩风化程度相对较高且覆盖层相对较厚的A区建筑物的地面振动和结构噪声要小于B 区的建筑物，表明这种振动传播受覆盖层风化程度和厚度影响：覆盖层风化程度越高、覆盖层越厚，振动传播衰减越快。

2 Ⅱ抽水蓄能电站输水管道区域振动监测分析

2.1 Ⅱ抽水蓄能电站简介

Ⅱ抽水蓄能电站，总装机容量1200MW。Ⅱ抽水蓄能电站下库区域分布有居民区，电站运行后有居民反映存在振动和噪声问题，电站针对该问题在下库区域的居民区房屋和基岩展开环境振动问题研究[6]，主要是振动测试分析研究。通过现场查勘，选定了高压岔管（输水管道）覆盖层上方的居民楼（见图10）和基岩开展振动测试。

图10 监测点居民楼位置示意图Figure 10 Location of residential buildings at monitoring points

2.2 振动监测统计分析

通过监测分析表明，机组满负荷发电运行时输水管道居民楼的振动加速度最大值均超过3.0gal，已经属于有感振动；而基岩上振动加速度最大值低于1.0gal，属于无感振动；另外，机组在抽水运行时居民楼的振动很小，属于无感振动。通过测试数据的频谱分析：厂房和居民楼的振动加速度频谱主频为90.0Hz。B 抽水蓄能电站机组的2 倍过流频率正是90Hz，推断居民楼和厂房的振动振源同样是机组流道的水力脉动。

2.3 机组变负荷发电工况试验

输水管道居民楼测点和厂房测点同时开展了机组变负荷发电工况的振动测试试验，机组有功从90MW 开始，逐渐增大到300MW，有功递增幅度为30MW。经过测试分析统计，厂房振动测点和居民楼测点的变负荷工况监测统计结果分别见图11 和图12。可以看出，随机组有功的递增变化，厂房振动和居民楼振动的变化趋势基本相似。相似的振动变化规律进一步表明：输水管道区域的振动和厂房振动均和机组运行工况密切关联，受到机组不同运行工况下的流道内水力脉动的变化影响。

图11 居民区测点加速度峰值与机组有功变化曲线Figure 11 Correlation curves between peak acceleration of measuring points in residential area and changes of unit active power

图12 厂房楼板测点Z 向振动响应与机组有功变化曲线Figure 12 Correlation curves between Z-direction vibration responses of measuring points of powerhouse floor and changes of unit active power

3 结论

通过以上两个大型抽水蓄能电站输水管道区域的振动监测数据的分析表明，机组运行产生水力脉动不仅能引起厂房振动，还能引起输水管道产生振动，振动并会沿着输水管道覆盖层向地表传播。总体来说，有以下结论：

（1）总体上输水管道区域的振动介于无感振动和轻微有感振动之间，这种振动不会引起结构安全问题。

（2）机组运行引发的输水管道区域振动会在山坳和相对较封闭的居民建筑里产生一定的结构噪声影响，另外进水口附近的振动和噪声也很明显。

（3）输水管道区域附近如果存在居民区，这种结构噪声可能超标，对居民生活有一定干扰。

因此，输水管道区域的振动和结构噪声问题需要引起关注，特别是新建抽水蓄能电站，在规划选址时需要关注。为避免后期处理类似问题需要追加较大投入（附注：两个电站目前已花费较大成本解决结构噪声影响的问题），新建抽水蓄能电站在设计阶段进行输水管道区域规划时，尽量考虑避开居民点，或者加大埋深保证输水管道上方的覆盖层足够厚，减小振动和噪声影响。