高壩泄洪誘發(fā)復(fù)雜地基場地振動機(jī)理與傳播規(guī)律研究

隨著我國水利樞紐建設(shè)的蓬勃發(fā)展，一大批“水頭高、流量大、泄洪功率大、河谷狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜”的高壩大庫工程投入運(yùn)行，這使得傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)振動問題擴(kuò)展為地基和周邊場地的環(huán)境振動問題。實(shí)際上，高壩泄流誘發(fā)的各種振動問題同屬于“水流荷載-水工結(jié)構(gòu)-地基-周邊場地-場地建筑”的耦合動力體系，本項(xiàng)目針對該耦合動力體系的不同環(huán)節(jié)，對高壩泄流誘發(fā)的復(fù)雜地基場地振動進(jìn)行了全面的研究。針對場地振動的振源，通過改進(jìn)的時(shí)間-小波能量變換與交叉小波變換方法，準(zhǔn)確識別了引起場地振動的主要水流荷載，并定量分析了不同部位水流荷載對場地振動的貢獻(xiàn)作用和水流荷載之間的交叉影響。針對水工結(jié)構(gòu)振動，基于原型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了閘門的“伴生”振動現(xiàn)象，并根據(jù)動力學(xué)減振理論和相關(guān)結(jié)構(gòu)的干/濕模態(tài)數(shù)值分析，闡明了閘門“伴生”振動的原因和機(jī)制，計(jì)算了不同工況下的“伴生”振動放大系數(shù)；基于事故閘門爬行振動原觀數(shù)據(jù)，分析了爬振的時(shí)頻域特性，并通過模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬提出了閘門爬行振動的減振措施。為了明確振動在上述耦合動力體系中的傳播規(guī)律，建立了包含泄水建筑物、地基及周邊場地的有限元-無限元耦合模型，分析了場地振動的傳播規(guī)律。針對場地振動的調(diào)度優(yōu)化減振方法，采用包含隔振系統(tǒng)的改進(jìn)水彈性模型實(shí)驗(yàn)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法，準(zhǔn)確地預(yù)測了原型場地的振動強(qiáng)度，并在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了詳細(xì)的減振優(yōu)化調(diào)度方案，經(jīng)原型驗(yàn)證表明該方案是合理有效的。針對場地上目標(biāo)結(jié)構(gòu)的振動衰減，研究采用非線性基底隔振衰減目標(biāo)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，并提出了一種改進(jìn)的狀態(tài)空間分裂方法以更加合理準(zhǔn)確地評估非線性基底隔振對結(jié)構(gòu)振動的衰減作用。基于本項(xiàng)目的研究成果，共發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文13篇（SCI檢索8篇，EI檢索4篇，CSCD檢索1篇），授權(quán)國家專利10項(xiàng)，獲得省部級一等獎3項(xiàng)，在編標(biāo)準(zhǔn)2部，為高壩泄洪誘發(fā)地基和場地振動的發(fā)生機(jī)理、傳播規(guī)律和減振方法提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。 2100433B

隨著高壩建設(shè)的發(fā)展，高壩泄洪引發(fā)的振動問題相當(dāng)突出，但以往主要考慮水工結(jié)構(gòu)自身的泄洪振動安全問題，對地基和周邊場地振動及環(huán)境影響和危害則鮮有研究。本項(xiàng)目通過深入研究高壩泄流不同部位水流脈動荷載（振源）的整體時(shí)-空相關(guān)特性，提出不同振源的荷載計(jì)算模型；揭示多振源聯(lián)合激勵(lì)下復(fù)雜地基響應(yīng)機(jī)制；研究寬頻帶泄流脈動荷載多振源激勵(lì)誘發(fā)場地振動沿復(fù)雜河谷向下游傳播（衰減、放大）的規(guī)律；建立高壩泄洪誘發(fā)場地振動主振源識別方法；提出場地振動的綜合減振技術(shù)。為高壩泄洪工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中避免泄洪誘發(fā)場地振動危害提供理論依據(jù)，以填補(bǔ)該領(lǐng)域理論研究的空白。

高壩泄洪誘發(fā)低頻聲波是近年來高壩泄洪工程中發(fā)現(xiàn)的新問題，低頻聲波會引起結(jié)構(gòu)物振動，同時(shí)也會影響周邊人員的健康；此外，低頻聲波傳播速度快，大氣對低頻聲波能量吸收難，低頻聲波衰減慢，因此其環(huán)境影響范圍廣。本項(xiàng)目通過原型觀測分析了泄洪誘發(fā)的低頻聲波的空間分布、時(shí)域和頻域特性，采用考慮了泄洪霧化影響的大氣聲吸收理論計(jì)算低頻聲波傳播和衰減規(guī)律，計(jì)算得出霧化區(qū)的聲衰減系數(shù)約為0.0327dB/m，非霧化影響區(qū)的聲衰減系數(shù)約為0.000349dB/m，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相符；基于原型觀測結(jié)果，對比底流消能與挑流消能兩種泄洪消能型式誘發(fā)低頻聲波的不同，提出了挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的多振源發(fā)聲機(jī)制；采用單通道盲源分離算法與聲源識別與定位技術(shù)，驗(yàn)證了金安橋電站泄洪誘發(fā)的低頻聲波聲源位于消力池消能區(qū)，為后續(xù)研究提供技術(shù)支持；結(jié)合紊流數(shù)值模擬和渦聲理論，提出了高壩泄洪底流消能誘發(fā)低頻聲波強(qiáng)度定量預(yù)測數(shù)學(xué)模型，預(yù)測聲壓與實(shí)測聲壓的譜相關(guān)系數(shù)分布在0.645~0.717之間，數(shù)學(xué)預(yù)測結(jié)果與原觀低頻聲波在能量譜的不確定性和復(fù)雜度上十分接近，數(shù)學(xué)預(yù)測模型預(yù)測效果較好；結(jié)合低頻聲波原型觀測分析、氣-液紊流模型、渦聲理論模型、聲學(xué)數(shù)值模型，首次提出從水墊塘淹沒射流和挑流水舌?空腔耦合振動兩個(gè)角度出發(fā)研究高壩挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的多振源發(fā)聲機(jī)理；同時(shí)開展了高壩挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的多振源影響分析，結(jié)果表明水墊塘淹沒射流和挑流水舌?空腔耦合振動均對現(xiàn)場低頻聲波能量有貢獻(xiàn)。其中，水墊塘淹沒射流誘發(fā)低頻聲波貢獻(xiàn)比平均為0.619，挑流水舌?空腔耦合振動誘發(fā)低頻聲波貢獻(xiàn)比平均為0.785；采用有限元模態(tài)分析和瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)分析，證明了泄洪現(xiàn)場卷簾門的振動主要與低頻聲波有關(guān)，同時(shí)提出了相應(yīng)的振動控制措施，為泄洪誘發(fā)低頻聲波環(huán)境危害控制提供了技術(shù)支持。

高壩泄洪誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動、空蝕破壞、下游沖刷和霧化等工程災(zāi)害已被人們熟知和廣泛研究，而高壩泄洪誘發(fā)的低頻聲波（10Hz以下氣壓脈動）及其對環(huán)境的危害在國內(nèi)基本沒人研究。鑒于向家壩、錦屏等工程原型和模型泄洪時(shí)都實(shí)測到低頻聲波，實(shí)際工程中會在一定范圍內(nèi)存在誘發(fā)房屋門窗振動、造成人體不適等環(huán)境危害，本項(xiàng)目擬通過原型觀測、系列物理模型實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入研究高壩泄洪誘發(fā)低頻聲波的機(jī)理、影響低頻聲波的關(guān)鍵因素，建立泄洪誘發(fā)低頻聲波強(qiáng)度的定量預(yù)測方法，研究泄洪誘發(fā)低頻聲波傳播規(guī)律及環(huán)境危害影響范圍、泄洪誘發(fā)低頻聲波振動的控制技術(shù)、系列比尺物理模型模擬泄洪誘發(fā)低頻聲波的變態(tài)相似性等，為高壩泄洪工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中避免低頻聲波危害提供理論依據(jù)，以填補(bǔ)我國在該領(lǐng)域研究的空白。

本申請項(xiàng)目重點(diǎn)針對電力變壓器強(qiáng)磁振動發(fā)生傳播機(jī)理與有源降噪研究存在的難點(diǎn)問題，開展理論探索與技術(shù)創(chuàng)新研究。建立強(qiáng)磁環(huán)境下包含力磁耦合關(guān)系并可用于數(shù)值計(jì)算的磁致伸縮本構(gòu)模型；考慮力磁耦合效應(yīng)，建立精確的可應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算的鐵芯振動數(shù)學(xué)模型，揭示鐵芯強(qiáng)磁振動發(fā)生機(jī)理；獲取鐵芯與箱體之間的振動傳播特性，分析變壓器多重介質(zhì)對振動傳播特性的影響，明確變壓器鐵芯與箱體之間的振動傳播機(jī)理；提出變壓器箱體振動單元劃分方法，提高遠(yuǎn)場輻射噪聲計(jì)算準(zhǔn)確性；將變壓器箱體作為初級聲源，分析有源降噪系統(tǒng)次級聲源各參數(shù)的相互影響，提出有效的次級聲源參數(shù)優(yōu)化策略。本項(xiàng)目研究結(jié)果將豐富發(fā)展變壓器振動機(jī)理與有源降噪研究的基礎(chǔ)理論與分析方法，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。