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

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-空相關(guān)特性，提出不同振源的荷載計算模型；揭示多振源聯(lián)合激勵下復(fù)雜地基響應(yīng)機制；研究寬頻帶泄流脈動荷載多振源激勵誘發(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)計和運行中避免泄洪誘發(fā)場地振動危害提供理論依據(jù)，以填補該領(lǐng)域理論研究的空白。

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行，這使得傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)振動問題擴展為地基和周邊場地的環(huán)境振動問題。實際上，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)雜地基場地振動進行了全面的研究。針對場地振動的振源，通過改進的時間-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，基于原型實驗發(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”振動的原因和機制，計算了不同工況下的“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)，分析了爬振的時頻域特性，并通過模型實驗和數(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)的改進水彈性模型實驗和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度，并在大量實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了詳細的減振優(yōu)化調(diào)度方案，經(jīng)原型驗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?；诒卷椖康难芯砍晒?，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，獲得省部級一等獎3項，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

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算低頻聲波傳播和衰減規(guī)律，計算得出霧化區(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，計算結(jié)果與實測結(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)聲機制；采用單通道盲源分離算法與聲源識別與定位技術(shù)，驗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)低頻聲波強度定量預(yù)測數(shù)學(xué)模型，預(yù)測聲壓與實測聲壓的譜相關(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)聲機理；同時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。其中，水墊塘淹沒射流誘發(fā)低頻聲波貢獻比平均為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都實測到低頻聲波，實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，本項目擬通過原型觀測、系列物理模型實驗和理論分析，深入研究高壩泄洪誘發(fā)低頻聲波的機理、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)計和運行中避免低頻聲波危害提供理論依據(jù)，以填補我國在該領(lǐng)域研究的空白。

本申請項目重點針對電力變壓器強磁振動發(fā)生傳播機理與有源降噪研究存在的難點問題，開展理論探索與技術(shù)創(chuàng)新研究。建立強磁環(huán)境下包含力磁耦合關(guān)系并可用于數(shù)值計算的磁致伸縮本構(gòu)模型；考慮力磁耦合效應(yīng)，建立精確的可應(yīng)用于數(shù)值計算的鐵芯振動數(shù)學(xué)模型，揭示鐵芯強磁振動發(fā)生機理；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理；提出變壓器箱體振動單元劃分方法，提高遠場輻射噪聲計算準(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。本項目研究結(jié)果將豐富發(fā)展變壓器振動機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)用價值。