高拱坝泄流激励耦联动力系统多元信息融合损伤诊断研究

The discharging process of high arch dam is a complex coupled dynamic system between water and structure.The conventional static monitoring methods lack theory and key technology of online nondestructive detection and dynamic damage diagnosis. In view of the fact that traditional dynamic test methods are difficult to achieve on the high dam in prototype, according to the characteristics of ambient excitation, this project is planned to explore and research structural damage diagnosis theory and method of high arch dam,which treats discharge flow as the input of system and static and dynamic response of structure as the output from mathematical model, model test and prototype observation.Take aggravating rubber as arch dam material,the “quaternity” fluid-structure interaction hydroelastic experimental model is established,where take dam - reservoir - foundation - dynamic load as a system，based on the model test, combined with dynamic damage law,the sensitive indicators of structure safe operation are explored by multi-information fusion technology,and the nonlinear mapping relationship between sensitive characteristic factors and damaged operating condition is revealed,and then the online diagnosis methods of high dam on damage location and degree are achieved. This provides a theoretical basis and technical support for the safety evaluation as well as the disaster prevention and reduction of high dam.

高拱坝泄流过程是水流--结构复杂的耦联动力体系，常规的静态监测手段缺乏能对其实施在线无损动态检测和损伤诊断的理论方法和关键技术。鉴于传统的动力测试方法难以在高坝原型上实现，本项目拟根据环境激励的特点，从数值仿真、模型试验、原型观测三方面探索研究以泄流激励为系统输入、结构静态与动态响应为系统输出的高拱坝结构损伤诊断理论与方法。拱坝以加重橡胶为材料，构建坝体--库水--地基--动荷载“四位一体”流固耦合水弹性试验模型，以模型试验为基础，结合拱坝损伤规律，采用异源异构多元信息融合技术，探索结构安全运行敏感性指标，揭示各种敏感特征因子和不同损伤工况之间的非线性映射关系，实现高拱坝耦联动力系统泄流损伤定位及损伤程度的在线诊断。研究成果为高拱坝泄流结构的安全评价及防灾减灾对策提供理论依据和技术支持。

项目围绕高坝泄流振动与安全这一科学问题，从“机理-方法-应用”三个层次开展了高坝等水工建筑物流激振动响应特征信息提取与动力学行为、耦联动力系统模型修正与损伤机理、损伤诊断及运行监测等方面的工作，取得了一系列研究成果。在流激振动响应特征信息提取研究方面，提出了WTEMD、CEEMDAN-SVD、IVMD-SVD等多种信号自适应降噪与信息提取方法和技术。在模型修正与试验方面，通过对比分析附加质量模型与流固耦合模型，提出了基于信息融合与响应面联合的模型修正方法，提出了基于有效独立-总位移法的拱坝结构振测传感器空间优化布置方法。在高拱坝耦联动力系统损伤破坏规律方面，虑横缝接触耦合作用，提出了基于混凝土塑性损伤本构关系的坝体损伤开裂模式，进行了基于拱冠梁坝顶位移的地震易损性研究。在拱坝结构损伤诊断方面，提出了基于方差贡献率的多测点信息融合方法；提出了排列熵、损伤灵敏指数、Hilbert变换边际谱、马氏距离、数据最佳分析长度、小波阈值-独立分量分析等多种损伤诊断方法及损伤灵敏指标；在均值控制图和马氏距离损伤判定结果的基础上，进行基于D-S证据理论的策层级融合，优化损伤诊断结果。在结构安全监测方面，基于传递熵理论，提出拱坝结构泄流振动信息融合传递路径，量化信息流之间的传递关系，揭示信息传递方向特征，引入传递响应率对传递效应进行定量评价；提出基于排列熵与隐马尔可夫算法的拱坝运行状态监测方法，准确评估结构工作状态，分析损伤渐变趋势；提出基于多变量加权多尺度排列熵的拱坝运行状态监测方法，采用变异系数作为结构动态突变程度大小的评定标准；提出基于IVMD-KELM的泄流结构振动预测模型，为结构安全运行提供预警。项目研究发展了高坝在线健康诊断与实时监测理论和技术，为当前重大水利工程安全运行提供必备的理论基础和技术支撑。