高坝泄洪诱发复杂地基场地振动机理与传播规律研究

With the development of high dam construction, vibration problems induced by flood discharge of high dam are increasingly prominent. However, previous studies mainly considered the flood discharge-induced vibration safety of hydraulic structure its own, few studies have been looked into vibration on complex dam site and nearby ground, and its influence and hazard to environment. Through the study on the overall space-time correlation characteristics of flow fluctuating load (vibration source) of different parts under high dam flood discharge, this project proposes different load calculating models, reveals the mechanism of complex foundation response excited by multiple excitation sources. Then the propagation (attenuation, amplification) laws of ground vibration in complex valley along the downstream direction induced by broadband flow fluctuating loads are researched, the main vibration source identification method for ground vibration induced by high dam flood discharge is established, and a comprehensive control technique for ground vibration is proposed. The expected results will make up the relevant study by providing theoretical support for the design and operation of flood discharge structures, to avoid the possible hazards caused by ground vibration induced by high dam flood discharge.

随着高坝建设的发展，高坝泄洪引发的振动问题相当突出，但以往主要考虑水工结构自身的泄洪振动安全问题，对地基和周边场地振动及环境影响和危害则鲜有研究。本项目通过深入研究高坝泄流不同部位水流脉动荷载（振源）的整体时-空相关特性，提出不同振源的荷载计算模型；揭示多振源联合激励下复杂地基响应机制；研究宽频带泄流脉动荷载多振源激励诱发场地振动沿复杂河谷向下游传播（衰减、放大）的规律；建立高坝泄洪诱发场地振动主振源识别方法；提出场地振动的综合减振技术。为高坝泄洪工程的设计和运行中避免泄洪诱发场地振动危害提供理论依据，以填补该领域理论研究的空白。

随着我国水利枢纽建设的蓬勃发展，一大批“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”的高坝大库工程投入运行，这使得传统的水工结构振动问题扩展为地基和周边场地的环境振动问题。实际上，高坝泄流诱发的各种振动问题同属于“水流荷载-水工结构-地基-周边场地-场地建筑”的耦合动力体系，本项目针对该耦合动力体系的不同环节，对高坝泄流诱发的复杂地基场地振动进行了全面的研究。针对场地振动的振源，通过改进的时间-小波能量变换与交叉小波变换方法，准确识别了引起场地振动的主要水流荷载，并定量分析了不同部位水流荷载对场地振动的贡献作用和水流荷载之间的交叉影响。针对水工结构振动，基于原型实验发现了闸门的“伴生”振动现象，并根据动力学减振理论和相关结构的干/湿模态数值分析，阐明了闸门“伴生”振动的原因和机制，计算了不同工况下的“伴生”振动放大系数；基于事故闸门爬行振动原观数据，分析了爬振的时频域特性，并通过模型实验和数值模拟提出了闸门爬行振动的减振措施。为了明确振动在上述耦合动力体系中的传播规律，建立了包含泄水建筑物、地基及周边场地的有限元-无限元耦合模型，分析了场地振动的传播规律。针对场地振动的调度优化减振方法，采用包含隔振系统的改进水弹性模型实验和BP神经网络智能算法，准确地预测了原型场地的振动强度，并在大量实验结果的基础上提出了详细的减振优化调度方案，经原型验证表明该方案是合理有效的。针对场地上目标结构的振动衰减，研究采用非线性基底隔振衰减目标结构的动力响应，并提出了一种改进的状态空间分裂方法以更加合理准确地评估非线性基底隔振对结构振动的衰减作用。基于本项目的研究成果，共发表学术期刊论文13篇（SCI检索8篇，EI检索4篇，CSCD检索1篇），授权国家专利10项，获得省部级一等奖3项，在编标准2部，为高坝泄洪诱发地基和场地振动的发生机理、传播规律和减振方法提供了理论依据和技术支持。