高速泄洪水流诱发泄流结构“拍振”的机理及振动危害评估方法研究

Prototype vibration tests show that part of vibration resopnse of the flood discharge structure (such as arch dam, sluice pier and guide wall) appear intermittency and shocked vibration type under high speed flood discharge excitation. The measured envelope of the response schedule lines increases or decreases with time,and exhibits "beat vibration" form. This vibration form has affected the safety of flood discharge structure because of the large vibration amplitude. The study about the beat vibration formation mechanism is rare at home and abroad. This project takes Ertan arch dam and Shuhe sluice pier as example which appeared beat vibration, studies the formation mechanism of flood discharge structure beat vibration induced by high speed flood flow, studies the time-frequency characteristics of structural beat vibration response and hydrodynamic loads extraction method based on modern time-frequency singal processing method, reveals the relationship between "beat" phenomenon and "structure inherent dynamic characteristics-energy of hydrodynamic loads-time-frequency", determines the formation conditions of beat vibration, and then perfects the mechanism of flow induced vibration. This project also studies structure safety and human hazard evaluation method, establishes beat vibration security control indicator. The study results have important implication for the flood discharge structure safety during flood discharge.

原型振动测试表明，在高速泄洪水流作用下，部分泄流结构（如拱坝、泄洪闸闸墩、导墙等）的泄洪振动响应出现了"阵发、冲击型"的振动，其实测响应时程线的波形包络线随时间有大幅增加或减小，表现出"拍振"的形式，且部分工程的振幅较大，已影响泄流结构泄洪安全，国内外关于这类振动形式形成的内在机理研究较为少见。本项目拟结合国内曾出现拍振的二滩拱坝、蜀河水电站泄洪闸闸墩等实际工程，研究高速泄洪水流诱发泄流结构拍振的机理与形成机制，研究基于现代时-频的泄流结构拍振响应、水动力荷载等时频特征参数提取方法，揭示水流荷载作用下结构响应中出现"拍"现象与"结构固有动力特性-水动力荷载能量-时间-频率"之间的关系，确定拍振的形成条件，进一步完善泄流诱发结构振动机理研究；研究泄流结构拍振对结构自身安全及人体危害评估方法，建立泄流结构振动响应安全控制指标；研究成果对保障泄流结构的泄洪安全具有重要意义。

国内泄流结构（拱坝、泄洪闸）原型实测振动响应中出现较为强烈的“阵发、冲击型”的拍振现象，且部分工程的振幅较大，已影响泄流结构的泄洪安全，关于这类振动形式的内在机理及其振动危害的研究较为少见。本项目以二滩拱坝、蜀河水电站泄洪闸等实际工程为对象，主要研究结构振动响应合成拍振的影响因子，研究基于现代时-频的泄流结构拍振响应、水动力荷载时频特征参数提取方法及提高泄流结构拍振特征提取精度的方法，研究泄流结构拍振的形成机制，研究泄流结构拍振危害评估方法。主要取得了以下研究成果：（1）从理论上对结构振动响应合成拍振的影响因子进行了研究，分析了信号初始相位差、频率比、振幅比三个因子对拍振波形的影响，得出了拍振合成的条件，其中频率比是决定叠加振动响应中是否出现拍振的决定性因素，而振幅比只影响拍振波形的明显程度，相位差只影响拍振波形的位置。（2）针对泄流振动响应和泄洪水流脉动荷载的在时频域上的随机性，提出了基于希尔伯特黄变换（HHT）方法的泄流结构水动力荷载时频分析方法，很好的提取了水流荷载的能量时频分布特征，为泄流结构拍振的机理分析打下基础；提出了基于方差贡献率的泄流结构振动响应融合方法，解决了环境背景噪声对泄流结构固有特性的影响问题，提高了泄流结构拍振固有特性的提取精度。（3）建立了泄流结构拍振数值模拟试验，发现当结构的固有频率与水流荷载能量的瞬时频率重合时，会发生“随机拍振”现象；基于泄流结构原型实测振动响应提出了泄流结构水动力荷载反演方法，有效提取了原型水动力荷载和振动响应的时-频特性，明确了水动力荷载能量-结构固有特性-结构振动响应-时间-频率之间的关系，阐明了二滩拱坝和蜀河水电站泄洪闸出现拍振的机理。（4）提出了基于原型有限实测振动响应的泄流结构整体动位移场和动应力场反演方法，提出了基于烦恼率的泄流结构振动舒适度评价方法，从泄流结构振动自身安全和对人体舒适度的影响两个方面进行了评价。