高坝泄洪诱发场地振动振源特性研究

While the flood is discharged in high dam, vibrations caused by the huge flow energy are generated and transmitted to the surrounding ground. The vibrations can sometimes reach such a high level that can be environmental damage, seriously impacting on the nearby building structures safety, the neighboring residents physical and mental health. This phenomenon should be analyzed, monitored and prevented. In this study, we will start with the relations among the structural vibration input (discharging excitation), structure (multi-vibration source - discharge structure-ground vibration transmission system) and output (vibration response) system. The signal processing methods are studied to extract the flow fluctuating energy from the signal and to reflect the changing characteristics of two signals both in the time and in the frequency domains. Numerical calculation method is studied to build “multi vibration source-discharge structure-foundation- ground” coupling dynamic model. An attempt has been made to investigate each vibration source characteristics, multi-vibration source coupling characteristics and excitation effect by overall fluctuating load. The result will help to propose the ground vibration damping method based on vibration sources and provide theoretical basis for optimal design and operation safety in the hydropower engineering project with high dam.

高坝泄洪产生巨大下泄水体能量引起的振动通过泄流结构、地基向周边场地传递，当振动到达一定强度时，会破坏周边环境、影响周围建筑物的结构安全和临近居民的身心健康。因此，需要研究、监测和控制。本项目将从结构振动系统的输入（泄流激励）、结构（多振源-泄流结构-场地振动传播系统）和输出（振动响应）三者相互关系入手，研究提取信号中水流脉动能量变化以及能够同时反映信号间时-频域变化特性等的信号处理方法和“多振源-泄流结构-地基-场地”耦合动力分析模型实现办法；分析泄流诱发场地振动各振源特性、振源“整体”激励效应以及振源对场地振动的影响；提出基于振源的场地振动减振方法，为泄流工程的优化设计和运行安全提供理论依据。

高坝泄洪引起巨大水流脉动荷载产生的振动，通过地基沿河谷向上下游传播，结果会导致场地振动，对周围建筑物及居民正常生活造成不利影响。本项目从结构振动系统的输入（泄流激励）、结构（多振源-泄流结构-场地振动传播系统）和输出（振动响应）三者相互关系入手，开展高坝泄洪诱发场地振动振源特性研究。主要研究内容和结论包括：（1）水流脉动能量提取及场地振动的振源识别等的信号处理方法研究。结果表明：时间-小波能量谱可以检测信号中的水流脉动能量，判断引起场地振动的原因，并能够从能量角度体现振源振动情况。交叉小波变换可以同时在时域和频域建立坝区振源振动与场地振动的联系，分析不同振源对场地振动的贡献以及振动在传播过程中的衰减情况。（2）“多振源-泄流结构-地基-场地”耦合动力分析模型实现方法研究。结果表明：基于“有限元-无限元”理论，将引起场地振动的激励源分别进行独立加载建立的动力输入系统较为合理；通过无限元来处理边界条件能让振动波在边界上不发生反射，计算得到土体振动能量与原型观测结果更为接近，振动频谱特性和振动主频都与原型观测结果相似。（3）基于改进的水弹性模型的场地振动的振源特性研究。结果表明：通过一系列隔振、减振措施建立的完全水弹性模型，能较好的模拟实际泄洪振动情况；通过线性预测，能准确的反映实际场地振动情况。泄流时孔口处脉动荷载是诱发坝体地基以及场地振动的首要振源，导墙和底板荷载次之。（4）基于随机传递函数的场地振动预测和减振方法研究。结果表明：该方法适用于解决多个宽频带随机激励作为联合输入下的单一响应输出问题，预测过程中减小噪声等因素对预测精度的影响，有效预测高坝泄洪诱发场地振动的强度及频谱特性。泄洪过程中不同的孔口开启方式，以及不同的上、下游水位是影响场地振动强度的主要因素。通过调节泄流方式可以从振动源头上有效的控制场地振动强度。