基于模型試驗的高壩泄洪誘發(fā)場地振動影響因素研究

張　龑， 練繼建， 劉　昉， 張文皎， 李松輝

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072;2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京　100038)

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基于模型試驗的高壩泄洪誘發(fā)場地振動影響因素研究

張龑1,2， 練繼建1， 劉昉1， 張文皎1， 李松輝2

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072;2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

高壩泄洪引起巨大水流脈動荷載產生的振動，通過地基沿河谷向上下游傳播，結果會導致場地振動，對周圍建筑物及居民正常生活造成不利影響。通過改進傳統物理模型，結合原型觀測建立關聯體系，研究高壩泄洪誘發(fā)場地振動的振源特性，以及影響振動強度的關鍵因素。結果表明：通過一系列隔振、減振措施建立的完全水彈性模型，能較好的模擬實際泄洪振動情況；通過線性預測，能準確的反映實際場地振動情況。泄流時孔口處脈動荷載是誘發(fā)壩體地基以及場地振動的首要振源，導墻和底板荷載次之。泄洪過程中不同的孔口開啟方式，以及不同的上、下游水位是影響場地振動強度的主要因素。通過調節(jié)泄流方式可以從振動源頭上有效的控制場地振動強度。地基剛度較小區(qū)域會對場地振動產生放大效應。

水彈性模型；水流脈動荷載；泄流方式；振源；振動強度

高壩大庫工程是水資源綜合利用和水能資源開發(fā)的需要，一直倍受世界各國重視。由于高壩泄水時泄洪落差大，水體攜帶能量巨大，泄洪引起的水流脈動荷載會誘發(fā)泄流結構及其他水工建筑物產生振動，振動由大壩上部結構傳遞至大壩基礎，進而通過地基傳遞至周邊場地，對周邊環(huán)境造成影響[1]。一直以來，高壩泄洪引起振動問題主要局限于泄洪建筑物本身，其引起周邊環(huán)境振動的研究鮮有報道。原因在于高壩大庫大多距離城市較遠，泄洪引起的振動在傳遞過程中已經有很大的衰減；另外，泄洪引起的環(huán)境振動振幅和能量相對較小，其影響形式是一個長期累積過程，一般不會像地震那樣造成較大而直接的破壞。然而，高壩泄洪引起的水流脈動荷載地基向周邊場地傳遞過程中，遇到特殊的場地條件，會對振動產生“放大效應”，而場地上的房屋或其他建筑物又可能會對場地上的振動進行“二次放大”，經“多次放大”的場地振動會造成一定的環(huán)境危害，即對建筑物的結構安全和人的身體心理產生的不利影響。國內外有關高壩泄洪引起的周邊環(huán)境振動，對建筑物的結構安全和人的身體心理產生影響已有事例。

俄羅斯的Zhigulevskaya水電站1979年汛期宣泄大洪水曾引起了左岸城市場地和房屋強烈振動，甚至在距大壩左岸3 km遠處的居民樓也產生了可感振動。長期的場地振動導致大壩附近區(qū)域一些房屋開裂，使附近居民出現焦慮，頭暈，惡心等現象[2]。我國溪洛渡水電站曾在主汛期壩身4個深孔開啟泄洪，壩區(qū)下游右岸混凝土拌合系統的制冰樓(一棟5層鋼結構建筑)發(fā)生明顯振動[3]。2012年10月我國某水電站中孔開閘泄洪期間，中孔啟閉機室聲振、塔帶機立柱振動，下游縣城部分門店卷簾門晃動、民居及校舍的門窗響動、家具顫動、吊燈擺動等，振動現象引起壩區(qū)和城區(qū)民眾的不安。

因此，對泄洪誘發(fā)場地振動問題進行研究十分必要。高壩泄洪產生的振動由水流引起，與水力學條件和泄流結構自身的動力特性有著密切關系。由于流固耦合振動機理較為復雜，通過完全水彈性模擬，建立流固耦合問題的物理模型，進行流激振動試驗，是解決高壩泄洪流激振動問題的有效研究手段[4]。

本文以中國某底流消能水電站為研究背景，針對泄流誘發(fā)場地振動現象，提出傳統水彈性模型的改進措施，結合原型觀測資料，對模型進行修正。同時建立大壩與場地的關聯體系，研究泄流誘發(fā)場地振動的振源特性及影響場地振動強度主要因素，以期為高壩結構減振研究提供理論基礎。

1　工程簡介

以國內某高壩為研究背景，該壩為混凝土重力壩，壩頂高程384.00 m，最大壩高162.00 m，壩頂長度909.26 m，正常蓄水位380.00 m，校核洪水位381.86 m，死水位及汛限水位370.00 m。壩身由12個表孔和10個中孔組成，采用表中孔間隔布置形式，由中導墻分割成兩個對稱的消能區(qū)，屬于典型的高壩底流消能的布置形式。

水電站距下游縣城區(qū)距離最近處僅為0.5 km，最遠可達2.5 km。根據實際觀測，下游縣城靠近右岸山體一側場地振感明顯，存在振動放大現象。而根據下游場地的地質勘探成果：下游場地表面為砂層覆蓋層，下部基礎為泥巖。下游主城區(qū)靠近右岸山體一側存在一條古河道，平均寬度200 m左右，古河道上的覆蓋層最大厚度達80 m。與之相比，主城區(qū)其他區(qū)域的場地覆蓋層厚度明顯較小。不同區(qū)域位置見圖1。

圖1　水電站壩區(qū)與場地基礎示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dam area and ground of the hydropower station

2　模擬原理

泄流激振的水彈性試驗模擬，是對“結構-水體-地基-動荷載”四位一體的流固耦合振動系統的模擬，要求同時滿足“動力荷載”輸入系統相似和結構系統動力響應相似，即要求同時滿足水力學條件和結構動力學條件相似[5]。

2.1底流消能水力學條件相似

水力學條件相似，即“動力荷載”輸入系統相似，實質是按重力相似律設計的水力學模型中脈動壓力相似律問題。天津大學通過系列比尺模型試驗和原型觀測對比，發(fā)現由整體邊界或水流條件急劇變化引起的水流分離或擴散所導致的邊壁壓力脈動，主要是受低頻大尺度渦漩運動控制，在雷諾數足夠大的模型中大尺度渦旋運動能夠得到較好的模擬，脈動壓力可按重力相似定律引伸到原型。該結論通過不同比尺水躍模型試驗(見圖2～3)結合二灘水電站原型觀測資料分析得出(見圖4)。

圖2　水躍脈動壓力強度系數分布圖Fig.2 Distribution of fluctuating pressure intensity coefficient of hydraulic jump

圖3　不同比尺歸一化功率譜圖Fig.3 Normalized power spectrums of different scales

圖4　二灘水電站水墊塘原型與模型數據比較(按重力律換算為原型)Fig.4 Comparison between prototype and model data of cushion pool of Ertan hydropower station(Conversion according to the law of gravitation)

2.2結構動力學條件相似

結構動力學條件相似指的是結構系統的動力響應相似，它與結構的頻率、振型、阻尼等因素有關，包括幾何條件相似、物理條件相似、運動條件相似、邊界條件相似[6]。

依據水力學相似條件和結構動力學相似條件相協調的原則水彈性模型模擬時應該滿足：等密度(λγs=1)、等阻尼比(λε=1)、彈性模量小(λE=λL)、等泊松比(λμ=1)等的相似準則，并合理地選取水域和地基的模擬范圍來保證結構動力響應系統的相似[7]。

3　水彈性模型改進

3.1模型試驗精度及影響因素

場地振動及大壩結構振動都屬微幅振動，振動信號采集過程中易受噪聲和干擾信號的影響。因此，在開展試驗前需研究各種干擾因素對數據有效性的影響。首先，對試驗場地背景振動情況進行24小時監(jiān)測，各個時間段試驗場地地面3個方向的加速度典型的監(jiān)測結果見圖5。

圖5　試驗場地地面背景振動Fig.5 Background vibration of the test ground

可以看出，地面的背景振動加速度均方根值在凌晨相對較低，在白天的8∶00-12∶00，14∶00-16∶00及17∶00-19∶00等幾個時段振幅較大，主要由于在幾個交通高峰時段，場地附近道路交通振動引起。原型較小流量(300～3 360 m3/s)時，消力池廊道地面各位置測點的豎向加速度均方根值范圍為0.01～0.11 gal，因此，水彈模型基礎的微小振動信號容易被試驗場地的背景振動噪聲淹沒。

其次，試驗過程中，水泵運行產生振動可能對結果產生影響，水泵運行前后試驗場地測點豎向振動情況見圖6，典型測點頻譜見圖7。

圖6　水泵運行前后試驗場地測點豎向振動Fig.6 Test ground vibration before and after the pump operation in vertical direction

圖7　水泵運行前后試驗場地測點豎向振動頻譜圖Fig.7 Test ground spectrum before and after the pump operation in vertical direction

可以看出，水泵開啟后產生振動通過地基傳遞至水彈性模型基礎，引起模型基礎振動增大，8個基礎測點的豎向加速度均方根整體提高10%左右。開泵前，模型基礎背景振動優(yōu)勢頻帶在0～20 Hz；開泵后，基礎測點譜圖高頻成分比重普遍有所增加，并在24.5 Hz附近出現了一個峰值，水泵轉速為24.5 r/s，因此，增加的振動正是由水泵運行引起。

圖8　距模型基礎不同距離人工激勵加速度衰減Fig.8 Acceleration attenuation from different distance of model based on the artificial excitation

可以看出，對于同一種人工激勵方式，激振力相同，隨著激勵點距離增大，水彈性模型基礎的振動加速度有所減小。當距離達到7 m左右時，隨著距離的進一步增大，水彈性模型基礎的加速度衰減較慢。同時，尾水達到7 m時，水流平順。

3.2改進措施

通過對影響因素的分析，在制作水彈模型時，底部素填土基礎進行開挖置換加固處理，澆注成C50混凝土基礎(長7 m×寬7 m×深1.5 m)，并在基礎四周預留一條隔振溝(寬10 cm×深1.5 m)，以減小背景振動及水泵運行產生振動對模型的影響。另外，為了防止水彈性模型上、下游銜接段形成背景振動至水彈模型的振動傳遞路徑，在上、下游銜接段與水彈模型連接處采用橡膠帶形成軟連接，減小模型周邊振動對水彈模型試驗的影響。同時，跌水位置選定在距水彈性模型基礎末端下游7 m處。圖9為模型隔振、減振措施。

改進后的試驗模型隔振溝內外測點功率譜圖見圖10。水泵開啟前后，隔振系統對振源的高頻成分皆有一定的隔振效果，隔振溝內外地面的低頻背景振動情況較為一致。從幅值上看，隔振溝內外地面測點豎向加速度均方根值從0.055 gal減小為0.034 gal。試驗進行(水泵運行)過程中，隔振溝外地面的高頻成分明顯增大(0～200 Hz)，而隔振溝內水彈模型地面的高頻成分作用明顯降低。隔振溝內外地面測點豎向加速度均方根值從0.081 gal減小為0.052 gal。因此，該減振隔振系統，能有效減小水彈模型外部振動源的干擾。

在此基礎上建立模型比尺1∶80的兩個消力池、模擬地基(長500 m×寬400 m×深90 m)的完全水彈性模型，見圖11。振動加速度傳感器測點布置見圖12。

3.3結果修正及驗證

某泄洪工況場地豎向振動實測相對幅值見圖13。其中，T1、T2和T3為大壩測點，其余為場地測點。以場地振幅最大測點T9測點為例，統計出13個典型的原型觀測工況，對應進行模型試驗研究。典型工況見表1，模型各結構各測點與原型T9測點豎向振動振幅對比見圖14。

我經常在廚房聽音頻，與其說廚房的活兒干得時間夠長，足夠聽完一期《奇葩說》，不如說廚房里總有干不完的活兒：洗菜、切菜、炒菜、清理水池、擦洗灶臺……這些活兒，很難想象不聽著點兒啥的話，能堅持干完哪怕一件。

從圖14中可知，水彈性模型各基礎測點與原型場地T9測點的豎向振動變化趨勢和規(guī)律較為一致：首先，振動強度整體上隨消力池過流量增大而增大；其次，振動強度對泄洪方式比較敏感，不利的開孔方式能明顯增大振動強度。水彈性模型測點振動加速度與原型T9測點振動位移的相關性分析見圖15。

可以看出，模型消力池基礎內、壩踵基礎測點與原型場地振動的相關系數分別為0.84和0.86，而水彈模型基礎其余測點的豎向加速度與原型T9測點的實測豎向位移、豎向加速度的相關系數在0.71～0.89內，相關性較高。因此，試驗結果可以有效反映實際泄流狀況。

圖10　隔振溝內外地面測點豎向振動功率譜密度對比Fig.10 The comparison of power spectrums between inside and outside isolation trench in vertical direction

圖11　水彈性模型Fig.11 Water elastic model

圖12　振動加速度傳感器測點布置圖(黑色圓點表示傳感器所在位置)Fig.12 Arrangement of measuring points of vibration acceleration sensor(The black dots indicate the location of sensors)

圖13　實測場地豎向振動位移Fig.13 Ground vibration displacements in flow direction

工況編號消力池流量/(m3·s-1)泄洪工況13306#、10#中孔局開1.3m23601#、5#中孔局開1.5m35501#、5#中孔局開2.4m46861#、5#中孔局開1.4m,2#、4#中孔局開1.3m57006#、10#中孔局開3.1m69406#、8#、10#中孔局開2.4m79601#、5#中孔局開4.5m811006#、8#、10#中孔局開3.3m929001#、3#、5#中孔局開3.0m,6#、8#、10#中孔局開3.6m,7#、9#中孔局開3.4m1033201#、3#、5#中孔局開3.9m,2#、4#中孔局開3.4m,6#、8#、10#中孔局開2.8m,7#、9#中孔局開2.4m1133601#、3#、5#中孔局開4.4m,6#、8#、10#中孔局開3.6m,7#、9#中孔局開3.2m1234301#、3#、5#中孔局開3.9m,2#、4#中孔局開3.5m,6#、8#、10#中孔局開2.8m,7#、9#中孔局開2.6m136600左池5中孔局開6.0m,右池5中孔局開5.8m

圖14　模型各測點振動與原型T9測點豎向振動對比Fig.14 Comparison of vertical vibration between the model measuring points and the prototype measuring point T9

圖15　模型消力池基礎測點Fig.15 Correlation between measuring points of the base of stilling pool

研究泄流誘發(fā)場地振動相關問題時，建立大壩模型與場地原型觀測數據的聯系是進行各種分析的前提。在模型上進行反演2013年和2014年所有原型泄洪工況，根據試驗結果，對場地振動進行線性預測，T9豎向振動加速度預測值與實測值對比見圖16。

圖16　2013年與2014年T9豎向振動加速度預測值與實測值對比Fig.16 Comparison between the prediction value and the measured value of acceleration in vertical direction in the year of 2013 and 2014

可以看出，T9測點的豎向加速度預測結果與原型實測結果吻合較好，不同流態(tài)與泄洪方式對原型場地振動的影響都能通過水彈性模型得到直接的反映。因此，可通過以上改進措施建立水彈性模型，并根據各種泄洪工況下水彈性模型的振動規(guī)律，來研究泄洪誘發(fā)下游場地的振動問題。

4　泄流誘發(fā)場地振動特性

4.1振源分析

泄洪誘發(fā)結構及周邊場地振動問題的研究，首先要正確判斷產生振動的機制，一般包括外部誘發(fā)的振動、不確定誘發(fā)的振動和運動誘發(fā)的振動，其中最重要的是外部誘發(fā)的振動，它是由水流脈動及壓力脈動引起的[8]。在泄流結構自身條件一定的情況下，泄流狀態(tài)下不同類型和特征的水流脈動荷載對于結構振動的產生、分布和傳遞起到了關鍵性作用，不同荷載振源對泄洪誘發(fā)結構及場地振動所做的貢獻也不同[9]。該水電站采用表、中孔聯合的底流泄流消能方式，通過消力池內形成淹沒水躍產生表面旋滾和水流間強烈的紊動剪切來消除下泄水流的動能，同時在表孔或中孔溢流面和邊墻上產生水流脈動荷載，這些荷載都有可能成為場地振動振源。在泄流狀態(tài)下可能出現的水流脈動荷載有：孔口脈動荷載、消力池底板脈動荷載、導墻脈動荷載、尾坎脈動荷載以及跌坎脈動荷載[10]，荷載位置見圖17。

圖17　荷載位置圖Fig.17 Loads positions

試驗測定了不同工況下各個振源的荷載變化情況。通過試驗發(fā)現，不同泄流方式的振源比重不盡相同，結果見圖18。兩種泄洪方式水流流態(tài)見圖19。

圖18　不同泄洪工況振源脈壓強度百分比Fig.18 Percentage of energy generated by vibration sources under different discharging conditions

圖19　不同泄洪工況水流流態(tài)Fig.19 Flow patterns under different discharging conditions

從柱狀圖可以看出，不同泄流方式作用在溢流壩上的孔口振動能量均大于其他位置。表孔泄洪情況下，導墻的振動能量僅次于孔口荷載，消力池底板與尾坎振動能量相當且小于導墻處，跌坎振動能量最小。中孔泄洪情況下，消力池底板的振動能量增大，僅次于孔口荷載，導墻振動能量有所減小，尾坎與跌坎與表孔泄流時振動能量比重相當。

根據泄水過程水流流態(tài)可以看出，不同工況泄水過程中，溢流壩孔口出口段水流條件極為復雜，紊動最為強烈，因此，孔口荷載產生振動最為復雜且能量巨大。中孔泄流時出流水舌由于出口高程較低，進入消力池后形成淹沒射流，水舌以較大的流速沖擊到消力池底板，在底板上產生較大的脈動壓力，因此其產生脈動壓力增大。表孔泄流時出流水舌出口高程相對較高，距消力池底板的距離更遠，主流進入消力池后主要在表層形成表面旋滾，對底板的沖擊較小，但導墻的脈動壓力增大。兩種泄流方式的下泄水流流經尾坎與跌坎時都已達到穩(wěn)定狀態(tài)，產生能量相當。

4.2場地振動影響因素

4.2.1泄洪方式

驗證模型有效性時發(fā)現，下游場地振動強度與泄洪流量及泄洪方式關系密切，其具體表現為表孔、中孔開啟方式，上游水位、下游水位的變化等。因此，通過控制單一變量原則，研究以上因素對場地振動的影響。試驗所得各因素影響下，場地T9測點振動預測結果見圖20～24。

圖23　不同下游水位T9測點豎向振動加速度預測Fig.23 Prediction of vertical vibration acceleration of T9 with different downstream water level

圖24　不同泄洪方式振動情況對比Fig.24 Vertical vibration acceleration of T9 under different discharge conditions

從圖20～22可知，不同的孔口開啟方式振動規(guī)律差異較大。中孔與表孔單獨運行時，振動隨開度增大而增大，其中，中孔存在不利運行區(qū)，不利開度范圍在5～7 m左右，此時泄流產生漩滾在孔口處，因此在孔口產生較大脈動荷載。小開度流量較小，大開度時水流流速與脈動能量增大，產生漩滾遠離孔口，兩者在孔口處產生脈動荷載較小。表孔運行工況不存在不利運行區(qū)，但在大開度時振動強度增長幅度有所減小。表中孔聯合泄洪時，場地振動對中孔的開度更為敏感，開度為1～4 m時，振幅顯著減小。從圖23可知，下游水位越高，振幅越小。而從圖24可知，上游水位越高，振動越強，但與流量增長速度相比，振幅增長量可以忽略。另外，同流量級下，表孔泄洪時場地振動強度最大，中孔泄洪時振動次之，且存在明顯的不利運行區(qū)間，表中孔聯合泄洪時振動強度明顯小于同流量其余工況。

4.2.2場地基礎

觀測資料顯示，該水電站下游場地振動強度分布有所不同，靠近右岸山體一側古河道區(qū)域出現振動放大現象，左側非古河道區(qū)域振動強度不大，泄洪前后場地古河道與非古河道實測工況下典型測點豎向振動功率譜見圖25和圖26。

圖25　場地古河道區(qū)域T9測點振動功率譜密度譜Fig.25 Vibration power spectrum density of T9 in the area of the ancient river channel

圖26　場地非古河道區(qū)域T12測點振動功率譜密度譜Fig.26 Vibration power spectrum density of T12 in the area of the non-ancient river channel

將場地典型頻譜分布與場地地質條件結合不難發(fā)現，在大壩右岸下游場地范圍，場地的背景振動幅值較小，頻譜特性有明顯的規(guī)律：由于古河道上厚覆蓋層的影響，地基剛度相對較小，場地較“軟”，自振頻率較低，在低頻振動激勵下，一定程度上激發(fā)了地基的自振，背景振動響應頻譜反映出了地基的自振特性。在古河道區(qū)域測點所在位置覆蓋層越厚，背景振動響應頻譜中的地基自振特性越明顯；其他區(qū)域覆蓋層較淺，地基剛度相對較大，場地較“硬”，自振頻率較高，表現為低頻振動激勵下的隨機受迫振動，其背景振動響應頻譜反映的是地脈動振源的頻率特性。

5　結　論

文章利用水彈性模型試驗結合原型觀測資料，研究高壩泄流引起周圍場地振動振源以及影響振動強度因素。研究發(fā)現：

首先，傳統的物理模型受環(huán)境振動、試驗設備以及其他因素影響，試驗結果難以反映場地振動情況。因此，建立模型前，通過對模型底部素填土基礎進行開挖置換加固處理，并在基礎四周預留一條隔振溝，并在上、下游銜接段與水彈模型連接處采用橡膠帶形成軟連接可以有效減小水彈模型外部振動源的干擾。同時，模型試驗反演實際泄洪工況結果與實測場地振動變化規(guī)律一致，相關性較高。其預測結果真實反映實際場地振動情況。

其次，大壩在泄流狀態(tài)下可能出現孔口脈動荷載、消力池底板脈動荷載、導墻脈動荷載、尾坎脈動荷載以及跌坎脈動荷載，這些荷載成為影響場地振動的主要振源。不同泄流方式下，作用在孔口的振動能量遠大于其他位置；中孔泄洪情況下，除了孔口振動能量為主要振源外，消力池底板的振動能量較大；表孔泄洪情況下，導墻的振動能量增大到第二，底板的振動能量小于尾坎，減小到第四。

最后，泄水過程中，孔口開啟方式、上下游水位、消力池內流水流流態(tài)等因素對場地振動強度有不同程度的影響，而表孔與中孔聯合泄洪并避開中孔不利運行區(qū)是減小場地振動的有利運行工況；不同的場地土體條件對振動的傳播有較大影響，地基剛度較小區(qū)域易激發(fā)土體自振，從而產生振動放大效應。

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Influencing factors of the ground vibration induced by flood discharge of high dams based on model experiments

ZHANG Yan1,2, LIAN Jijian1, LIU Fang1, ZHANG Wenjiao1, LI Songhui2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072, China;2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institate of Water Resoures and Hydropower Research, Beijing 100038,China)

While flood is discharged in a high dam, the vibration generated by huge flow fluctuating load can be transmitted to upstream and downstream along the river through the ground, which results in ground vibration and is harmful to the neighboring residents and buildings. In this paper, the traditional physical model was improved, and then a correlation system was established by combining the model with prototype observations. Further, the characteristics of vibration sources as well as factors influencing vibration intensities were investigated. The results show that the established hydroelastic model with a series of vibration isolation and vibration damping can simulate the flood discharging conditions and reflect the ground vibration accurately through a linear prediction. The vibration energy of orifice is the primary vibration source of ground vibration, and the secondary vibration source is the load of guide wall and stilling pool base slab. The orifice opening modes, upstream and downstream water levels seriously influence the vibration intensity of ground. So it suggests to control the vibration intensity from the sources through regulating the discharge modes. The vibration will be amplified when the foundation stiffness is small.

hydroelastic model; flow fluctuating load; discharge modes; vibration source; vibration intensity

國家自然科學基金資助項目(51379140;51209158;51379177);中國水科院科研專項(1513)

2015-04-28修改稿收到日期：2015-08-18

張龑 男，博士，1988年11月生

練繼建 男，教授，博士生導師，1965年8月生

TV61

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.16.006