泄流誘發水工結構振動問題的綜合集成研討

胡新春

摘 要：在國民經濟發展進程中水利工程所發揮的作用是不容忽視的，尤其是在現階段工程規模不斷壯大，這就對結構穩定性提出了更高的要求。但是由于受到多項因素的直接影響，現階段工程項目中振動問題頻繁發生，導致該種現象出現的關聯因素就是泄流，其本身具有一定的多樣化特點。在外國，部分工程在實際應用階段也會出現這一現象，這是因為在施工階段設置的消力池導墻在水流的強烈作用下，荷載值會發生較大轉變，在這一背景下水工結構的穩定性就會相對弱化，一旦控制不當，振動問題將會不斷加劇。

關鍵詞：泄流；水工結構振動；綜合集成研討

中圖分類號：TV3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0182-02

從當前形勢來看，由泄流引起的水工結構振動問題已經被社會各界所廣泛關注，由于其形式多樣，危害嚴重，這就需要針對問題本身進行科學研究及探索。為了避免該類問題的發生，部分水利水電工程也針對自身實際結構，采取了相應優化措施，提高工程運行的安全指標。現階段高拱壩群的建設數量不斷增加，不僅高度達到了一定標準，泄洪量更是不斷擴大，泄洪功率也相對較高。雖然目前我國工程建設指標不斷提升，但是泄洪振動安全問題卻仍舊存在，并對周邊環境造成不利影響。本文就圍繞泄洪引發的水工結構振動問題進行了細化闡述及分析，在綜合集成的基礎上對其進行研究討論。

1 泄洪誘發水工結構振動的研究主體

為了進一步提高工程結構的穩定性，實現對振動問題的精準掌控，就需要對導致振動產生的源頭問題進行深挖：在受到外力作用下，發生源頭在外部的振動；不明原因及來源位置的振動；由于受到運動作用，導致振動問題的發生。其中最為常見，也是最為關鍵的主要因素就是外部誘發振動，其發生機制是高強度水流及壓強出現大幅度脈動，而后導致荷載值發生改變，但是并不是全部振動系統的主體形式。因此，社會各界對水土結構穩定性的關注點大多集中在了以建筑物為核心的能量轉移上。在水工建筑物的導墻等結構中，振動強度普遍較小，并且振動大多發生在平衡位置的周邊區域。

實際上結構在運行階段具有較強的彈性特征，在小范圍內能夠根據變化指標作出相應調整，系統特性也較為明顯，也就是在發生變化的階段中參數能夠重疊及交叉，其變化次數及方向是一致的，不會在時間作用下發生改變。雖然在這一階段中頻率能夠顯示出出入兩種狀態，但是從本質上來看，發生變化的僅是振動幅度及相位。因此，泄流激振問題的控制點就在結構穩定系數及負荷系統上，其中內在的關系是可以通過公式表現出來的。在實際研究過程中可以應用在應用模型的基礎上，對水流誘發力的參數值進行確認，而后通過計算就能夠得到具體數值。該方法的應用流程較為簡單，不需要投入大量資金就能夠獲得需求參數，試驗結果也能達到相應標準，這也就是常說的水力學模型。

除此之外，還可以直接依托水彈性模型對測量建筑物響應數據，該種方法具有較強的應用優勢，不僅獲取的信息覆蓋面較廣，更能縮減計算步驟，并將核定結果以最直觀的形式展現出來。研究工作的開展實際上就是為了對可能發生的問題進行預估，在對數據進行測量及計算的過程中，就能夠形成對建筑水工結構最為精準的了解，當預報能效與實際情況高度相符時，就能制定有針對性的防治措施，后續一旦出現問題，就能在第一時間采取有效措施將其解決。通常情況下第一種方法的應用頻率較高，通過對數據的計算及分析，就能得到響應值，但是這種方法也存在的一定的局限性，在某些復雜的建筑物中，測試及分析工作的開展是具有較大難度的。在某些特殊情況下，也可以應用水彈性模型進行對比研究，其獲得的結果也是較為精準的。

2 水彈性模型的應用

水彈性模型在實際應用階段可以看成是物理模型，在加載過程中能夠節省較多中間環節，應用比尺就能獲取有效信息及價值參數，在構建結構模型時就可以以此為核心。通過對可靠資料進行研究不難發現，水彈性模型的研究方向大致以以下三個方面為主：在水流影響下結構的靜力特征、動力特征及具有動態性質的響應現象。首先，當拱壩含水量沒有達到壩高一半時，壩頂拱冠位置就不會發生任何改變，也不會出現相應移動現象，一旦水量深度超過一定范疇時，變率速度就會相對增加，終值量也會發生改變。以力學原理為依托進行研究可以發現，高拱壩的這一靜力特征能夠對壩體抗震性能產生較為顯著的影響。

其次，在水流作用機制發生改變的過程中，自振特性也會隨之作出較大調整，在有水狀態下，自振頻率通常會下降十至二十個百分點，在這一過程中振型也會呈現密集狀態，在對該項因素進行研究時，可以通過對數據的大量搜集完成；最后，在水流的影響下，動態特征也不是一成不變的，其特征也會在水流作用下發生轉變，并且水彈性模型所展示出的振動位移現象也呈現對稱趨勢。通過以上分析不難發現，壩體上泄洪振動位移現象在相同時間范圍內其變化趨勢也較為一致。

水彈性模型測試出的泄洪動位移響應是最重要和較可靠的數據，信號清楚，極易辨識。通過對可靠資料進行研究，在數據分析的基礎上就可以得出以下結論：振動位移響應以基頻為主，頻率值與數值分析結果很接近，位移最大值在最上層拱冠；動位移（均方根值）分布為“中間大，兩端小，上層大，低層小”，結構約束的遠近端有數量級之差。同步測量、互相關分析表明：振動相位同步，可畫出等值線；最大動位移是中表孔聯合泄洪的結果。

3 水工結構泄流振動問題的綜合集成研討

綜合集成方法的本質內容涵蓋著定性到定量的細化路徑，該理論的產生及發展是依托于系統科學，該方法實際上就是將各類有價值的信息整合到一起，在信息量不斷拓展的情況下，解決問題的有效途徑就能有所增加，各類信息在經過協調綜合后，就能形成最優化的方案。水工結構激振問題中涵蓋多樣化的項目，關聯學科較多，因此，通過對泄流振動問題進行研究可以發現，無論是對其本質進行探究，還是對其主體框架進行安全性評價，都需要對涉及的多項因素進行考量，在全面獲取有效數據后，才能對解決方案進行確認。endprint

泄流激振問題在以綜合集成為主體進行研究時可以采取以下方法：對工程實際情況進行深入了解，明確需求方向，對水工結構的泄流振動問題進行針對性列舉，選出相應研究課題；對已經確定的課題進行理論探究及分析，對其中關聯的要素進行區分及對比，而后將其劃分到不同的獨立式分課題中，建立與之相對應的模型庫；在方法庫中尋找與實際情況相符合的最佳解決方案，對分課題進行逐一分析及研究，與此同時，還需要對研究結果的推進能效進行預估，在確保可行的情況下才能將其納入到安全評價指標的核定范疇中；在對各類評價指標進行確定的基礎上，需要借助領域中專家的專業力量對信息進行綜合集成，為后續解決提供參考依據。這樣不僅能夠促使個人能力得到提高，更能促使各方智慧積聚在一起。

綜合集成方法之所以在水土結構泄流振動問題中能夠發揮至關重要的技術優勢，是因為集合了較多關聯學科，在將其優點進行高效整合時，就能將技術方法的精準度有效提高。這不僅是技術與技術的融合，更加強了學科與學科之間的聯系，促使其能效作用發揮到極致，在這一過程中各類信息在相互碰撞后就能產生較多問題解決方法，其中的任何一種都存在較強的實用價值，能夠在不同領域中發揮作用。需要注意的是，在對解決方法進行選擇時，不僅需要結合實際情況，更要將專家經驗作為科學指導，針對分課題對各類方法的可行性進行判斷，實現研究課題的不斷深化及發展性建設。實際上針對泄流振動綜合集成研究是具有一定標準的理論框架的，相對的貢獻權重的比例及主體方向是存在各自特點的，其值量大小應當由專家在進行綜合研究的基礎上進行確認，而后才能提出有針對性的解決方法，無論是一種還是幾種方法的整合，都需要按照相應次序進行類推。

以理論解析方法為例：其貢獻權重為I1=[α1，α2，α3，α4，α5，α6]，其中α1[0，1]為理論解析法對水動力荷載特性研究的貢獻權重，α2[0，1]為理論解析法對流固耦合特性研究的貢獻權重，α3[0，1]為理論解析法對結構共振特性研究的貢獻權重，α4[0，1]為理論解析法對流激振動響應特性研究的貢獻權重，α5[0，1]為理論解析法對結構動力穩定性研究的貢獻權重，α6[0，1]為理論解析法對結構疲勞問題研究的貢獻權重。各研究方法的貢獻權重αi[0，1]（i=1，2，…，6）大小應在咨詢眾多專家的基礎上進行綜合確定，最后給出針對某子課題問題研究的最佳解決方法（某一種方法或幾種方法的組合），其他貢獻權重I2～I8的確定以此類推。

水流誘發水工建筑物振動是水利水電工程運行中出現的普遍現象。研究工作的難點在于水力學和結構動力學的矛盾統一。水彈性模型是水流和結構“合二為一”的實物模型，它同時滿足水力學和結構力學條件，模擬水工建筑物靜力、動力特性和動態特征，較充分地反演水流誘發水工結構振動的物理模型。實際上，水彈性模型方法已經成為一種集物理模型和數學模型為一體的“復合模型”。隨著高技術和數字技術的發展而進步，充分發揮這種模擬方法的數字、信息、網絡、可視化的發展優勢，可以有效地解決一些工程的實際問題。

參考文獻：

[1]徐國賓，韓文文，王海軍，等.水電站泄流誘發廠房結構振動響應預測[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2015（3）.

[2]王玉潔.基于泄流振動響應的結構振動反分析與安全評價研究[D].南昌大學，2015.

[3]張 .高壩泄洪誘發場地振動振源特性與傳播規律研究[D].天津大學，2015.

[4]王玉潔.基于泄流振動響應的結構振動反分析與安全評價研究[D].南昌大學，2015.endprint