水閘地基淘蝕區域識別方法研究

劉鳳麗

(北票市龍潭水庫管理處，遼寧 北票 122100)

水閘是一種低水頭擋水和泄水建筑物，在平原區河流上建設的較多，可以適應很多不同的地質條件[1]。水閘在工作過程中，由于環境因素的影響，水流的沖刷作用，隨著時間的推移，水閘的工作性能逐漸下降。水閘發生破壞的類型主要有下述幾類，分別為裂縫破壞，滲透破壞，沖刷、磨損及氣蝕破壞，閘門、啟閉設備破壞，混凝土碳化和鋼筋腐蝕，閘下游河道淤積，消能防沖設施的破壞，閘室結構變形破壞，地震災害，軟基上的水閘底板脫空破壞[2- 4]。對于一些修建于平原軟土、粉砂、砂礫石等地基上的水閘，由于軟土層厚、土體含水率高、滲透性強、地基承載力低、壓縮性大等，導致水閘易出現各種不同的病害[5- 7]。而對于水閘地基發生淘蝕而言，主要由兩類原因造成：①由于地基土層壓縮性存在差異，導致沉降不均，軟土地基由于不均勻沉降導致出現淘蝕，沙土地基由于容易發生液化，導致出現淘蝕，進而使得水閘底板出現脫空現象；②由于滲流導致地基土層的土顆粒隨水流而被帶走，形成滲漏通道，進而導致地基淘蝕，其中，第②種原因最容易造成地基淘蝕。地基發生淘蝕后，水閘基礎的受力狀況發生變化，進而導致水閘上部結構的工作性能發生變化。如果地基淘蝕嚴重，將對水閘整體安全性和使用性造成極大影響。對于實際水閘而言，要想明確地基是否出現淘蝕，將水閘下游水抽干是一種有效的檢查方法，但是通常難以將下游水完全抽干，而這就導致水閘地基的淘蝕檢測陷入困難，目前還沒有一種有效的無損檢測方法。水閘地基淘蝕問題導致水閘失事的案例在我國已經出現多起[8- 9]。在地基淘蝕的檢測分析中，SejeCarlsten[10]將雷達技術應用于大壩和水閘基礎的檢測中，探測和分析的效果較好，但是不具有普適性；CH.Maierhofer等[11]將探測雷達和超聲脈沖技術應用于水閘檢測中，但是重點對水閘底板進行了無損檢測，對于地基淘蝕分析只是做了較短的闡述。國內有較多的學者使用探地雷達對水閘地基淘蝕和水閘脫空進行了分析，如王世恩[12]、安鐸[13]、楊松華[14]、吳俊姿[15]等。在采用探測分析技術之外，也有采用其他算法模型研究的學者，如練繼建[16]在泄流結構損傷檢測中，采用了HHT方法取得了較好的效果；何龍軍[17]在對水工結構損傷識別研究中，基于結構模態頻率診斷研究了結構裂縫發展，并通過對應變模態進行優化，得到的結論較好；李火坤[18]利用頻域法研究了拱壩的動態輸出響應，分析了結構的損傷問題。針對目前水閘地基淘蝕識別研究較少的現狀，對水閘地基淘蝕區域的識別方法研究，基于響應面方法建立模型，代替有限元模型，利用遺傳算法選擇合適的目標函數，將水閘結構的頻率和振型數據作為模型的輸出參數，通過地基淘蝕控制參數和輸出參數之間關系，獲得控制參數值，以此給出4種常見的水閘地基淘蝕區域識別結果，并分析所提出方法的抗噪性。

1 響應面方法

響應面方法在處理非線性問題時具有顯著的優勢，目前在較多的非線性問題處理領域得到了較為廣泛的應用，結合研究對象，提出如下4步：①選擇合適的響應面函數，并確定特征量、輸入參數和輸出參數；②采用確定性試驗擬合的方法確定多項式的待定參數，利用初步確定的響應面模型修正有限元模型；③重復上述兩步，最終確定滿足要求的響應面模型；④將響應面模型作為最終的計算分析模型。

1.1 響應面函數

響應面算法或模型的計算效率和精度直接受響應面函數形式的影響，對于一個具體問題，需要考慮多方面因素，最終選擇合適的函數形式，常用的響應面函數有徑向基函數、非線性函數、多項式函數、BP神經網絡等[19]。結合研究對象，選擇的響應面函數為二階多項式，具體如下：

(1)

式中，n—設計參數的個數；xi—設計參數；a0，aj，aij—回歸系數。將式(1)用線性函數的形式表示為：

(2)

(3)

式中，k—bi的個數，k的取值隨二階多項式的形式不同而不同，當二階多項式為可分離二次型時，k為2n+1，當二階多項式為完整二次型時，k為(n+1)(n+2)/2。

1.2 確定特征量和參數

采用響應面方法修正有限元模型時，特征量一般選擇結構的頻域特征、時域特征，輸入參數一般選擇結構的幾何尺寸、彈性模型、彈性剛度、阻尼等參數，結合研究的水閘淘蝕問題，選擇的輸出參數是水閘結構的頻率和振型數據。

2 淘蝕區域識別

對于水閘底板地基而言，容易發生淘蝕的區域是水閘上游與下游和水流接觸的部位，主要是因為這兩個區域的地基受水流的沖刷作用較為嚴重，且浸泡較為嚴重。如果地基出現滲流通道，也會加大淘蝕范圍，嚴重的淘蝕可能會貫穿整個順水流方向的地基。對于實際的水閘地基淘蝕而言，主要存在兩類地基淘蝕形式，分別為順水流方向未貫穿而垂直水流方向貫穿，順水流方向貫穿而垂直水流方向未貫穿，編號分別為I類和Ⅱ類，而對于兩類分別又有A型和B型，因此共有4種淘蝕形式，如圖1—圖4所示，本文針對這4種淘蝕形式進行研究。通過將水閘地基劃分為多個不同的條塊，每個條塊的邊長就是淘蝕區域的控制參數，將邊長記為di，所以通過模擬求解這些邊長di，然后將每條線的端點用線依次連接起來，即為模擬的淘蝕區域邊界。

圖1 Ⅰ類A型淘蝕

圖2 Ⅰ類B型淘蝕

圖3 Ⅱ類A型淘蝕

圖4 Ⅱ類B型淘蝕

2.1 建立響應面模型

這里以Ⅱ類淘蝕為例，建立相應的響應面模型，Ⅰ類淘蝕分析類似。在建立響應面模型時，選擇水閘結構的1～6階頻率數據和8個監測點的振型數據進行建立，響應面的模態信息計算公式如式(4)。

(4)

式中，xi—第i個淘蝕控制參數，i=1，2，…，10，10個參數平均分布在每側淘蝕區域，均為5個；β—待定系數。

模型測點位置的選擇要結合3個方面進行考慮：①測點模態信息要具有足夠的靈敏度；②保證響應面的精度滿足要求；③不能選擇在水面以下位置，需在容易測量的部位。綜合考慮分析，針對該水閘模型，確定了8個測點的位置，如圖5所示。

圖5 8個測點位置

結合實際的水閘底板尺寸，并考慮水閘地基不同區域發生淘蝕的難易程度，將水閘底板劃分為4塊，每塊水閘底板的寬度范圍在0～4m之間。利用ANSYS軟件建立水閘模型，然后結合前文所述的響應面方法建立水閘的響應面模型，利用遺傳算法分析目標函數，從而進行地基淘蝕識別。

在創建目標函數之前，將遺傳算法的相關步驟引入進來，應用于地基淘蝕研究中。基于遺傳算法，給出結構的振型值向量表達式，如式(5)：

(5)

式中，m—振型值的個數，m=6×8=48。

結合需要分析的地基淘蝕問題，根據響應面模型，對結構的振型值向量進行轉化，得到結構模型的振型值向量，其定義如式(6)：

φ=(φ1，φ2，…，φm)

(6)

對于該振型值向量，利用響應面理論構建的目標函數如式(7)：

(7)

式中，ωi—各測點振型值的權值系數。分析該方法的具體操作過程，在Matlab軟件中編程實現該方法。

選擇上述4種淘蝕，每一側的控制參數均為5個，對于Ⅰ類淘蝕而言，d1，d2，…，d5表示上游側的控制參數；d6，d7，…，d10表示下游側的控制參數；對于Ⅱ類淘蝕而言，d1，d2，…，d5表示左側的控制參數，d6，d7，…，d10表示右側的控制參數。

2.2 淘蝕識別結果

2.2.1無噪聲時的識別結果

將4種淘蝕對應的控制參數取值列于表1中。采用前文方法建立的模型，并利用遺傳算法進行分析，得到了無噪聲時水閘地基4種淘蝕對應的控制參數模擬結果，見表2。將控制參數的實際值和模擬分析結果值用折線連接，形成了水閘地基淘蝕區域，如圖6—9所示。

對比分析表1和表2的數據，結合圖6—9，從中可以發現，在沒有噪聲時，4種形式的水閘地基淘蝕區域識別結果和實際的淘蝕區域控制參數值很接近，相差很小，圖中兩條折線變化趨勢一致，誤差很小，說明這個方法在識別水閘地基淘蝕區域時具有良好的效果。

2.2.2有噪聲時的識別結果

上面沒有考慮外界存在干擾的情況，對于實際的水閘而言，水流狀態不同會導致水閘的實際工作

表1 4種淘蝕對應的控制參數實際值 單位：m

表2 無噪聲時4種淘蝕對應的控制參數模擬結果 單位：m

圖6 無噪聲時Ⅰ類A型淘蝕區域識別結果

圖7 無噪聲時Ⅰ類B型淘蝕區域識別結果

圖8 無噪聲時Ⅱ類A型淘蝕區域識別結果

圖9 無噪聲時Ⅱ類B型淘蝕區域識別結果

狀態發生變化，此外測量儀器的精度以及在測量過程中，由于測量人員的問題導致測量誤差的存在也是難以避免的，這些影響因素在模擬識別過程中都表現為噪聲。為了更加符合實際情況，有必要對這個方法的抗噪能力進行驗證，為此引入4%的高斯白噪聲，用于模擬環境帶來的干擾，對4種形式的水閘地基淘蝕區域進行識別分析。從表3可見，為加入4%噪聲時水閘地基4種淘蝕對應的控制參數模擬結果，此外，給出了加入4%噪聲時4種水閘地基淘蝕區域實際值和模擬識別結果的折線連接圖，如圖10—13所示。

對比分析表1和表3，從中可以發現，加入4%高斯白噪聲后，控制參數的識別結果和實際值存在一定的偏差，但是偏差較小，對應數據較為接近。從圖10—13中可以看出，4種淘蝕區域控制參數值和實際值連接的折線變化趨勢較為一致，淘

表3 4%噪聲時水閘地基4種淘蝕對應的控制參數模擬結果 單位：m

圖10 4%噪聲時Ⅰ類A型淘蝕區域識別結果

圖11 4%噪聲時Ⅰ類B型淘蝕區域識別結果

圖12 4%噪聲時Ⅱ類A型淘蝕區域識別結果

圖13 4%噪聲時Ⅱ類B型淘蝕區域識別結果

蝕區域的識別結果和實際淘蝕區域的吻合度能夠滿足要求，識別結果較可靠。這就表明提出的方法在識別水閘地基淘蝕區域時具有較好的抗噪能力。

3 結語

針對水閘地基淘蝕區域識別問題，通過研究得到的結論如下：

(1)將響應面方法應用于水閘地基淘蝕區域識別中，并引入了遺傳算法，提出了淘蝕區域識別和模擬的具體思路，并在Matlab中實現了該方法。

(2)分析了4種常見的水閘地基淘蝕，以頻率和振型數據作為模型的輸出參數，利用水閘地基每塊邊長的控制參數描述了水閘地基淘蝕區域。

(3)分析了無噪聲和加入4%高斯噪聲的地基淘蝕，在無噪聲時，分析結果和實際地基淘蝕非常接近，在有噪聲時，分析識別結果和實際地基淘蝕較為接近，能夠滿足要求，說明這種水閘地基淘蝕區域識別方法不僅可以有效分析地基淘蝕，而且具有較好的抗噪能力。