[發明專利]泄洪消能誘發場地振動的預測方法

有效

• 申請號: 201510096402.0
• 申請日: 2015-03-04
• 公開（公告）號: CN104614144B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 駱少澤;張陸陳;胡亞安;王新
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G01M7/08
• 分類號: G01M7/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種由泄洪消能誘發場地振動的預測方法，屬于泄洪消能振動安全領域。

背景技術

大型水利水電工程泄洪消能誘發的場地振動持續時間長、影響范圍廣、處理難度大，是泄洪消能振動安全領域中的新難題。不同運行工況下的場地振動響應是評價振動安全、采取處理措施、制定應急預案的最基本參數，因此對泄洪消能誘發場地振動量的預測意義重大。

目前獲取泄洪消能誘發的振動響應主要有三種方法：原型觀測、水彈模型試驗及數值模擬。原型觀測法是在現場目標位置處布置振動傳感器，直接測量振動響應。該方法優點是可精確測量當前泄洪工況下場地振動的位移、速度、加速度等參數，缺點是無法對其它不同工況進行預測預報。

水彈模型試驗法是建立同時滿足結構幾何相似、水流運動相似和結構動力相似的模型，通過測量模型中的振動響應參數，再依據水彈相似準則換算得到原型振動響應。優點是可以進行各種泄洪工況的振動響應預測，缺點是難以建立精確完整的水彈模型，其難度在于：(1)場地范圍大，完整模擬成本非常高；(2)需獲取現場復雜地質條件的結構動力特性，水彈材料研發難度大；(3)地質層之間的交接面復雜且極不規則，模型中很難精確加工模擬。

數值模擬是建立水體-泄水建筑物-基礎及場地的整體三維有限元模型，通過求解動力學方程計算得到振動響應。優點是成本低、可以進行各種泄洪工況的振動響應預測，缺點是現行的計算方法難以處理復雜水力特性與結構動力特性間的高度耦合，計算結果精度較低。

發明內容

針對以上缺陷，本發明提供一種高精度、可應用于各種工況的泄洪消能誘發場地振動的預測方法。

本發明所提供的泄洪消能誘發場地振動的預測方法的技術方案是：在典型工況下，通過原型觀測法獲取場地振動響應，采用水工模型試驗獲取激勵荷載，建立兩者相關關系；再通過水工模型試驗獲取待預測工況下的激勵荷載，代入建立的相關關系得到振動響應預測值。

所述的技術方案具體按以下步驟進行：

步驟一，采用原型觀測的方法，測量不少于5個典型泄洪工況下現場特征測點處的振動響應。典型工況的選擇應考慮工程不同的泄量級、振動響應大小、閘門運行方式等因素，現場特征測點的布置要覆蓋不同距離、典型地質條件以及多種建筑物類型。

步驟二，建立泄水建筑物的大比尺水工模型，在模型中反演原型觀測中的典型泄洪工況，測量泄水建筑物底板、邊墻等部位的脈動壓力。泄水建筑物的水工模型采用重力相似準則設計，比尺不小于1∶50。泄水建筑物底板、邊墻等部位的脈動壓力測點布置應保證該部位每個結構分塊上不少于2個測點。脈動壓力測量時應保證所有測點同步采集，且采樣頻率相同。

步驟三，根據原型觀測中場地振動響應的主頻頻段與模型試驗中各測點的脈動壓力，計算每個結構分塊上的面脈動壓力。

所述的結構分塊上面脈動壓力的計算方法如下。首先，將各典型泄洪工況下現場特征測點處的振動響應時域信號進行快速傅里葉變換(FFT)，統計其振動主頻f_i-n(i為不同的測點編號，n為典型泄洪工況總數)，計算各測點的平均主頻得到主頻頻段其中Δf為主頻頻帶寬度參數，取1～2Hz。其次，對模型試驗中各測點的脈動壓力時域信號P_j(t)(j為模型試驗不同的脈動壓力測點編號)進行主頻頻段的濾波，即頻率值高通濾波、頻率值低通濾波，得到新的時域信號P_j’(t)。最后，將各結構塊上各測點脈動壓力進行波形合成得到面脈動壓力時域波形G_k(t)(k為不同的結構分塊編號)，合成公式如下：(A_k為第k個結構分塊的總面積，m為第k個結構分塊中脈動壓力傳感器數量，x為第k個結構分塊中不同的脈動壓力傳感器編號，A_k-x為第k個結構分塊中第x個脈動壓力傳感器所代表的面積)。

步驟四，根據典型工況下現場特征測點處的振動響應均方根值σ_Z-i與各結構分塊中最大的面脈動壓力均方根值σ_max，建立兩者相關函數，即σ_Z-i＝f_i(σ_max)。

步驟五，開展預測工況的水工模型試驗，測量該工況下泄水建筑物底板、邊墻等部位的脈動壓力，根據步驟三中方法計算出各結構分塊中最大的面脈動壓力σ’_max，代入步驟四中的相關函數，即可預測該工況下的振動響應均方根值，即σ’_Z＝f(σ’_max)。