泄流诱发水工结构振动问题的综合集成研讨

胡新春

摘 要：在国民经济发展进程中水利工程所发挥的作用是不容忽视的，尤其是在现阶段工程规模不断壮大，这就对结构稳定性提出了更高的要求。但是由于受到多项因素的直接影响，现阶段工程项目中振动问题频繁发生，导致该种现象出现的关联因素就是泄流，其本身具有一定的多样化特点。在外国，部分工程在实际应用阶段也会出现这一现象，这是因为在施工阶段设置的消力池导墙在水流的强烈作用下，荷载值会发生较大转变，在这一背景下水工结构的稳定性就会相对弱化，一旦控制不当，振动问题将会不断加剧。

关键词：泄流；水工结构振动；综合集成研讨

中图分类号：TV3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0182-02

从当前形势来看，由泄流引起的水工结构振动问题已经被社会各界所广泛关注，由于其形式多样，危害严重，这就需要针对问题本身进行科学研究及探索。为了避免该类问题的发生，部分水利水电工程也针对自身实际结构，采取了相应优化措施，提高工程运行的安全指标。现阶段高拱坝群的建设数量不断增加，不仅高度达到了一定标准，泄洪量更是不断扩大，泄洪功率也相对较高。虽然目前我国工程建设指标不断提升，但是泄洪振动安全问题却仍旧存在，并对周边环境造成不利影响。本文就围绕泄洪引发的水工结构振动问题进行了细化阐述及分析，在综合集成的基础上对其进行研究讨论。

1 泄洪诱发水工结构振动的研究主体

为了进一步提高工程结构的稳定性，实现对振动问题的精准掌控，就需要对导致振动产生的源头问题进行深挖：在受到外力作用下，发生源头在外部的振动；不明原因及来源位置的振动；由于受到运动作用，导致振动问题的发生。其中最为常见，也是最为关键的主要因素就是外部诱发振动，其发生机制是高强度水流及压强出现大幅度脉动，而后导致荷载值发生改变，但是并不是全部振动系统的主体形式。因此，社会各界对水土结构稳定性的关注点大多集中在了以建筑物为核心的能量转移上。在水工建筑物的导墙等结构中，振动强度普遍较小，并且振动大多发生在平衡位置的周边区域。

实际上结构在运行阶段具有较强的弹性特征，在小范围内能够根据变化指标作出相应调整，系统特性也较为明显，也就是在发生变化的阶段中参数能够重叠及交叉，其变化次数及方向是一致的，不会在时间作用下发生改变。虽然在这一阶段中频率能够显示出出入两种状态，但是从本质上来看，发生变化的仅是振动幅度及相位。因此，泄流激振问题的控制点就在结构稳定系数及负荷系统上，其中内在的关系是可以通过公式表现出来的。在实际研究过程中可以应用在应用模型的基础上，对水流诱发力的参数值进行确认，而后通过计算就能够得到具体数值。该方法的应用流程较为简单，不需要投入大量资金就能够获得需求参数，试验结果也能达到相应标准，这也就是常说的水力学模型。

除此之外，还可以直接依托水弹性模型对测量建筑物响应数据，该种方法具有较强的应用优势，不仅获取的信息覆盖面较广，更能缩减计算步骤，并将核定结果以最直观的形式展现出来。研究工作的开展实际上就是为了对可能发生的问题进行预估，在对数据进行测量及计算的过程中，就能够形成对建筑水工结构最为精准的了解，当预报能效与实际情况高度相符时，就能制定有针对性的防治措施，后续一旦出现问题，就能在第一时间采取有效措施将其解决。通常情况下第一种方法的应用频率较高，通过对数据的计算及分析，就能得到响应值，但是这种方法也存在的一定的局限性，在某些复杂的建筑物中，测试及分析工作的开展是具有较大难度的。在某些特殊情况下，也可以应用水弹性模型进行对比研究，其获得的结果也是较为精准的。

2 水弹性模型的应用

水弹性模型在实际应用阶段可以看成是物理模型，在加载过程中能够节省较多中间环节，应用比尺就能获取有效信息及价值参数，在构建结构模型时就可以以此为核心。通过对可靠资料进行研究不难发现，水弹性模型的研究方向大致以以下三个方面为主：在水流影响下结构的静力特征、动力特征及具有动态性质的响应现象。首先，当拱坝含水量没有达到坝高一半时，坝顶拱冠位置就不会发生任何改变，也不会出现相应移动现象，一旦水量深度超过一定范畴时，变率速度就会相对增加，终值量也会发生改变。以力学原理为依托进行研究可以发现，高拱坝的这一静力特征能够对坝体抗震性能产生较为显著的影响。

其次，在水流作用機制发生改变的过程中，自振特性也会随之作出较大调整，在有水状态下，自振频率通常会下降十至二十个百分点，在这一过程中振型也会呈现密集状态，在对该项因素进行研究时，可以通过对数据的大量搜集完成；最后，在水流的影响下，动态特征也不是一成不变的，其特征也会在水流作用下发生转变，并且水弹性模型所展示出的振动位移现象也呈现对称趋势。通过以上分析不难发现，坝体上泄洪振动位移现象在相同时间范围内其变化趋势也较为一致。

水弹性模型测试出的泄洪动位移响应是最重要和较可靠的数据，信号清楚，极易辨识。通过对可靠资料进行研究，在数据分析的基础上就可以得出以下结论：振动位移响应以基频为主，频率值与数值分析结果很接近，位移最大值在最上层拱冠；动位移（均方根值）分布为“中间大，两端小，上层大，低层小”，结构约束的远近端有数量级之差。同步测量、互相关分析表明：振动相位同步，可画出等值线；最大动位移是中表孔联合泄洪的结果。

3 水工结构泄流振动问题的综合集成研讨

综合集成方法的本质内容涵盖着定性到定量的细化路径，该理论的产生及发展是依托于系统科学，该方法实际上就是将各类有价值的信息整合到一起，在信息量不断拓展的情况下，解决问题的有效途径就能有所增加，各类信息在经过协调综合后，就能形成最优化的方案。水工结构激振问题中涵盖多样化的项目，关联学科较多，因此，通过对泄流振动问题进行研究可以发现，无论是对其本质进行探究，还是对其主体框架进行安全性评价，都需要对涉及的多项因素进行考量，在全面获取有效数据后，才能对解决方案进行确认。endprint

泄流激振问题在以综合集成为主体进行研究时可以采取以下方法：对工程实际情况进行深入了解，明确需求方向，对水工结构的泄流振动问题进行针对性列举，选出相应研究课题；对已经确定的课题进行理论探究及分析，对其中关联的要素进行区分及对比，而后将其划分到不同的独立式分课题中，建立与之相对应的模型库；在方法库中寻找与实际情况相符合的最佳解决方案，对分课题进行逐一分析及研究，与此同时，还需要对研究结果的推进能效进行预估，在确保可行的情况下才能将其纳入到安全评价指标的核定范畴中；在对各类评价指标进行确定的基础上，需要借助领域中专家的专业力量对信息进行综合集成，为后续解决提供参考依据。这样不仅能够促使个人能力得到提高，更能促使各方智慧积聚在一起。

综合集成方法之所以在水土结构泄流振动问题中能够发挥至关重要的技术优势，是因为集合了较多关联学科，在将其优点进行高效整合时，就能将技术方法的精准度有效提高。这不仅是技术与技术的融合，更加强了学科与学科之间的联系，促使其能效作用发挥到极致，在这一过程中各类信息在相互碰撞后就能产生较多问题解决方法，其中的任何一种都存在较强的实用价值，能够在不同领域中发挥作用。需要注意的是，在对解决方法进行选择时，不仅需要结合实际情况，更要将专家经验作为科学指导，针对分课题对各类方法的可行性进行判断，实现研究课题的不断深化及发展性建设。实际上针对泄流振动综合集成研究是具有一定标准的理论框架的，相对的贡献权重的比例及主体方向是存在各自特点的，其值量大小应当由专家在进行综合研究的基础上进行确认，而后才能提出有针对性的解决方法，无论是一种还是几种方法的整合，都需要按照相应次序进行类推。

以理论解析方法为例：其贡献权重为I1=[α1，α2，α3，α4，α5，α6]，其中α1[0，1]为理论解析法对水动力荷载特性研究的贡献权重，α2[0，1]为理论解析法对流固耦合特性研究的贡献权重，α3[0，1]为理论解析法对结构共振特性研究的贡献权重，α4[0，1]为理论解析法对流激振动响应特性研究的贡献权重，α5[0，1]为理论解析法对结构动力稳定性研究的贡献权重，α6[0，1]为理论解析法对结构疲劳问题研究的贡献权重。各研究方法的贡献权重αi[0，1]（i=1，2，…，6）大小应在咨询众多专家的基础上进行综合确定，最后给出针对某子课题问题研究的最佳解决方法（某一种方法或几种方法的组合），其他贡献权重I2～I8的确定以此类推。

水流诱发水工建筑物振动是水利水电工程运行中出现的普遍现象。研究工作的难点在于水力学和结构动力学的矛盾统一。水弹性模型是水流和结构“合二为一”的实物模型，它同时满足水力学和结构力学条件，模拟水工建筑物静力、动力特性和动态特征，较充分地反演水流诱发水工结构振动的物理模型。实际上，水弹性模型方法已经成为一种集物理模型和数学模型为一体的“复合模型”。随着高技术和数字技术的发展而进步，充分发挥这种模拟方法的数字、信息、网络、可视化的发展优势，可以有效地解决一些工程的实际问题。

参考文献：

[1]徐国宾，韩文文，王海军，等.水电站泄流诱发厂房结构振动响应预测[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2015（3）.

[2]王玉潔.基于泄流振动响应的结构振动反分析与安全评价研究[D].南昌大学，2015.

[3]张 .高坝泄洪诱发场地振动振源特性与传播规律研究[D].天津大学，2015.

[4]王玉洁.基于泄流振动响应的结构振动反分析与安全评价研究[D].南昌大学，2015.endprint