水闸地基淘蚀区域识别方法研究

刘凤丽

(北票市龙潭水库管理处，辽宁 北票 122100)

水闸是一种低水头挡水和泄水建筑物，在平原区河流上建设的较多，可以适应很多不同的地质条件[1]。水闸在工作过程中，由于环境因素的影响，水流的冲刷作用，随着时间的推移，水闸的工作性能逐渐下降。水闸发生破坏的类型主要有下述几类，分别为裂缝破坏，渗透破坏，冲刷、磨损及气蚀破坏，闸门、启闭设备破坏，混凝土碳化和钢筋腐蚀，闸下游河道淤积，消能防冲设施的破坏，闸室结构变形破坏，地震灾害，软基上的水闸底板脱空破坏[2- 4]。对于一些修建于平原软土、粉砂、砂砾石等地基上的水闸，由于软土层厚、土体含水率高、渗透性强、地基承载力低、压缩性大等，导致水闸易出现各种不同的病害[5- 7]。而对于水闸地基发生淘蚀而言，主要由两类原因造成：①由于地基土层压缩性存在差异，导致沉降不均，软土地基由于不均匀沉降导致出现淘蚀，沙土地基由于容易发生液化，导致出现淘蚀，进而使得水闸底板出现脱空现象；②由于渗流导致地基土层的土颗粒随水流而被带走，形成渗漏通道，进而导致地基淘蚀，其中，第②种原因最容易造成地基淘蚀。地基发生淘蚀后，水闸基础的受力状况发生变化，进而导致水闸上部结构的工作性能发生变化。如果地基淘蚀严重，将对水闸整体安全性和使用性造成极大影响。对于实际水闸而言，要想明确地基是否出现淘蚀，将水闸下游水抽干是一种有效的检查方法，但是通常难以将下游水完全抽干，而这就导致水闸地基的淘蚀检测陷入困难，目前还没有一种有效的无损检测方法。水闸地基淘蚀问题导致水闸失事的案例在我国已经出现多起[8- 9]。在地基淘蚀的检测分析中，SejeCarlsten[10]将雷达技术应用于大坝和水闸基础的检测中，探测和分析的效果较好，但是不具有普适性；CH.Maierhofer等[11]将探测雷达和超声脉冲技术应用于水闸检测中，但是重点对水闸底板进行了无损检测，对于地基淘蚀分析只是做了较短的阐述。国内有较多的学者使用探地雷达对水闸地基淘蚀和水闸脱空进行了分析，如王世恩[12]、安铎[13]、杨松华[14]、吴俊姿[15]等。在采用探测分析技术之外，也有采用其他算法模型研究的学者，如练继建[16]在泄流结构损伤检测中，采用了HHT方法取得了较好的效果；何龙军[17]在对水工结构损伤识别研究中，基于结构模态频率诊断研究了结构裂缝发展，并通过对应变模态进行优化，得到的结论较好；李火坤[18]利用频域法研究了拱坝的动态输出响应，分析了结构的损伤问题。针对目前水闸地基淘蚀识别研究较少的现状，对水闸地基淘蚀区域的识别方法研究，基于响应面方法建立模型，代替有限元模型，利用遗传算法选择合适的目标函数，将水闸结构的频率和振型数据作为模型的输出参数，通过地基淘蚀控制参数和输出参数之间关系，获得控制参数值，以此给出4种常见的水闸地基淘蚀区域识别结果，并分析所提出方法的抗噪性。

1 响应面方法

响应面方法在处理非线性问题时具有显著的优势，目前在较多的非线性问题处理领域得到了较为广泛的应用，结合研究对象，提出如下4步：①选择合适的响应面函数，并确定特征量、输入参数和输出参数；②采用确定性试验拟合的方法确定多项式的待定参数，利用初步确定的响应面模型修正有限元模型；③重复上述两步，最终确定满足要求的响应面模型；④将响应面模型作为最终的计算分析模型。

1.1 响应面函数

响应面算法或模型的计算效率和精度直接受响应面函数形式的影响，对于一个具体问题，需要考虑多方面因素，最终选择合适的函数形式，常用的响应面函数有径向基函数、非线性函数、多项式函数、BP神经网络等[19]。结合研究对象，选择的响应面函数为二阶多项式，具体如下：

(1)

式中，n—设计参数的个数；xi—设计参数；a0，aj，aij—回归系数。将式(1)用线性函数的形式表示为：

(2)

(3)

式中，k—bi的个数，k的取值随二阶多项式的形式不同而不同，当二阶多项式为可分离二次型时，k为2n+1，当二阶多项式为完整二次型时，k为(n+1)(n+2)/2。

1.2 确定特征量和参数

采用响应面方法修正有限元模型时，特征量一般选择结构的频域特征、时域特征，输入参数一般选择结构的几何尺寸、弹性模型、弹性刚度、阻尼等参数，结合研究的水闸淘蚀问题，选择的输出参数是水闸结构的频率和振型数据。

2 淘蚀区域识别

对于水闸底板地基而言，容易发生淘蚀的区域是水闸上游与下游和水流接触的部位，主要是因为这两个区域的地基受水流的冲刷作用较为严重，且浸泡较为严重。如果地基出现渗流通道，也会加大淘蚀范围，严重的淘蚀可能会贯穿整个顺水流方向的地基。对于实际的水闸地基淘蚀而言，主要存在两类地基淘蚀形式，分别为顺水流方向未贯穿而垂直水流方向贯穿，顺水流方向贯穿而垂直水流方向未贯穿，编号分别为I类和Ⅱ类，而对于两类分别又有A型和B型，因此共有4种淘蚀形式，如图1—图4所示，本文针对这4种淘蚀形式进行研究。通过将水闸地基划分为多个不同的条块，每个条块的边长就是淘蚀区域的控制参数，将边长记为di，所以通过模拟求解这些边长di，然后将每条线的端点用线依次连接起来，即为模拟的淘蚀区域边界。

图1 Ⅰ类A型淘蚀

图2 Ⅰ类B型淘蚀

图3 Ⅱ类A型淘蚀

图4 Ⅱ类B型淘蚀

2.1 建立响应面模型

这里以Ⅱ类淘蚀为例，建立相应的响应面模型，Ⅰ类淘蚀分析类似。在建立响应面模型时，选择水闸结构的1～6阶频率数据和8个监测点的振型数据进行建立，响应面的模态信息计算公式如式(4)。

(4)

式中，xi—第i个淘蚀控制参数，i=1，2，…，10，10个参数平均分布在每侧淘蚀区域，均为5个；β—待定系数。

模型测点位置的选择要结合3个方面进行考虑：①测点模态信息要具有足够的灵敏度；②保证响应面的精度满足要求；③不能选择在水面以下位置，需在容易测量的部位。综合考虑分析，针对该水闸模型，确定了8个测点的位置，如图5所示。

图5 8个测点位置

结合实际的水闸底板尺寸，并考虑水闸地基不同区域发生淘蚀的难易程度，将水闸底板划分为4块，每块水闸底板的宽度范围在0～4m之间。利用ANSYS软件建立水闸模型，然后结合前文所述的响应面方法建立水闸的响应面模型，利用遗传算法分析目标函数，从而进行地基淘蚀识别。

在创建目标函数之前，将遗传算法的相关步骤引入进来，应用于地基淘蚀研究中。基于遗传算法，给出结构的振型值向量表达式，如式(5)：

(5)

式中，m—振型值的个数，m=6×8=48。

结合需要分析的地基淘蚀问题，根据响应面模型，对结构的振型值向量进行转化，得到结构模型的振型值向量，其定义如式(6)：

φ=(φ1，φ2，…，φm)

(6)

对于该振型值向量，利用响应面理论构建的目标函数如式(7)：

(7)

式中，ωi—各测点振型值的权值系数。分析该方法的具体操作过程，在Matlab软件中编程实现该方法。

选择上述4种淘蚀，每一侧的控制参数均为5个，对于Ⅰ类淘蚀而言，d1，d2，…，d5表示上游侧的控制参数；d6，d7，…，d10表示下游侧的控制参数；对于Ⅱ类淘蚀而言，d1，d2，…，d5表示左侧的控制参数，d6，d7，…，d10表示右侧的控制参数。

2.2 淘蚀识别结果

2.2.1无噪声时的识别结果

将4种淘蚀对应的控制参数取值列于表1中。采用前文方法建立的模型，并利用遗传算法进行分析，得到了无噪声时水闸地基4种淘蚀对应的控制参数模拟结果，见表2。将控制参数的实际值和模拟分析结果值用折线连接，形成了水闸地基淘蚀区域，如图6—9所示。

对比分析表1和表2的数据，结合图6—9，从中可以发现，在没有噪声时，4种形式的水闸地基淘蚀区域识别结果和实际的淘蚀区域控制参数值很接近，相差很小，图中两条折线变化趋势一致，误差很小，说明这个方法在识别水闸地基淘蚀区域时具有良好的效果。

2.2.2有噪声时的识别结果

上面没有考虑外界存在干扰的情况，对于实际的水闸而言，水流状态不同会导致水闸的实际工作

表1 4种淘蚀对应的控制参数实际值 单位：m

表2 无噪声时4种淘蚀对应的控制参数模拟结果 单位：m

图6 无噪声时Ⅰ类A型淘蚀区域识别结果

图7 无噪声时Ⅰ类B型淘蚀区域识别结果

图8 无噪声时Ⅱ类A型淘蚀区域识别结果

图9 无噪声时Ⅱ类B型淘蚀区域识别结果

状态发生变化，此外测量仪器的精度以及在测量过程中，由于测量人员的问题导致测量误差的存在也是难以避免的，这些影响因素在模拟识别过程中都表现为噪声。为了更加符合实际情况，有必要对这个方法的抗噪能力进行验证，为此引入4%的高斯白噪声，用于模拟环境带来的干扰，对4种形式的水闸地基淘蚀区域进行识别分析。从表3可见，为加入4%噪声时水闸地基4种淘蚀对应的控制参数模拟结果，此外，给出了加入4%噪声时4种水闸地基淘蚀区域实际值和模拟识别结果的折线连接图，如图10—13所示。

对比分析表1和表3，从中可以发现，加入4%高斯白噪声后，控制参数的识别结果和实际值存在一定的偏差，但是偏差较小，对应数据较为接近。从图10—13中可以看出，4种淘蚀区域控制参数值和实际值连接的折线变化趋势较为一致，淘

表3 4%噪声时水闸地基4种淘蚀对应的控制参数模拟结果 单位：m

图10 4%噪声时Ⅰ类A型淘蚀区域识别结果

图11 4%噪声时Ⅰ类B型淘蚀区域识别结果

图12 4%噪声时Ⅱ类A型淘蚀区域识别结果

图13 4%噪声时Ⅱ类B型淘蚀区域识别结果

蚀区域的识别结果和实际淘蚀区域的吻合度能够满足要求，识别结果较可靠。这就表明提出的方法在识别水闸地基淘蚀区域时具有较好的抗噪能力。

3 结语

针对水闸地基淘蚀区域识别问题，通过研究得到的结论如下：

(1)将响应面方法应用于水闸地基淘蚀区域识别中，并引入了遗传算法，提出了淘蚀区域识别和模拟的具体思路，并在Matlab中实现了该方法。

(2)分析了4种常见的水闸地基淘蚀，以频率和振型数据作为模型的输出参数，利用水闸地基每块边长的控制参数描述了水闸地基淘蚀区域。

(3)分析了无噪声和加入4%高斯噪声的地基淘蚀，在无噪声时，分析结果和实际地基淘蚀非常接近，在有噪声时，分析识别结果和实际地基淘蚀较为接近，能够满足要求，说明这种水闸地基淘蚀区域识别方法不仅可以有效分析地基淘蚀，而且具有较好的抗噪能力。