CN104614144B - 泄洪消能诱发场地振动的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由泄洪消能诱发场地振动的预测方法，属于泄洪消能振动安全领域，首先在典型工况下，通过原型观测法获取场地振动响应，然后采用水工模型试验获取面脉动压力激励荷载，建立两者相关关系；再通过水工模型试验获取待预测工况下的激励荷载，代入建立的相关关系得到振动响应预测值。本发明提供的预测方法精度高，可应用于各种泄洪工况，且成本较低、可靠易行。

Description

泄洪消能诱发场地振动的预测方法
技术领域
本发明涉及一种由泄洪消能诱发场地振动的预测方法，属于泄洪消能振动安全领域。
背景技术
大型水利水电工程泄洪消能诱发的场地振动持续时间长、影响范围广、处理难度大，是泄洪消能振动安全领域中的新难题。不同运行工况下的场地振动响应是评价振动安全、采取处理措施、制定应急预案的最基本参数，因此对泄洪消能诱发场地振动量的预测意义重大。
目前获取泄洪消能诱发的振动响应主要有三种方法：原型观测、水弹模型试验及数值模拟。原型观测法是在现场目标位置处布置振动传感器，直接测量振动响应。该方法优点是可精确测量当前泄洪工况下场地振动的位移、速度、加速度等参数，缺点是无法对其它不同工况进行预测预报。
水弹模型试验法是建立同时满足结构几何相似、水流运动相似和结构动力相似的模型，通过测量模型中的振动响应参数，再依据水弹相似准则换算得到原型振动响应。优点是可以进行各种泄洪工况的振动响应预测，缺点是难以建立精确完整的水弹模型，其难度在于：(1)场地范围大，完整模拟成本非常高；(2)需获取现场复杂地质条件的结构动力特性，水弹材料研发难度大；(3)地质层之间的交接面复杂且极不规则，模型中很难精确加工模拟。
数值模拟是建立水体-泄水建筑物-基础及场地的整体三维有限元模型，通过求解动力学方程计算得到振动响应。优点是成本低、可以进行各种泄洪工况的振动响应预测，缺点是现行的计算方法难以处理复杂水力特性与结构动力特性间的高度耦合，计算结果精度较低。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提供一种高精度、可应用于各种工况的泄洪消能诱发场地振动的预测方法。
本发明所提供的泄洪消能诱发场地振动的预测方法的技术方案是：在典型工况下，通过原型观测法获取场地振动响应，采用水工模型试验获取激励荷载，建立两者相关关系；再通过水工模型试验获取待预测工况下的激励荷载，代入建立的相关关系得到振动响应预测值。
所述的技术方案具体按以下步骤进行：
步骤一，采用原型观测的方法，测量不少于5个典型泄洪工况下现场特征测点处的振动响应。典型工况的选择应考虑工程不同的泄量级、振动响应大小、闸门运行方式等因素，现场特征测点的布置要覆盖不同距离、典型地质条件以及多种建筑物类型。
步骤二，建立泄水建筑物的大比尺水工模型，在模型中反演原型观测中的典型泄洪工况，测量泄水建筑物底板、边墙等部位的脉动压力。泄水建筑物的水工模型采用重力相似准则设计，比尺不小于1∶50。泄水建筑物底板、边墙等部位的脉动压力测点布置应保证该部位每个结构分块上不少于2个测点。脉动压力测量时应保证所有测点同步采集，且采样频率相同。
步骤三，根据原型观测中场地振动响应的主频频段与模型试验中各测点的脉动压力，计算每个结构分块上的面脉动压力。
所述的结构分块上面脉动压力的计算方法如下。首先，将各典型泄洪工况下现场特征测点处的振动响应时域信号进行快速傅里叶变换(FFT)，统计其振动主频fi-n(i为不同的测点编号，n为典型泄洪工况总数)，计算各测点的平均主频得到主频频段其中Δf为主频频带宽度参数，取1～2Hz。其次，对模型试验中各测点的脉动压力时域信号Pj(t)(j为模型试验不同的脉动压力测点编号)进行主频频段的滤波，即频率值高通滤波、频率值低通滤波，得到新的时域信号Pj’(t)。最后，将各结构块上各测点脉动压力进行波形合成得到面脉动压力时域波形Gk(t)(k为不同的结构分块编号)，合成公式如下：(Ak为第k个结构分块的总面积，m为第k个结构分块中脉动压力传感器数量，x为第k个结构分块中不同的脉动压力传感器编号，Ak-x为第k个结构分块中第x个脉动压力传感器所代表的面积)。
步骤四，根据典型工况下现场特征测点处的振动响应均方根值σZ-i与各结构分块中最大的面脉动压力均方根值σmax，建立两者相关函数，即σZ-i＝fi(σmax)。
步骤五，开展预测工况的水工模型试验，测量该工况下泄水建筑物底板、边墙等部位的脉动压力，根据步骤三中方法计算出各结构分块中最大的面脉动压力σ’max，代入步骤四中的相关函数，即可预测该工况下的振动响应均方根值，即σ’Z＝f(σ’max)。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)各泄洪工况的振动响应均可实现高精度预测。本发明基于建立“激励荷载-振动响应”间相关关系，通过原型观测与水工模型试验的有机结合，解决了仅原型观测法无法预测其它工况、数值模拟法精度较低的缺陷；
(2)成本较低、可靠易行。本发明巧妙避开了模拟现场复杂地质条件的难题，无需建立精确完整的水弹模型，采用仅模拟泄水建筑物的水工模型试验技术，不仅成熟可靠，且成本较低、容易加工。
附图说明
附图1是现场振动响应测点布置示意图；
附图2是模型试验脉动压力测点布置与底板结构分块示意图；
附图3-1是现场测点2在工况3下的振动速度时域过程；
附图3-2是现场测点2在工况3下的振动速度功率频谱密度曲线；
附图4-1是模型第1个脉动压力测点的时域过程；
附图4-2是模型第1个脉动压力测点经振动响应主频频段滤波后的时域过程；
附图5是底板第1结构块面脉动压力时域过程；
附图6是典型工况下振动速度均方根值与底板最大结构块面脉动压力均方根值之间的拟合曲线。
1泄水建筑物；2下游河道；3下游场地；4场地振动测点；5泄水建筑物底板；6脉动压力测点；7底板结构块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
实施例一
本实施例为我国某大型水电站，自其开闸泄洪后，下游3km2范围内产生卷帘门晃动、民居及校舍的门窗响动、吊灯摆动等场地振动现象。
本发明所提供的泄洪消能诱发场地振动的预测方法按以下步骤进行：
步骤一，对典型泄洪工况开展原型观测，获取现场特征测点处的振动响应。本实施例中的6个典型泄洪工况见表1，考虑了泄量、闸门运行方式、最大振动速度三个主要因素。现场3个特征测点的布置如表2和图1所示，覆盖了不同距离、地质条件以及建筑物类型。
表1 典型泄洪工况
表2 现场特征测点布置
测点序号 距消力池距离(km) 地质条件 场地建筑物类型
1 0.5 基岩 河床
2 1.5 厚覆盖层 民居
3 2.5 浅覆盖层 化工厂
步骤二，对典型工况开展泄水建筑物的大比尺水工模型试验，获取诱发振动的激励荷载-底板脉动压力。泄水建筑物的水工模型采用重力相似准则设计，本实施例模型比尺为1∶40。底板脉动压力测点布置应保证该部位每个结构分块上不少于2个测点，底板结构分块及测点布置示意图见图2，本实施例中共有36个结构块，每块均匀布置2个脉动压力测点。脉动压力测量时72个测点均同步采集，采样频率均为512Hz。
步骤三，根据原型观测中场地振动响应的主频频段与水工模型试验中各测点的脉动压力，计算每个结构分块上的面脉动压力。
首先，统计各测点在典型泄洪工况下振动响应的主频频段。以现场测点2为例说明，图3-1为现场测点2在工况3下的振动速度时域过程，对其进行快速傅里叶变换(FFT)，可得到图3-2所示的功率谱密度曲线，由图3-2可见，现场测点2的振动速度主频f2-3为2.2Hz。采用同样的方法得到现场测点2在典型泄洪工况1～6下所有振动响应主频，并计算出平均主频取主频频带宽度参数Δf＝1Hz，则现场测点2的主频频段即为1.5～3.5Hz。
其次，对模型试验中各测点的脉动压力时域信号进行主频频段的滤波处理。以模型第1个脉动压力测点为例，图4-1为其时域信号P1(t)，对其进行1.5Hz以上高通滤波、3.5Hz以下低通滤波，可得到新的时域信号P1’(t)，如图4-2所示。按此方法处理所有模型试验脉动压力测点。
最后，将各结构块上各测点脉动压力进行波形合成得到面脉动压力。以第1个结构块为例，第1结构块共有2个脉动压力测点，测点编号分别为1和2。第1结构块总面积A1为50m2，脉动压力测点1在第1结构中所代表的面积A1-1为25m2，脉动压力测点2在第1结构中所代表的面积A1-2为25m2。在某时刻t，第1结构块的面脉动压力合成方法为将脉动压力测量时段内的时域信号进行合成，可得到如图5所示的第1结构面脉动压力时域过程。按此方法处理所有结构块。
步骤四，建立现场测点的振动响应与面脉动压力间相关关系。此相关关系所用参数为现场特征测点处的振动响应均方根值σZ-i与各结构分块中最大的面脉动压力均方根值σmax。以第2个现场振动测点为例，图6所示为振动速度均方根值与底板最大结构块面脉动压力均方根值之间的拟合曲线，即σZ-2＝f2(σmax)＝5×10-3σmax 3-1.7×10-2σmax 2+3.4×10-2σmax。
步骤五，开展预测工况的水工模型试验，测量该工况下泄水建筑物底板的脉动压力，根据步骤三中方法计算出各结构分块中最大的面脉动压力σ’max，代入步骤四中建立的相关函数，即可预测该工况下的振动响应均方根值，即σ’Z＝f2(σ’max)。表3列出了场地振动测点2在预测工况下采用本发明得到的振动响应预测值与现场振动响应实测值的对比，由表可见，在各级泄量、不同运行方式下，两者误差均在10％以内，预测精度较高。
表3 振动响应预测值与现场实测值的对比

Claims (6)

1.一种泄洪消能诱发场地振动的预测方法，其特征在于：
步骤一，对典型泄洪工况开展原型观测，获取现场特征测点处的振动响应；
步骤二，对步骤一中原型观测工况开展泄水建筑物不小于1∶50比尺的水工模型试验，测量泄水建筑物底板、边墙部位的脉动压力时域信号Pj(t)；
步骤三，根据原型观测中场地振动响应的主频频段与模型试验中各测点的脉动压力，计算每个结构分块上的面脉动压力；
步骤四，建立场地振动响应均方根与最大结构块面脉动压力均方根间函数关系；
步骤五，通过水工模型试验获取待预测工况下的最大结构块面脉动压力均方根，代入步骤四中建立的相关函数，得到场地振动响应预测值。
2.根据权利要求1所述的泄洪消能诱发场地振动的预测方法，其特征在于：典型泄洪工况不少于5个，其选择考虑工程不同的泄量级、振动响应大小、闸门运行方式因素；现场特征测点的布置覆盖不同距离、典型地质条件以及多种建筑物类型。
3.根据权利要求1所述的泄洪消能诱发场地振动的预测方法，其特征在于：泄水建筑物的水工模型采用重力相似准则设计；泄水建筑物底板、边墙部位的脉动压力测点布置保证该部位每个结构分块上不少于2个测点；脉动压力测量时保证所有测点同步采集，且采样频率相同。
4.根据权利要求1所述的泄洪消能诱发场地振动的预测方法，其特征在于，所述的场地振动响应主频频段的处理方法为：将各典型泄洪工况下现场特征测点处的振动响应时域信号进行快速傅里叶变换(FFT)，统计其振动主频fi-n，i为不同的测点编号，n为典型泄洪工况总数，计算各测点的平均主频得到主频频段其中Δf为主频频带宽度参数，取1～2Hz。
5.根据权利要求1所述的泄洪消能诱发场地振动的预测方法，其特征在于，模型试验中各测点的脉动压力处理方法为：对原时域信号Pj(t)，j为模型试验不同的脉动压力测点编号，进行主频频段的滤波，即频率值高通滤波、频率值低通滤波，得到新的时域信号Pj’(t)。
6.根据权利要求5所述的泄洪消能诱发场地振动的预测方法，其特征在于，各结构块上面脉动压力的处理方法为：面脉动压力时域波形Gk(t)的合成公式如下：其中k为不同的结构分块编号，Ak为第k个结构分块的总面积，m为第k个结构分块中脉动压力传感器数量，x为第k个结构分块中不同的脉动压力传感器编号，Ak-x为第k个结构分块中第x个脉动压力传感器所代表的面积。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106644381A (zh) * 2016-12-23 2017-05-10 中国水利水电科学研究院 一种水流诱发场地振动的监测系统
CN107103398A (zh) * 2017-07-06 2017-08-29 中国水利水电科学研究院 基于随机传递函数法的泄洪诱发场地振动预测方法
CN109858064B (zh) * 2018-11-22 2021-07-20 南昌大学 一种基于原型振动响应的大坝及地基弹模动力反演方法
CN110162864B (zh) * 2019-05-15 2023-01-10 江苏省水利勘测设计研究院有限公司 低扬程双向运行泵站系统稳定性预测方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000171341A (ja) * 1998-12-07 2000-06-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 衝撃・振動試験装置
CN101339165A (zh) * 2008-07-31 2009-01-07 天津大学 一种弧形闸门损伤的动态检测方法及系统
CN103942434A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 天津大学 基于sspso-grnn的水电站厂坝结构振动响应预测方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000171341A (ja) * 1998-12-07 2000-06-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 衝撃・振動試験装置
CN101339165A (zh) * 2008-07-31 2009-01-07 天津大学 一种弧形闸门损伤的动态检测方法及系统
CN103942434A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 天津大学 基于sspso-grnn的水电站厂坝结构振动响应预测方法

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