泄流誘發(fā)水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的綜合集成研討

胡新春

摘 要：在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中水利工程所發(fā)揮的作用是不容忽視的，尤其是在現(xiàn)階段工程規(guī)模不斷壯大，這就對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高的要求。但是由于受到多項(xiàng)因素的直接影響，現(xiàn)階段工程項(xiàng)目中振動(dòng)問(wèn)題頻繁發(fā)生，導(dǎo)致該種現(xiàn)象出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)因素就是泄流，其本身具有一定的多樣化特點(diǎn)。在外國(guó)，部分工程在實(shí)際應(yīng)用階段也會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谑┕るA段設(shè)置的消力池導(dǎo)墻在水流的強(qiáng)烈作用下，荷載值會(huì)發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，在這一背景下水工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就會(huì)相對(duì)弱化，一旦控制不當(dāng)，振動(dòng)問(wèn)題將會(huì)不斷加劇。

關(guān)鍵詞：泄流；水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)；綜合集成研討

中圖分類號(hào)：TV3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）26-0182-02

從當(dāng)前形勢(shì)來(lái)看，由泄流引起的水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)被社會(huì)各界所廣泛關(guān)注，由于其形式多樣，危害嚴(yán)重，這就需要針對(duì)問(wèn)題本身進(jìn)行科學(xué)研究及探索。為了避免該類問(wèn)題的發(fā)生，部分水利水電工程也針對(duì)自身實(shí)際結(jié)構(gòu)，采取了相應(yīng)優(yōu)化措施，提高工程運(yùn)行的安全指標(biāo)?，F(xiàn)階段高拱壩群的建設(shè)數(shù)量不斷增加，不僅高度達(dá)到了一定標(biāo)準(zhǔn)，泄洪量更是不斷擴(kuò)大，泄洪功率也相對(duì)較高。雖然目前我國(guó)工程建設(shè)指標(biāo)不斷提升，但是泄洪振動(dòng)安全問(wèn)題卻仍舊存在，并對(duì)周邊環(huán)境造成不利影響。本文就圍繞泄洪引發(fā)的水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)化闡述及分析，在綜合集成的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行研究討論。

1 泄洪誘發(fā)水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究主體

為了進(jìn)一步提高工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)問(wèn)題的精準(zhǔn)掌控，就需要對(duì)導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的源頭問(wèn)題進(jìn)行深挖：在受到外力作用下，發(fā)生源頭在外部的振動(dòng)；不明原因及來(lái)源位置的振動(dòng)；由于受到運(yùn)動(dòng)作用，導(dǎo)致振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生。其中最為常見(jiàn)，也是最為關(guān)鍵的主要因素就是外部誘發(fā)振動(dòng)，其發(fā)生機(jī)制是高強(qiáng)度水流及壓強(qiáng)出現(xiàn)大幅度脈動(dòng)，而后導(dǎo)致荷載值發(fā)生改變，但是并不是全部振動(dòng)系統(tǒng)的主體形式。因此，社會(huì)各界對(duì)水土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)注點(diǎn)大多集中在了以建筑物為核心的能量轉(zhuǎn)移上。在水工建筑物的導(dǎo)墻等結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)強(qiáng)度普遍較小，并且振動(dòng)大多發(fā)生在平衡位置的周邊區(qū)域。

實(shí)際上結(jié)構(gòu)在運(yùn)行階段具有較強(qiáng)的彈性特征，在小范圍內(nèi)能夠根據(jù)變化指標(biāo)作出相應(yīng)調(diào)整，系統(tǒng)特性也較為明顯，也就是在發(fā)生變化的階段中參數(shù)能夠重疊及交叉，其變化次數(shù)及方向是一致的，不會(huì)在時(shí)間作用下發(fā)生改變。雖然在這一階段中頻率能夠顯示出出入兩種狀態(tài)，但是從本質(zhì)上來(lái)看，發(fā)生變化的僅是振動(dòng)幅度及相位。因此，泄流激振問(wèn)題的控制點(diǎn)就在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)及負(fù)荷系統(tǒng)上，其中內(nèi)在的關(guān)系是可以通過(guò)公式表現(xiàn)出來(lái)的。在實(shí)際研究過(guò)程中可以應(yīng)用在應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，對(duì)水流誘發(fā)力的參數(shù)值進(jìn)行確認(rèn)，而后通過(guò)計(jì)算就能夠得到具體數(shù)值。該方法的應(yīng)用流程較為簡(jiǎn)單，不需要投入大量資金就能夠獲得需求參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果也能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，這也就是常說(shuō)的水力學(xué)模型。

除此之外，還可以直接依托水彈性模型對(duì)測(cè)量建筑物響應(yīng)數(shù)據(jù)，該種方法具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不僅獲取的信息覆蓋面較廣，更能縮減計(jì)算步驟，并將核定結(jié)果以最直觀的形式展現(xiàn)出來(lái)。研究工作的開(kāi)展實(shí)際上就是為了對(duì)可能發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)估，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量及計(jì)算的過(guò)程中，就能夠形成對(duì)建筑水工結(jié)構(gòu)最為精準(zhǔn)的了解，當(dāng)預(yù)報(bào)能效與實(shí)際情況高度相符時(shí)，就能制定有針對(duì)性的防治措施，后續(xù)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就能在第一時(shí)間采取有效措施將其解決。通常情況下第一種方法的應(yīng)用頻率較高，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算及分析，就能得到響應(yīng)值，但是這種方法也存在的一定的局限性，在某些復(fù)雜的建筑物中，測(cè)試及分析工作的開(kāi)展是具有較大難度的。在某些特殊情況下，也可以應(yīng)用水彈性模型進(jìn)行對(duì)比研究，其獲得的結(jié)果也是較為精準(zhǔn)的。

2 水彈性模型的應(yīng)用

水彈性模型在實(shí)際應(yīng)用階段可以看成是物理模型，在加載過(guò)程中能夠節(jié)省較多中間環(huán)節(jié)，應(yīng)用比尺就能獲取有效信息及價(jià)值參數(shù)，在構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型時(shí)就可以以此為核心。通過(guò)對(duì)可靠資料進(jìn)行研究不難發(fā)現(xiàn)，水彈性模型的研究方向大致以以下三個(gè)方面為主：在水流影響下結(jié)構(gòu)的靜力特征、動(dòng)力特征及具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)的響應(yīng)現(xiàn)象。首先，當(dāng)拱壩含水量沒(méi)有達(dá)到壩高一半時(shí)，壩頂拱冠位置就不會(huì)發(fā)生任何改變，也不會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)移動(dòng)現(xiàn)象，一旦水量深度超過(guò)一定范疇時(shí)，變率速度就會(huì)相對(duì)增加，終值量也會(huì)發(fā)生改變。以力學(xué)原理為依托進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，高拱壩的這一靜力特征能夠?qū)误w抗震性能產(chǎn)生較為顯著的影響。

其次，在水流作用機(jī)制發(fā)生改變的過(guò)程中，自振特性也會(huì)隨之作出較大調(diào)整，在有水狀態(tài)下，自振頻率通常會(huì)下降十至二十個(gè)百分點(diǎn)，在這一過(guò)程中振型也會(huì)呈現(xiàn)密集狀態(tài)，在對(duì)該項(xiàng)因素進(jìn)行研究時(shí)，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的大量搜集完成；最后，在水流的影響下，動(dòng)態(tài)特征也不是一成不變的，其特征也會(huì)在水流作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且水彈性模型所展示出的振動(dòng)位移現(xiàn)象也呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)。通過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，壩體上泄洪振動(dòng)位移現(xiàn)象在相同時(shí)間范圍內(nèi)其變化趨勢(shì)也較為一致。

水彈性模型測(cè)試出的泄洪動(dòng)位移響應(yīng)是最重要和較可靠的數(shù)據(jù)，信號(hào)清楚，極易辨識(shí)。通過(guò)對(duì)可靠資料進(jìn)行研究，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上就可以得出以下結(jié)論：振動(dòng)位移響應(yīng)以基頻為主，頻率值與數(shù)值分析結(jié)果很接近，位移最大值在最上層拱冠；動(dòng)位移（均方根值）分布為“中間大，兩端小，上層大，低層小”，結(jié)構(gòu)約束的遠(yuǎn)近端有數(shù)量級(jí)之差。同步測(cè)量、互相關(guān)分析表明：振動(dòng)相位同步，可畫(huà)出等值線；最大動(dòng)位移是中表孔聯(lián)合泄洪的結(jié)果。

3 水工結(jié)構(gòu)泄流振動(dòng)問(wèn)題的綜合集成研討

綜合集成方法的本質(zhì)內(nèi)容涵蓋著定性到定量的細(xì)化路徑，該理論的產(chǎn)生及發(fā)展是依托于系統(tǒng)科學(xué)，該方法實(shí)際上就是將各類有價(jià)值的信息整合到一起，在信息量不斷拓展的情況下，解決問(wèn)題的有效途徑就能有所增加，各類信息在經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)綜合后，就能形成最優(yōu)化的方案。水工結(jié)構(gòu)激振問(wèn)題中涵蓋多樣化的項(xiàng)目，關(guān)聯(lián)學(xué)科較多，因此，通過(guò)對(duì)泄流振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是對(duì)其本質(zhì)進(jìn)行探究，還是對(duì)其主體框架進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，都需要對(duì)涉及的多項(xiàng)因素進(jìn)行考量，在全面獲取有效數(shù)據(jù)后，才能對(duì)解決方案進(jìn)行確認(rèn)。endprint

泄流激振問(wèn)題在以綜合集成為主體進(jìn)行研究時(shí)可以采取以下方法：對(duì)工程實(shí)際情況進(jìn)行深入了解，明確需求方向，對(duì)水工結(jié)構(gòu)的泄流振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性列舉，選出相應(yīng)研究課題；對(duì)已經(jīng)確定的課題進(jìn)行理論探究及分析，對(duì)其中關(guān)聯(lián)的要素進(jìn)行區(qū)分及對(duì)比，而后將其劃分到不同的獨(dú)立式分課題中，建立與之相對(duì)應(yīng)的模型庫(kù)；在方法庫(kù)中尋找與實(shí)際情況相符合的最佳解決方案，對(duì)分課題進(jìn)行逐一分析及研究，與此同時(shí)，還需要對(duì)研究結(jié)果的推進(jìn)能效進(jìn)行預(yù)估，在確保可行的情況下才能將其納入到安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的核定范疇中；在對(duì)各類評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行確定的基礎(chǔ)上，需要借助領(lǐng)域中專家的專業(yè)力量對(duì)信息進(jìn)行綜合集成，為后續(xù)解決提供參考依據(jù)。這樣不僅能夠促使個(gè)人能力得到提高，更能促使各方智慧積聚在一起。

綜合集成方法之所以在水土結(jié)構(gòu)泄流振動(dòng)問(wèn)題中能夠發(fā)揮至關(guān)重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是因?yàn)榧狭溯^多關(guān)聯(lián)學(xué)科，在將其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行高效整合時(shí)，就能將技術(shù)方法的精準(zhǔn)度有效提高。這不僅是技術(shù)與技術(shù)的融合，更加強(qiáng)了學(xué)科與學(xué)科之間的聯(lián)系，促使其能效作用發(fā)揮到極致，在這一過(guò)程中各類信息在相互碰撞后就能產(chǎn)生較多問(wèn)題解決方法，其中的任何一種都存在較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，能夠在不同領(lǐng)域中發(fā)揮作用。需要注意的是，在對(duì)解決方法進(jìn)行選擇時(shí)，不僅需要結(jié)合實(shí)際情況，更要將專家經(jīng)驗(yàn)作為科學(xué)指導(dǎo)，針對(duì)分課題對(duì)各類方法的可行性進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)研究課題的不斷深化及發(fā)展性建設(shè)。實(shí)際上針對(duì)泄流振動(dòng)綜合集成研究是具有一定標(biāo)準(zhǔn)的理論框架的，相對(duì)的貢獻(xiàn)權(quán)重的比例及主體方向是存在各自特點(diǎn)的，其值量大小應(yīng)當(dāng)由專家在進(jìn)行綜合研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行確認(rèn)，而后才能提出有針對(duì)性的解決方法，無(wú)論是一種還是幾種方法的整合，都需要按照相應(yīng)次序進(jìn)行類推。

以理論解析方法為例：其貢獻(xiàn)權(quán)重為I1=[α1，α2，α3，α4，α5，α6]，其中α1[0，1]為理論解析法對(duì)水動(dòng)力荷載特性研究的貢獻(xiàn)權(quán)重，α2[0，1]為理論解析法對(duì)流固耦合特性研究的貢獻(xiàn)權(quán)重，α3[0，1]為理論解析法對(duì)結(jié)構(gòu)共振特性研究的貢獻(xiàn)權(quán)重，α4[0，1]為理論解析法對(duì)流激振動(dòng)響應(yīng)特性研究的貢獻(xiàn)權(quán)重，α5[0，1]為理論解析法對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性研究的貢獻(xiàn)權(quán)重，α6[0，1]為理論解析法對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題研究的貢獻(xiàn)權(quán)重。各研究方法的貢獻(xiàn)權(quán)重αi[0，1]（i=1，2，…，6）大小應(yīng)在咨詢眾多專家的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合確定，最后給出針對(duì)某子課題問(wèn)題研究的最佳解決方法（某一種方法或幾種方法的組合），其他貢獻(xiàn)權(quán)重I2～I(xiàn)8的確定以此類推。

水流誘發(fā)水工建筑物振動(dòng)是水利水電工程運(yùn)行中出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象。研究工作的難點(diǎn)在于水力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的矛盾統(tǒng)一。水彈性模型是水流和結(jié)構(gòu)“合二為一”的實(shí)物模型，它同時(shí)滿足水力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)條件，模擬水工建筑物靜力、動(dòng)力特性和動(dòng)態(tài)特征，較充分地反演水流誘發(fā)水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)的物理模型。實(shí)際上，水彈性模型方法已經(jīng)成為一種集物理模型和數(shù)學(xué)模型為一體的“復(fù)合模型”。隨著高技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步，充分發(fā)揮這種模擬方法的數(shù)字、信息、網(wǎng)絡(luò)、可視化的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，可以有效地解決一些工程的實(shí)際問(wèn)題。

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