泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種由泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，屬于泄洪消能振動安全領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型水利水電工程泄洪消能誘發(fā)的場地振動持續(xù)時間長、影響范圍廣、處理難度 大，是泄洪消能振動安全領(lǐng)域中的新難題。不同運(yùn)行工況下的場地振動響應(yīng)是評價振動安 全、采取處理措施、制定應(yīng)急預(yù)案的最基本參數(shù)，因此對泄洪消能誘發(fā)場地振動量的預(yù)測意 義重大。
[0003]目前獲取泄洪消能誘發(fā)的振動響應(yīng)主要有三種方法：原型觀測、水彈模型試驗(yàn)及 數(shù)值模擬。原型觀測法是在現(xiàn)場目標(biāo)位置處布置振動傳感器，直接測量振動響應(yīng)。該方法 優(yōu)點(diǎn)是可精確測量當(dāng)前泄洪工況下場地振動的位移、速度、加速度等參數(shù)，缺點(diǎn)是無法對其 它不同工況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。
[0004] 水彈模型試驗(yàn)法是建立同時滿足結(jié)構(gòu)幾何相似、水流運(yùn)動相似和結(jié)構(gòu)動力相似的 模型，通過測量模型中的振動響應(yīng)參數(shù)，再依據(jù)水彈相似準(zhǔn)則換算得到原型振動響應(yīng)。優(yōu)點(diǎn) 是可以進(jìn)行各種泄洪工況的振動響應(yīng)預(yù)測，缺點(diǎn)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(xiàn)場復(fù)雜地質(zhì)條件的結(jié)構(gòu)動力特 性，水彈材料研發(fā)難度大；（3)地質(zhì)層之間的交接面復(fù)雜且極不規(guī)則，模型中很難精確加工 模擬。
[0005]數(shù)值模擬是建立水體_泄水建筑物-基礎(chǔ)及場地的整體三維有限元模型，通過求 解動力學(xué)方程計(jì)算得到振動響應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是成本低、可以進(jìn)行各種泄洪工況的振動響應(yīng)預(yù)測， 缺點(diǎn)是現(xiàn)行的計(jì)算方法難以處理復(fù)雜水力特性與結(jié)構(gòu)動力特性間的高度耦合，計(jì)算結(jié)果精 度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對以上缺陷，本發(fā)明提供一種高精度、可應(yīng)用于各種工況的泄洪消能誘發(fā)場地 振動的預(yù)測方法。
[0007]本發(fā)明所提供的泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法的技術(shù)方案是：在典型工況 下，通過原型觀測法獲取場地振動響應(yīng)，采用水工模型試驗(yàn)獲取激勵荷載，建立兩者相關(guān)關(guān) 系；再通過水工模型試驗(yàn)獲取待預(yù)測工況下的激勵荷載，代入建立的相關(guān)關(guān)系得到振動響 應(yīng)預(yù)測值。
[0008]所述的技術(shù)方案具體按以下步驟進(jìn)行：
[0009] 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(xiàn)場特征測點(diǎn)處 的振動響應(yīng)。典型工況的選擇應(yīng)考慮工程不同的泄量級、振動響應(yīng)大小、閘門運(yùn)行方式等因 素，現(xiàn)場特征測點(diǎn)的布置要覆蓋不同距離、典型地質(zhì)條件以及多種建筑物類型。
[0010] 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(zhǔn)則設(shè)計(jì)，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(diǎn)布置應(yīng)保證 該部位每個結(jié)構(gòu)分塊上不少于2個測點(diǎn)。脈動壓力測量時應(yīng)保證所有測點(diǎn)同步采集，且采 樣頻率相同。
[0011] 步驟三，根據(jù)原型觀測中場地振動響應(yīng)的主頻頻段與模型試驗(yàn)中各測點(diǎn)的脈動壓 力，計(jì)算每個結(jié)構(gòu)分塊上的面脈動壓力。
[0012] 所述的結(jié)構(gòu)分塊上面脈動壓力的計(jì)算方法如下。首先，將各典型泄洪工況下現(xiàn)場 特征測點(diǎn)處的振動響應(yīng)時域信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT)，統(tǒng)計(jì)其振動主頻fi_n(i為不 同的測點(diǎn)編號，n為典型泄洪工況總數(shù)），計(jì)算各測點(diǎn)的平均主頻
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，其特征在于： 步驟一，對典型泄洪工況開展原型觀測，獲取現(xiàn)場特征測點(diǎn)處的振動響應(yīng)； 步驟二，對典型工況開展泄水建筑物的大比尺水工模型試驗(yàn)，測量泄水建筑物底板、邊 墻等部位的脈動壓力； 步驟三，根據(jù)原型觀測中場地振動響應(yīng)的主頻頻段與模型試驗(yàn)中各測點(diǎn)的脈動壓力， 計(jì)算每個結(jié)構(gòu)分塊上的面脈動壓力； 步驟四，建立場地振動響應(yīng)均方根與最大結(jié)構(gòu)塊面脈動壓力均方根間函數(shù)關(guān)系； 步驟五，通過水工模型試驗(yàn)獲取待預(yù)測工況下的最大結(jié)構(gòu)塊面脈動壓力均方根，代入 步驟四中建立的相關(guān)函數(shù)，得到場地振動響應(yīng)預(yù)測值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，其特征在于：典型泄洪 工況不少于5個，其選擇應(yīng)考慮工程不同的泄量級、振動響應(yīng)大小、閘門運(yùn)行方式等因素； 現(xiàn)場特征測點(diǎn)的布置要覆蓋不同距離、典型地質(zhì)條件以及多種建筑物類型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，其特征在于：泄水建筑 物的水工模型采用重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，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(diǎn)布置應(yīng)保證該部位每個結(jié)構(gòu)分塊上不少于2個測點(diǎn)；脈動壓力測量時應(yīng)保證 所有測點(diǎn)同步采集，且采樣頻率相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，其特征在于，所述的場 地振動響應(yīng)主頻頻段的處理方法為：將各典型泄洪工況下現(xiàn)場特征測點(diǎn)處的振動響應(yīng)時域 信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT)，統(tǒng)計(jì)其振動主頻fi_n(i為不同的測點(diǎn)編號，n為典型泄洪 工況總數(shù)），計(jì)算各測點(diǎn)的平均主頻7 = ，得到主頻頻段J_A/〇?(丨+ A/),其 中Af為主頻頻帶寬度參數(shù)，取1?2Hz。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，其特征在于，模型試驗(yàn) 中各測點(diǎn)的脈動壓力處理方法為：對原時域信號Pj(t) (j為模型試驗(yàn)不同的脈動壓力測點(diǎn) 編號）進(jìn)行主頻頻段的濾波，即頻率值(；/ -A/)高通濾波、頻率值(7 +A/)低通濾波，得到 新的時域信號P/ (t)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，其特征在于，各結(jié)構(gòu)塊 上面脈動壓力的處理方法為：面脈動壓力時域波形Gk(t) (k為不同的結(jié)構(gòu)分塊編號）的合 成公式如下其中Ak為第k個結(jié)構(gòu)分塊的總面積，m為第k個結(jié) 構(gòu)分塊中脈動壓力傳感器數(shù)量，x為第k個結(jié)構(gòu)分塊中不同的脈動壓力傳感器編號，Ak_xS第k個結(jié)構(gòu)分塊中第x個脈動壓力傳感器所代表的面積。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種由泄洪消能誘發(fā)場地振動的預(yù)測方法，屬于泄洪消能振動安全領(lǐng)域，首先在典型工況下，通過原型觀測法獲取場地振動響應(yīng)，然后采用水工模型試驗(yàn)獲取面脈動壓力激勵荷載，建立兩者相關(guān)關(guān)系；再通過水工模型試驗(yàn)獲取待預(yù)測工況下的激勵荷載，代入建立的相關(guān)關(guān)系得到振動響應(yīng)預(yù)測值。本發(fā)明提供的預(yù)測方法精度高，可應(yīng)用于各種泄洪工況，且成本較低、可靠易行。
【IPC分類】G01M7-08
【公開號】CN104614144
【申請?zhí)枴緾N201510096402
【發(fā)明人】駱少澤, 張陸陳, 胡亞安, 王新
【申請人】水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年3月4日