高坝泄洪诱发复杂地基场地振动机理与传播规律研究

随着我国水利枢纽建设的蓬勃发展，一大批“水头高、流量大、泄洪功率大、河谷狭窄、地质条件复杂”的高坝大库工程投入运行，这使得传统的水工结构振动问题扩展为地基和周边场地的环境振动问题。实际上，高坝泄流诱发的各种振动问题同属于“水流荷载-水工结构-地基-周边场地-场地建筑”的耦合动力体系，本项目针对该耦合动力体系的不同环节，对高坝泄流诱发的复杂地基场地振动进行了全面的研究。针对场地振动的振源，通过改进的时间-小波能量变换与交叉小波变换方法，准确识别了引起场地振动的主要水流荷载，并定量分析了不同部位水流荷载对场地振动的贡献作用和水流荷载之间的交叉影响。针对水工结构振动，基于原型实验发现了闸门的“伴生”振动现象，并根据动力学减振理论和相关结构的干/湿模态数值分析，阐明了闸门“伴生”振动的原因和机制，计算了不同工况下的“伴生”振动放大系数；基于事故闸门爬行振动原观数据，分析了爬振的时频域特性，并通过模型实验和数值模拟提出了闸门爬行振动的减振措施。为了明确振动在上述耦合动力体系中的传播规律，建立了包含泄水建筑物、地基及周边场地的有限元-无限元耦合模型，分析了场地振动的传播规律。针对场地振动的调度优化减振方法，采用包含隔振系统的改进水弹性模型实验和BP神经网络智能算法，准确地预测了原型场地的振动强度，并在大量实验结果的基础上提出了详细的减振优化调度方案，经原型验证表明该方案是合理有效的。针对场地上目标结构的振动衰减，研究采用非线性基底隔振衰减目标结构的动力响应，并提出了一种改进的状态空间分裂方法以更加合理准确地评估非线性基底隔振对结构振动的衰减作用。基于本项目的研究成果，共发表学术期刊论文13篇（SCI检索8篇，EI检索4篇，CSCD检索1篇），授权国家专利10项，获得省部级一等奖3项，在编标准2部，为高坝泄洪诱发地基和场地振动的发生机理、传播规律和减振方法提供了理论依据和技术支持。 2100433B

随着高坝建设的发展，高坝泄洪引发的振动问题相当突出，但以往主要考虑水工结构自身的泄洪振动安全问题，对地基和周边场地振动及环境影响和危害则鲜有研究。本项目通过深入研究高坝泄流不同部位水流脉动荷载（振源）的整体时-空相关特性，提出不同振源的荷载计算模型；揭示多振源联合激励下复杂地基响应机制；研究宽频带泄流脉动荷载多振源激励诱发场地振动沿复杂河谷向下游传播（衰减、放大）的规律；建立高坝泄洪诱发场地振动主振源识别方法；提出场地振动的综合减振技术。为高坝泄洪工程的设计和运行中避免泄洪诱发场地振动危害提供理论依据，以填补该领域理论研究的空白。

高坝泄洪诱发低频声波是近年来高坝泄洪工程中发现的新问题，低频声波会引起结构物振动，同时也会影响周边人员的健康；此外，低频声波传播速度快，大气对低频声波能量吸收难，低频声波衰减慢，因此其环境影响范围广。本项目通过原型观测分析了泄洪诱发的低频声波的空间分布、时域和频域特性，采用考虑了泄洪雾化影响的大气声吸收理论计算低频声波传播和衰减规律，计算得出雾化区的声衰减系数约为0.0327dB/m，非雾化影响区的声衰减系数约为0.000349dB/m，计算结果与实测结果相符；基于原型观测结果，对比底流消能与挑流消能两种泄洪消能型式诱发低频声波的不同，提出了挑跌流泄洪消能诱发低频声波的多振源发声机制；采用单通道盲源分离算法与声源识别与定位技术，验证了金安桥电站泄洪诱发的低频声波声源位于消力池消能区，为后续研究提供技术支持；结合紊流数值模拟和涡声理论，提出了高坝泄洪底流消能诱发低频声波强度定量预测数学模型，预测声压与实测声压的谱相关系数分布在0.645~0.717之间，数学预测结果与原观低频声波在能量谱的不确定性和复杂度上十分接近，数学预测模型预测效果较好；结合低频声波原型观测分析、气-液紊流模型、涡声理论模型、声学数值模型，首次提出从水垫塘淹没射流和挑流水舌空腔耦合振动两个角度出发研究高坝挑跌流泄洪消能诱发低频声波的多振源发声机理；同时开展了高坝挑跌流泄洪消能诱发低频声波的多振源影响分析，结果表明水垫塘淹没射流和挑流水舌空腔耦合振动均对现场低频声波能量有贡献。其中，水垫塘淹没射流诱发低频声波贡献比平均为0.619，挑流水舌空腔耦合振动诱发低频声波贡献比平均为0.785；采用有限元模态分析和瞬态动力学响应分析，证明了泄洪现场卷帘门的振动主要与低频声波有关，同时提出了相应的振动控制措施，为泄洪诱发低频声波环境危害控制提供了技术支持。

高坝泄洪诱发结构振动、空蚀破坏、下游冲刷和雾化等工程灾害已被人们熟知和广泛研究，而高坝泄洪诱发的低频声波（10Hz以下气压脉动）及其对环境的危害在国内基本没人研究。鉴于向家坝、锦屏等工程原型和模型泄洪时都实测到低频声波，实际工程中会在一定范围内存在诱发房屋门窗振动、造成人体不适等环境危害，本项目拟通过原型观测、系列物理模型实验和理论分析，深入研究高坝泄洪诱发低频声波的机理、影响低频声波的关键因素，建立泄洪诱发低频声波强度的定量预测方法，研究泄洪诱发低频声波传播规律及环境危害影响范围、泄洪诱发低频声波振动的控制技术、系列比尺物理模型模拟泄洪诱发低频声波的变态相似性等，为高坝泄洪工程的设计和运行中避免低频声波危害提供理论依据，以填补我国在该领域研究的空白。

本申请项目重点针对电力变压器强磁振动发生传播机理与有源降噪研究存在的难点问题，开展理论探索与技术创新研究。建立强磁环境下包含力磁耦合关系并可用于数值计算的磁致伸缩本构模型；考虑力磁耦合效应，建立精确的可应用于数值计算的铁芯振动数学模型，揭示铁芯强磁振动发生机理；获取铁芯与箱体之间的振动传播特性，分析变压器多重介质对振动传播特性的影响，明确变压器铁芯与箱体之间的振动传播机理；提出变压器箱体振动单元划分方法，提高远场辐射噪声计算准确性；将变压器箱体作为初级声源，分析有源降噪系统次级声源各参数的相互影响，提出有效的次级声源参数优化策略。本项目研究结果将丰富发展变压器振动机理与有源降噪研究的基础理论与分析方法，具有重要的理论意义与应用价值。