李火坤,王 剛

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

目前，我國已建成的水利樞紐工程位居世界第一，特別是在長江中上游、雅礱江、瀾滄江、黃河上游等已形成了世界上規(guī)模最大的特大水利水電樞紐群。這些特大水利樞紐的泄流結(jié)構(gòu)(如溢流重力壩、拱壩、泄洪閘、導(dǎo)墻等)具有高水頭、大流量、單寬泄洪消能功率高等特點(diǎn)，在宣泄洪水時，高速水流攜帶的巨大能量極易造成泄流結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動甚至結(jié)構(gòu)的破壞，其長期運(yùn)行安全保障的技術(shù)難度居世界之最。為加強(qiáng)國家重大基礎(chǔ)設(shè)施安全研究，“重大災(zāi)害監(jiān)測和防御”已被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃的“公共安全”重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題，《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·水利科學(xué)與工程》[1]中提出“嚴(yán)酷自然條件下的高壩水庫群安全”為我國未來水安全面臨的挑戰(zhàn)之一，高壩水庫群的長期運(yùn)行安全是水安全保障的基本戰(zhàn)略目標(biāo)。

據(jù)統(tǒng)計，全世界正服役的水利樞紐中約有1/3的泄流結(jié)構(gòu)曾遭受不同程度的破壞，如2017年2月發(fā)生的美國奧洛維爾(Oroville)大壩溢洪道泄槽破壞，導(dǎo)致18.8萬人緊急撤離[2]；美國德州Texarkana壩隔水墻與底板連接處發(fā)生斷裂，跡象表明斷裂主要是由于振動疲勞破壞所導(dǎo)致，在隔墻倒塌之前，曾發(fā)生過劇烈的側(cè)向振動，底部混凝土壓碎深度達(dá)0.6～0.9 m；與此類振動疲勞破壞實例相似的還有美國新澤西州Navajo壩隔水墻的振動破壞，蘇聯(lián)巴帕津斯基水利樞紐溢洪道消力池內(nèi)的導(dǎo)墻振動破壞，美國加州Trinity壩隔墻的振動疲勞破壞等[3]。我國的重大工程泄流結(jié)構(gòu)的泄洪流量大、水頭高，單寬泄洪消能功率高出國外同規(guī)模工程3～10倍[4]，因此高速水流產(chǎn)生的振動危害更甚。早在20世紀(jì)80年代，由于泄洪振動而影響工程運(yùn)行安全的事例就時有發(fā)生，如1982年，大化水電站泄洪閘在泄流中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量介于2 000～8 000 m3/s時，閘墩會有明顯的橫向振動，觀測到的最大振幅達(dá)3 mm，已超過按蘇聯(lián)以建筑物高度1/105作為振幅允許值的范疇[5]；1987年，烏江渡水電站原型觀測發(fā)現(xiàn)左岸滑雪道式溢洪道右導(dǎo)墻振動劇烈，當(dāng)閘門開度大于4 m時，導(dǎo)墻振動有隨著閘門開度增大而加大的趨勢，在閘門全開時，其側(cè)向振動最大振幅達(dá)2 mm。近些年這一現(xiàn)象仍然存在，如某水電站泄洪閘在泄洪期間(泄洪流量約2.4萬m3/s)閘墩發(fā)生強(qiáng)烈振動[6-7]，振動頻率較低，越靠近下游震感越強(qiáng)烈，現(xiàn)場目測最大振幅達(dá)5～8 mm，已影響運(yùn)行人員的正常操作及工程運(yùn)行安全，泄洪流量為6 795 m3/s時閘墩實測最大雙倍振幅達(dá)到了676 μm，出于安全考慮，該工程進(jìn)行了抗振加固處理[8]；2012年，向家壩水電站開閘泄洪時，誘發(fā)下游場地發(fā)生振動現(xiàn)象，后經(jīng)樞紐泄洪科學(xué)調(diào)控有效減緩了場地振動危害[9]；淮安三站自投入運(yùn)行后，機(jī)組和泵房出現(xiàn)了比較劇烈的振動，為此，通過研究分析結(jié)構(gòu)振動問題，提出了結(jié)構(gòu)抗振減振措施[10]。

由于泄洪誘發(fā)振動的復(fù)雜性，泄洪振動響應(yīng)的定量預(yù)測及其振動安全控制指標(biāo)的確定難度較大，在工程設(shè)計階段，采用水彈性模型進(jìn)行試驗?zāi)M預(yù)測仍是目前行之有效的手段[11]；在工程運(yùn)行階段，現(xiàn)有的泄洪水力學(xué)原型觀測主要是起到反饋和驗證設(shè)計的作用，原型水動力荷載的特征(即振源特征)與泄流結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)之間關(guān)系仍需進(jìn)一步明確，在泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)研究方面仍需完善；針對運(yùn)行期的泄流結(jié)構(gòu)，基于原型實測響應(yīng)，并采用反演分析方法研究泄流結(jié)構(gòu)體系真實材料特性、振源特性及其振動安全控制指標(biāo)具有重要意義。本文從泄流結(jié)構(gòu)材料參數(shù)振動反演、振源識別及泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)等三方面綜述泄流結(jié)構(gòu)振動反演及安全控制指標(biāo)的研究進(jìn)展，總結(jié)當(dāng)前泄流結(jié)構(gòu)振動安全的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸，可為泄流結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行和反饋設(shè)計等相關(guān)研究工作提供參考。

1 泄流結(jié)構(gòu)材料參數(shù)振動反演研究進(jìn)展

泄流結(jié)構(gòu)混凝土和基礎(chǔ)巖體材料參數(shù)(彈性模量、泊松比、剛度、阻尼等)是其安全監(jiān)測和結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計算中不可或缺的重要數(shù)據(jù)，對于修正泄流結(jié)構(gòu)數(shù)值模型和運(yùn)行期安全評價有著重要作用，工程中常用的確定方法是現(xiàn)場取樣進(jìn)行測試，但該方法工作量大且有損于原結(jié)構(gòu)，難以全面掌握結(jié)構(gòu)材料特性，對于大體積泄流結(jié)構(gòu)而言，不經(jīng)濟(jì)也不全面。處于正常服役期的泄流結(jié)構(gòu)，伴隨運(yùn)行年限的增加，受材料老化、損傷的累積以及環(huán)境等因素的影響，其結(jié)構(gòu)性態(tài)會有所調(diào)整和改變，表現(xiàn)為泄流結(jié)構(gòu)或基巖的實際材料參數(shù)和設(shè)計或初始服役試驗得到的值不相符[12]。而作為泄流結(jié)構(gòu)實際工作性態(tài)最真實反映的原型實測資料，蘊(yùn)含了結(jié)構(gòu)性態(tài)隨時間變化的規(guī)律，因此利用原型實測資料反演泄流結(jié)構(gòu)及其基巖物理力學(xué)參數(shù)是一種很有效的方法。在水工建筑物安全監(jiān)控領(lǐng)域，有關(guān)利用原型實測資料進(jìn)行水工建筑物材料參數(shù)反演的方法主要分為兩種：基于靜態(tài)監(jiān)測資料的材料參數(shù)反演方法和基于振動測試的動力材料參數(shù)反演方法。其中基于靜態(tài)監(jiān)測資料(如靜力變形)的水工建筑物材料參數(shù)反演及其健康診斷在近幾十年來一直是我國水工建筑物安全監(jiān)控研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，取得了大量豐碩的成果[13-16]，為保障我國的水利樞紐工程安全運(yùn)行作出了重要貢獻(xiàn)。

近年來，隨著結(jié)構(gòu)識別技術(shù)的發(fā)展，基于振動測試的動力材料參數(shù)反演也得到了重視，由于振動實測響應(yīng)所包含的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)信息更全面地反映了結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為特征，因此根據(jù)振動實測數(shù)據(jù)進(jìn)行泄流結(jié)構(gòu)材料參數(shù)反演所得到的結(jié)果往往優(yōu)于根據(jù)靜態(tài)監(jiān)測資料反演所得到的結(jié)果。但是, 對于大剛度的泄流結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)場振動測試較為困難，且受環(huán)境背景噪聲影響大，只有較低幾階的振動模態(tài)數(shù)據(jù)是可靠的，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，也是目前研究的熱點(diǎn)問題之一。練繼建等[17]在拱壩和導(dǎo)墻水彈性模型試驗中，提出利用反分析方法對模型試驗中的不相似材料參數(shù)(泊松比、阻尼比)進(jìn)行修正；馬震岳等[18]結(jié)合某抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)的振動測試數(shù)據(jù)，引入改進(jìn)的遺傳算法并結(jié)合ANSYS軟件，反演識別了混凝土材料的動態(tài)彈性模量和圍巖邊界動態(tài)參數(shù)；馮新等[19-20]基于數(shù)值模型探討了使用不完全模態(tài)觀測數(shù)據(jù)反演混凝土壩分區(qū)彈性模量問題，利用不完全模態(tài)數(shù)據(jù)建立了材料參數(shù)識別的優(yōu)化反演模型和求解方法；隨后，康飛等[21]在此基礎(chǔ)上提出了一種用于材料參數(shù)反演的混合單純形人工蜂群算法，基于數(shù)值模型，建立了基于不完全模態(tài)測試數(shù)據(jù)的混凝土重力壩動力材料參數(shù)反演模型，提高了識別精度；劉振平等[22]提出了一種基于壩體加速度峰值和反應(yīng)譜的壩體動力參數(shù)反演方法，利用地震中的加速度響應(yīng)信號反演了壩體的動力參數(shù)；王登剛等[23]考慮模態(tài)觀測數(shù)據(jù)的不確定性，引入不確定問題求解的區(qū)間分析思想，建立了利用先驗約束條件的混凝土重力壩動態(tài)參數(shù)的區(qū)間反演模型，采用約束變尺度法求解獲得了壩體混凝土和基巖動彈性模量參數(shù)的區(qū)間范圍。

在與原型工程振動實測資料為基礎(chǔ)進(jìn)行材料參數(shù)反演研究方面，陳維江[24]將試驗?zāi)B(tài)分析與動力反演分析相結(jié)合，以試驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)偏差為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)某水電站廠房振動測試資料進(jìn)行了廠房結(jié)構(gòu)動力反演，得到混凝土平均動彈性模量及混凝土與外圍巖石之間的傳力形式；程琳等[25]根據(jù)強(qiáng)震觀測數(shù)據(jù)，對某混凝土壩進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別，在此基礎(chǔ)上采用多輸出支持向量機(jī)模型(M-SVM)代替有限元模型建立了材料動參數(shù)和結(jié)構(gòu)各階模態(tài)參數(shù)之間的非線性關(guān)系，基于遺傳算法對大壩彈性模量進(jìn)行了反演；Proulx等[26]總結(jié)分析了瑞士拱壩10年的地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過對不同時期采集的地震響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，反演和修正了拱壩的動力材料參數(shù)，并輸入數(shù)值模型進(jìn)行了拱壩抗震性能計算；Cantieni[27]在瑞典的Norsj?拱壩上進(jìn)行了強(qiáng)迫振動試驗(采用產(chǎn)生正弦穩(wěn)態(tài)振動的機(jī)械式起振機(jī))，以模態(tài)頻率信息為依據(jù)，基于有限元模型修正技術(shù)反演了拱壩動力特性參數(shù)； Wang等[28]基于反分析理論，利用大壩地震響應(yīng)提出了基于模型修正和遺傳算法的大壩物理力學(xué)參數(shù)反演方法。從目前的研究成果來看，結(jié)合大壩原型振動實測資料進(jìn)行壩體材料參數(shù)反演的困難在于較難獲取原型壩體(如無法利用泄流作為激勵源的非溢流壩)的振動數(shù)據(jù)，由于剛度太大，難以人工激振，而地震激勵數(shù)據(jù)又難以獲取。相比較而言，各類型泄流結(jié)構(gòu)有一個共同特點(diǎn)，即在泄流過程中高速水流攜帶的巨大能量能激發(fā)結(jié)構(gòu)振動，現(xiàn)場實測容易實施，具有適時性。李火坤等[29]基于拱壩泄洪原型振動實測響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)子空間法辨識了拱壩運(yùn)行工作模態(tài)參數(shù)，構(gòu)建了反映各拱壩-地基分區(qū)動彈性模量與模態(tài)參數(shù)(頻率、振型)之間非線性關(guān)系的響應(yīng)面模型并替代有限元模型，建立了動彈性模量反演的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，反演出各分區(qū)彈性模量參數(shù)，結(jié)果表明，基于反演結(jié)果的拱壩模態(tài)振型計算值與識別值在數(shù)值和變化規(guī)律上吻合較好，反演結(jié)果可靠，為確定泄流結(jié)構(gòu)運(yùn)行期材料參數(shù)提供了一種新的思路。

采用泄流激勵獲取泄流結(jié)構(gòu)原型振動響應(yīng)，并基于輸入未知條件下的模態(tài)參數(shù)識別方法精準(zhǔn)辨識泄流結(jié)構(gòu)工作模態(tài)參數(shù)，以此作為泄流結(jié)構(gòu)材料參數(shù)反演依據(jù)是目前比較行之有效的方法，該方法的研究涉及輸入未知條件下利用有限實測響應(yīng)精確提取泄流結(jié)構(gòu)多階模態(tài)參數(shù)、材料參數(shù)反演數(shù)學(xué)模型的建立以及模型求解的最優(yōu)算法等方面，其中泄流激勵下泄流結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的降噪、工作模態(tài)定階與模態(tài)參數(shù)精準(zhǔn)辨識和材料參數(shù)反演數(shù)學(xué)模型的構(gòu)造及最優(yōu)參數(shù)的尋優(yōu)算法是需要解決的關(guān)鍵問題。

2 泄流結(jié)構(gòu)振源識別研究進(jìn)展

在多數(shù)情況下，受技術(shù)條件或工作環(huán)境的限制，作用在泄流結(jié)構(gòu)上的整體水動力面荷載(振源)難以直接測量甚至無法測量，因此通過泄流結(jié)構(gòu)在水動力荷載作用下產(chǎn)生的振動響應(yīng)(位移、加速度)來對其多源或不確定性隨機(jī)動態(tài)載荷進(jìn)行反演和識別具有重要意義，原型泄流結(jié)構(gòu)振源的確定對研究制定泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。動態(tài)荷載識別研究起源于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)過近些年的不斷發(fā)展，在各工程領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，傳統(tǒng)上動態(tài)荷載識別方法主要分為頻域法和時域法。頻域法是通過在頻域內(nèi)建立系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)模型，通過系統(tǒng)的輸出來識別動態(tài)輸入的過程；在該研究領(lǐng)域，Jia等[30]針對隨機(jī)動態(tài)荷載識別的不適定性問題，提出了基于加權(quán)總體最小二乘法的動態(tài)荷載頻域識別方法，有效降低了識別誤差；彭凡等[31]針對以加速度頻響函數(shù)反演頻域動態(tài)荷載的病態(tài)問題，提出將測點(diǎn)響應(yīng)與待求激勵在頻域中進(jìn)行歸一化變換，構(gòu)造Tikhonov泛函進(jìn)行正則化求解，有效提高了動荷載的反演精度?？傮w上，頻域法一般只適用于穩(wěn)態(tài)動態(tài)荷載或隨機(jī)動態(tài)荷載識別，其核心在于獲取變換矩陣，并要求信號樣本具有一定的長度，存在頻響函數(shù)病態(tài)不適定性問題。

相比較而言，時域法在隨機(jī)振動領(lǐng)域的荷載識別研究相對還比較少，Desanghere等[32]將模態(tài)坐標(biāo)變換方法引入動態(tài)荷載識別過程，首次提出了動態(tài)荷載時域方法；Prawin等[33]基于加速度時程響應(yīng)，采用移動窗重疊技術(shù)提出了基于動態(tài)主成分分析(DPCA)的集中力在線荷載識別重構(gòu)方法；王靜等[34]結(jié)合精細(xì)積分法提出了一種新的沖擊型動荷載時域識別方法，在識別過程中假設(shè)動荷載在時間步長內(nèi)為線性函數(shù)；張勇成[35]采用正交多項式法對二維分布動荷載進(jìn)行了時域識別，并指出該方法中Duhamel積分具有時間累積誤差效應(yīng)。由于時域法在時域中能夠直接識別荷載，無須借助快速傅里葉變換，避免了頻域法中因截斷帶來的泄漏誤差，同時對確定性問題減少了部分計算量[36]，因此具有廣泛的應(yīng)用前景；但其抗噪聲干擾能力差，仍需進(jìn)一步研究提高其抗噪性能。

在水利工程領(lǐng)域，動態(tài)荷載識別的研究不多，主要集中在水電站機(jī)組與廠房動態(tài)荷載識別和水工結(jié)構(gòu)水彈性模型流激振動試驗研究領(lǐng)域，頻域法和時域法都有涉及。張建偉等[37-38]基于泵站機(jī)組和管道的振動實測數(shù)據(jù)，利用頻譜分析和數(shù)理統(tǒng)計方法確定管道振動的振源貢獻(xiàn)，對各種動荷載作用效果及管道的振動響應(yīng)進(jìn)行了評價和預(yù)測；宋志強(qiáng)等[39]提出了基于正交多項式分解的水力機(jī)組動荷載時域識別方法，利用正交多項式的正交性質(zhì)及位移、速度、加速度的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，建立了各階模態(tài)位移和模態(tài)荷載的關(guān)系式，該方法具有所需測點(diǎn)信息少、計算效率和精度高、可識別任意形式時變動荷載等優(yōu)點(diǎn)；王海軍等[40]以水電站廠房結(jié)構(gòu)和機(jī)組現(xiàn)場振動測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于遺傳算法對混流式水輪機(jī)軸向水推力進(jìn)行了動荷載時域識別；張璐璐[41]采用遺傳算法對地下式廠房結(jié)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行過程中的振動荷載進(jìn)行了反演，實現(xiàn)了利用少量測點(diǎn)的實測數(shù)據(jù)反饋出廠房結(jié)構(gòu)的振動位移變化；李守巨等[42]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了水輪機(jī)振動荷載參數(shù)識別方法，解決了振動荷載參數(shù)識別反演不適定問題；苑希民等[43]以線性多自由度體系在隨機(jī)荷載作用下振動響應(yīng)的正分析為基礎(chǔ)，建立了結(jié)構(gòu)振動荷載譜的反分析方程；張陸陳等[44]通過原型觀測和模擬試驗識別不同脈動壓力下的振動響應(yīng)，建立最大面脈動壓力與場地振動速度之間的相關(guān)關(guān)系來實現(xiàn)場地振動速度的預(yù)測；練繼建等[45-46]提出了水工結(jié)構(gòu)流激振動響應(yīng)的反分析方法，以拱壩水彈性模型為例，從頻域角度反饋分析出拱壩泄洪孔口等效荷載譜，實現(xiàn)了對流激振動的振源分析；張建偉等[47]基于小波及隨機(jī)振動理論，以拉西瓦水彈性模型為背景，提出了基于小波正交算子變換的拱壩泄洪多振源反分析方法，通過少量測點(diǎn)的動位移實測值，反分析各等效激勵荷載時程線，首次實現(xiàn)了水動力荷載的時域識別；李火坤等[48-49]基于拱壩等原型工程實測動力響應(yīng)，在頻域內(nèi)反演了振源荷載功率譜，并以此作為輸入計算了結(jié)構(gòu)整體動態(tài)響應(yīng)場。目前，泄流結(jié)構(gòu)振源荷載識別多數(shù)采用的是頻域法，實踐證明，該方法需要進(jìn)行快速傅里葉變換，會因信號截斷帶來泄漏誤差，存在一定的不適定性；而動態(tài)荷載時域識別法直接在時域中對荷載進(jìn)行識別，極大地保留了原始信號信息，降低了因信號截斷帶來的誤差。根據(jù)不同類型泄流結(jié)構(gòu)(如拱壩、導(dǎo)墻、泄洪閘等)，針對水流作用的不同部位，可將泄流結(jié)構(gòu)振源荷載等效為多個相互獨(dú)立的面脈動荷載進(jìn)行荷載識別，從而將泄流結(jié)構(gòu)多振源荷載的時域識別問題轉(zhuǎn)化為在已知測點(diǎn)響應(yīng)矩陣和單位脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣條件下反求荷載矩陣的數(shù)學(xué)反問題。

在求解該數(shù)學(xué)反問題時是將荷載作為結(jié)構(gòu)作用點(diǎn)處的離散激勵荷載向量進(jìn)行處理的，因此需考慮水流脈動荷載的點(diǎn)-面轉(zhuǎn)換問題，林繼鏞等[50-51]提出了水流脈動壓力的幅值、頻譜點(diǎn)-面轉(zhuǎn)換關(guān)系式，精度可滿足工程需要。泄流結(jié)構(gòu)時域荷載識別過程中，振動響應(yīng)受環(huán)境背景噪聲干擾大，原始振動響應(yīng)信號的噪聲剔除至關(guān)重要，練繼建等[52]提出了基于奇異熵降噪的泄流結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)重構(gòu)方法，可解決原始振動響應(yīng)信號降噪與重構(gòu)問題。在求解荷載向量矩陣方法方面，脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣的病態(tài)性會放大求逆過程中較小的輸入誤差，從而影響荷載識別的精確性和穩(wěn)定性，采用Tikhonov正則化方法[53]可改善荷載識別反問題的病態(tài)性，提高荷載識別的穩(wěn)定性和抗噪性。

3 泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)研究進(jìn)展

描述結(jié)構(gòu)振動特性的參數(shù)較多，如振動速度、加速度、位移、應(yīng)力以及頻率等，因誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動的振源以及安全評價對象不同，故對于采用何種參數(shù)作為結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)，不同領(lǐng)域的觀點(diǎn)各不相同。我國SL 266—2014《 水電站廠房設(shè)計規(guī)范》中將位移振幅作為機(jī)墩振動安全控制指標(biāo)，其控制標(biāo)準(zhǔn)為最大垂直振幅不超過0.15 mm、最大水平振幅不超過0.2 mm。在建筑結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域，已出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要以建筑物樓面和基礎(chǔ)的振動速度峰值作為控制指標(biāo)，控制標(biāo)準(zhǔn)以GB 50868—2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)；對于建筑物振動對人體的影響，主要以建筑物垂向振動加速度振級作為控制指標(biāo)，其控制標(biāo)準(zhǔn)與地區(qū)范圍、時間(日夜)等有關(guān)，也已經(jīng)出臺了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50355—2005《住宅建筑物室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》。目前，國內(nèi)外有關(guān)振動安全控制指標(biāo)研究的趨勢已發(fā)展到不只以單一指標(biāo)作為判據(jù)，而是綜合考慮振動速度、頻率、位移和加速度等多項指標(biāo)[54-56]。

已有的工程破壞實例表明，水流脈動壓力長期作用下產(chǎn)生的隨機(jī)振動會導(dǎo)致泄流結(jié)構(gòu)疲勞破壞，而有關(guān)泄流結(jié)構(gòu)振動安全的控制指標(biāo)與控制標(biāo)準(zhǔn)方面，尚未出臺統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)研究也比較少。泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)主要考慮兩個方面：一是評估振動對泄流結(jié)構(gòu)自身安全的影響；二是評估人體對泄流結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的舒適度。

關(guān)于振動對泄流結(jié)構(gòu)自身安全影響的評估，目前還沒有統(tǒng)一的指標(biāo)與控制標(biāo)準(zhǔn)，對于壩身泄洪拱壩的振動、溢洪道及消力池導(dǎo)(隔)墻的振動、泄洪閘閘墩的振動等，目前多采用動位移作為控制指標(biāo)，仍是參考蘇聯(lián)按建筑物高度的1/105作為“允許振幅”，此標(biāo)準(zhǔn)過于保守，且沒有反映頻率變化對允許振幅的影響以及建筑物本身的重要性和功能。同時，泄流結(jié)構(gòu)在不同位置面臨的振動情況各異，振動安全指標(biāo)與控制標(biāo)準(zhǔn)也將有所不同[57]。對于導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)，練繼建等[58]認(rèn)為若僅從結(jié)構(gòu)自身安全性角度，可將允許振幅提高到1/40 000的結(jié)構(gòu)高度。在以混凝土結(jié)構(gòu)動應(yīng)力作為控制指標(biāo)研究方面，練繼建等[58]以三峽導(dǎo)墻為例，將0.45倍的混凝土靜力極限強(qiáng)度作為混凝土疲勞強(qiáng)度的控制標(biāo)準(zhǔn)，提出了導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)特征與流激振動安全性的關(guān)系，給出了導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)流激振動安全之間的關(guān)系式；李火坤等[59]開展了三峽導(dǎo)墻原型泄洪振動測試，參考以前標(biāo)準(zhǔn)，以動位移最大振幅和最大動應(yīng)力兩個指標(biāo)評價導(dǎo)墻振動安全。對于水墊塘結(jié)構(gòu)，練繼建等[60]以二灘拱壩水墊塘動力響應(yīng)原型觀測為基礎(chǔ)，研究底板-錨固鋼筋-基巖-水流荷載流固耦合模型，分析水墊塘底板失穩(wěn)過程中不同階段的動位移響應(yīng)特性，提出了以動位移響應(yīng)參數(shù)為控制指標(biāo)來判別水墊塘底板的穩(wěn)定性；隨后，楊弘等[61]將水墊塘結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控指標(biāo)細(xì)化，選取對底板安全穩(wěn)定影響較大的特征值作為監(jiān)控指標(biāo)，建立了包含頻域指標(biāo)、幅值域指標(biāo)和分形指標(biāo)的水墊塘結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控指標(biāo)體系。對于泄洪閘結(jié)構(gòu)，李火坤等[7]以蜀河水電站泄洪閘閘墩為例開展了原型振動測試，提出評價閘墩結(jié)構(gòu)振動安全的控制指標(biāo)為動位移最大振幅和最大動應(yīng)力；陳林等[8]采用了動位移均方差為控制指標(biāo)，計算出閘墩不同加固減震形式的流激振動響應(yīng)，比選出適宜的閘墩抗振加固措施。對于閘門結(jié)構(gòu)，練繼建等[62]提出了對閘門安全影響最大的振動形式，并給出了負(fù)阻尼失穩(wěn)和負(fù)剛度失穩(wěn)兩種形式，總結(jié)了各類閘門的振動穩(wěn)定性研究成果，確定了不同類型閘門的穩(wěn)定性指標(biāo)；張翌娜等[63]利用排列熵方法計算振動響應(yīng)信號的序列熵值，對比弧形閘門不同工況下振動性態(tài)和熵值變化規(guī)律，采用排列熵值來實現(xiàn)閘門運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。從目前的研究來看，泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)仍主要參考幾十年前的國外標(biāo)準(zhǔn)，泄流結(jié)構(gòu)振動安全與振源荷載特征、結(jié)構(gòu)材料特性、振動疲勞之間的關(guān)系需要進(jìn)一步明確，泄流結(jié)構(gòu)振動安全的控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的研究尚有待進(jìn)一步深入和完善。

關(guān)于人體對泄流結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)舒適度的評估，目前還沒有一個統(tǒng)一的模式，相關(guān)研究很少，Reiher和Meister提出的Meister感覺曲線，已作為泄流結(jié)構(gòu)振動對人體危害評估的評價參考之一[3]。朱光漢等[64-67]詳細(xì)總結(jié)和分析了傳入人體的振動和環(huán)境振動的評價方法與評價量，指出環(huán)境振動對人體影響的因素主要包括頻率、強(qiáng)度、振動方向、振動暴露時間等，并對人體與環(huán)境振動國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631 《Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration》的適用范圍進(jìn)行了分類。何浩祥等[68]根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5982—2001《Mechanical vibration and shock-Range of idealized values to characterize seated-body biodynamic response under vertical vibration》規(guī)定的豎向人體動力模型，建立了具有非經(jīng)典阻尼的人與結(jié)構(gòu)耦合運(yùn)動方程，并在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631的基礎(chǔ)上，提出了由小波變換求得頻帶能量，進(jìn)而評價人體舒適度的方法。董霜等[69]基于人體振動模型討論了環(huán)境振動對人體的影響及人體對振動影響的舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)，分析了相關(guān)主要因素。車嘯飛等[70]基于對海洋平臺實測振動響應(yīng)，結(jié)合相關(guān)評價導(dǎo)則和國家標(biāo)準(zhǔn)研究了振動對人體的影響，提出了人體感受振動的評價流程。李火坤等[71]在對某泄洪閘閘墩原型振動測試的基礎(chǔ)上，反演了閘墩整體動位移場，采用基于煩惱率的評價模型對閘墩振動舒適度進(jìn)行了評價。

4 研究展望

隨著大量的泄流結(jié)構(gòu)投入運(yùn)行，由于高速泄洪水流的強(qiáng)烈紊動，其脈動壓力作用于結(jié)構(gòu)上誘發(fā)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動現(xiàn)象依然存在，對其振動危害的全面把控和安全評價是高水頭大流量泄流結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全控制的關(guān)鍵問題之一，具體可從以下方面開展研究：

a. 泄流結(jié)構(gòu)材料參數(shù)振動反演研究。在泄流過程中高速水流攜帶的巨大能量能激發(fā)結(jié)構(gòu)振動，易于實施現(xiàn)場振動實測，具有適時性，且泄流激勵下泄流結(jié)構(gòu)工作模態(tài)參數(shù)更全面地反映了結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為特征，因此應(yīng)利用精準(zhǔn)模態(tài)參數(shù)識別方法辨識泄流結(jié)構(gòu)的工作模態(tài)參數(shù)，研究泄流結(jié)構(gòu)-地基各分區(qū)材料參數(shù)反演數(shù)學(xué)模型的構(gòu)造方法，建立泄流結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)與材料參數(shù)之間非線性數(shù)學(xué)模型；此外，還應(yīng)研究構(gòu)造材料參數(shù)反演的最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及求解智能優(yōu)化算法，改進(jìn)參數(shù)反演的不適定性，提高參數(shù)反演的精度與穩(wěn)定性等。

b. 泄流結(jié)構(gòu)振源識別研究。泄流結(jié)構(gòu)振源時域識別法直接在時域中對荷載進(jìn)行識別，減少了因截斷帶來的誤差，精度較高，因此，應(yīng)深入研究泄流結(jié)構(gòu)振源荷載的時域識別方法；應(yīng)在考慮水流脈動荷載的點(diǎn)-面相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究泄流結(jié)構(gòu)振源識別的等效荷載處理方法；研究建立振源時域識別的數(shù)學(xué)模型及其求解方法，最大程度地抑制噪聲影響，對于振源識別的穩(wěn)定性和精度是至關(guān)重要的。

c. 泄流結(jié)構(gòu)振動安全控制指標(biāo)研究。工程實踐表明，泄流結(jié)構(gòu)長期處于水動力荷載下易發(fā)生疲勞破壞，因此明確泄流結(jié)構(gòu)振動安全與振源特征、結(jié)構(gòu)材料特性、振動疲勞之間的關(guān)系至關(guān)重要；分析泄流結(jié)構(gòu)薄弱部位，研究振源荷載激勵頻帶與泄流結(jié)構(gòu)固有頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，闡明泄流結(jié)構(gòu)振動疲勞破壞機(jī)制，研究泄流結(jié)構(gòu)在水動力荷載循環(huán)作用下的損傷分布和應(yīng)力分布的變化規(guī)律，確定泄流結(jié)構(gòu)振動疲勞安全控制標(biāo)準(zhǔn)，對于合理評價泄流結(jié)構(gòu)自身的振動安全意義重大；此外，在泄流結(jié)構(gòu)振動對人體舒適度影響的評價方面，應(yīng)考慮振動頻率、振動強(qiáng)度、振動持續(xù)時間、人體暴露時間、工作方式等因素，研究振動對人體舒適度的影響，建立人體對泄流結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)舒適度綜合評價體系。