无损动态检测技术在映秀湾水电站灾后评估中的应用

彭文明，王达会，张 琦，胡永胜

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

1.1 问题的提出

“5.12”汶川地震发生后，当地基础设施受损严重。映秀湾水电站处于地震震中映秀镇，电站所属的水工结构物在该次强震的作用下受到不同程度损伤。一般的水工建筑物埋设的监测仪器多是静态仪器，如变位、应力、渗压、渗流量监测仪等，震后这些仪器基准点可能发生漂移，不能很好地反映水工结构物存在的损伤情况，而对水工结构物的进行动态检测可以弥补常规静态监测存在的不足。然而，通常采用的动态监测方法，包括回弹法、超声波法、地震波法、地质雷达法等，对于水工建筑物(特别是水下部分)损伤的检测存在许多局限。寻找更有效的无损动态检测技术手段对震后的映秀湾水电站进行损伤检测、分析与综合评价是十分必要的。

1.2 工程简介

映秀湾水电站位于四川省汶川县岷江上游干流上, 距映秀镇上游约5km，为引水式发电水利工程，正常蓄水位以下库容56万m3，装机容量135MW。工程等别为三等工程，工程规模为中型。挡水和泄洪建筑物、引水建筑物、发电厂房按3级建筑物设计，地震设防烈度为Ⅷ度。

2 拦河闸坝振动现场测试测点布置

为了量测映秀湾水电站拦河闸在水流自由泄流情况下的振动动位移，项目课题组于2008年8月24～27日对拦河闸1～5孔的闸墩进行了动位移测试，传感器布置及信号采集系统连接见图1、2。

该拦河闸各孔之间的分缝形式为闸墩中间分缝，对每孔闸墩进行测试时，左、右两侧各半个闸墩各同时布置动位移传感器12个(其中10个水平、2个垂直)，同时在每孔的上、下游导墙上各布置2个水平向动位移传感器。

图1 拦河闸闸墩侧面动位移传感器布置示意

图2 振动响应测试框图

3 基于环境激励的拦河闸坝结构振动模态识别

水工结构由于长期使用后老化、疲劳等原因，不少在役泄水结构存在各种病害与隐患，可能导致结构失稳或强度破坏。损伤会使水工结构的质量或刚度损失而引起动力特性发生变化，这都将在模态测量中有所反映。因此水工结构运行状态健康诊断的核心技术之一就是如何通过各种技术手段获取结构的模态参数指标。

工程实践中，大部分水工结构(特别是泄水结构)在工作状态下只受到环境激励(如水流脉动激励)，根据这些激励源的输入信号，测试大型水工结构在环境激励下的工作模态参数，将为水工结构的健康诊断提供极大的便利。

3.1 基于奇异熵定阶降噪的水工结构模态参数ERA时域识别法

在结构工作模态时域识别方法中，特征系统实现法(ERA)利用系统脉冲响应函数构造广义Hankel矩阵，利用奇异值分解技术，得到系统的最小实现，从而得到最小阶数的系统矩阵，以此为基础可进一步识别系统的模态参数。该方法理论严密、技术先进且计算量小，是当今乃至目前最完善最先进的方法之一。但该法需事先确定Hankel矩阵的阶次，而结构的工作模态阶次事先是未知的。现将熵的概念引入系统识别领域[1-2]，利用奇异熵技术对原始信号进行消噪及结构工作模态定阶，并结合ERA方法可有效地为水工结构系统工作模态定阶并进行模态参数识别。

利用上述方法对结构在线工作模态参数识别的具体步骤如下：

(2) 利用NExT法[3]计算结构测点的脉冲响应函数；

(5) 最后根据已确定的阶次确定系统矩阵A、输入矩阵B和输出矩阵C；

(6) 求解系统矩阵A的特征值，求得极点与留数，从而确定系统的模态参数。

3.2 基于频域分解法(FDD)的水工结构模态参数识别频域法

频域分解法是仅利用结构输出响应识别结构模态参数整体频域识别方法，识别出的模态参数具有一致性，具有其他频域法不可比拟的优点，可与时域法识别结果相互印证。

3.3 基于SSI算法的水工结构模态参数识别

基于虚假模态对不同参数模型比较敏感易变的原则，通过考察一些不同的参数模型，那些同时出现次数最多的、稳定的模态可以认为是系统的真实模态。

针对SSI具有Hankel矩阵的维数较难确定，可能丢失模态或产生虚假模态的缺点，对稳定图剔除噪声模态的方法进行如下改进[4]：

(1) 在利用奇异熵增量谱确定系统的模态阶次后，把Hankel矩阵的行空间数据由imin增加到imax时(imax是个相对的较大值，要满足j/i足够大)，把计算得到的结果画到二维坐标图中(横坐标为频率值，纵坐标为Hankel矩阵的行块数)，从而得到模态参数的稳定图；

(2) 在稳定图中若相邻两点的频率和阻尼比在容许误差范围内，则认为是相同的；

(3) 可以根据所测试结构的具体情况加入阻尼比的判据准则，例如，结构阻尼比值通常大于10%或小于1%时，可以认为是虚假模态；

(4) 为了得到更为精确的识别结果，利用模态置信因子MAC指标进行虚假模态的判别。

经过以上四步改进，得到更为精确的稳定图。运用“三步法”对水工结构的模态参数进行精确识别，步骤如下(如图3所示)：

图3 模态参数识别流程

第一步，用奇异熵增量对系统进行定阶，使得定阶的界线更加清晰和稳定；第二步，在系统阶次明确的前提下，利用改进的稳定图对虚假模态进行剔除，使得参数识别的结果更为准确可靠；第三步，将各阶模态参数识别结果进行平均处理，最终得到更为精确的识别结果。

上述三种水工结构模态参数识别法均有较为严密的理论推导，并经过典型水流脉动荷载作用下水工结构数值算例R 验证以及工程实践检验[5-6]。从识别结果来看，各方法均能够较精确地识别结构模态参数。

3.4 拦河闸坝模态参数识别

以拦河闸坝自由泄流时所采集到的数据为依据进行模态参数识别。以1号拦河闸为例说明。

3.4.1 测试信号的预处理

由于本次测试是利用结构在环境激励下的特点采集数据，因此所采集的初始信号受一定的环境背景噪声干扰，应予以剔除。1号拦河闸闸墩典型测点(1A)及下游导墙典型测点(13A)原始波形如图4所示。

图4 1A、13A测点的原始时程线

从原始测试数据波形上可以看出，信号受一定程度的低频大波干扰，因此应当首先消除闸墩上以及上、下游导墙上所有测点原始信号的低频大波干扰。由于大波信号主要表现为低频，故采用高通滤波即可消除。1A及13A测点消除后的信号时程波形如图5所示。

图5 1A、13A测点低频大波消除后的时程线(局部)

3.4.2 拦河闸振动模态参数识别

将干扰信号虑除后，分别利用ERA法、频域分解法(FDD)、随机子空间法(SSI)进行拦河闸结构模态参数识别，识别得出的前三阶拦河闸结构频率见表1。

从信号识别结果来看，1号拦河闸两侧闸墩的主要结构工作频率有3阶，两侧闸墩对称，结构形式相同，因此识别结果相近，第一阶工作频率为3.7～4.2Hz左右，第二阶工作频率为8.3～8.9Hz左右，第三阶工作频率为12.4～13.1Hz左右。

表1 1号拦河闸结构工作模态参数识别结果

4 拦河闸坝结构的有限元模态分析

4.1 基本原理

4.1.1 结构振动的运动方程

结构的自振频率和振型反映了结构的固有动力特性，确定它们的值是动力分析最基本的内容。结构用有限单元离散化后的运动方程可表示为：

(1)

式中M、C、K——分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

δ——结点位移；

P(t)——动力荷载。

4.1.2 流固耦合的数值计算假定

用声场分析考虑流固耦合作用，在求解结构的运动方程(1)时，需要考虑流体的N-S方程以及流体运动的连续方程。结构的离散化按普通固体结构有限元进行离散，流体结构按流体声单元进行离散，并采用以下假定：(1)流体是可以压缩的(即流体的密度随压力的变化而变化)；(2)不考虑流体的粘性；(3)不考虑流体的流动；(4)整个流体域的密度和压力一致。

4.2 闸坝有限元模态分析

采用ANSYS大型有限元软件进行拦河闸闸室结构模态分析。计算范围及边界条件：地基计算深度取1倍水闸高度，上、下游计算长度取1倍导墙高度；底板四周采用横向支撑约束(即垂直于边界的单向约束)；地基地面及四周采用全约束，即约束x、y、z方向位移；工作桥及启闭机重量以附加质量的形式考虑。

拦河闸及地基结构计算材料参数：混凝土材料弹模E=2.55×104MPa,泊松比μ=0.167，材料密度ρ=2 500kg/m3；地基材料动模E=50MPa,泊松比μ=0.32，材料密度ρ=2 250kg/m3。

1号 拦河闸结构的有限元模型见图6。

1号拦河闸结构模态计算结果见表2。

图6 1号拦河闸结构有限元模型

表2 1号拦河闸结构模态计算结果 Hz

从计算结果来看，1号拦河闸闸墩一阶振动频率为3.84Hz(第2、3阶)左右，闸墩二阶振动频率为8.3Hz(第5、6阶)，三、四、五阶振动频率分别为15.9、16.3、16.7(第8、9、10阶)；闸室整体竖向振动一阶频率为2.79Hz(也即闸室整体结构基频)，闸室整体翻转振动频率为7.37Hz(第4阶)，闸室两侧闸墩连同底板扭振频率为12.6Hz(第7阶)。

4.3 拦河闸结构损伤对自振频率的影响

假定若干种破坏形式及破坏程度进行有限元计算，结合识别结果综合分析当前结构的完整性。拦河闸损伤的模拟主要考虑在闸墩水下部分不同位置设置不同深度的裂缝，共分三种情况，即：(1)闸墩内侧水下不同部位不同程度损伤(裂缝深0.5m或1m、顺水流向长12m或24m、距底板1m或2m的不同组合)；(2)闸墩外侧不同部位不同程度损伤(与(1)同样的组合)；(3)底板不同位置损伤。共模拟28种损伤工况。

对损伤工况进行有限元模态分析，损伤前与损伤后的频率变化对比发现，不同位置不同程度的损伤对闸室结构频率的影响规律主要表现在：(1) 裂缝越长、越深，对振动频率的影响越大；(2)无论裂缝沿水流方向长度如何，相比闸墩前三阶振动频率，裂缝对闸墩一阶振动频率的影响最大，对闸墩第二阶振动频率的影响次之，对闸墩第三阶振动频率影响最小；(3)总体上看，在损伤情况下振动频率下降约2%～20%，闸墩第二、三阶下降在2%～4%左右，第一阶下降5%～20%。

5 闸坝结构健康状态评估

结构损伤对拦河闸高阶频率影响较小，对第一阶频率影响较大。为评估闸坝结构的健康状况，将各孔拦河闸在泄流激励下的模态识别结果与基于有限元数值计算前三阶模态频率结果进行对比，结果见表3。

表3 拦河闸结构识别与有限元计算比较

从识别结果与计算结果来看，各孔拦河闸结构有限元计算频率与识别结果基本相近，各闸平均偏差均小于2%(4号拦河闸平均偏差最大，为1.72%)。根据拦河闸结构损伤对自振频率的影响分析可知，闸墩最轻微损伤工况(裂缝深0.5m、长12m)时，闸墩振动频率比完好结构下降也超过2%，因此可以判断各孔拦河闸原型真实结构状态与有限元模拟完好结构状态相似，闸墩与底板整体性较强。值得一提的是，识别结果与有限元计算结果都存在一定的误差(一般误差约2%)，但对于水闸这类较为简单的结构，这些误差相对要小很多，因此，可以通过识别值与有限元计算结果进行对比分析判断。

6 结 论

通过对拦河闸原型动力测试、完好结构与有损伤结构有限元模态仿真计算结果分析，震后拦河闸的真实动力特性与完好结构有限元模拟相似，可判断拦河闸结构整体性较好，未出现影响拦河闸整体结构性的损伤[7]。

[1] 王安丽,史志富,张安.基于熵的空中目标识别模型及应用[J].火力与指挥控制,2005,30(2):110-112.

[2] 练继建，李火坤，张建伟.基于奇异熵定阶降噪的水工结构振动模态ERA识别方法[J].中国科学,E辑,2008(7).

[3] 傅志方.振动模态分析与参数辨识[M].北京:机械工业出版社,1990.

[4] 练继建，张建伟，李火坤，马斌.泄洪激励下高拱坝模态参数识别研究[J].振动与冲击，2007,26(12):101-105.

[5] 王兆辉,樊可清,李霆.系统辨识在桥梁状态监测中的应用[J].中南公路工程,2006,31(3):159-163.

[6] 三峡水利枢纽厂坝隔(导)墙泄洪振动水弹性模型试验研究[R].天津：天津大学水利水电工程系，1997.

[7] 映秀湾水电站拦河闸及厂房灾后评估检测研究报告[R].天津：天津大学建筑工程学院，2008.