魏博文，李火坤，黎良輝

（南昌大學建筑工程學院，江西 南昌，330031）

0 引言

我國水能資源可開發(fā)容量及高壩在役數(shù)量和壩高均居世界首位，其長效健康服役關系到整個水利工程的安危，已成為關乎國計民生、社會穩(wěn)定的公共安全問題，同時，“重大災害監(jiān)測和防御”、“重大生產(chǎn)事故預警與救援”也已被列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃的“公共安全”重點領域及其優(yōu)先主題[1，2]。服役期高混凝土壩受靜、動荷載與不確定環(huán)境因素協(xié)同作用，致使處在服役期的老壩裂縫不斷擴展及壩體累積損傷愈發(fā)加劇，嚴重影響了大壩的正常運行和健康服役[3，4]。

泄流結構在宣泄洪水時，強烈紊動的水流往往攜帶巨大的能量，極易造成其強烈振動甚至結構的破壞，同時由泄流誘發(fā)的結構振動也是水利水電工程運行中出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象[5]。對于傳統(tǒng)研究提升高壩泄水建筑物安全性能方面，大多專注于優(yōu)化泄水建筑物設計研究以提高其安全性，其優(yōu)化設計的主要依據(jù)是物理模型試驗結果并輔以數(shù)值仿真分析成果，然而目前水工模型試驗結果因高速多相流的相似率及工程運行工況與物理試驗存在一定偏差，更難以考量運行期混凝土壩受高水頭及波浪拍振等靜動荷載的累積損傷及結構初始缺陷等[6]。目前對大壩安全監(jiān)測、觀測資料分析研究，多集中于壩體靜態(tài)效應量及荷載的監(jiān)測體系等方面（主要包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應變應力監(jiān)測、環(huán)境量等）；對壩體泄水結構的觀測手段側重于水力學要素觀測（動水壓力觀測、滲壓觀測、流速觀測等），但僅憑單一水力學監(jiān)測分析成果難以詮釋其工作性態(tài)并及時判診內(nèi)在病癥及隱患[7]。本文在闡述混凝土壩靜動態(tài)監(jiān)測與測試技術、流激振動響應分析方法與服役性態(tài)信息融合診斷等方面現(xiàn)有研究成果的基礎上，提出了當前混凝土壩流激響應特性和體征判診研究中亟待解決的重要科學問題，可為泄流結構安全運行和反饋設計等相關研究工作提供參考。

1 大壩靜動態(tài)監(jiān)測與測試技術

大壩安全監(jiān)測是工程建設、管理和研究中不可忽視的重要工作，為保障已建樞紐的運行安全，目前基于水工建筑物的荷載及效應量進行長期、系統(tǒng)的安全監(jiān)測是監(jiān)控大壩服役狀態(tài)的主要方法。在靜態(tài)效應量安全監(jiān)測方面，靜態(tài)效應量或荷載的監(jiān)測資料是對壩體結構工作狀態(tài)的真實反映，及時合理分析監(jiān)測資料是判診其工作狀態(tài)的重要手段，國內(nèi)外學者已在該領域展開了大量的研究工作[8]。Léger和Seydou[9]采用簡化確定性模型描述大壩的溫度變形，對Canada某混凝土重力壩（壩高40m）的模型物理參數(shù)進行了校核，并用該模型外推了極端天氣下的大壩變形情況；Gu et al.[10]為解決大壩安全監(jiān)控確定性模型、混合模型中水壓分量數(shù)學模型易出現(xiàn)拐點病態(tài)問題，通過分析模型中出現(xiàn)拐點的病因，提出了針對不同拐點病態(tài)的判據(jù)及相應處理方法；Li et al.[11]就傳統(tǒng)線性回歸模型預報非平穩(wěn)監(jiān)測時序偏差問題方面，改進并提出了一種基于協(xié)整理論修正序列誤差的大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模型；筆者[12]提出了一種考慮大壩位移殘差序列混沌效應的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型。如今國內(nèi)外對大壩數(shù)學監(jiān)測模型的研究工作逐漸向縱深方向發(fā)展，各種新理論、新方法也已被引入到該領域中[13]。而對于壩體泄水建筑物靜態(tài)效應量的監(jiān)測主要是定性觀測其靜力工作狀態(tài)，若在壩體某局部范圍內(nèi)未設置監(jiān)測點，往往無法監(jiān)測到該處損傷的出現(xiàn)，尚需融合其他監(jiān)測或檢測信息（如現(xiàn)場檢測信息）進行綜合判斷，彌補靜態(tài)效應量監(jiān)測的不足，提高壩體病害監(jiān)測與診斷的可靠性。

在壩體流激振動測試方面，現(xiàn)有的水工建筑物結構隱患及病害（損傷）檢測方法主要有人工探視法、破損法及無損檢測法。其中，常用于水工結構的無損檢測方法有波動法和振動法。波動法現(xiàn)場檢測可以了解壩體內(nèi)部存在的缺陷、隱患和險情，檢查壩體本身及地基質量，已在水利工程建設、管理與維護等領域得以成功應用[14]，但該方法需預知發(fā)生損傷的區(qū)域，對結構水下部位的病害或隱患檢測難以實施。而基于振動法的水工結構病害（或損傷）識別方法較好地彌補了波動法的不足，突破了傳統(tǒng)實驗法的局限，可對復雜結構進行整體定量損傷檢測。國外學者Sevim et al.[15]通過考慮泄流狀態(tài)下大壩動力特性與非泄流時的差異特點，并利用泄流激勵作為泄水建筑物結構模態(tài)參數(shù)識別與損傷診斷的激勵源，對其工作模態(tài)參數(shù)進行了合理識別和整體性損傷診斷。此外，Sani et al.[16]在頻域內(nèi)提出了一種基于“理想耦合模式”拱壩模態(tài)識別方法，避免了傳統(tǒng)壩體-庫水耦合動力分析的復雜編程分析，并在Morrow Point拱壩上進行了原型測試試驗；張建偉等[17]提出了基于小波閾值與經(jīng)驗模態(tài)分解聯(lián)合激振信號降噪方法，能有效提取低信噪比泄流結構的價值信息，而難以區(qū)分密頻結構激振信號的混沌效應；李火坤、筆者[18]針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合算法對信號相似度要求高以及固定融合系數(shù)的缺陷，提出了基于方差貢獻率的結構動態(tài)響應數(shù)據(jù)融合算法。需要指出的是，在環(huán)境背景噪聲等干擾下，壩體初期病害或損傷引起的整體模態(tài)參數(shù)變化會被噪聲所覆蓋，直接選用該法難以適用；而水力學監(jiān)測（如脈動壓力、空化噪聲監(jiān)測等）對此類病害信號具有較高的靈敏度，可有效彌補該無損動態(tài)檢測技術的不足。

在水力學監(jiān)測方面，水動力荷載是大壩泄水建筑物的運行重要荷載，隨著下泄水流產(chǎn)生的巨大能量及水流脈動往往是造成泄水建筑物結構受損破壞的關鍵因素，水流誘發(fā)結構劇烈振動，也直接影響到壩體安全泄洪[19-21]。中國水利水電科學研究院[22]對二灘拱壩壩身泄洪水力學及流激振動進行了系統(tǒng)的原型觀測，現(xiàn)場測點布設示意如圖1所示，包括表孔水力學特性、壩體及進水口泄洪流激振動特性、中孔弧形工作閘門流激振動特性等，據(jù)此對其壩體工作性態(tài)進行了安全評估；楊弘等[23]通過將傳感器埋設在結構體內(nèi)部可免受水流沖刷及侵蝕干擾，并結合水力要素測試結果，提出了防護結構（主要針對水墊塘底板）的綜合安全監(jiān)控模型和監(jiān)控指標，研發(fā)的相應泄洪安全實時監(jiān)控系統(tǒng)已在二灘和拉西瓦工程中得以應用。

圖1 現(xiàn)場觀測測點布設示意圖

2 混凝土壩流激振動響應分析方法

有關泄流誘發(fā)結構振動研究，國內(nèi)外學者[24，25]從其流激振動誘發(fā)機制入手，對流體誘發(fā)結構振動形成機理開展了大量的研究工作；認為大多數(shù)情況下大壩流激振動主要是隨機性激勵力所致，其作用于結構邊壁的脈動壓力一般呈各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機特點，可運用隨機函數(shù)理論進行分析，其相應的結構振動分析則可應用隨機振動理論。混凝土壩流激振動響應分析方法主要分為泄流誘發(fā)振動響應正、反分析兩類。泄流結構流激振動響應正分析與一般隨機振動分析不同的是需要考慮水流-結構耦合動力效應荷載，包括附加質量、剛度、阻尼效應荷載。同時，由于水流動力荷載的時空隨機分布和相關特性十分復雜，若不能有效處理可能出現(xiàn)計算結果大相徑庭。因而正確處理水流動力荷載復雜的時空相關特性是至關重要的，主要是正確處理“點”脈動壓力與“面”脈動荷載的相關性問題。對此近年來比較常用的是采用流激振動響應譜分析方法或歷程分析（瞬態(tài)分析）方法，通過大型有限元軟件建立數(shù)學-力學模型直接計算結構響應譜或響應歷程，其中計算荷載可通過泄流結構整體荷載（面荷載）模型試驗測量并進行相似律換算獲得[26，27]。

此外，基于傳統(tǒng)線彈性本構關系展開的結構流激振動正分析難以合理描述結構內(nèi)部累積損傷特征[28]，現(xiàn)行混凝土本構關系多是基于某一特定結構及受載條件建立的，故建立流固耦聯(lián)下泄水結構運行性態(tài)仿真分析模型亦是難以回避的又一關鍵問題。對其本構模型研究，國外學者Voyiadjis et al.[29]采用兩個損傷張量和兩個損傷準則來分別描述混凝土受拉和受壓時的力學性能損傷，建立了基于熱力學和彈塑性損傷力學的混凝土各向異性塑性損傷模型；Zheng et al.[30]從混凝土基本損傷機理出發(fā)，采用受拉損傷因子和受剪損傷因子分別替代混凝土拉壓狀態(tài)下微觀損傷對材料宏觀力學特征的影響效應，提出了基于連續(xù)損傷理論的新混凝土塑性損傷模型；筆者[31]基于碾壓混凝土壩層面力學漸變特性，建立了壩體層面影響帶黏彈塑性流變本構模型。從現(xiàn)有的研究成果來看，采用數(shù)學-力學模型開展高壩流激振動正分析仍是高效可靠的分析手段，為此，結合壩體內(nèi)外因素共同作用的累積損傷特征，開展融合多因素效應的混凝土壩流激振動響應分析模型研究尤為必要，這也是揭示大壩整體服役性能演化規(guī)律的理論依據(jù)。

由于高速泄流的水動力荷載與結構相互作用的復雜性，至今仍難以全面描述不同類型泄流結構的振源特征（特別是原型工程），因而常采用反分析方法對多振源或不確定動荷載作用下的高壩結構體系在動態(tài)特性研究具有重要意義[32，33]。目前，有關動態(tài)載荷識別的研究主要以頻域荷載識別方法和時域荷載識別方法為主。限于水流激振原理及水工建筑物的復雜性，振源識別在該領域的研究相對較少，主要有：練繼建等[34]提出了水工結構流激振動響應的反分析方法，同時結合正反分析方法用少量測點動位移測值反饋出了整個結構的動位移場和動應力場，并就水彈性模型中不相似因素對其振動響應的影響進行了修正；李成業(yè)等[35，36]運用EMD與小波閾值聯(lián)合濾波方法對泄流激振響應信號進行了有效處理，并提出了一種基于改進HHT的高拱壩模態(tài)參數(shù)識別方法；He et al.[37]通過對壩體流激振動傳感器位置的優(yōu)化布設，提出了一種基于IMPSO法識別高拱壩模態(tài)參數(shù)的新方法。對此反分析還需加以說明的是，大壩結構中物理參數(shù)的反演亦是其振動仿真分析的重要問題，黃耀英等[38]基于變形監(jiān)測資料建立了一種混凝土壩與基巖時變參數(shù)反演三步法，依次從力學機制上解析龍羊峽重力拱壩拱冠梁在2 530～2 610 m高程的徑向時效位移向上游變位的原因；康飛等[39]運用混合單純形人工蜂群算法，建立了一種基于不完全模態(tài)測試數(shù)據(jù)的混凝土壩動力材料參數(shù)識別的優(yōu)化反演模型；筆者[40]提出了一種基于GA-APSO混合罰模型的混凝土壩力學參數(shù)優(yōu)化反演方法，還同Li[41]一道就泄洪激勵下壩體強烈振動現(xiàn)象，提出了一種基于遺傳算法和有限元模態(tài)分析的拱壩原型整體動位移場反演方法。根據(jù)大壩布置的有限動力響應測點數(shù)據(jù)反饋出結構振動模態(tài)參數(shù)和激勵源的作用特性，進而解析獲取結構動位移場和動應力場，有效地彌補了靜態(tài)監(jiān)測指標的不足，對高壩運行性態(tài)做出科學有效評價具有重要研究價值；同時隨著時下計算機技術高速發(fā)展及智能算法的更新，運用先進數(shù)值算法進行結構流激振動反分析的研究將成為重要的研究方向之一。

3 大壩服役性態(tài)信息融合診斷研究

信息融合診斷是利用計算機技術將來自多個傳感器或多源的觀測時序信息進行分析和處理為對象系統(tǒng)安全運行提供的決策支持，采用信息融合（亦稱數(shù)據(jù)融合，Data Fusion）和人工智能技術對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析是目前的發(fā)展趨勢之一，除涉及實測資料的物理意義、噪聲、非平穩(wěn)和小樣本等外，其大壩綜合分析和建模中還涉及量綱、權重、矛盾證據(jù)、數(shù)據(jù)降維及數(shù)據(jù)同化等[42，43]。對于長期處于固-液-氣耦合賦存環(huán)境下的混凝土壩而言，其病變癥狀常常是多重病害損傷累積的結果，而其靜動態(tài)監(jiān)測及測試結果與響應特征和激勵源之間的映射關系呈非線性，單憑大壩靜態(tài)原型監(jiān)測效應量難以實現(xiàn)對其進行科學全面診斷。

在大壩工作性態(tài)的綜合診斷過程中，由于不同診斷體系中的不同指標層中指標對大壩的影響程度皆不相同，還需對其各評價指標的重要性和貢獻程度進行權重分析，對于綜合評價指標權重的確定方法，一般可分為主觀賦權法、客觀賦權法和主客觀組合賦權法，其中主客觀組合賦權法發(fā)展較快[44]。在大壩安全領域，施玉群等[45]運用信息熵理論對大壩監(jiān)測多效應量進行賦權，利用聚類分析方法描述多效應量之間的關聯(lián)關系，建立了基于信息熵理論的大壩健康狀態(tài)多效應量聚類融合診斷模型。這些權重方法亦可應用于靜動結合的混凝土壩運行性態(tài)安全診斷中，但如何依據(jù)樣本信息來篩取適應的權重方法進行指標賦權，是保障在役大壩工作性態(tài)綜合診斷結果可靠和準確的關鍵。由于監(jiān)測信息表現(xiàn)形式的多樣性，以及安全監(jiān)測與狀態(tài)診斷系統(tǒng)對其海量數(shù)據(jù)快速處理能力的要求，傳統(tǒng)信息處理方法已難以滿足其信號采集、特征提取、狀態(tài)識別和診斷決策的需求[46]。

目前，大壩性態(tài)融合診斷方法研究尚處于探索階段，其主要方法有：Bayes推理法，D-S證據(jù)推理法、模糊積分法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法。Gu et al.[47]基于主成分分析與最優(yōu)估計理論，提出了融合大壩多效應監(jiān)控信息的奇異值診斷方法；He et al.[48]基于Bayes理論并采用方差作為特征參數(shù)，建立了大壩多測點信息融合監(jiān)控模型，為定量描述大壩安全狀態(tài)和診斷異常測點提供了新方法；Wu et al.[49]從經(jīng)濟效益、大壩安全、環(huán)境與生態(tài)評估的角度，建立了基于證據(jù)理論的層間評估的融合算法和基于模糊數(shù)學的模糊合分法，構建了大壩服役狀態(tài)合評判模型；Liu et al.[50]跳出傳統(tǒng)單一測點監(jiān)測預警的監(jiān)控方法，利用信息融合技術，提出了一種基于多源監(jiān)測信息融合的大壩性態(tài)診斷及監(jiān)測預警方法；張建偉等[51]根據(jù)現(xiàn)場實測的結構動位移時程，分別用隨機子空間方法和系統(tǒng)特征實現(xiàn)方法對廠房結構的模態(tài)參數(shù)進行時域辨識，提出運用距離的概念對結構所屬的健康狀況進行量化評價的方法；筆者[52，53]利用碾壓混凝土壩多點靜態(tài)監(jiān)測序列，提出了一種基于粗糙集與模糊集的大壩工作性態(tài)安全診斷方法。

4 研究展望

目前，在混凝土壩流激響應特性及體征判診方法方面取得了一些有益的研究成果，并且部分成果已成功應用于混凝土壩的運行體征診斷工作中。但是，在工程實際當中因高速泄洪水流引發(fā)的泄水建筑物破壞事例屢見不鮮，鑒此，高壩泄流激振問題儼然已成為大壩安全控制領域亟待解決的重要問題，如何圍繞大壩運行安全控制為中心，及時分析高壩泄水建筑物動態(tài)安全監(jiān)測信息，把控因其結構服役性能劣化催生的災害性破壞發(fā)生，進而科學判診混凝土壩運行體征健康與否，不但具有多方面的理論意義，更擁有明確的應用前景。因此，筆者認為就混凝土壩流激響應特性及體征判診方法可以從以下幾個方面開展進一步深入研究。

（1）傳統(tǒng)基于靜態(tài)監(jiān)測效應量的大壩安全監(jiān)測與流激振動測試及水力學要素監(jiān)測的研究相對較為獨立，有關聯(lián)合運用各項監(jiān)測及檢測手段，充分利用各自監(jiān)測的優(yōu)勢和監(jiān)測數(shù)據(jù)對各類病害所反映的信息特征進行信息融合，據(jù)此開展運行期混凝土壩立體化監(jiān)測、監(jiān)控的系統(tǒng)研究相對較少。因此，如何根據(jù)多傳感器獲得的監(jiān)測（或檢測）數(shù)據(jù)，通過信息融合分析與處理，進而對大壩服役性態(tài)安全做出全面判診是一個重要的研究方向。

（2）當前所建立的混凝土壩流激振動響應演化行為仿真，大都是基于宏觀力學層面本構關系展開分析探究，未能從其內(nèi)部力學性能行為演化的角度建立其相應的本構模型，為此亟需從靜動力響應特征引起筑壩材料微細觀行為劣化角度，揭示混凝土壩損傷力學性能演化機制，深入分析壩體內(nèi)力學性能演變與其諸因素間的關系，彌補并發(fā)展混凝土壩運行效能多尺度演化分析及監(jiān)控理論當前的不足。

（3）信息融合在大壩安全監(jiān)測領域的研究，多集中于對壩體多個同一類型靜態(tài)效應量監(jiān)測信息的融合方面，而未結合壩體累積損傷演化特性，有關聯(lián)合大壩靜態(tài)和動態(tài)監(jiān)測信息用以提升其安全評判水平的研究鮮有報道，為此，研究如何聯(lián)合利用混凝土壩多維靜、動態(tài)監(jiān)測面板數(shù)據(jù)，綜合考慮壩體結構累積損傷特性，建立其運行體征健康判診分析模型，具有一定的現(xiàn)實意義和研究價值。

葉建春在調研督導防汛工作時強調 打好防汛主動仗 確保人民生命財產(chǎn)安全

2021年5月23日，江西省委副書記葉建春來到省直相關單位調研督導防汛工作。他強調，要深入貫徹落實習近平總書記關于防災減災救災重要論述，按照黨中央、國務院決策部署和省委、省政府工作要求，堅持“以防為主、防抗救相結合”的原則，強化監(jiān)測預警，注重統(tǒng)籌協(xié)調，細化工作舉措，打好防汛主動仗，確保人民群眾生命財產(chǎn)安全。

副省長羅小云陪同調研。

進入主汛期以來，葉建春非常關注防汛工作，“五一”假期專程到省應急管理廳檢查值守情況，此后又到贛江吉安段巡河并調研峽江水利樞紐防汛準備工作。再次來到省應急管理廳，葉建春視頻連線聽取有關地市防汛工作匯報。他指出，當前強對流天氣頻發(fā)重發(fā)，防汛形勢不容樂觀，防汛大戰(zhàn)不容有失。要從講黨性、講政治、講大局的高度，堅決貫徹黨中央關于推進應急管理體制機制改革的決策部署，理順防汛體系，堅持優(yōu)化協(xié)同高效原則，發(fā)揮好省防指牽頭抓總作用和各部門專業(yè)優(yōu)勢，做到合理分工、高效協(xié)調、有序防控，確保各項防汛舉措落實落細。

在省氣象局和省水文監(jiān)測中心，葉建春詳細了解當前天氣形勢及河道流量、水位等情況，勉勵工作人員弘揚科學精神，堅持實事求是，提供準確數(shù)據(jù)，筑牢防災減災第一道防線。葉建春強調，要相信科學、尊重科學，切實運用好天氣預報和水文監(jiān)測成果，把防汛舉措制定得更加周密。要關心愛護專業(yè)技術人員，為他們創(chuàng)造良好工作環(huán)境，充分釋放他們的聰明才智。

葉建春來到省消防救援總隊，了解抗洪搶險人員、物資等準備情況，對救援隊伍枕戈待旦的狀態(tài)、精準施救的思路給予肯定。在省水利廳，葉建春查看水庫實時監(jiān)控等情況，要求優(yōu)化調度，加強水庫山塘除險加固，保護江河安瀾人民安寧。葉建春強調，要堅持人民至上、生命至上，堅決克服麻痹思想和僥幸心理，立足防大汛、搶大險、抗大災，對各類防汛安全隱患進行再排查再整改。要組織開展防汛救災演練，強化汛期安全知識宣傳，凝聚全社會參與防汛抗洪的共識與合力，把保障人民群眾生命財產(chǎn)安全這件實事辦好，助推我省黨史學習教育務求實效、走在前列。

（http://slt.jiangxi.gov.cn/art/2021/5/24/art_27165_3371405.html，2021-06-04，江西日報 張武明）