（水利水电工程专业论文）分布式光纤检测区域振动研究.pdf

摘要 高坝的泄洪消能布置，往往由于场地的限制，仅靠坝身泄洪很难满足设计要 求，经常需要利用其它泄洪设施来宣泄多余的洪水，龙抬头和龙落尾式泄洪洞是 实际工程中应用较多的形式。如二滩水电站，溪洛渡水电站及锦屏一级水电站等 国内大型水电工程都采用了这种形式的泄洪洞，由于水头很高，在龙抬头( 或龙 落尾) 段后，流速常常可达到4 0 m s 5 0 州s ，泄洪洞容易发生空蚀破坏，其安全 问题非常突出。 如何确保泄洪洞泄洪安全以及在泄洪洞出现空蚀破坏等安全问题后如何及 时检测和预警是亟待解决的问题。 由于泄洪洞属地下工程，结构庞大，目前泄洪洞泄洪时造成的空蚀破坏主要 是靠人工的方法进行检查或通过点式传感器等进行监测。人工检查的方法只能在 泄洪洞泄洪停止后进行，对泄洪过程中进行的空蚀破坏过程无法了解和监控，不 仅具有时间上的滞后性，而且人工检查需要耗费很多时间和人力；点式传感器覆 盖范围有限，且泄洪洞环境恶劣，传感器易因腐蚀而失效。 随着光纤传感技术的发展，使对泄洪洞泄洪时空蚀的在线实时检测成为可 能。本文首次提出了利用分布式光纤检测泄洪洞空蚀的思想，对其原理进行了阐 述。对分布式光纤的振动特性与工程上熟悉的振动位移和加速度传感器进行了对 比测量分析；同时制作了混凝土模型，对埋设在混凝土内的分布式光纤的振动特 性及不同孔深时力锤锤击产生的振动信号大小进行了定性的试验研究。 关键词：水利水电工程；安全监测：区域振动；泄洪洞；空蚀；损伤识别；分 布式光纤 a bs t r a c t d u et ol i m i t e ds i t e sa n ds p a c e ，f l o o dd i s c h a r g i n go fh i g hd a m so n l yt h r o u g hd a mi s d i f f i c u l tt om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，s oi ta l w a y su s e ss p e c i a lf l o o d - r e l e a s i n g f a c i l i t i e sf o ru n u s u a lf l o o dr e l e a s e t h el o n g t a i t o u & l o n g l u o w e is p i l l w a yt u n n e la r e u s e dw i d e l yi na c t u a le n g i n e e r i n g ，f o re x a m p l e ，e r t a n ，x i l u o d u ，a n dj i n p i n gi h y d r o p o w e rs t a t i o n b e c a u s eo fh i g hh e a d ，t h ev e l o c i t yo ff l o o dd i s c h a r g i n gt u n n e l a td o w n s t r e a mc a nb e4 0 m s - - 5 0 m s i nt h ec i r c u m s t a n c e s ，c a v i t a t i o ne r o s i o ni sv e r y e a s yt ot a k ep l a c e t h e r e f o r e ，i ti s ap r o t u b e r a n tp r o b l e mf o rt h es a f e t yo ff l o o d d i s c h a r g i n gt u n n e l h o wt om a k es u r et h es a f e t yo ff l o o dd i s c h a r g i n g a n dh o wt oi nt i m ei d e n t i f y & e a r l yw a i nt h ec a v i t a t i o ne r o s i o nw h e na p p e a r si sas t r i n g e n tp r o b l e m b e c a u s ef l o o dd i s c h a r g i n gt u n n e l ，w h i c hb e l o n g st ou n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，h a s h u g es t r u c t u r e ，a tp r e s e n t ，t u n n e lc a v i t a t i o ne r o s i o nw h e nd i s c h a r g i n gf l o o di sm a i n l y d e p e n do na r t i f i c i a lm e t h o da n dp o i n ts e n s o rt oc h e c k a r t i f i c i a lm e t h o d ，w h i c hn o t o n l yo b v i o u s l ys l o wr e s p o n s e s ，a n da l s o i st i m ec o n s u m i n ga n da s kf o rm u c h m a n p o w e r ，c a nb eo n l yc a l l r i e do u ta f t e rf l o o dd i s c h a r g i n g ，a n dc a nn o tf i n do u ta n d m o n i t o rt h ep r o c e s so fc a v i t a t i o ne r o s i o n a tt h es a m et i m e ，p o i n ts e n s o r ，t h ec o v e r a g e o fw h i c hi sl i m i t e d i si n c l i n e dt ob e c o m ei n v a l i db e c a u s eo fc o r r o s i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y ，i tb e c o m e sp o s s i b l et h a t r e a l - t i m e l ym o n i t o r i n gf l o o dd i s c h a r g i n gt u n n e lc a v i t a t i o ne r o s i o n i nt h i st h e s i s ，t h e t h o u g h tt h a td e t e c t i n gf l o o dd i s c h a r g i n gt u n n e lc a v i t a t i o ne r o s i o nu s i n gd i s t r i b u t e d o p t i c a lf i b e ri sf i r s tp u tf o r w a r d ，a n da l s ot h et h e o r yi sd e s c r i b e d t h i st h e s i sa n a l y z e s t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s o r ，c o m p a r i n gt ov i b r a t i o n d i s p l a c e m e n ts e n s o ra n da c c e l e r a t i o ns e n s o rw h i c ha r eu s e dw i d e l yi ne n g i n e e r i n g m o r e o v e r ，t h ei d e n t i f i c a t i o no fs i m u l a t i v ef l o o dd i s c h a r g i n gt u n n e l c o n c r e t el i n i n g c a v i t a t i o ne r o s i o ni ss t u d i e du s i n gd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rv i b r a t i o nt e s ts y s t e m k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g ；s a f e t ym o n i t o r i n g ：r e g i o n a l v i b r a t i o n ；s p i l l w a yt u n n e l ；c a v i t a t i o ne r o s i o n ；d a m a g ed e t e c t i n g ；d i s t r i b u t e do p t i c a l f i b e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞奎盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：令乏忒 签字日期：办谚年月一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞叁鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：分之域 导师签名： 签字日期：竹年月j ，日 签字日期谚灿脾臼 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国水电资源丰富，各类水库大坝众多，截至2 0 0 6 年年底，我国已建成各 类水库8 7 万多座，其中大中型水库3 0 0 0 多座。随着水电的开发，二滩、溪洛 渡、小湾、龙滩、白鹤滩、锦屏、糯扎渡、拉西瓦、构皮滩等i 卜2 j 一批世界级的 高坝相继兴建。由于这些大型水利工程的泄洪量、泄洪功率都很大( 见表1 1 ) p j ，泄洪的安全问题非常突出。这些高坝一般都修建在高山峡谷，河床宽度窄， 坝身难以满足泄洪的要求，所以几乎都通过坝身和泄洪洞联合的方式泄洪。这些 水利工程的泄洪落差大，泄洪洞水流速度高，水流空化空蚀严重。例如二滩泄洪 洞洞内最高流速4 5 m s ，小湾泄洪洞上下游水位落差超过2 3 0 m ，洞内流速也高 达4 5 m s ，溪落渡水电站泄洪洞流速更是高达6 0 m s 。加之我国河流的含沙量大， 水流的冲刷磨蚀也比较严重，对泄洪洞的安全造成很大的不利影响。 表1 1我国几个高坝泄洪情况 泄洪流量 泄洪功率 工程名称坝高( m )水头( m ) ( m 3 s )( m w ) 二滩 2 4 0 2 0 9 8 01 6 53 3 9 5 9 拉西瓦 2 5 04 6 8 02 1 09 6 4 1 构皮滩2 2 53 1 8 3 71 4 l4 4 0 3 7 小湾2 9 22 0 1 8 22 3 04 5 5 3 7 溪洛渡 2 7 3 5 2 3 0 02 0 51 0 0 0 0 0 如何确保泄洪洞泄洪安全以及在泄洪洞出现空蚀等安全问题后如何及时进 行检测和预警是亟待解决的问题。 由于泄洪洞属地下工程，结构庞大，目前泄洪洞泄洪时造成的空蚀破坏主要 是靠人工的方法进行检查或通过点式传感器等进行监测。人工检查的方法只能在 泄洪洞泄洪停止后进行，对泄洪过程中进行的空蚀破坏过程无法了解和监控，不 仅具有时间上的滞后性，而且人工检查需要耗费很多时间和人力；点式传感器覆 盖范围有限，且泄洪洞环境恶劣，传感器易因腐蚀而失效。 随着光纤传感技术的发展，使对泄洪洞泄洪时的在线实时监测成为可能。本 文首次提出利用分布式光纤检测泄洪洞空蚀的思想，对分布式光纤区域振动特性 进行了试验研究。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 损伤识别的发展历史和状况 疲劳和裂纹等造成的损伤是工程结构破坏的重要原因。许多大型复杂结构如 宇宙空间站、航天飞机、海洋平台、高层建筑、大跨度桥梁、水库大坝和地下工 程等结构在长期复杂的服役环境中将受到诸如环境侵蚀、材料老化和荷载的长期 效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用而出现局部损伤，这些局部损 伤对结构的安全使用构成了威胁，由于应力作用、疲劳、腐蚀等因素的影响会使 局部损伤不断扩展，导致整个结构的承载能力下降，从而使整个结构破坏。因此， 要求对工程结构进行损伤探测并进行及时修复，以延长其使用寿命和防止突发性 的事故。因此，损伤识别应运而生。 损伤识别可以追溯到几千年以前。例如人类很早就应用基于振动检测的方法 对结构进行状态评估和损伤检测。自从人类发明了陶瓷以后，它的质量检测就是 损伤识别问题。古人对陶瓷中的裂缝及空洞是这样检测的：他们用锤子或者手指 轻轻敲击陶瓷，从敲击发出的声音来判别陶瓷中是否存在诸如裂缝或者空洞这样 的损伤【4 】o 到了近代，随着科学技术的发展，出现了现代意义上的结构损伤识别。结构 损伤识别最早被应用于机械、航空领域。对于由连杆、轴承、齿轮等一系列零件 组成的大型机械，人们很早就开始对它们进行结构故障诊断。后来在2 0 世纪6 0 年代初期，由于航空、军工的需要，结构的损伤检测发展起来，并发展了一系列 的无损检测技术。8 0 年代以后，计算机技术、信息技术和人工智能等学科的知 识不断被应用到结构损伤检测中，人们不仅应用各种检测手段和检测工具在现场 对结构进行测试，还应用各种理论方法在计算机上结合有限元计算对结构的损伤 状态进行分析，来识别在现场无法察觉的结构损伤。 与航空、机械以及工业结构和系统相比，土木水利工程结构有其自身的独特 性，比如体积庞大、空间分布广、包含的构件多等。这就会使得某些要检测的构 件可能无法接近或非常危险，因此基于振动的全局损伤探测技术得到了飞速发 展。 结构损伤识别方法可以分为局部和全局损伤探测两类。局部损伤探测主要是 建立在可视检测或无损检测理论基础之上的。但是局部损伤探测技术要求损伤区 域事先必须知道，并且结构被检测的部分是容易接近的，而且使用的仪器价格昂 贵，不能对结构实时在线监测全面掌握结构的健康状况，这就使得该方法在土木 水利工程领域的应用受到了限制。 因此，国内外研究的热点就转向了基于振动测量的整体损伤检测方法。结构 2 第一章绪论 基于振动测量的损伤检测基本思想是损伤将导致结构物理特性( 诸如刚度、质量、 阻尼等) 的变化，结构物理特性的变化进而将导致结构动态特性( 诸如固有频率 和振型等) 的变化。因此，理论上，根据结构动态特性变化能够检测结构的损伤。 结构动力损伤检测的基本问题就是根据对结构动力响应的测量来回答损伤是否 发生、损伤发生在哪里、损伤的程度如何等问题，为结构健康状态的评估提供依 据。除了无损检测法和振动分析法两大类传统的损伤监测与诊断方法外，近年来 的发展趋势是视频显微探测方法和以现代信号处理为基础的小波、神经网络与分 形等检测方法1 5 - 1 6 j 。文献【17 】利用声波c t 技术，通过预制的试块模型试验，就超声 波c t 技术对混凝土内部缺陷检测进行了研究。 通常损伤识别方法分类系统定义的四个损伤识别水平t 扫r y t t e r 1 8 】定义了如 下：( 1 ) 确定结构中损伤的存在；( 2 ) 确定损伤的几何位置；( 3 ) 损伤严重 程度的量化；( 4 ) 结构剩余服役期的预测。 当不使用结构模型时，基于振动测量的损伤识别方法对损伤的识别可以达 到( 1 ) 和( 2 ) 的水平。当使用结构模型时，在某些情况下基于振动测量的损伤 识别方法对损伤的识别可以达到( 3 ) 的水平。水平( 4 ) 与断裂力学、疲劳寿命 分析或者结构设计评定等诸多学科有关。局部损伤识别则由于其局限性，只能就 一定区域内的损伤是否存在、以及一定区域内损伤程度的问题进行研究，而无法 给出整体结构的受损程度信息。 1 2 2 基于振动的结构整体检测方法及进展 基于振动的损伤识别方法的核心问题之一是寻找与结构动力特性密切相关 且对结构损伤敏感的损伤参数，如频率、振型、阻尼等，通过这些动力参数的变 化判断结构损伤情况。根据动力测试数据种类和由测试数据进行识别的方法不 同，基于振动测试的结构损伤识别方法大致可分为基于参数识别的动力指标分析 法、基于有限元模型的修正方法和直接基于测试信号的损伤识别方法。 ( 1 ) 基于参数识别的动力指标分析法 任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵等结构参数组成的动力学系 统。结构一旦出现损伤，势必引起结构参数的变化，从而导致系统模态参数和频 响函数的变化，因此，模态参数( 频率、振型和阻尼) 的改变可视为结构损伤发 生的标志，可以利用损伤前后结构动力特性“指标 的变化来检测结构损伤。而 且振动测试的方法有加载设备简便、测试速度快、振动信号易于提取、传感器可 安装在人们不易接近的地方、损伤探测的过程不影响结构的正常使用等优点，这 就使得基于结构振动参数变化的损伤探测方法的实现和广泛应用成为可能f 1 9 l 。 这种方法利用未损伤结构的数学模型和振动试验数据，与损伤结构的振动响 应进行比较，从而判定、评估出结构损伤的位置和程度。 第一章绪论 为了能够识别损伤并且确定损伤位置，首先应对结构进行易损性分析，根据 先验知识假设一系列可能的损伤状况，建立各种“指标”变化所对应损伤的数据 库，然后用结构当前动力“指标”的变化与损伤数据库中的“指标”相比对，从 而选择最接近的损伤状况作为结构的实际损伤状态。损伤信息特征量大致可分为 两类：位移模态参数，如固有频率、阻尼、模态振型等；应力应变参数，如 应变模态、应变能等 2 0 1 。常用的动力指标方法有： ( a ) 基于频率的结构损伤识别。包括采取结构低阶固有频率的变化作为特 征参数 2 1 1 ( 由于结构低阶固有频率对结构损伤比较敏感且易于测量和测量精度 高) 、利用频率变化比及频率变化的平方比两种固有频率特征量的谱线图对比识 别混凝土构件损伤的出现和损伤位置1 2 0 、利用实际测量的少数几个频响函数，计 算由于损伤产生的结构动力刚度e l 的减少来进行结构损伤定位以及损伤程度评 估的方法1 2 副等。 ( b ) 基于模态振型的结构损伤识别。该方法主要是利用模态置信准i ) l j ( m a c ) 和坐标模态置信准则( c o m a c ) 来判断和评估结构的损伤，也有些学者直接利 用损伤前后振型的变化来识别结构的损伤【l9 1 。 ( c ) 基于曲率模态应变模态的结构损伤识别。由于与位移模态振型相比， 应变模态或者曲率模态是位移模态的一阶微分，损伤引起位移的微小变化将会被 这个微分过程放大，从而引起应变模态的突变，对损伤尤为敏感。文献1 4 j 利用应 变模态对损伤结构进行了研究，取得较好的效果。文献【8 j 利用应变模态通过数值 模拟得出，结构的各阶应变模态对结构的损伤都具有敏感性，相比而言，高阶模 态比低阶模态对结构的损伤更敏感。 ( d ) 基于模态柔度的结构损伤识别。在模态满足质量归一化的条件下，柔 度矩阵是频率平方的倒数和振型的函数，因此低阶振动的模态和频率信息在柔度 矩阵中所占的影响成分很大，对结构的低阶模态很敏感。实际应用中，一般只能 测得结构最低的几阶模态与频率，以此来近似得出实际的柔度矩阵。在利用结构 的刚度矩阵进行损伤识别的算法中，有限的低阶模态信息使刚度矩阵的近似误差 较大，而采用柔度矩阵则可避免这一缺点。虽然在结构动态分析中，柔度矩阵比 刚度矩阵容易测量，但是直接通过柔度矩阵识别局部损伤很困难，原因是：损伤 一般仅改变局部的刚度特性，而且得到的结构柔度矩阵的元素一般很少，直接用 它进行损伤定位容易受到测试噪声的干扰| 2 2 4 j 。 ( e ) 基于模态应变能的结构损伤识别。史治宇等 2 5 - 2 6 j 给出了单元模态应变 能的概念，提出了基于单元应变能变化率的损伤探测方法，不足之处是在识别损 伤的程度时需要完备的模态振型。 ( f ) 基于功率谱的结构损伤识别。 ( g ) 基于模态能量转换比法的结构损伤识别。 4 第一章绪论 各种指标都有自己的优缺点，虽然固有频率的识别精度最高( 识别误差1 量级) ，但其变化仅能确定损伤的发生与否；位移振型可确定损伤位置，但其识 别误差l o 左右，且受到测量点数的限制，无法获得较为精确的振型；一些学者对 混凝土损伤的初步研究表明，应变类参数比位移类参数具有更高的敏感度，但并 非完美无缺，在实际检测中受到应变片布置、应变片测量系统的相对误差较大等 限制【2 0 】。 动力指标类方法简单易行，在一定程度上能识别损伤，但损伤识别的定位能 力较差。一个关键的问题是这些结构动力的指标一般是结构整体特性的反映，对 结构微小的损伤不敏感，因为结构损伤恰恰是局部的，这样往往导致损伤识别， 特别是损伤定位和损伤程度识别效果不尽人意。此外，动力指标类方法中的动力 指标一般对噪声和环境因素较敏感，给工程实际应用带来一定的困难。 ( 2 ) 基于有限元模型的修正方法( 又称模型更新法) 有限元模型更新法在结构健康监测中主要用于把试验结构的振动反应记录 与原先的模型计算结果进行综合比较，利用直接或间接测知的模态参数、加速度 时程记录、频率响应函数等，通过条件优化约束，不断地修正模型中的刚度分布， 从而得到结构刚度变化的信息，根据模型刚度的变化来实现损伤的定位和损伤程 度的评估。有限元模型修正充分利用了理论建模与实验建模的优点。 有限元模型更新法主要有优化矩阵更新法、基于灵敏度的矩阵更新法、特征 结构分布法等【l 引。 在有限元模型更新技术的支持下，可以比较更新后的模型( 与结构现状相关， 通常存在损伤) 与原始模型之间的差别来识别损伤。由于运用模型更新技术检测 损伤及损伤位置是基于一个合适的动力学模型，主要识别模型参数的变化来检测 损伤( 即参数处理方法) ，要求对系统的动力学特性要有先验的知识。所以虽然 模型更新方法可以对损伤进行量化和定位，但是它仍然与结构损伤识别有如下差 异： ( 1 ) 有限元模型更新是为了获得与实际测量数据达到最佳匹配的新模型， 用它完全可以代替实际结构。而损伤识别是为了对刚度和强度退化的区域进行定 位；( 2 ) 有限元模型更新中需要调整的结构参数通常是已知的，而这些参数对 于损伤识别来说是不知道的。举例来说，对于带有一个切口的梁，我们可以调整 切口的深度使得梁的几阶频率尽可能与实测的相匹配；但是就损伤识别而言，切 口的位置事先是不知道的，我们必须设计相应的变量参数来对损伤进行定位。 大型土木工程结构的动力特性一般由现场的振动试验确定，对于桥梁一类的 土木工程结构，在正常工作条件下，风、车辆、行人等是种自然的环境激励方 式。直接利用环境激励时桥梁的振动响应数据进行模态参数识别，具有明显的优 点：不需额外的人工激励，不必中断交通，更符合结构实际的边界条件与工作状 态，可以实现实时的监测等。因此基于环境振动的土木工程结构有限元模型修正 第一章绪论 方法更具有实际意义。 有限元模型修正方法在划分和处理子结构上具有很多优点，但是在实际应用 中，由于测试模态集不完备、测试自由度不足以及测量信噪比低等原因，很少能 够给出修正所需的足够信息，易产生病态方程，常导致解的不唯一性。而且有限 元方法在建模时所做的一些假定与实际结构难免有差距，带有很大的主观性，所 以在将有限元修正方法应用于土木工程结构的损伤识别、既有结构的承载力评定 和结构的长期健康监测中时，仍存在许多问题需要很好地解决。 ( 3 ) 直接基于测试信号的损伤识别方法 直接基于振动测试信号的结构损伤识别方法，避免了模态参数识别这一中间 过程，具有显著的优点。这类方法采用数字信号处理方法直接对结构响应信号进 行分析和处理，根据信号参数的变化或统计，达到损伤识别的目的。常用的信号 处理方法有傅立叶变换、小波变换、基于经验模态分解法( e m d ) 的h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 等。f o u r i e r 谱分析方法是对信号全局能量谱分布的一种描述方法， 然而f o u r i e r 谱分析对某些类型的信号是不适合的，这是因为f o u r i e r 谱分析本身要 受到严格的条件限制：系统是线性的；信号是周期的或者平稳的；连续的或者是 只有有限个第一类间断点；只有有限个极值点。这就使得f o u r i e r 谱分析方法在处 理非线性和非平稳的信号时不太理想。而损伤的振动信号大都是非平稳的，实际 工程中的损伤大多是非线性的。 基于信号的损伤识别技术直观、省时，因而在土木工程结构在线健康监测中 是可行的。作为不需要结构分析模型的直接损伤识别方法，可用解决前两个水平 ( 水平l 和水平2 ) 的损伤识别问题，即确定结构出现损伤和损伤的位置。为了下 一个水平的损伤识别，例如定量损伤程度，需与结构分析模型结合在一起来考虑。 此外，基于信号的损伤识别方法，当传感器放置在损伤位置时能够有效地检测和 识别损伤，但还需要进一步的研究使它适用于损伤位置事先未知的更一般结构系 统的可能性，以便基于小波分析的损伤识别方法能用于更广泛的实际工程。 总之，虽然损伤检测与识别的基础看起来很直观，但在实际应用中还存在比 较大的困难：一是损伤是一个局部现象，对反映结构整体性能的特征参数影响不 大；二是损伤识别在很多情况下要在“无监督学习”方式下进行，即分析数据中 不包括损伤结构数据的样本，有时甚至连完好结构数据的样本也没有；另外，环 境因素的影响以及有限的测量点也是不可忽略的因素。 结构振动响应法利用振动响应信息和动态参数对损伤的敏感性，可较为准确 地判定损伤的存在与位置。全局方法仍然要用结构当前信息与原始信息进行对 比，以此确定结构是否发生损伤，这无疑会由损伤前后结构信息不在同一噪声水 平而带来误差甚至错误。 文献1 4 j 根据土木工程结构设计中广泛使用的对称原则，利用与发生损伤杆 6 第一章绪论 件对称的未发生损伤的杆件的动力特性对比发生损伤杆件的动力特性，从而确定 损伤是否发生、损伤位置和损伤程度。并通过试验进行了验证。 实验中传感器的布置一直是测试模态参数的重要一环，传感器对于结构会造 成附加质量的影响，如果布置过多会对结构的影响太大，但布置得少又会影响实 验精度，从而使结构损伤难以被判断出来。针对以往的实验中无论用什么模态参 数测量结构的损伤，都存在着测量数据不够充分、所得到的数据不够精确等实验 技术方面的限制。文献1 27 j 利用激光测振仪对结构的损伤进行了试验研究。 由于人工神经网络与传统的模式识别方法相比，它具有容错性、鲁棒性、自 组织自适应性、便于实时监测和滤噪声能力强等方面的优点，因此应用神经网络 进行结构的损伤诊断的研究举不胜举，国内外都进行了大量的研究。用于损伤诊 断的最常用且最有效的两种神经网络是b p 神经网络和r b f 卒* 经网络。文献 2 8 - 3 0 】 分别运用它们进行了损伤识别，效果令人满意。 神经网络理论和技术不需要系统动力学特性的先验知识，具有损伤检测非参 数方法的特点，它不仅适应于线性系统，尤其适应于非线性系统；因此它比模型 更新方法及信号处理方法适应性更强，神经网络的另一个优点是处理环境振动的 能力很强，省略了激振设备，更容易应用于工程实际中【2 3 2 4 】。 神经网络在损伤识别中的基本思路是：首先用无损伤系统的振动测量数据来 训练网络，用适当的学习方法确定网络的参数；然后将系统的输入数据送入网络， 网络就有对应的输出，如果学习过程是成功的，当系统特性变化时，系统的输出 和网络的输出就有一个差异，这个差异就是损伤的一种测度【2 4 1 。 但是，究竟采取何种输人参数更为有效，目前国内外尚无统一的结论，一般 认为提取结构损伤前后的模态参数来对损伤进行判断比较有效，通过振动对结构 进行诊断，具有信号易于提取、探测器可以安装在人们不易接近的结构部位等优 点，所以众多研究者在结构振动模态分析技术发展方面作了许多研究工作【6 | 。 k a m i n s k i p l j 比较了采用自振频率、频率变化量以及正则化的频率变化率用于网络 损伤识别的有效性，得出频率的变化率与损伤的程度和位置均相关，而正则化的 频率变化率只与损伤位置有关【l 。 很多文献采用固有频率经预处理后作为神经网络的输入参数，也有采用位移 模态、模态曲率、应变模态等模态参数作为输入参数，有些则采用位移、加速度 时程响应数据，还有的采用频响函数作为神经网络的输入参数1 3 2 。 1 2 3 局部检测方法及发展状况 局部损伤探测方法是通过测量结构某些部位的应力、应变等来判断结构的损 伤位置和损伤程度。局部检测与评定针对的对象是具体可疑的结构构件，即通常 所说的无损检测与评价。无损检测包括声学法、染色渗透剂法、电涡流法、光学 7 第一章绪论 反射镜法、光纤维图像分解法、硬度检测法、同位素法、泄漏检测法、光学法、 磁粉法、磁扰动法、莫尔等值线法、噪声测量( 脉动测量) 法、模式识别法、压 强真空检测法、脉冲一反射法、射线成像法、超声波法、热学法、x 射线法以及 目测法等一j 。这些检测手段可以对结构的外观以及某些局部特性进行检测和评 价，检测的结果直观，能在一定程度上反应结构的损伤状况。 用目测法直接观察是结构损伤检测最常用和最直接的方法。然而，该方法对 于复杂结构常常是不可能的，因为某些至关重要的损伤可能发生在人们无法接近 的区域，或者可能被油漆或表皮材料所覆盖。直接观察也不能提供对结构剩余强 度的定量描述。另外，某些对结构影响很大的损伤可能表面上看起来并不明显， 这就容易造成“误诊”。在土木水利工程结构中，裂纹、腐蚀、混凝土剥落等都 是典型的损伤情况。 局部检测与评定针对的对象是具体可疑的结构构件，其技术已经比较成熟。 其缺陷是工作繁琐，费用高，无法对大型复杂结构或事先无法预测损伤位置的结 构进行全面检查，只有在整体检测方法确定目标部位以后使用较为合适，而且无 法给出整体结构的受损程度信息。 1 2 4 光纤传感技术及发展状况 虽然基于振动的整体损伤识别方法能够探测结构整体的损伤情况，但由于影 响结构振动参数的因素较多，加上大型复杂结构振动模态识别技术发展的限制， 用振动诊断对结构进行损伤检测的研究大多集中在诸如直梁等这样构造较为简 单的结构上p 引，对于像隧洞、泄洪洞等地下工程难以利用。虽然局部损伤探测能 够对结构损伤的位置和损伤的程度进行精确测量，但其必须在结构上布置或埋设 大量的传感器，而且要比较准确地预测损伤的部位，因此，这种方法将大幅度提 高工程造价，有时甚至是不现实的，而且过多的传感器将会破坏结构的正常工作 性能。但智能材料，如光纤等的出现，将使在结构中布设大规模、分布式传感器， 进行结构局部应力的测量，并进而识别结构损伤成为可能1 3 4 1 。 光纤传感技术是随着光纤通信技术的发展出现的。它与全息、热成像、声发 射等新技术一样，在一些特定的探测环境中发挥重要的补充作用，与常规方法相 辅相成，有很大的应用价值。 光纤是2 0 世纪7 0 年代开始研究开发的，主要成分是s i 0 2 ，直径通常在1 0 0 1 2 5 9 i n 之间，是一种由外包层和内芯构成的纤维状光通信介质。由于纤芯的折射 率大于外包层的折射率，光在传输中的能量损失很少。光纤传感器技术研究最早 开始于1 9 7 7 年，美国海军研究所开始执行由查尔斯m 戴维斯博士主持的f o s s ( 光纤传感器系统) 计划【3 5 1 。早期的光纤传感器因为存在价格昂贵、技术不够成 熟等问题，在工程上没有得到广泛的应用。光纤传感技术具有极高的灵敏度和精 第一章绪论 度，良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧等 优点。随着光传感技术的发展和工艺水平的提高，光纤传感器的应用得到了大力 推广，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度。近年来光纤传感器在 机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、生物医学、食品等工业领域的生 产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面有着广泛的应用。近年来，为改进 传统的结构安全检测方法，光纤传感器由于其高灵敏度、抗电磁干扰、测量的频 带宽、动态响应范围大、可移植性强等独特的优点而被引入结构工程，广泛应用 于建筑结构应变及桥梁结构健康监测、混凝土力学性能测试及检测等领域，以检 测结构的外部荷载，测量内部温度、应力、应变及外部荷载引起的损伤1 3 6 1 。 1 3 本文的主要内容 本文对分布式光纤的振动特性与工程上熟悉的位移和加速度传感器进行了 对比测量分析，并利用振动测试系统对埋设在混凝土结构内部的分布式光纤传感 器进行了定性试验分析。本文主要包括以下内容： 首先对工程中的损伤识别方法的发展历史及现状进行了回顾和总结，指出通 常意义上的基于振动的整体损伤识别和局部损伤识别方法各有优缺点，水利工程 中的泄洪洞属大型地下结构，利用光纤传感技术进行空蚀破坏检测有自身优势。 对泄洪洞空蚀破坏进行识别，首先必须知道空蚀破坏的原因，第二章列举了泄洪 洞空蚀破坏的实例，并进行了原因分析，指出了泄洪洞易发生空蚀破坏的区域。 小波分析是近年来迅速发展起来的一种信号的时频分析技术，第三章对小波理论 进行了介绍，并介绍了利用小波理论进行信号的趋势项去除和去噪方法。第四章 首先对光纤传感器分类和原理进行了介绍，然后对试验所用的分布光纤传感器和 试验测试系统进行了说明，对分布式光纤的振动特性与工程上熟悉的位移和加速 度传感器进行了对比测量分析。第五章利用力锤对埋设在混凝土内的光纤的传感 性能进行了试验，并就不同光纤埋设深度进行了定性的试验分析，并根据试验结 果阐述了分布式光纤检测泄洪洞空蚀的原理。最后是结论与展望，总结了试验成 果，指出试验中存在的问题及下一步研究的方向。 9 第二章泄洪洞的空蚀破坏 第二章泄洪洞的空蚀破坏 泄水建筑物在水利水电工程中占有极其重要的位置。它的主要功能是将来自 上游河道的洪水顺畅地泄入下游河道，以确保主体工程的安全。由于泄水建筑物 承担着宣泄上游来水的作用，同时它受到下泄水流、特别是高速水流的冲刷作用， 其本身及下游河道中，水流冲刷造成的破坏随处可见而又难以避免。从10 3 座水 电站泄水建筑物的调查表吲3 7 j ，泄水建筑物在水流作用下特别是高速水流作用 下，造成破坏的共有6 7 座水电站泄水建筑物，占1 0 3 座总数的6 5 。 泄洪洞是水利水电工程中常用的一种泄水建筑物，特别是深水泄洪洞，随着 大坝高度的不断刷新，由此造成的泄洪洞破坏问题也十分突出。 2 1 泄洪洞空蚀破坏实例 ( 1 ) 美国的胡佛重力拱坝泄洪洞 美国的胡佛重力拱坝，坝高2 2 1 m ，1 9 3 6 年建成。该坝左右岸各设有1 条泄洪 隧洞，直径为l5 2 m ，混凝土衬砌。在泄量1 0 7 0 m 3 s 连续几个小时运行后，隧洞 弯段处的底部发生空蚀破坏，该处混凝土厚度为7 5 m ，并有7 年多龄期的后期强 度，但空蚀破坏仍很严重，不仅击穿了混凝土，而且在基岩中形成了一个深1 3 7 m 、 长3 5 m 、宽9 5 m 的大坑，从坑内冲走混凝土和岩石4 5 0 0 0 m 3 。 ( 2 ) 刘家峡水电站右岸泄洪洞 它是由导流洞改建的，1 9 7 2 年5 月6 日泄洪洞正式泄流，历时3 1 5 4 d 、时，闸 门开度3 5 m ，该时段的平均库水位17 2 0 2 1 m 高程，流量2 6 0 - - 一2 8 7 m 3 s ，总泄量6 1 5 亿m 3 。泄水后进行抽水检查，发现泄洪洞反弧段以及紧接其下游的底板遭受严重 破坏。破坏部位大致可分成三区：第一区为0 3 m - - 一o 5 m 的两个坑：第二区冲成深 3 5 m 的大深坑；第三区长达1 9 0 m 的底板几乎全部冲毁、基岩被淘刷。破坏原因 主要是由于施工不平整度引起的的空蚀破坏。随着空蚀坑的动水压力作用，使得 新衬砌的混凝土底板大面积冲毁，大部分钢筋被拔除或被剪断。 ( 3 ) 碧口水电站右岸泄洪洞 碧口水电站右岸泄洪洞是利用施工导流洞改建的“龙抬头”式泄水建筑物， 出口设有一个扭鼻坎。1 9 7 1 年3 月截流过水。由于施工期紧迫，洞身混凝土质量 差，隧洞的体型尺寸较设计值相差较大，一般为1o c m 2 0 c m 之间。底板浇筑高 程控制不严，致使混凝土表面平整度差，各浇筑块之间错台严重，灌浆管头、钢 筋头、混凝土渣等遗弃物很多。经过5 年导流过水，1 9 7 5 年1 2 月下闸蓄水后进洞 1 0 第二章泄洪洞的空蚀破坏 检查，发现洞身底板遭受严重破坏，除局部被磨成麻面外，混凝土表面砂浆几乎 全部被磨掉，大骨料外露，大部分磨蚀深度在2 l o c m ，洞身右侧还有l o - - 2 0 c m 的冲沟，整个洞身结合段的底板坑洼不平。后进行了修补，同时设计上对混凝土 表面的不平整度提出了严格要求。从1 9 7 6 年1 9 9 0 年工运行1 5 年，历时3 1 8 8 d , 时， 最大泄量18 0 0 m 3 s ，运行基本正常，没有发生重大异常现象，凡是严格按设计要 求，保证施工质量的部位，一直运行均正常。 反之，均出现了被冲坏的情况，如洞身出口段处，底板砂浆抹面冲掉8 m 2 ， 冲坑深5 一，6 c m ，最深达1 0 c m 。这是由于第一次处理时此部位的泥水未清洗干净 引起的。底板4 4 号仓位有一块约3 0 m 2 的砂浆抹面被冲坏，冲坑深l - 2 c m ，局部 有小的冲沟。这是由于底板有一条裂缝，并有地下水渗出而引起的。4 9 号仓位有 一块约2 5 m 2 的砂浆抹面被冲坏，冲深5 - - - - 7 c m ，局部深1o c m ，也是由于底板上有 一条细小的裂缝引起的。上述破坏经修补后，由于局部平整度未达到设计要求， 空蚀破坏未得到根本保证。 ( 4 ) 鲁布革水电站右岸泄洪洞空蚀破坏 该洞于1 9 8 6 年1 9 8 8 年连续三个汛期参与渡汛与导流，当时的水头为2 0 m ， 汛后检查未发现破坏现象。1 9 8 9 年开闸1 0 3 次，运行水头达7 7 5 m 。闸门大部分时 间是1 5 开度，历时1 7 6 7 d 、时，汛后检查发现弧门底坎后的钢衬突起呈龟背状， 最大突出高约8 c m ，一般为1 一2 c m ，3 - - - 4 c m 。钢衬偏右边的渐变段混凝土底板 出现一个空蚀坑，长约9 m 、宽约5 m ，最大深度2 m ，并侵入右侧边墙约0 8 m 。底 板与边墙钢筋均被切断、冲弯。破坏原因是由于弧门底坎后的钢衬钢板与底板连 接不牢，当高水位泄洪时，在脉动压力作用下钢板突起，在突体下游形成空蚀坑。 空蚀坑的位置、深度与突体高度是对应的。 ( 5 ) 王瑶水库泄洪洞破坏1 3 8 】 王瑶水库是延安地区唯一的一座大( 二) 型水库，位于安塞县延河支流杏子 河中游的陈则沟村。水库枢纽工程包括大坝、泄洪洞、输水洞、渠首和电站。泄 洪洞位于水库左岸，距大坝左肩水平距离9 0 m ，由进口明渠段、压力洞、放水塔、 明流隧洞和出口挑流段组成。 王瑶水库泄洪洞于1 9 8 5 年建成运行，洞身采用钢筋混凝土衬砌，稳定性目前 尚好，至今未见裂缝，只是明流段底部和洞壁( 下部1 5 m 以内) 因水流含砂量高， 流速过大冲( 气) 蚀比较严重，混凝土表面多处呈蜂窝麻面状，底板混凝土石子 外露，出现密密麻麻分布的小坑，最大深度约3 5 c m ，多处表层钢筋外露，扭 曲锈蚀严重，对洞身的安全构成威胁。 ( 6 ) 二滩水电站1 号泄洪洞空蚀破坏 2 0 0 1 年1 2 月1 8 日，二滩水力发电厂在汛后检查中，发现1 号泄洪洞边墙及底 板混凝土衬砌都不同程度的遭受了损坏，初步估算被冲走混凝土和基岩近2 万余 第二章泄洪洞的空蚀破坏 m 。主要情况如下： 桩号0 + l 9 0 18 0 + 2 2 6 18 m 段的右侧边墙自号u 形掺气坎下游约3 m 、右侧 补气孔下游边缘起发生空蚀，损坏范围由小到大、由浅到深，直至淘刷基岩，仅 在本段末端残留一个混凝土立柱；左边墙大部完好，仅在l1 号掺气坎下游约1 5 m 、 高度6 m 处见一约l m 2 的剥蚀区，本段末端剥蚀严重，可见钢筋出露。桩号 0 + 2 2 6 18 o + 3 8 7 18 m 段右边墙基本全部被毁，并沿围岩软弱结构面冲刷局部加 剧，残留边墙的钢筋被拉断。 桩号0 + 2 2 6 18 o + 3 2 0 8 2 m ( t 2 6 t 3 8 浇筑块) 段左边墙衬砌混凝土约9 5 m 长 被冲走，局部沿围岩软弱结构面沟深十余米，残留边墙的钢筋被拉断。桩号 0 + 2 2 6 1 8 o + 5 8 7 1 8 m 段混凝土底板基本被冲走，基岩大部出露，并形成局部数 米至十余米的深坑：可见锚杆被剪断、拉断或拔出的情况。 0 + 5 8 7 18 m 至出口段衬砌混凝土未遭大的损坏，但底板和边墙下部混凝土表 面被冲磨产生密集的沟槽和麻面，深度为5 1 0 c m 。 2 2 泄洪洞空蚀破坏及原因分析 泄洪洞主要由进口控制段、进口渐变段、洞身段、出口渐变段、出口控制段 等组成。泄洪洞进口段后接无压明流洞或有压洞，从而可以把泄洪洞分为无压( 或 明流) 泄洪洞和有压泄洪洞。 泄洪洞的主要用于泄洪、放空水库，或用于泄洪冲沙。对于高水头泄洪洞， 由于闸门制造、运行等方面的限制，泄洪洞的形式，或采用竖井、斜井，或采用 龙抬头，或采用龙落尾等方式，降低闸门所承受的水头。一般情况下，深水闸门 控制的水头多在7 0 - - - 8 0 m 左右，如小浪底工程1 3 9 】。 由于泄洪洞所处的高水头等环境，所以泄洪洞的破坏是很常见的，也是不可 避免的。 泄洪洞破坏