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水 利 学 报

２０２３年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０４ － ０４８６ － １１

基于非线性动力学的泵站建筑物变形性态诊断方法研究

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娄本星 １，２ ，马福恒 ，罗 翔 １，２
（１．南京水利科学研究院，江苏 南京 ２１００２９；２．河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：变形性态分析是诊断泵站建筑物健康状态的重要科学手段，传统水工结构安全诊断方法以单测点变形分析
为主，而泵站建筑物更关注相邻测点间的协同变形性态。鉴于泵站变形时间序列表现出极强的非线性，本文将泵
站相邻测点视作两个非线性动力系统，基于混沌理论证明了泵站变形时间序列普遍具有混沌特性；在此基础上，
引入动力学自相关因子指数与互相关因子指数，提出了基于非线性动力学的泵站变形性态诊断方法；最后分别结
合 Ｌｏｇｉｓｔｉｃ理想时间序列和南水北调工程某泵站枢纽，验证了该方法的有效性。实例分析表明：所提出的方法能
够有效表征非线性系统的动力学结构及动力学距离，可以从相邻测点的内在驱动因素、不均匀变形态势等方面综
合诊断泵站的变形性态，为泵站建筑物安全诊断提供了一种新方法。
关键词：泵站建筑物；变形；安全诊断；混沌特性；非线性动力学
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ６７５ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０７５１

１ 研究背景

南水北调东、中线一期设计单元工程目前已全部通过竣工验收，进入正式运行阶段。其中，泵站
枢纽是南水北调东线一期工程的主要组成部分，在供水、防洪、排涝、灌溉等方面具有重要作用。泵
站枢纽服役过程中会受到外部荷载、突发事件等多重风险威胁，在运行期对泵站建筑物进行监测是保
障工程安全运行的有效手段。变形作为最能直观体现泵站建筑物工作性态的监测项目，合理地变形性
态分析和安全诊断对工程长效服役具有重要的指导意义。
在水工建筑物安全监控领域，结构变形监测一直是水利工程中重要的研究课题 ［１ － ３］ 。现阶段关于
大坝变形性态诊断方法的研究较多 ［４ － ５］ ，而泵站建筑物混凝土坝的变形特性存在较大区别：在混凝土
坝变形监测中，由于坝体受到的水压力较大，水平位移比垂直位移更能体现混凝土坝的服役性态；但
在泵站建筑物变形监测中，由于泵站多修建于软土地基，相邻测点间的不均匀沉降更能体现泵站建筑
物的工作运行状态。实际上，影响泵站建筑物变形的因素十分复杂，导致其监测序列表现出极强的非
线性特征，难以用确定性分析方法进行准确的分析和模拟。随着非线性科学的发展，非线性动力学方
法在理解复杂系统特性、揭示系统演化规律中具有显著优势 ［６］ ，尤其是混沌时间序列分析方法被广泛
应用于气候 ［７］ 、水文 ［８］ 、互联网 ［９］ 等领域。近年来，已有学者证明，大坝变形 ［１０］ 、渗流 ［１１］ 、裂缝开
度 ［１２ － １３］ 、水库高边坡 ［１４］ 等监测信息均具有混沌特性，并基于动力学结构突变理论提出了相应的安全
诊断方法。若泵站建筑物变形信息中也存在有混沌特性，则可以将泵站相邻测点看作两个不同的动力
系统，进而根据非线性动力学理论深入挖掘泵站变形演变特性，提出泵站变形异常诊断与识别方法。
鉴于当前关于泵站建筑物安全诊断的理论和方法研究较少，而准确地辨识泵站变形性态对工程安

收稿日期：２０２２ － ０９ － １８；网络首发日期：２０２３ － ０３ － ０２
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０３０１．１１５２．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：江苏省水利科技项目（２０２１００６）；国家自然科学基金联合基金重点项目（Ｕ２２４３２２３）；国家重点研发计划项目（２０１９ＹＦＣ１５１０８０２）
作者简介：娄本星（ １９９６ － ），博士生，主要从事水工建筑物安全监控与预警等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｂｘｌｏｕ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：马福恒（１９６９ － ），博士，正高级工程师，主要从事水工程健康诊断、监控预警与风险管理等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｆｈｍａ＠ｎｈｒｉ．ｃｎ
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