高坝水垫塘作为防护下游河床的结构,其自身在高速水流冲击下的安全性是实现消能和防冲目的的关键所在,国内外都不乏破坏的实例。近年来,我国拟建和在建的一批具有世界级水平的300m量级高坝,按规范设计的水垫塘安全储备不够,消能安全问题十分突出。关于水垫塘的研究主要集中在两个方面,一方面从力学角度出发,力图阐明水垫塘底板流固耦合作用的机理,揭示底板稳定的条件,从设计上加以指导。另一方面着力构建泄水建筑物安全监测体系,这方面的研究包含了监测体系和监测指标的建立两个层次。本次研究,主要结合二滩水电站水垫塘底板泄洪振动原型观测资料,利用多种信号处理技术对水垫塘底板稳定的安全指标进行了系统的研究,提出了一系列的安全监测指标。研究的主要内容包括:(1)水垫塘底板在高速掺气水流的冲击和水垫塘内水流涡体产生的脉动压力下进行随机振动。在原型观测的基础上,对观测结果进行了时域、幅域、频域的分析,阐明了水垫塘底板振动的特征。并在理论上探讨了水垫塘内脉动压力的规律以及水垫塘底板的失稳破坏机理,最后建立了水垫塘底板安全监测指标体系。(2)通过对水垫塘底板振动信号时间序列的分析证实了振动信号的分形特性。首先计算了水垫塘底板振动信号的盒维数与关联维数,并将其与动力系统相空间中图形结构的维数联系起来,进而由两种维数来确定底板振动的分形稳定指标。并应用分形自仿射理论和最新的分形差值方法,对水垫塘振动信号进行了重构与预测。(3)利用小波分析对信号在不同频段上进行分解,对分解后所得的各频段信号的能量百分比进行统计分析,其值代表了相应频段脉动能量的大小,从而定量得出脉动能量在不同频段上的分布。运用基于经验的模态分解方法EMD,将振动信号分解成有限个不同时间尺度的基本模态函数IMF ,用这种新的时频分析方法在水垫塘底板振动信号处理中作一次有益的探索。