橡胶坝袋振动因素及防振措施浅析

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摘   要：本文在分析橡胶坝具体特点的基础上，阐明了坝袋振动的机理及影响坝袋振动的因素，并据此从工程设计、工程施工及工程管理三方面提出了减小坝袋振动的对策。
   关键词：橡胶坝 坝袋振动 减振措施

    1、绪言
    随着水利建设事业的发展，橡胶坝作为一种新颖的坝型，在营造滨水景观、改善沿河小气候方面具有独特的优势，得到了越来越多的应用。近年来，××市水利建筑勘测设计院在××市及周边地区先后设计橡胶坝挡水工程近20座，特别是白河四级橡胶坝的梯级开发，使我们对橡胶坝有了更深一步的研究。橡胶坝壁薄性柔，溢流时由于水流的不稳定性，易诱发坝袋振动，它比一般结构的振动更为复杂。坝袋振动易导致其磨损，甚至发生脱层、撕裂，严重的还会破坏整个坝体，因此研究其振动原因及影响因素，提出相应的减振措施，成为橡胶坝领域一个意义重大的课题。我们结合××地区橡胶坝建设与运行的一些有益经验，并参考近年来国内外对橡胶坝的振动试验研究成果及减振理论，对橡胶坝袋振动机理、影响因素及减振措施等几方面作一浅析。 
    2、坝袋振动机理
    水工结构的振动是水工建筑物直接的或潜在的一种破坏因素。引起水工结构振动的原因十分复杂，按振动的性质可分为强迫振动和自激振动两类。前者是在外扰力作用下引起弹性结构的动力响应，后者有时是由于在某些条件下水工结构自由振动不稳定产生的。橡胶坝袋的振动主要是外力(如水流脉动)作用下的强迫振动。橡胶坝袋为柔性薄壳结构，袋内充水或充气体，在各种不同的外力作用下形状变化及自由度很大，对水流脉动反应灵敏，易出现振动，尤其是在坝顶溢流时，弹性体坝袋在水流脉动压力作用下，更易产生振动现象。水流脉动压力是随机的，故坝袋的振动也是随机的。若外力强迫振动频率与坝体在水下的自振频率接近时，坝体的振动加重，甚至发生共振现象。共振时坝袋损坏很大，当共振时坝袋产生的内应力大于坝袋材料的允许应力时，坝袋将遭到破坏。橡胶坝在运行中，若长期存在坝袋振动现象，则会导致磨损、脱层和撕裂，严重的甚至破坏整个坝体，影响工程的安全及效益的发挥。
    3、影响坝袋振动的因素
    橡胶坝溢流时由水流的不稳定性诱发的坝袋振动，比一般结构的振动更为复杂。橡胶坝的振动受多种因素影响，如坝顶溢流流量、下游水深、锚固形式、充胀高度及介质、水工布置、坝体跨度、内压比、浪载作用、水流流态、气候条件和坝袋本身的性能等。对于运用中的橡胶坝，坝袋振动主要受过坝流量、下游水位、坝体跨度、坝袋锚固和两岸连接形式、充胀介质及坝袋施工安装的影响。
    3.1 坝顶溢流量对坝袋振动的影响  
    当坝顶溢流流量较小时，虽然振动频率较高，但由于其动能小，水流脉动压力也小，所以对坝袋振动影响小，振幅低，对橡胶坝不会产生很大威胁；随着溢流量的增加，水流动能增大，振动强度也增大。
    3.2 下游水位对坝袋振动的影响  
    下游水位很低时，在坝下游产生远驱式水跃或者不形成水跃，水流动能向下游传播，对上游的坝袋影响小，此时坝袋的振动主要是由水流过坝时水流脉动压力引起；当下游水位增加到某一数值时，对坝袋振动的影响增大，特别是对双锚充水坝，原因是紧靠坝下游处形成临界水跃，水跃产生的脉动压力大，且很容易影响坝袋的振动；当下游水位再增大时，则上下游水位差小，水流的动能也小了，振动强度也将逐步减小，但是，随着下游水位的降低，振动频率减小，对充水式单锚坝将有可能产生共振。
    3.3 坝体跨度对坝袋振动的影响 
    当坝高和坝顶溢流水深一定时，坝袋跨度越大，相应的振动强度就越大。这主要是由于坝袋内的水体在压力差的作用下产生流动，当坝袋跨度较大时，这股水流还没有流到头，下一股水流又跟上来，形成水波，水波在压力差的作用下不断加强，最后就会形成共振，造成坝袋一起一落起伏振动。
    3.4 坝袋锚固和两岸连接形式对坝袋振动的影响  
    采用双锚固比单锚固抗振效果好。双锚固时在坝袋下游侧增加了约束，水流过坝时坝袋振动较小，下游尾水对坝袋顶托作用也影响不大，减少了坝袋磨损破坏的威胁；而采用单锚形式时，坝袋活动的自由度较大，易发生拍打振动。坝袋与两岸或闸墩连接形式有斜墙和直墙，斜墙连接时，坝袋与两岸边墙锚固连接，相应振动小一些；直墙连接一般采用堵头式结构，自由度大一些，相应振动严重一些。
    3.5 充胀介质对坝袋振动的影响  
    橡胶坝袋内的充胀介质可为气体，水和水气并用三种。同等规模的橡胶坝工程，充气橡胶坝坝袋断面周长小于充水橡胶坝，且空气密度要小于水的密度，所以充气橡胶坝比充水橡胶坝更加轻柔。而充气橡胶坝为防止坝袋漏气，一般采用单锚形式，坝袋活动的自由度相对较大，故在相同条件下，充气橡胶坝比充水橡胶坝更易引起振动破坏。
    3.6 坝袋安装不标准对坝袋振动的影响
    单跨橡胶坝袋重量一般在20吨左右，容易造成施工安装与设计不符，一端比另一端过紧，造成坝袋断面比另一端小，坝顶高程也略低，这样坝顶发生溢流时，溢流水深不同造成坝顶所受压力也不同，而橡胶坝是柔性体，压力会传到坝袋内的水体上，两端水体压力大小不一，坝袋内水体多次反复的压力传递，造成坝袋起伏振动。
    4、相应的减振、防振措施
    针对橡胶坝坝袋产生振动的原因，可以从工程设计、施工及管理等几个方面着手，采取相应的减振、防振措施。
    4.1 工程设计方面 
    橡胶坝设计包括坝袋、土建工程、锚固结构、控制系统等几方面。土建工程主要包括基础底板、上下游防渗防冲设施、边墙及翼墙、护坡等。布置时在不影响河道泄洪能力前提下，基础底板比河床适当抬高，尽可能使底板高程高于下游正常尾水位，可形成低固定坝；坝后紧接陡坡，水流过坝后急泄入消力池，改善水流条件，使坝袋不受下游尾水影响；基础底板及两侧端墙，凡是与坝袋接触部分必须平整光滑，以减轻坝袋的振动磨损。坝址应选择在过坝水流流态平顺及河床岸坡相对稳定的河段，这不仅避免发生波状水跃和折冲水流，防止有害的冲刷和淤积，而且使过坝水流平顺，以减轻坝袋的振动和磨损。针对不同形式的橡胶坝工程，尽量采用使坝袋振动强度小的锚固形式。双锚固形式比单锚固形式要节省坝袋材料，且坝袋振动也要相对轻微，故在有条件时应尽量采用双锚固结构，并加大两条锚固线之间的距离，使坝袋断面接近半圆形，以提高振动发生的界限。当坍坝泄洪时，常常坝内有来不及排走之水，被上游推向下游锚固线形成类似“烟斗头”的小坝，阻水使坝袋产生振动。为此，在坝袋里面的折叠线处敷设一条两旁打孔的胶管，胶管一端接排水管，另一端通所谓的“烟斗头”，引流在坝袋里的这一小部分水倒流向排水管，使坝袋塌平。
    4.2 工程施工方面
    不管是螺栓压板锚固还是楔块挤压锚固，首先放线要准确，要求尺寸精度达到±2～3mm。楔块挤压锚固槽二期混凝土施工中，槽口线和槽底线一定要直，槽壁要求光滑平整，楔块要在预制厂制作，要求实心密实、表面光滑、精确度高；螺栓压板锚固要求螺栓准确定位，垫板、压板制作精确，不能出现翘板、变形、缺角和粗糙现象。在施工安装坝袋时，准确定位，不要出现较大偏差，尽可能符合设计要求，误差在容许值范围之内。
    4.3 工程运行管理方面  
    橡胶坝工程能否充分发挥效益，运行管理是关键。首先是控制坝顶的溢流量，其次是调整下游水位，若下游水位较低，应尽可能提高到一半坝高以上运行，这样振动危害性也就小得多。另外，改变坝袋内的内水压力，改变坝体自振频率，使其避开水流脉动的主频率，防止坝袋共振现象的发生。在汛期时，应注意将坝袋坍平，以利于排洪排沙和减轻坝袋振动磨损。
    5、结论
    引起橡胶坝坝袋振动的因素十分复杂。为了减小坝袋的振动，首先，我们应对坝袋振动的机理有清楚的认识，在工程设计时要充分研究工程实际情况，尽可能的采取一些减小坝袋振动的有利措施；其次，在坝袋安装中要准确定位，施工要符合设计要求，杜绝较大偏差；再次，工程建成后，要严格管理，制定一套合理可行的运行规程，规范操作，保证橡胶坝安全正常运行。