橡膠壩袋振動因素及防振措施淺析

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摘   要：本文在分析橡膠壩具體特點的基礎上，闡明了壩袋振動的機理及影響壩袋振動的因素，并據(jù)此從工程設計、工程施工及工程管理三方面提出了減小壩袋振動的對策。
   關鍵詞：橡膠壩 壩袋振動 減振措施

    1、緒言
    隨著水利建設事業(yè)的發(fā)展，橡膠壩作為一種新穎的壩型，在營造濱水景觀、改善沿河小氣候方面具有獨特的優(yōu)勢，得到了越來越多的應用。近年來，××市水利建筑勘測設計院在××市及周邊地區(qū)先后設計橡膠壩擋水工程近20座，特別是白河四級橡膠壩的梯級開發(fā)，使我們對橡膠壩有了更深一步的研究。橡膠壩壁薄性柔，溢流時由于水流的不穩(wěn)定性，易誘發(fā)壩袋振動，它比一般結構的振動更為復雜。壩袋振動易導致其磨損，甚至發(fā)生脫層、撕裂，嚴重的還會破壞整個壩體，因此研究其振動原因及影響因素，提出相應的減振措施，成為橡膠壩領域一個意義重大的課題。我們結合××地區(qū)橡膠壩建設與運行的一些有益經驗，并參考近年來國內外對橡膠壩的振動試驗研究成果及減振理論，對橡膠壩袋振動機理、影響因素及減振措施等幾方面作一淺析。 
    2、壩袋振動機理
    水工結構的振動是水工建筑物直接的或潛在的一種破壞因素。引起水工結構振動的原因十分復雜，按振動的性質可分為強迫振動和自激振動兩類。前者是在外擾力作用下引起彈性結構的動力響應，后者有時是由于在某些條件下水工結構自由振動不穩(wěn)定產生的。橡膠壩袋的振動主要是外力(如水流脈動)作用下的強迫振動。橡膠壩袋為柔性薄殼結構，袋內充水或充氣體，在各種不同的外力作用下形狀變化及自由度很大，對水流脈動反應靈敏，易出現(xiàn)振動，尤其是在壩頂溢流時，彈性體壩袋在水流脈動壓力作用下，更易產生振動現(xiàn)象。水流脈動壓力是隨機的，故壩袋的振動也是隨機的。若外力強迫振動頻率與壩體在水下的自振頻率接近時，壩體的振動加重，甚至發(fā)生共振現(xiàn)象。共振時壩袋損壞很大，當共振時壩袋產生的內應力大于壩袋材料的允許應力時，壩袋將遭到破壞。橡膠壩在運行中，若長期存在壩袋振動現(xiàn)象，則會導致磨損、脫層和撕裂，嚴重的甚至破壞整個壩體，影響工程的安全及效益的發(fā)揮。
    3、影響壩袋振動的因素
    橡膠壩溢流時由水流的不穩(wěn)定性誘發(fā)的壩袋振動，比一般結構的振動更為復雜。橡膠壩的振動受多種因素影響，如壩頂溢流流量、下游水深、錨固形式、充脹高度及介質、水工布置、壩體跨度、內壓比、浪載作用、水流流態(tài)、氣候條件和壩袋本身的性能等。對于運用中的橡膠壩，壩袋振動主要受過壩流量、下游水位、壩體跨度、壩袋錨固和兩岸連接形式、充脹介質及壩袋施工安裝的影響。
    3.1 壩頂溢流量對壩袋振動的影響  
    當壩頂溢流流量較小時，雖然振動頻率較高，但由于其動能小，水流脈動壓力也小，所以對壩袋振動影響小，振幅低，對橡膠壩不會產生很大威脅；隨著溢流量的增加，水流動能增大，振動強度也增大。
    3.2 下游水位對壩袋振動的影響  
    下游水位很低時，在壩下游產生遠驅式水躍或者不形成水躍，水流動能向下游傳播，對上游的壩袋影響小，此時壩袋的振動主要是由水流過壩時水流脈動壓力引起；當下游水位增加到某一數(shù)值時，對壩袋振動的影響增大，特別是對雙錨充水壩，原因是緊靠壩下游處形成臨界水躍，水躍產生的脈動壓力大，且很容易影響壩袋的振動；當下游水位再增大時，則上下游水位差小，水流的動能也小了，振動強度也將逐步減小，但是，隨著下游水位的降低，振動頻率減小，對充水式單錨壩將有可能產生共振。
    3.3 壩體跨度對壩袋振動的影響 
    當壩高和壩頂溢流水深一定時，壩袋跨度越大，相應的振動強度就越大。這主要是由于壩袋內的水體在壓力差的作用下產生流動，當壩袋跨度較大時，這股水流還沒有流到頭，下一股水流又跟上來，形成水波，水波在壓力差的作用下不斷加強，最后就會形成共振，造成壩袋一起一落起伏振動。
    3.4 壩袋錨固和兩岸連接形式對壩袋振動的影響  
    采用雙錨固比單錨固抗振效果好。雙錨固時在壩袋下游側增加了約束，水流過壩時壩袋振動較小，下游尾水對壩袋頂托作用也影響不大，減少了壩袋磨損破壞的威脅；而采用單錨形式時，壩袋活動的自由度較大，易發(fā)生拍打振動。壩袋與兩岸或閘墩連接形式有斜墻和直墻，斜墻連接時，壩袋與兩岸邊墻錨固連接，相應振動小一些；直墻連接一般采用堵頭式結構，自由度大一些，相應振動嚴重一些。
    3.5 充脹介質對壩袋振動的影響  
    橡膠壩袋內的充脹介質可為氣體，水和水氣并用三種。同等規(guī)模的橡膠壩工程，充氣橡膠壩壩袋斷面周長小于充水橡膠壩，且空氣密度要小于水的密度，所以充氣橡膠壩比充水橡膠壩更加輕柔。而充氣橡膠壩為防止壩袋漏氣，一般采用單錨形式，壩袋活動的自由度相對較大，故在相同條件下，充氣橡膠壩比充水橡膠壩更易引起振動破壞。
    3.6 壩袋安裝不標準對壩袋振動的影響
    單跨橡膠壩袋重量一般在20噸左右，容易造成施工安裝與設計不符，一端比另一端過緊，造成壩袋斷面比另一端小，壩頂高程也略低，這樣壩頂發(fā)生溢流時，溢流水深不同造成壩頂所受壓力也不同，而橡膠壩是柔性體，壓力會傳到壩袋內的水體上，兩端水體壓力大小不一，壩袋內水體多次反復的壓力傳遞，造成壩袋起伏振動。
    4、相應的減振、防振措施
    針對橡膠壩壩袋產生振動的原因，可以從工程設計、施工及管理等幾個方面著手，采取相應的減振、防振措施。
    4.1 工程設計方面 
    橡膠壩設計包括壩袋、土建工程、錨固結構、控制系統(tǒng)等幾方面。土建工程主要包括基礎底板、上下游防滲防沖設施、邊墻及翼墻、護坡等。布置時在不影響河道泄洪能力前提下，基礎底板比河床適當抬高，盡可能使底板高程高于下游正常尾水位，可形成低固定壩；壩后緊接陡坡，水流過壩后急泄入消力池，改善水流條件，使壩袋不受下游尾水影響；基礎底板及兩側端墻，凡是與壩袋接觸部分必須平整光滑，以減輕壩袋的振動磨損。壩址應選擇在過壩水流流態(tài)平順及河床岸坡相對穩(wěn)定的河段，這不僅避免發(fā)生波狀水躍和折沖水流，防止有害的沖刷和淤積，而且使過壩水流平順，以減輕壩袋的振動和磨損。針對不同形式的橡膠壩工程，盡量采用使壩袋振動強度小的錨固形式。雙錨固形式比單錨固形式要節(jié)省壩袋材料，且壩袋振動也要相對輕微，故在有條件時應盡量采用雙錨固結構，并加大兩條錨固線之間的距離，使壩袋斷面接近半圓形，以提高振動發(fā)生的界限。當坍壩泄洪時，常常壩內有來不及排走之水，被上游推向下游錨固線形成類似“煙斗頭”的小壩，阻水使壩袋產生振動。為此，在壩袋里面的折疊線處敷設一條兩旁打孔的膠管，膠管一端接排水管，另一端通所謂的“煙斗頭”，引流在壩袋里的這一小部分水倒流向排水管，使壩袋塌平。
    4.2 工程施工方面
    不管是螺栓壓板錨固還是楔塊擠壓錨固，首先放線要準確，要求尺寸精度達到±2～3mm。楔塊擠壓錨固槽二期混凝土施工中，槽口線和槽底線一定要直，槽壁要求光滑平整，楔塊要在預制廠制作，要求實心密實、表面光滑、精確度高；螺栓壓板錨固要求螺栓準確定位，墊板、壓板制作精確，不能出現(xiàn)翹板、變形、缺角和粗糙現(xiàn)象。在施工安裝壩袋時，準確定位，不要出現(xiàn)較大偏差，盡可能符合設計要求，誤差在容許值范圍之內。
    4.3 工程運行管理方面  
    橡膠壩工程能否充分發(fā)揮效益，運行管理是關鍵。首先是控制壩頂?shù)囊缌髁浚浯问钦{整下游水位，若下游水位較低，應盡可能提高到一半壩高以上運行，這樣振動危害性也就小得多。另外，改變壩袋內的內水壓力，改變壩體自振頻率，使其避開水流脈動的主頻率，防止壩袋共振現(xiàn)象的發(fā)生。在汛期時，應注意將壩袋坍平，以利于排洪排沙和減輕壩袋振動磨損。
    5、結論
    引起橡膠壩壩袋振動的因素十分復雜。為了減小壩袋的振動，首先，我們應對壩袋振動的機理有清楚的認識，在工程設計時要充分研究工程實際情況，盡可能的采取一些減小壩袋振動的有利措施；其次，在壩袋安裝中要準確定位，施工要符合設計要求，杜絕較大偏差；再次，工程建成后，要嚴格管理，制定一套合理可行的運行規(guī)程，規(guī)范操作，保證橡膠壩安全正常運行。