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1、橡胶坝袋振动因素及防振措施 - 水利治理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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、 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23mm。楔块挤压锚固槽二期混凝土施工中，槽口 线和
10、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。
