橡膠壩袋振動(dòng)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡明了壩袋振動(dòng)的機(jī)理及影響壩袋振動(dòng)的因素，并據(jù)此從工程設(shè)計(jì)、工程施工及工程管理三方面提出了減小壩袋振動(dòng)的對(duì)策。
   關(guān)鍵詞：橡膠壩 壩袋振動(dòng) 減振措施

    1、緒言
    隨著水利建設(shè)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(dú)特的優(yōu)勢，得到了越來越多的應(yīng)用。近年來，××市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院在××市及周邊地區(qū)先后設(shè)計(jì)橡膠壩擋水工程近20座，特別是白河四級(jí)橡膠壩的梯級(jí)開發(fā)，使我們對(duì)橡膠壩有了更深一步的研究。橡膠壩壁薄性柔，溢流時(shí)由于水流的不穩(wěn)定性，易誘發(fā)壩袋振動(dòng)，它比一般結(jié)構(gòu)的振動(dòng)更為復(fù)雜。壩袋振動(dòng)易導(dǎo)致其磨損，甚至發(fā)生脫層、撕裂，嚴(yán)重的還會(huì)破壞整個(gè)壩體，因此研究其振動(dòng)原因及影響因素，提出相應(yīng)的減振措施，成為橡膠壩領(lǐng)域一個(gè)意義重大的課題。我們結(jié)合××地區(qū)橡膠壩建設(shè)與運(yùn)行的一些有益經(jīng)驗(yàn)，并參考近年來國內(nèi)外對(duì)橡膠壩的振動(dòng)試驗(yàn)研究成果及減振理論，對(duì)橡膠壩袋振動(dòng)機(jī)理、影響因素及減振措施等幾方面作一淺析。 
    2、壩袋振動(dòng)機(jī)理
    水工結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是水工建筑物直接的或潛在的一種破壞因素。引起水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因十分復(fù)雜，按振動(dòng)的性質(zhì)可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩類。前者是在外擾力作用下引起彈性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，后者有時(shí)是由于在某些條件下水工結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)不穩(wěn)定產(chǎn)生的。橡膠壩袋的振動(dòng)主要是外力(如水流脈動(dòng))作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)。橡膠壩袋為柔性薄殼結(jié)構(gòu)，袋內(nèi)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(duì)水流脈動(dòng)反應(yīng)靈敏，易出現(xiàn)振動(dòng)，尤其是在壩頂溢流時(shí)，彈性體壩袋在水流脈動(dòng)壓力作用下，更易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。水流脈動(dòng)壓力是隨機(jī)的，故壩袋的振動(dòng)也是隨機(jī)的。若外力強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與壩體在水下的自振頻率接近時(shí)，壩體的振動(dòng)加重，甚至發(fā)生共振現(xiàn)象。共振時(shí)壩袋損壞很大，當(dāng)共振時(shí)壩袋產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于壩袋材料的允許應(yīng)力時(shí)，壩袋將遭到破壞。橡膠壩在運(yùn)行中，若長期存在壩袋振動(dòng)現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致磨損、脫層和撕裂，嚴(yán)重的甚至破壞整個(gè)壩體，影響工程的安全及效益的發(fā)揮。
    3、影響壩袋振動(dòng)的因素
    橡膠壩溢流時(shí)由水流的不穩(wěn)定性誘發(fā)的壩袋振動(dòng)，比一般結(jié)構(gòu)的振動(dòng)更為復(fù)雜。橡膠壩的振動(dòng)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(zhì)、水工布置、壩體跨度、內(nèi)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(duì)于運(yùn)用中的橡膠壩，壩袋振動(dòng)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(zhì)及壩袋施工安裝的影響。
    3.1 壩頂溢流量對(duì)壩袋振動(dòng)的影響  
    當(dāng)壩頂溢流流量較小時(shí)，雖然振動(dòng)頻率較高，但由于其動(dòng)能小，水流脈動(dòng)壓力也小，所以對(duì)壩袋振動(dòng)影響小，振幅低，對(duì)橡膠壩不會(huì)產(chǎn)生很大威脅；隨著溢流量的增加，水流動(dòng)能增大，振動(dòng)強(qiáng)度也增大。
    3.2 下游水位對(duì)壩袋振動(dòng)的影響  
    下游水位很低時(shí)，在壩下游產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍或者不形成水躍，水流動(dòng)能向下游傳播，對(duì)上游的壩袋影響小，此時(shí)壩袋的振動(dòng)主要是由水流過壩時(shí)水流脈動(dòng)壓力引起；當(dāng)下游水位增加到某一數(shù)值時(shí)，對(duì)壩袋振動(dòng)的影響增大，特別是對(duì)雙錨充水壩，原因是緊靠壩下游處形成臨界水躍，水躍產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力大，且很容易影響壩袋的振動(dòng)；當(dāng)下游水位再增大時(shí)，則上下游水位差小，水流的動(dòng)能也小了，振動(dòng)強(qiáng)度也將逐步減小，但是，隨著下游水位的降低，振動(dòng)頻率減小，對(duì)充水式單錨壩將有可能產(chǎn)生共振。
    3.3 壩體跨度對(duì)壩袋振動(dòng)的影響 
    當(dāng)壩高和壩頂溢流水深一定時(shí)，壩袋跨度越大，相應(yīng)的振動(dòng)強(qiáng)度就越大。這主要是由于壩袋內(nèi)的水體在壓力差的作用下產(chǎn)生流動(dòng)，當(dāng)壩袋跨度較大時(shí)，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(qiáng)，最后就會(huì)形成共振，造成壩袋一起一落起伏振動(dòng)。
    3.4 壩袋錨固和兩岸連接形式對(duì)壩袋振動(dòng)的影響  
    采用雙錨固比單錨固抗振效果好。雙錨固時(shí)在壩袋下游側(cè)增加了約束，水流過壩時(shí)壩袋振動(dòng)較小，下游尾水對(duì)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(shí)，壩袋活動(dòng)的自由度較大，易發(fā)生拍打振動(dòng)。壩袋與兩岸或閘墩連接形式有斜墻和直墻，斜墻連接時(shí)，壩袋與兩岸邊墻錨固連接，相應(yīng)振動(dòng)小一些；直墻連接一般采用堵頭式結(jié)構(gòu)，自由度大一些，相應(yīng)振動(dòng)嚴(yán)重一些。
    3.5 充脹介質(zhì)對(duì)壩袋振動(dòng)的影響  
    橡膠壩袋內(nèi)的充脹介質(zhì)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(dòng)的自由度相對(duì)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(dòng)破壞。
    3.6 壩袋安裝不標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壩袋振動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)，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(huì)傳到壩袋內(nèi)的水體上，兩端水體壓力大小不一，壩袋內(nèi)水體多次反復(fù)的壓力傳遞，造成壩袋起伏振動(dòng)。
    4、相應(yīng)的減振、防振措施
    針對(duì)橡膠壩壩袋產(chǎn)生振動(dòng)的原因，可以從工程設(shè)計(jì)、施工及管理等幾個(gè)方面著手，采取相應(yīng)的減振、防振措施。
    4.1 工程設(shè)計(jì)方面 
    橡膠壩設(shè)計(jì)包括壩袋、土建工程、錨固結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等幾方面。土建工程主要包括基礎(chǔ)底板、上下游防滲防沖設(shè)施、邊墻及翼墻、護(hù)坡等。布置時(shí)在不影響河道泄洪能力前提下，基礎(chǔ)底板比河床適當(dāng)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(chǔ)底板及兩側(cè)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(dòng)磨損。壩址應(yīng)選擇在過壩水流流態(tài)平順及河床岸坡相對(duì)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(dòng)和磨損。針對(duì)不同形式的橡膠壩工程，盡量采用使壩袋振動(dòng)強(qiáng)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(dòng)也要相對(duì)輕微，故在有條件時(shí)應(yīng)盡量采用雙錨固結(jié)構(gòu)，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(dòng)發(fā)生的界限。當(dāng)坍壩泄洪時(shí)，常常壩內(nèi)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(chǎn)生振動(dòng)。為此，在壩袋里面的折疊線處敷設(shè)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(zhǔn)確，要求尺寸精度達(dá)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(yù)制廠制作，要求實(shí)心密實(shí)、表面光滑、精確度高；螺栓壓板錨固要求螺栓準(zhǔn)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(shí)，準(zhǔn)確定位，不要出現(xiàn)較大偏差，盡可能符合設(shè)計(jì)要求，誤差在容許值范圍之內(nèi)。
    4.3 工程運(yùn)行管理方面  
    橡膠壩工程能否充分發(fā)揮效益，運(yùn)行管理是關(guān)鍵。首先是控制壩頂?shù)囊缌髁?，其次是調(diào)整下游水位，若下游水位較低，應(yīng)盡可能提高到一半壩高以上運(yùn)行，這樣振動(dòng)危害性也就小得多。另外，改變壩袋內(nèi)的內(nèi)水壓力，改變壩體自振頻率，使其避開水流脈動(dòng)的主頻率，防止壩袋共振現(xiàn)象的發(fā)生。在汛期時(shí)，應(yīng)注意將壩袋坍平，以利于排洪排沙和減輕壩袋振動(dòng)磨損。
    5、結(jié)論
    引起橡膠壩壩袋振動(dòng)的因素十分復(fù)雜。為了減小壩袋的振動(dòng)，首先，我們應(yīng)對(duì)壩袋振動(dòng)的機(jī)理有清楚的認(rèn)識(shí)，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要充分研究工程實(shí)際情況，盡可能的采取一些減小壩袋振動(dòng)的有利措施；其次，在壩袋安裝中要準(zhǔn)確定位，施工要符合設(shè)計(jì)要求，杜絕較大偏差；再次，工程建成后，要嚴(yán)格管理，制定一套合理可行的運(yùn)行規(guī)程，規(guī)范操作，保證橡膠壩安全正常運(yùn)行。