关键词：水利工程；橡胶坝；振动特性；数值模拟
引言
目前在我国水利工程基础建设大力发展的情况下，越来越多的新型建设材料和工艺技术被应用在水工建筑物的工程施工中，橡胶坝就是这样一种利用新材料和新工艺修建而成,具有与其他大坝相同功能作用的挡水坝。其是利用高强力的合成纤维作为骨架，再以橡胶为保护层，形成一定的坝袋，通过向坝袋内注水或者进行充气的手段使坝袋膨胀起来，从而起到拦截水流的目的。橡胶坝能够通过涂敷不同色彩的橡胶而呈现鲜艳的坝袋，在提高水工建筑景观方面也是具有很大优势的。然而橡胶坝也存在一定的缺点与不足，即坝壁太薄且非常柔软，一旦有大量的水流涌来，会使溢流时的水流不稳定，从而使得坝袋发生振动，振动中就极易造成坝袋的摩擦破损，甚至是脱层、撕裂，对整个坝体造成严重性破坏。因此加强对橡胶坝坝体振动的防治措施研究是非常有必要的。
1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。
2流固耦合模型建立
根据橡胶坝工程相关资料及现场调查数据反馈，拟建橡胶坝尺寸为5.00m×15.18m。根据数据建立基于流固耦合理论的橡胶坝振动模态分析模型，坝体采用壳体单元SHELL63，水流采用流体单元fluid30。橡胶坝袋的固定采用底板施加全约束堵头式锚固，根据上述相关参数，建立流固耦合条件下橡胶坝坝体模型，共划分为48956个单元。
3橡胶坝的减振、防振措施
3.1 工程设计方面采取的措施
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;基础底板及两侧翼墙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2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。当塌坝泄洪时,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1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。
3.2工程施工方面
对于坝袋锚固,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。
3.3工程管理方面
橡胶坝工程能否充分发挥其效益，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，应注意将坝袋塌平，以利于排洪排沙和减轻坝袋振动磨损。
4计算结果分析
为充分预测在不同外界条件下橡胶坝坝体的运营状态，本次研究共对橡胶坝在不同内压比、不同高度下前10阶振型的自振频率及周期进行分析研究。高阶振型条件下振动图像及振动方向变得更加复杂，因此文中向平行水流方向，最大振动位移为1.08×10-4m；第2阶振型的主振方向为竖直向，最大振动位移为1.04×10-4m；第3阶振型的主振方向为平行水流方向，最大振动位移为6.38×10-5m；第4阶振型既有顺河向又有竖直向，最大振动位移为6.14×10-5m。由此可见，随着振动阶数的上升，橡胶坝坝体的最大位移不断减小，但在复合振动作用下发生大位移的点不断增多，破坏更加剧烈。进一步探讨坝高对自振周期和基频的影响，设定内压比恒定为1∶3，分别设置坝高为2m、3m、4m、5m，并对4种不同坝高条件下的橡胶坝坝体自振频率及圆频率进行分析，可知，在流固耦合条件下，橡胶坝坝体自振频率、圆频率随着坝高的提升而下降，二者与坝高之间近似成反比例关系，相关性系数分别达到R2=0.9947与R2=0.9943。分析认为，这是由于当橡胶坝坝高持续增长时，坝体的质量也随之不断增加，质量的增加使得坝体更加趋于稳定状态，因此自振频率与圆频率不断降低。分析不同内压比条件下，橡胶坝体自振频率、圆频率随内压比变化的规律。预设内压比为1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0，分别计算4种内压比下橡胶坝的自振频率与圆频率，由坝体自振频率、圆频率与内压比关系曲线可知，流固耦合条件下橡胶坝坝体自振频率、圆频率也随着内压比的增大而不断下降，与坝高关系不同的是，自振频率、圆频率与内压比关系成线性关系而非反比例关系，相关性系数分别达到R2=0.9753与R2=0.9800，由此可见具有高度的相关性，充水式橡胶坝坝体在内压比增大时质量也会随之增大。
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反比例曲线图
结语
综上所述，橡胶坝是一种具有很多优良特性的水工建筑物形式，但其存在的坝袋振动问题却是一个最大的难题，严重影响了橡胶坝的推广与应用。为此，加强对橡胶坝坝体防振措施方法的研究成为了橡胶坝发展进程中的主要任务。本文中通过分析坝袋振动的原因，分析了在设计、施工、管理等方面应当做出的防振措施方法。当然在实际的工程应用中，坝袋的防振方法还有很多，这就需要设计施工人员不断总结经验，引进先进的技术施工管理，提高橡胶坝坝袋的性能，确保坝体的稳定运行。
参考文献
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论文作者:徐海燕
论文发表刊物:《科学与技术》2019年16期
论文发表时间:2020/1/15
标签：橡胶坝论文; 锚固论文; 频率论文; 水流论文; 条件下论文; 水工论文; 内压论文; 《科学与技术》2019年16期论文;