橡胶坝袋振动因素及防振措施浅析

1、橡胶坝袋振动因素及防振措施浅析摘 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

2、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

3、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

4、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。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。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

5、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。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

6、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。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。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

7、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。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

8、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。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

9、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。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 3m

10、m。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。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