橡胶坝结构泄流时的振动响应

当前橡胶坝研究的主要方向是：对5.0m以上较高挡水橡胶坝与5.0m以下较低的充气式橡胶坝的研讨。由于溢流式橡胶坝的研究和应用起步较晚，然而发展很快，随着溢流橡胶坝的推广，日益受到人们的重视。本文结合引滦黎河王各庄橡胶坝工程制作了模型比尺为1∶2.72水弹性橡胶坝模型，对该橡胶坝的振动响应进行了分析[24-25]。实验模型布置如图11.45所示。

图11.46　典型水位工况下的动位移随上游水位变化

1.橡胶坝的动应力和动位移

在1∶2.72的水弹性模型上测试橡胶坝在水流脉动荷载下的动应力和动位移，1号、2号动应力测点分别布置在坝袋下游突出部位和坝袋顶部。首先在坝袋充胀后，从水平和垂直方向敲振，用位移计和压力传感器拾振，得坝体的自振频率约为5.19Hz，阻尼比约为0.1左右。动位移与上游水位的关系如图11.46所示。动应力1号的功率谱和坝袋内脉动水压力的功率谱如图11.47、图11.48所示。

图11.47　1号测点的动应力功率谱图

图11.48　坝袋内的动水压力功率谱图(www.xing528.com)

实验结果说明，坝袋振动幅值随着上游水位的增加，呈增大趋势，主要是水流脉动动能增加；下游水位增加（在一定范围内），坝袋振幅也有所增加，主要是因为溢流水舌冲击下游水垫，在下游河渠产生较大的脉动压力，随着下游水位的增加，增大了脉动压力对坝袋作用，使振幅增大，坝袋水平方向的振动位移幅值较大，约是垂直方向振幅的3倍，实验测得最大坝袋振幅的均方根为0.68mm，在99.7%的概率下，最大可能振动幅值为2.03mm，动应力最大值发生在坝袋下游底部，其均方根值为0.162N/cm2，最大可能动应力均方根为0.485N/cm2。坝袋各部位振动强度是不同的，与所受脉动压力大小有关，从功率谱图可知，坝袋振动能量主要集中在12Hz以下，在5.19 Hz附近出现了明显的峰值，坝袋内水压力主频率也是5.19 Hz，与坝体的自振频率很接近，说明橡胶坝溢流时，坝袋整体是绕自振频率的振动，处于共振状态。

2.橡胶坝的起伏及减振

在橡胶坝的实际运行时，常会遇到蓄水充涨，泄洪放空运行，这就是橡胶坝过流充起和倒伏，在此过程中能否发生共振、飘动现象，致使产生多大的动应力和动位移，危及坝体的安全，是广大工程技术人员十分关注的问题。本节通过试验发现坝袋在溢流起伏过程中，在坝高一半以下附近位置易产生明显的拍动现象，其幅值可能会是正常运行时振动幅值的2～3倍，但此时坝袋的张力较小，坝袋更柔软，虽然在下游侧局部有应力增大的可能，只要给出一定的安全系数作保障，通常不会产生飘拍撕裂之现象。

关于橡胶坝的溢流减振问题，这里根据前人的科研成果和自行探索，提出以下几条减振方案：

（1）控制坝顶的溢流量。随着坝体溢流单宽流量的增加，水流和脉动动能增加，振动会明显，因而控制溢流时单宽流量是必要的。

（2）调整下游水位。若下游水位较低，上下游落差大，坝袋变形大，同时水流的脉动荷载也大，危害性较大，适当调整下游水位，尽可能提高到一半坝高以上，振动危害性也小得多。

（3）改变内水压，改变坝体自振频率，使其避开水流脉动的主频率。

（4）排水设施宜设在下游，以防排水不畅产生拍动。

（5）在橡胶坝袋表面做一些突出的橡胶球，像篮球表面形状，减小脉动水流对坝袋的直接作用，有利于减小坝体的振动。