泄水建筑物的流体振动分析

泄水建筑物在泄流过程中引发结构物产生振动,当建筑物出现强烈振动时,会导致操作故障,结构元件发生破坏或结构整体失事,在这类由高速水流脉动压力引起的振动问题在工程设计中是十分重视的,关系到建筑物的安全。从问题的分类看:第一类是水流流过固壁边界引起的结构振动,如溢洪道过流引起的边墙振动、发电引水管道振动;第二类是由水舌冲击型结构引起的振动,如泄流冲击厂顶引起的振动;第三类是由综合因素引起的结构振动,如拦污栅振动、水轮机的振动,闸门开启过程中的振动,以及拱坝泄洪引起的坝身和水垫塘振动等。第三类问题比较复杂,也为研究的重点,特别是拱坝泄洪引起的坝身和水垫塘振动。目前的研究手段是采用水弹性模型来综合研究建筑物水流特性以及结构振动特性问题,将试验获得的水动力学的特性作为输入参数,对结构的进行动力响应分析,是一个跨学科问题。在工程流激振动研究方面,我国一直是走在世界的前列,崔广涛、谢省宗、潘德嘉等学者结合紊流边界层水动力荷载与流固耦合相互作用的理论与工程安全问题研究,获得了许多重要成果,国外在流激振动研究的著名专家为阿别列夫、诺达沙及考克曼等。

在试验手段上,除要满足水力学的重力相似原则外,还要满足结构的弹性模量相似原则,因此试验的关键技术之一是研究满足相似准则的水弹性材料、具有足够精度的测试仪器和数据采集分析软件、以及合理的模拟范围的论证。经过多年的摸索与实践,已开发出具有特殊比例配方的加重橡胶、加特种水泥和铁粉的乳胶(经过硫化)模型用材料,从而在试验手段上取得了重要突破。近来结合二滩、构皮滩、溪洛渡、小湾、拉西瓦等大型水电工程的水垫塘流激振动问题开展了一系列的模型试验研究、数值模拟分析以及原型观测,取得了比较好的验证对比结果,在解决工程问题的同时,也不断完善试验理论与方法。

练继建等人还就近20年来开展流激振动方面研究中所取得的经验和目前仍需要解决的问题进行了总结。从模型模拟范围看,该文献认为基础模拟范围对高拱坝自振特性的影响相对较小,而对拱坝泄洪振动响应的影响相对较大,特别是在模拟深度大于等于0.75H(H 为最大坝高),上游范围大于等于0.5H,坝肩方向大于等于0.25H 的条件下,可以比较好的模拟其动力响应。在对模型试验结果的修正方面,基于水流脉动荷载的幅值和频率的转换关系、面脉动荷载间的相关关系的研究基础上,用流激振动反分析方法进行修正,即根据实测的动力响应,经反分析求出水流的各类等效荷载,然后针对不相似的因素,修改计算模型的参数,再用正分析的方法求出修正后的动力响应。针对试验中实测动力响应测点有限的情况,提出采用回归整个动力位移场和动应力场的方法来获得最大动力响应值的修整方法。(www.xing528.com)

我国有许多高水头闸门、大型表孔闸门,如小湾、二滩、溪洛渡中孔闸门设计水头为85～90m,闸门面积40～50m2;五强溪表孔闸门尺寸为19m×23m,为世界之最;天生桥一级底孔偏心铰弧形闸门最高运行水头已达102m;三峡船闸反向弧门设计水头达45.2m,面积24.75m2,也为世界之最。这些闸门在开启过程中的流激振动是工程界十分关注的问题,在设计阶段须对这些闸门进行动力特性研究,包括其模态特性、应力分布、振动特性。近年来国内引进的ANSYS大型商业软件为开展大型弧形闸门进行开启过程或局部开启运行条件下的动力学特性分析提供了很大方便,可细致地分析闸门各部位的受力及稳定特性。

采用原型观测并与试验结果进行比较与分析是目前国内广泛采用的一种研究方法,结合二滩拱坝中孔弧形闸门和泄洪洞弧形闸门、五强溪船闸反弧门、岩滩表孔弧形闸门、天生桥一级放空洞弧形闸门、小浪底1号孔板洞高水头弧形闸门的过流运行开展的流激振动原型观测,一方面验证了这些闸门运行的安全性,更重要的是通过原型观测结果与模型试验成果的对比分析,进一步完善流激振动理论和试验方法。