泄洪閘閘墩抗振加固措施研究

陳 丹 夏建勇

(江西水利職業(yè)學(xué)院， 江西 南昌 330013)

泄洪閘閘墩抗振加固措施研究

陳 丹 夏建勇

(江西水利職業(yè)學(xué)院， 江西 南昌 330013)

泄洪閘閘墩抗振加固措施的應(yīng)用，對(duì)保證工程整體安全性及達(dá)到加固減振要求有著至關(guān)重要的作用。本文以具體工程項(xiàng)目為研究案例，對(duì)閘墩大幅振動(dòng)問題進(jìn)行詳細(xì)分析，主要通過對(duì)重力相似準(zhǔn)則的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄洪閘閘墩全面水動(dòng)力荷載測(cè)試模型的構(gòu)建。本文在對(duì)閘墩抗振加固措施的分析研究中，以不同的加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論，將移動(dòng)位移作為控制指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)對(duì)閘墩加固減振規(guī)律的總結(jié)，并探索出一種科學(xué)的工程項(xiàng)目?jī)?yōu)化方案，在保證泄洪閘閘墩加固穩(wěn)定的同時(shí)，有效控制工程造價(jià)。

泄洪閘； 閘墩； 抗振加固； 減振效果

1 研究現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)壩工項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，壩體設(shè)計(jì)為首要項(xiàng)目設(shè)計(jì)，而僅次于該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)即為溢流壩閘墩設(shè)計(jì)。溢流壩閘墩設(shè)計(jì)的難度系數(shù)與整體設(shè)計(jì)要求較高，運(yùn)用傳統(tǒng)桿件力學(xué)方法無法達(dá)到這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。通過對(duì)諸多文獻(xiàn)資料總結(jié)可知，利用結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)閘墩水位及結(jié)構(gòu)靜力、配筋科學(xué)計(jì)算，在閘墩設(shè)計(jì)及項(xiàng)目應(yīng)用中較容易出現(xiàn)裂縫問題、閘墩溫度應(yīng)力問題。在較多分析研究中通過對(duì)閘墩裂縫驗(yàn)算與溫度場(chǎng)仿真試驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力閘墩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步優(yōu)化錨塊及錨桿拉錨系數(shù)。為有效解決閘墩出現(xiàn)的裂縫問題可應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料或環(huán)氧砂漿等其他有機(jī)材料，對(duì)出現(xiàn)的裂縫采用專業(yè)技術(shù)進(jìn)行填充，通常采用的工程技術(shù)措施包括貫穿裂縫化學(xué)灌漿、表面粘貼鋼板等，通過有效措施應(yīng)用保障閘墩穩(wěn)定性，并使其整體具有一致性。

但由于泄洪閘閘墩本身具有獨(dú)特性，受到水流荷載的長(zhǎng)期作用與影響，使閘墩受到長(zhǎng)期不規(guī)律作用沖擊。在對(duì)泄洪閘閘墩的設(shè)計(jì)中要注重其短時(shí)應(yīng)力應(yīng)變，與此同時(shí)還要充分注意泄洪閘閘墩激流振動(dòng)作用，以及對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成的疲勞影響等，綜合分析其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能，做出客觀評(píng)價(jià)為其閘墩抗振加固措施應(yīng)用提供有效參考。

2 工程概況分析

該工程為漢江干流梯級(jí)水電站泄洪閘閘墩抗振加固工程。其位于漢江上游流域之中的上游段，屬于干流梯級(jí)水電站類型。壩址實(shí)際控制流域面積超過5萬km2，多年實(shí)際測(cè)量獲得流量數(shù)據(jù)為732m3/s。電站蓄水可以達(dá)到217m，年發(fā)電量將超過9.1億kW·h。工程項(xiàng)目布置過程中采取的是中部縱向劃分界限的方式。左側(cè)位置上主要是溢流式廠房壩段位置，右側(cè)則是泄洪壩。泄洪建筑為六孔，并分為泄洪閘、垂直升船機(jī)以及右幅壩表孔等幾個(gè)部分共同組成。其中泄洪閘堰頂高程可以達(dá)到200.00m，閘底板高程為180.00m，閘頂高程可以達(dá)到230.00m，閘室沿水流向超過50m。該工程在完工之后曾經(jīng)遭遇洪水，工作人員在此階段發(fā)現(xiàn)泄洪閘閘墩位置上發(fā)生右振動(dòng)情況，振幅相對(duì)較大，為此，結(jié)合泄洪激勵(lì)下閘墩等的規(guī)律具體分析采取何種有效方式能夠?qū)π购殚l閘墩進(jìn)行加固，并進(jìn)一步保護(hù)其功能發(fā)揮與安全性。

3 工作基礎(chǔ)

3.1 流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)類型研究

水流脈動(dòng)特性以及結(jié)構(gòu)性動(dòng)力特性等問題直接影響了流激振動(dòng)，水流脈動(dòng)以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)彼此影響，水流脈動(dòng)將會(huì)造成結(jié)構(gòu)振動(dòng)出現(xiàn)。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)也可能會(huì)直接影響水流脈動(dòng)。結(jié)合此類研究，促使激流振動(dòng)相關(guān)內(nèi)在機(jī)制更加復(fù)雜。前人針對(duì)流激振動(dòng)方面的研究并未完善，其中美國(guó)、德國(guó)在此方面的闡釋比較具有代表性。

a. Naudascher(德國(guó))闡述激流振動(dòng)類型問題，并對(duì)其進(jìn)行了四種類別的劃分。根據(jù)流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的主要原理，將激流振動(dòng)區(qū)分為外部誘發(fā)、不穩(wěn)定誘發(fā)、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)以及流體振子激勵(lì)。

b. Weaver(加拿大)針對(duì)流體誘發(fā)振動(dòng)方面的理論具體闡述了水流紊動(dòng)可能造成強(qiáng)迫振動(dòng)等主要情況，其中主要分類的屬性依據(jù)就是振動(dòng)屬性。

c. Blavins(美國(guó))則在類型劃分中采取了穩(wěn)定與非穩(wěn)定等類型的劃分。

3.2 流固耦合振動(dòng)方面的研究

從流固耦合相關(guān)理論視角出發(fā)可以進(jìn)行類別上的劃分，包括水體、剛體耦合以及水體彈性體耦合。但是，應(yīng)當(dāng)知道剛體本身在水利工程之中并不存在，水利工程所闡述的流固耦合則主要闡述的是紊動(dòng)水流以及彈性結(jié)構(gòu)彼此形成的影響。水工結(jié)構(gòu)需要在一定脈動(dòng)載荷條件下發(fā)生作用，并最終造成脈動(dòng)力產(chǎn)生改變。流固耦合本身屬于一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，其中體現(xiàn)了流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及相關(guān)學(xué)科。隨著信息技術(shù)不斷向前發(fā)展，促使相關(guān)理論的研究都能夠找到應(yīng)對(duì)的辦法，并能夠有效解決不同類型的耦合振動(dòng)問題。流固耦合研究方面形成一系列的代表性結(jié)論，對(duì)無限流體方面的研究具有重要進(jìn)步性。

a. Regetz從20世紀(jì)60年代開始就從事流體以及直觀縱向振動(dòng)耦合方面的研究。

b. 進(jìn)入到80年代，關(guān)于流固耦合方面的研究已經(jīng)發(fā)展至相當(dāng)成熟的階段，此時(shí)Ibrahim指出結(jié)構(gòu)阻尼將會(huì)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生巨大作用，并可能造成結(jié)構(gòu)振動(dòng)函數(shù)發(fā)生改變。

當(dāng)前，關(guān)于有效解決流固耦合方面問題的最主要方式是形成滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)需要的模型，通過借助水彈性模型研究能夠確定激流振動(dòng)。

4 加固方案中相應(yīng)數(shù)據(jù)的計(jì)算與方案優(yōu)選

綜合實(shí)驗(yàn)階段相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，為了能夠更好展示關(guān)于加固梁方面的減振效果，該次研究之中也通過借助多種工況特點(diǎn)與常見洪水對(duì)比。泄洪閘閘墩振動(dòng)相應(yīng)整體水動(dòng)力荷載時(shí)程線通過物理模型試驗(yàn)測(cè)得，水力學(xué)模型比尺為1∶100，采用有機(jī)玻璃制作，將閘墩沿水流向均分成3塊，針對(duì)其中可以是設(shè)置壓力傳感裝置，通過這種方式能夠測(cè)量閘墩位置上的動(dòng)力水壓情況，整體水動(dòng)力荷載情況同樣能夠測(cè)試，此時(shí)需要借助INV618職能測(cè)試設(shè)備，采樣頻率為50Hz。

通過測(cè)試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以換算原型整體荷載并能夠?qū)⑵渥鳛殚l墩振動(dòng)相應(yīng)計(jì)算之中的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算各加固方案閘墩的動(dòng)位移振動(dòng)響應(yīng)，為了更加直觀地對(duì)比各加固梁的加固減振效果，該研究選取常遇洪水工況對(duì)比分析加固方案并與加固前做對(duì)比。具體如圖1、圖2所示。

圖1 工況1

圖2 工況2

通過計(jì)算結(jié)果分析，閘墩首部位置上加固梁減振將可能會(huì)造成首區(qū)域產(chǎn)生變化，閘尾區(qū)位置上受到的影響相對(duì)較小。其中閘首位置上產(chǎn)生的動(dòng)位移均方差將會(huì)進(jìn)一步降低，僅能夠達(dá)到方案一實(shí)際振動(dòng)位移情況的21%左右，此時(shí)閘首振動(dòng)量級(jí)將會(huì)進(jìn)一步降低。閘墩形成的加固減振將會(huì)沿程進(jìn)一步增加，此時(shí)閘尾位置上形成的位移方差也將會(huì)下降20%左右。但未設(shè)尾部梁條件時(shí)，常遇工況時(shí)(20年一遇等)閘墩振動(dòng)仍然能滿足十萬分之一標(biāo)準(zhǔn)。

加固梁加固位置處方案：方案一、方案二、方案三動(dòng)位移相對(duì)于加固前具有明顯的減幅; 方案二相比于方案一，閘首變幅約為閘首動(dòng)位移均方差的30%左右，閘尾變幅約為閘尾動(dòng)位移均方差的1%左右，整體差異不大;與方案一相比，方案三尾部加固梁加固效果對(duì)閘首影響較小，對(duì)中部、尾部區(qū)域影響較大，閘尾最大動(dòng)位移均方差變幅為閘尾動(dòng)位移均方差的20%左右；常遇工況下(20年一遇等)方案:閘墩閘尾振動(dòng)滿足動(dòng)位移十萬分之一標(biāo)準(zhǔn)(該工程中閘墩尾部最大高度約為42m，故閘墩允許振幅為0.420，均方差為0.140mm)綜合比較分析，加固方案一技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上更加合理。

5 結(jié) 語

綜上所述，閘墩固定完成后產(chǎn)生振動(dòng)雙倍賦值將會(huì)進(jìn)一步減小，造成這種情況的主要原因是加固梁對(duì)閘墩兩側(cè)造成影響。分塊分區(qū)位置上形成的加固梁實(shí)際效果將會(huì)更加明顯。加固項(xiàng)目完成之后，首動(dòng)唯一方差將降低到85%。最大位移方差則能夠達(dá)到41×10-3。閘尾位置上產(chǎn)生的位移方差則能夠進(jìn)一步下降，最終可以達(dá)到75%左右。常遇工況條件下產(chǎn)生的位移方差將能夠達(dá)到138×10-3。通過數(shù)據(jù)分析可知，實(shí)際減振效果十分顯著。

此外，通過進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，閘首發(fā)生振動(dòng)相對(duì)較小，采取加固方案，設(shè)計(jì)中研究重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是針對(duì)閘墩尾部位置問題的解決。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)可知，對(duì)比不同方案，最終確定方案一效果最優(yōu)，常遇工況條件下能夠滿足十萬分之一標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，閘墩在振動(dòng)位移方面可以與泄洪閘泄洪流等之間相關(guān)。與此同時(shí)也會(huì)對(duì)閘墩位置上的水位差等造成影響。本文中發(fā)生問題的水位差相對(duì)更大，因?yàn)槲膊课恢蒙蠈?huì)產(chǎn)生劇烈影響，為此，需要在設(shè)計(jì)研究過程中加強(qiáng)常遇工況。

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Research on sluice gate pier vibration resistance reinforcement measures

CHEN Dan, XIA Jianyong

(Jiangxi Water Conservancy Vocational College, Nanchang 330013, China)

Application of sluice gate pier vibration resistance reinforcement measures has very important role to ensure overall safety of the project and reach requirements of reinforcement and vibration resistance. In the paper, specific engineering projects are adopted as research cases for detailed analysis on pier vibration problems. A comprehensive hydrodynamic load test model is constructed for sluice gate piers mainly through applying gravity similarity criterion. Input tests are mainly implemented on hydrodynamic load through concrete engineering case tests; a three-dimensional finite element model of sluice gate piers is constructed, thereby calculating flow vibration of sluice gate piers correspondingly. In the paper, vibration resistance reinforcement measures of piers are analyzed and studied, different reinforcement and design plans are discussed, and mobile displacement is regarded as a control index to summarize pier reinforcement and vibration resistance laws. A scientific engineering project optimization plan is explored. The engineering cost can be effectively controlled when it is ensured that the sluice gate piers can be reinforced stably, thereby providing effective reference for similar engineering projects about reinforcement and vibration resistance in sluice gate piers through theoretical analysis in the paper.

sluice gate; pier; seismic reinforcement; vibration resistance effect

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.017

TV431

A

1005-4774(2017)08- 0064- 03