高拱坝坝身泄洪流激振动探究.pdfVIP

高拱坝坝身泄洪流激振动研究 谢省宗 李世琴 吴一红 (中国水利水电科学研究院水力学所， 【括!耍]本文包括两部分．辩一aB挣为高拱坝坝_}}泄池流激振动水弹性{；《拟研究z研制了对棍凝土坝及罄岩进行水弹 性}奠拟的新li己方和材料．井用此材料成功地对苴河控话瓦高挑坝坝身泄泓的流澈振动进行水弹性模拟试验．在比尺为 Ln50的撰坝一地基一库水毒聂合系统的水弹性整体模型上，进行了实验模态分折，蛤出系统的空、满库的模态特性井与理 论校态帽比较}测定了挑坝规身泄洪水舌跌落水蛰塘消能时-寨流流激振动的动力响应·定啦给出响应的强度和频{昔．钔 二部分为拉西瓦水电站挑坝一库水一地基聃合系统坝身泄洪动力分析，用数学模型的方法研究了拉西瓦挑坝一库水一地基 耦合系统的动力特性；分析了水舌冲击水垫塘索流诱发辅舍系统的船机振动的动力响应．论证了高挑现城身撕jjl的安全 性．研究表明；(1)拉西瓦拱坝系统自振频率低，相邻搌型密集，库水不但使频率降低(最大约19％)，而且改变了其振 型分布；(2)地燕材料的特性(比趣、弹模)对拱坝系统的动力特性影响较大·在水弹性模拟试验中必须采用与地基真实 弹模和比重接近的材料{(3)水舌冲击水垫塘诱发拱甥系统的动位穆、动应力均较小：(4)水弹性模拟实验结果与数横计 算结果进行了比较．两者模态结果符舍较好．动力响应置级一致· 【关键词J 高拱坝，坝身泄洪。ti；c激振动．水弹性，流固耦合，动力响应 一、刖 吾 在高山狭谷地区修建高薄拱坝(坝高250m一300m级)，并通过坝身渲泄超大功率 (104Mw～105MW级)洪水时，溢洪水流挟带巨大动能自坝顶或孔口渲泄而下，在坝下水 垫塘内通过水流的强烈紊动进行消能，从而使水垫塘底部及侧墙存在十分强烈的紊流 动水压强脉动．这种水流的脉动荷载是否会通过基础和两岸基岩对高拱坝产生动力激 励，导致坝身、坝肩产生不能容许的流激振动，是关系高薄拱坝工程安全的重大关键 技术问题之一． 高拱坝坝身泄洪的流激振动问题，是紊流(动水)激励拱坝一地基一库(静)水耦 合系统的随机振动问题，其机理十分复杂．最近我们针对坝高250m的黄河拉西瓦对数 螺旋线双曲薄拱坝坝身泄洪的流激振动问题，采用了数横与物模并重和二者相辅相成 的方法进行较为深人的研究，以期获得具有工程精度的可靠的成果，并对拉西瓦高薄 拱坝坝身泄洪方案的安全性及可靠性进行初步技术论证．关于数模的成果可参阅文献 【l】1，本文主要介绍水弹性模拟试验成果，包括对混凝土坝及基岩进行水弹性模拟的特 殊材料的研制：建立大比尺拱坝一地基一库水耦合系统泄洪整体水弹性模型的制作及 工艺：在这一水弹性模蛩上进行实验模态分析，以及直接测定及定量估计坝身表、深 孔联合泄洪时，滥流水舌跌落水垫塘消能素流激励坝体振动的动力响应，并将水弹性 模拟试验成果与数模计算成果进行比较；最后对拉西瓦高薄拱坝坝身泄洪的安全性进 行初步评价． 二、坝身泄洪流激振动水弹性模拟试验研究 (一)水弹性振动模拟材料研制 拉西瓦拱坝一地基一库水耦合系统流激振动的水弹性模拟整体模型，要求使用符 合水力一弹性相似的材料来模拟坝体、坝肩、坝基及水垫塘．实质上这是一个结构动 力学一水动力学的、跨学科的动力试验模型．为了能通过缩尺模型正确模拟原型的振 动，应满足水弹性相似准则．由于坝身泄洪是在与原型相同的、以水为流动介质的常 规水力模型中进行，故已有库水(水相)的质量密度比尺(p。)，=l的前提条件。为 了保证水弹性系统库水位和拱坝一地基(固相)两相耦合的相容性，故相应地要求 固相的质量密度比尺(p，)，=l，式中角标“w”和“s”分别表示固相和液棚，0， 表示比尺，即原型与模型物理量的比值。同时，符含水弹性相似准则的结构动力模 型，其物理力学参数应满足： E=‘， ¨=l， q=卑5 式中：厶为几何比尺，4为几何比尺，“为波桑比比尺；C为阻尼系数比尺，或 态阻尼与原型相同。 为了建立拉西瓦泄洪流激振动的拱坝一地基一库水耦合系统的水弹性相似模型， 需用水弹性模拟材料数以十吨。考虑如果用常规的由厂家生产的“加重橡胶”制模 ”…”，质量上难以保证，价格也十分昂贵．据以往经验，在批璧抽样检查时，“加重橡 胶”成品弹模的变化范围可达30％以上，容重的变化范围可达l