泄洪閘閘墩抗振加固措施研究

陳 丹 夏建勇

(江西水利職業學院， 江西 南昌 330013)

泄洪閘閘墩抗振加固措施研究

陳 丹 夏建勇

(江西水利職業學院， 江西 南昌 330013)

泄洪閘閘墩抗振加固措施的應用，對保證工程整體安全性及達到加固減振要求有著至關重要的作用。本文以具體工程項目為研究案例，對閘墩大幅振動問題進行詳細分析，主要通過對重力相似準則的應用，實現對泄洪閘閘墩全面水動力荷載測試模型的構建。本文在對閘墩抗振加固措施的分析研究中，以不同的加固設計方案進行討論，將移動位移作為控制指標來實現對閘墩加固減振規律的總結，并探索出一種科學的工程項目優化方案，在保證泄洪閘閘墩加固穩定的同時，有效控制工程造價。

泄洪閘； 閘墩； 抗振加固； 減振效果

1 研究現狀

在傳統壩工項目設計環節中，壩體設計為首要項目設計，而僅次于該項目的設計即為溢流壩閘墩設計。溢流壩閘墩設計的難度系數與整體設計要求較高，運用傳統桿件力學方法無法達到這類結構設計的要求。通過對諸多文獻資料總結可知，利用結構仿真軟件對閘墩水位及結構靜力、配筋科學計算，在閘墩設計及項目應用中較容易出現裂縫問題、閘墩溫度應力問題。在較多分析研究中通過對閘墩裂縫驗算與溫度場仿真試驗，對預應力閘墩進行優化設計，并進一步優化錨塊及錨桿拉錨系數。為有效解決閘墩出現的裂縫問題可應用碳纖維復合材料或環氧砂漿等其他有機材料，對出現的裂縫采用專業技術進行填充，通常采用的工程技術措施包括貫穿裂縫化學灌漿、表面粘貼鋼板等，通過有效措施應用保障閘墩穩定性，并使其整體具有一致性。

但由于泄洪閘閘墩本身具有獨特性，受到水流荷載的長期作用與影響，使閘墩受到長期不規律作用沖擊。在對泄洪閘閘墩的設計中要注重其短時應力應變，與此同時還要充分注意泄洪閘閘墩激流振動作用，以及對混凝土結構造成的疲勞影響等，綜合分析其結構長期性能，做出客觀評價為其閘墩抗振加固措施應用提供有效參考。

2 工程概況分析

該工程為漢江干流梯級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，屬于干流梯級水電站類型。壩址實際控制流域面積超過5萬km2，多年實際測量獲得流量數據為732m3/s。電站蓄水可以達到217m，年發電量將超過9.1億kW·h。工程項目布置過程中采取的是中部縱向劃分界限的方式。左側位置上主要是溢流式廠房壩段位置，右側則是泄洪壩。泄洪建筑為六孔，并分為泄洪閘、垂直升船機以及右幅壩表孔等幾個部分共同組成。其中泄洪閘堰頂高程可以達到200.00m，閘底板高程為180.00m，閘頂高程可以達到230.00m，閘室沿水流向超過50m。該工程在完工之后曾經遭遇洪水，工作人員在此階段發現泄洪閘閘墩位置上發生右振動情況，振幅相對較大，為此，結合泄洪激勵下閘墩等的規律具體分析采取何種有效方式能夠對泄洪閘閘墩進行加固，并進一步保護其功能發揮與安全性。

3 工作基礎

3.1 流體誘發結構振動類型研究

水流脈動特性以及結構性動力特性等問題直接影響了流激振動，水流脈動以及結構振動彼此影響，水流脈動將會造成結構振動出現。與此同時，結構振動也可能會直接影響水流脈動。結合此類研究，促使激流振動相關內在機制更加復雜。前人針對流激振動方面的研究并未完善，其中美國、德國在此方面的闡釋比較具有代表性。

a. Naudascher(德國)闡述激流振動類型問題，并對其進行了四種類別的劃分。根據流體誘發結構振動產生的主要原理，將激流振動區分為外部誘發、不穩定誘發、運動激勵以及流體振子激勵。

b. Weaver(加拿大)針對流體誘發振動方面的理論具體闡述了水流紊動可能造成強迫振動等主要情況，其中主要分類的屬性依據就是振動屬性。

c. Blavins(美國)則在類型劃分中采取了穩定與非穩定等類型的劃分。

3.2 流固耦合振動方面的研究

從流固耦合相關理論視角出發可以進行類別上的劃分，包括水體、剛體耦合以及水體彈性體耦合。但是，應當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水流以及彈性結構彼此形成的影響。水工結構需要在一定脈動載荷條件下發生作用，并最終造成脈動力產生改變。流固耦合本身屬于一門綜合性較強的學科，其中體現了流體力學、結構力學以及相關學科。隨著信息技術不斷向前發展，促使相關理論的研究都能夠找到應對的辦法，并能夠有效解決不同類型的耦合振動問題。流固耦合研究方面形成一系列的代表性結論，對無限流體方面的研究具有重要進步性。

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

b. 進入到80年代，關于流固耦合方面的研究已經發展至相當成熟的階段，此時Ibrahim指出結構阻尼將會對振動產生巨大作用，并可能造成結構振動函數發生改變。

當前，關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構動力學需要的模型，通過借助水彈性模型研究能夠確定激流振動。

4 加固方案中相應數據的計算與方案優選

綜合實驗階段相關數據進行計算，為了能夠更好展示關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與常見洪水對比。泄洪閘閘墩振動相應整體水動力荷載時程線通過物理模型試驗測得，水力學模型比尺為1∶100，采用有機玻璃制作，將閘墩沿水流向均分成3塊，針對其中可以是設置壓力傳感裝置，通過這種方式能夠測量閘墩位置上的動力水壓情況，整體水動力荷載情況同樣能夠測試，此時需要借助INV618職能測試設備，采樣頻率為50Hz。

通過測試產生的數據可以換算原型整體荷載并能夠將其作為閘墩振動相應計算之中的相關參數，計算各加固方案閘墩的動位移振動響應，為了更加直觀地對比各加固梁的加固減振效果，該研究選取常遇洪水工況對比分析加固方案并與加固前做對比。具體如圖1、圖2所示。

圖1 工況1

圖2 工況2

通過計算結果分析，閘墩首部位置上加固梁減振將可能會造成首區域產生變化，閘尾區位置上受到的影響相對較小。其中閘首位置上產生的動位移均方差將會進一步降低，僅能夠達到方案一實際振動位移情況的21%左右，此時閘首振動量級將會進一步降低。閘墩形成的加固減振將會沿程進一步增加，此時閘尾位置上形成的位移方差也將會下降20%左右。但未設尾部梁條件時，常遇工況時(20年一遇等)閘墩振動仍然能滿足十萬分之一標準。

加固梁加固位置處方案：方案一、方案二、方案三動位移相對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位移均方差的30%左右，閘尾變幅約為閘尾動位移均方差的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閘首影響較小，對中部、尾部區域影響較大，閘尾最大動位移均方差變幅為閘尾動位移均方差的20%左右；常遇工況下(20年一遇等)方案:閘墩閘尾振動滿足動位移十萬分之一標準(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，加固方案一技術及經濟上更加合理。

5 結 語

綜上所述，閘墩固定完成后產生振動雙倍賦值將會進一步減小，造成這種情況的主要原因是加固梁對閘墩兩側造成影響。分塊分區位置上形成的加固梁實際效果將會更加明顯。加固項目完成之后，首動唯一方差將降低到85%。最大位移方差則能夠達到41×10-3。閘尾位置上產生的位移方差則能夠進一步下降，最終可以達到75%左右。常遇工況條件下產生的位移方差將能夠達到138×10-3。通過數據分析可知，實際減振效果十分顯著。

此外，通過進行數據分析可知，閘首發生振動相對較小，采取加固方案，設計中研究重點應當是針對閘墩尾部位置問題的解決。結合相關數據項可知，對比不同方案，最終確定方案一效果最優，常遇工況條件下能夠滿足十萬分之一標準。除此之外，閘墩在振動位移方面可以與泄洪閘泄洪流等之間相關。與此同時也會對閘墩位置上的水位差等造成影響。本文中發生問題的水位差相對更大，因為尾部位置上將會產生劇烈影響，為此，需要在設計研究過程中加強常遇工況。

[1] 唐克東,孫留穎.基于ANSYS的預應力閘墩結構布置研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2014,35(4):23-26.

[2] 李火坤,楊敏,陳林,等.泄洪閘閘墩原型振動測試、預測與安全評價[J].振動、測試與診斷,2014,34(5)：938-946.

[3] 胡木生,楊志澤,張兵,等.蜀河水電站弧形閘門原型觀測試驗研究[J].水力發電學報,2016(2):90-100.

[4] 虞喜泉,袁長生.凌津灘水電站泄洪閘工作閘門及啟閉機設計特點[J].水力發電,2004(4):50-52.

[5] 孫海濤,劉興華,曾剛.漢江蜀河水電站廠內溢流布置型式關鍵技術問題設計與研究[J].西北水電,2012(6):37-42.

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