高拱坝坝身泄洪流激振动水弹性模拟研究_谢省宗.pdf

1997 年 12月水? ? 利? ? 学? ? 报SHUILI ? ? XUEBAO第 12 期高拱坝坝身泄洪流激振动水弹性模拟研究*谢省宗 ? 李世琴 ? 吴一红 ( 中国水利水电科学研究院)? ?施民栋 ( 北京市水利科学研究所)? *本文于 1996 年9 月 17 日收到, 系 ? 八?五? 国家科技攻关项目的部分内容, 参加本项工作的尚有中国水利水电科学研究院的李铁洁、陈振玺、徐国凡等及北京水利科学研究所的冯振齐、胡风山等.提要研制了对混凝土坝及基岩进行水弹性模拟的新配方和材料, 并用此材料成功地对黄河拉西瓦高拱坝坝身泄洪的流激振动进行水弹性模拟试验. 在比尺为 1?150 的拱坝 -地基 -库水耦合系统的水弹性整体模型上, 进行了实验模态分析, 给出系统的空、满库的模态特性并与理论模态相比较; 测定了拱坝坝身泄洪水舌跌落水垫塘消能时, 紊流流激振动的动力响应, 定量给出响应的强度和频谱; 论证了高拱坝坝身泄洪的安全性.关键词? 高拱坝, 坝身泄洪, 流激振动, 水弹性, 流固耦合.一、前? ? 言在高山峡谷地区修建高薄拱坝 ( 坝高 250m ? 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 -地基 -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,采用了数模与物模并重和二者相辅相成的方法进行较为深入的研究,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 [ 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 -地基 -库水耦合系统泄洪整体水弹性模型的制作及工艺;在这一水弹性模型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,溢流水舌跌落水垫塘消能紊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.?1?二、水弹性振动模拟材料研制拉西瓦拱坝 -地基 -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 -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 -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 ( ?w)r= 1 的前提条件.为了保证水弹性系 统库水和拱坝-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( ?s)r= 1, 式中角标 ? w? 和 ? s? 分别表示液相和固相,()r表示比尺,即原型与模型物理量的比值.同时, 符合水弹性相似准则的结构动力模型,其物理力学参数应满足: Er= Lr, ? ? ?r= 1, ?? Cr= L2?5r,(1)式中:Lr为几何比尺,Er为弹模比尺,?r为波桑比比尺;Cr为阻尼系数比尺, 或用阻尼比 ?= C/ Cc的比尺 ( Cc= 2M?0) 表示,则等价于 ( ?j)r= 1,即模型各阶模态阻尼比与原型相同. 为了建立拉西瓦泄洪流激振动的拱坝 -地基 -库水耦合系统的水弹性相似模型,需用水弹性模拟材料以数十吨计.考虑如果用常规的、由厂家生产的 ? 加重橡胶? 制模[2 ? 5],质量上难以保证,价格也十分昂贵.据以往经验, 在批量抽样检查时,? 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 10% 以上,由于材料价格昂贵,面对着大批已生产出来的水弹性模拟材料,往往处于弃之可惜 ( 或不能) 、用之误差大的为难局面,加以这种材料弹模受温度影响较大,老化也较严重.在试验时 要求对环境温度和时程严加控制.基于以上种种原因, 使传统的、厂家生产的 ? 加重橡胶? 不适应于用量巨大的、大比尺水弹性整体模型,因而决定自行研制一种新的,可自制的、物理力学特性易于控制和价格相对便宜的水弹性模型材料.经多次反复试验, 最 终选定用胶乳、特种水泥和铁粉配制而成的、可用于水弹性试验的材料[6]. 拉西瓦水弹性模型比尺选用 1?150,有两种配方: 一种是模拟坝体混凝土的,一种是模拟岩石的.其配合比如表 1 所示.表 1? 水弹性模拟材料配方设计容量 (g/ m3)配合比 ( 重量比) ( 胶乳?水泥?铁粉)工艺2?41?0?27?4?11100? 硫化2?71?0?21?4?06室温硫化? ? 根据上述配方,采用严格的工艺流程进行合成,获得基本满足相似准则的水弹性模 型材料,其物理力学特性与原型对照如表 2.表 2? 水弹性模型物理力学特性原、模型比较参数材料容重? ( T/ m3)静弹模 E0( MPa)动弹模 Ed( MPa)波桑比?原型模型原型模型原型模型原型模型混凝土 ( 坝体、水垫塘)2?402?40 - 2?412?06? 104139?02?68? 104148?70?1670?20 - 0?25基? 岩 ( 坝及水垫塘地基)2?702?50 - 2?512?06? 104141?52?68? 104170?90?200 ??2?由表 2 可知, 模拟材料的混凝土容重接近设计值,模拟岩石容重略小, 波桑比稍 大,静弹模接近设计值,动弹模虽略有差别, 但混凝土动弹模的数值影响因素较多, 且测量较困难, 因此,我们认为制模材料以控制静弹模较为合理, 可见, 所研制的两种水弹性模拟材料基本上达到要求.三、模型设计与制作拱坝部分按结构模型严格依照设计体型用水弹性模拟材料分块成型,并经严格温控 硫化制成, 然后逐块粘结而成。

水库及地基及水垫塘部分, 考虑流固耦合影响, 水库长度取为 3 倍最大坝高 ( 模型长约 5?7m) ,其中水弹性模拟材料部分取从坝轴线向上游 2倍最大坝厚, 这部分的地基、坝肩和两岸地形均用室温硫化的水弹性材料制成, 非水弹性模拟部分按常规水工模型制作.考虑脉动荷载主要通过水垫塘产生和传递,整个水垫 塘范围均作水弹性模拟,长度约 7 倍最大坝厚 ( 约 2?1m) . 拱坝坝肩及水垫塘两侧山体取 2 倍最大坝厚. 拱坝及水垫塘地基范围内的水弹性模拟深度约 3 倍最大坝厚, 地基模拟深度的范围用数模计算做了论证.四、拱坝 -地基 -库水耦合系统中拱坝的实验模态分析实验模态分析是一种先进的结构动态特性研究手段[ 7].我们采用的实验模态分析 系统是东方振动和噪声研究所开发的 INV303/ 306 智能信号数据采集处理分析系统, 该系统具有变时基传递函数 ( 导纳) 测量和传递函数的智能谱修正等 20 项国内先进的技术[8]. 实验系统框图如下:各种结果打印数据和图像输出I NV303 306 系统数据采集, 模态分析双通道抗混滤波电荷放大器力锤信号响应信号模型模态实验采用多点激励、单点测量的方法进行[ 9].拉西瓦水弹性整体模型包括拱坝、地基和水垫塘 3 部分, 实验模态分析主要是针对拱坝进行的.根据双曲拱坝特点, 在拱坝模型下游面的 9 个高程层共设置了 70 个激励点, 其布置如图 1 所示.测量响应信号点 A 位于拱坝左岸距离左坝肩约 70m、高程 2452m 处,A 点可避开前几阶固有模态振型的节点,且能得到足够高的响应信号. 试验证明,激励和响应点的布置基本上是 恰当的.试验实测了空库条件下的前四阶的固有频率及相应的主模态振型,见图 2? 3; 满库条件下 ( 库水位 2457m) 的前四阶固有频率及相应主模态振型见图 4 ? 5.空、满库条件下实验模态特性如表 3 所示.需要说明的是, 图 2、4 上面的主模态频率值是标志 线的值 ( 粗估) , 图 3、5 左下角的值是经复杂的数学拟合运算得出的精确值,也是表 3中的值.?3?表 3? 干、湿模态特性对比表阶数频率 (Hz)频率降低 ( % )阻尼比 ( % )振型空库 fd满库 fh模型原型模型原型(fd- fh) / fd空库满库空库满库131?652?58 (2?16)26?982?20 (1?74)14?8 (19?4)4?938?06反对称 (反对称)反对称 (正对称)236?052?94 (2?18)32?212?63 (1?79)10?5 (17?9)--正对称 (正对称)正对称 (反对称)345?323?7044?563?641?67?607?02正对称正对称457?714?7256?164?592?57?718?18正对称正对称备注1、() 内数值为理论模态分析结果。

2、表中第 2 阶模态频率是根据图 2、4 第 1 阶右侧的一个小峰利用细 化 (Zoom) 技术识别出来的, 因此图 2、3和 4、5 中的第 2、3 阶对应的就是本表的第 3、4 阶图 1? 实验模态分析及动力响应测点布置图 2? 拉西瓦拱坝空库条件传递函数集总平均曲线上述结果表明,空库时拱坝基 频为 2?58Hz,主模态振型呈反对称; 满库时拱坝基频 2?20Hz,振型也呈反对称,满库自振频率比空 库降低了 14?8%.理论模态分析( 见文献 [ 1] ) 得出;空库时基频2?16Hz,振型呈反对称,满库时基频 1?74Hz,振型呈正对称,但 紧邻第二阶自振频率 1?79Hz,振型却为反对称, 满库比空库频率降低了 19?4% 拉西瓦拱坝矢跨比约 1/ 5,厚高比 0?18, 根据以往对双曲薄拱坝动力分析成果, 在矢跨比大于 1/ 100 时, 拱的作用明显,因而试验和理论模态分析均得出空库第一阶为反对称振型 是合理的. 至于满库时基频振型出现正反倒序的问题, 因第一阶和第二阶自振频率仅相差0?05Hz,可能是由于在基频附近振型密集,实验模态的频率分辨率不够所引起的,故应以理论模态得出第一阶为正对称振型为准.?4?图 3? 拉西瓦拱坝空库条件下前四阶主模态振型图 4? 拉西瓦拱坝满库条件传递函数集总平均曲线图 5? 拉西瓦拱南满库条件下前四阶主模态振型此外, 实验模态分析所得水弹性模型的各阶模态阻尼比 ?i空库为4?61% ? 7?71% ,满库为 6?22% ? 8?18%, 与进行随机振动分析时取 ?i= 5% ( 平均值) 接近, 与水弹性相似准则要求的 ( ?i)r= 1 也接近.五、拱坝坝身泄洪时流激振动的模拟试验研究通过对脉动压力的研究[ 10], 在校核水位、坝身三表孔和二深孔泄洪时,水舌跌落?5?水垫塘时底板的脉动荷载最大, 所以选择这一工况进行坝身泄洪流激振动的模拟试验, 测点布置如图 1 所示. 实测动力响应特征值见表 4.表 4? 坝身泄洪动力响应特征值响应类别加速度动位移响应 测量点幅值 ( ? 10- 3m/ s2)功率谱峰值频率 (Hz)幅值 (?m)功率谱峰值频率 ( Hz)AmaxArmsf1f2f3DmaxDr msf1f2f316?191?401?917?500?5011?84?52?000?501?30215?03?842?000?501?3077?828?50?452?101?30322?24?582?102?500?5065?824?00?532?103?50417?54?530?572?103?5046?513?50?462?00528?96?672?000?501?3047?817?00?522?101?30616?24?653?550?502?0052?515?00?522?003?50714?83?15。