多級(jí)橡膠壩聯(lián)合調(diào)度泄流特性研究

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1、多級(jí)橡膠壩聯(lián)合調(diào)度泄流特性研究第一章緒論1.1橡膠壩研究背景及意義橡膠壩,又叫做橡膠水閘，屬于薄壁柔性結(jié)構(gòu)[1]，是在本世紀(jì)50年代末興起的一種新型的水工建筑物，圖1-1是一座山西省太原市汾河上的橡膠壩。橡膠壩的受力骨架由強(qiáng)度很高的合成纖維織物來做，并在受力骨架的里外都涂敷上合成橡膠以作為保護(hù)層，然后將其制成為膠布，最后按照設(shè)計(jì)的尺寸，將其錨固于基礎(chǔ)底板上，形成了封閉狀的壩袋[2-4]。橡膠壩的主要作用是在需要擋水時(shí)，用充排水管路對(duì)壩袋內(nèi)部充水（氣），使它充脹形成袋式的擋水壩；而不需要時(shí)，就排放壩袋內(nèi)的水（氣）來塌壩行洪，當(dāng)排空水后壩袋會(huì)鋪于底板上，不影響原有河道的過流斷面，不阻水、不礙洪[5

2、-6]。橡膠壩的壩高能通過充排水的方式來升高或者降低，可以在其壩袋頂部溢流，可用來充當(dāng)活動(dòng)壩和溢流堰[7]。橡膠壩的充脹方式可以分為兩種：充水式和充氣式，如圖1-2所示，充水式橡膠壩立壩和塌壩時(shí)間較充氣式要長，但是充水式在壩頂溢流時(shí)比之充氣式更為穩(wěn)定，振動(dòng)的幅度小。目前，在我國充水式橡膠壩是主導(dǎo)壩型。橡膠壩的安裝形式有枕式（堵頭式）和斜坡式兩種，如圖1-3所示。橡膠壩的錨固形式有螺栓式、楔塊擠壓式、螺旋體伸縮式和膠囊充水式。相比于其它壩型，橡膠壩具有施工便捷容易、管理方便、節(jié)省材料、造價(jià)低、抗震性能良好、不阻水、造型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)[8]。通過對(duì)橡膠壩的了解可以知道其適用于跨度比較大，而水頭較低的水

3、利工程中[9]。同時(shí)，橡膠壩可以當(dāng)做各式閘門來使用，如當(dāng)成大型的分水閘，進(jìn)水閘，節(jié)制閘等應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)中；當(dāng)做擋潮閘應(yīng)用于沿海岸上。也可以將橡膠壩當(dāng)做臨時(shí)圍堰或者活動(dòng)圍堰應(yīng)用于施工過程中，這樣就不需要建造土石圍堰，節(jié)省了勞動(dòng)力與時(shí)間。還可以將橡膠壩應(yīng)用于城市園林建設(shè)工程中，在城區(qū)河道上修筑橡膠壩，不僅可以蓄水形成水上景觀，而且明亮的壩袋顏色也給河道增添了光彩。橡膠壩的壩高一般都是在5m以下。.1.2橡膠壩在國外的發(fā)展概況和研究現(xiàn)狀橡膠壩出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末。世界上最早出現(xiàn)的橡膠壩是由美國于1957年后半年興建的，該壩建在洛杉磯河道上，主設(shè)計(jì)師是伊姆伯遜，壩長約6.1m，壩高為1.52m，高

4、度能用虹吸管來調(diào)節(jié)，而壩袋所用的膠布層厚度是3mm，強(qiáng)度為90KN/m。美國在橡膠壩的研究使用等方面都起步較早，其橡膠壩技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先于其他國家。法國于1961年建成了最早的充水式橡膠壩。荷蘭、德國、前蘇聯(lián)、意大利、英國、日本等多個(gè)國家也開始陸續(xù)興建橡膠壩，并不斷開拓創(chuàng)新，完善其性能。到目前為止，已建造的橡膠壩不勝枚舉，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅日本于2002年之前就已經(jīng)興建有多達(dá)3000多座的橡膠壩[10-11]，而且，目前國際橡膠壩市場大多由日本的公司所壟斷，日本在早期就在壩袋技術(shù)研究方面有所突破，生產(chǎn)出了一種沒有搭接縫的壩袋，其優(yōu)點(diǎn)是氣密性很好，而且日本為了減小壩袋的振動(dòng)，在其內(nèi)部布設(shè)了雙層的鋼絲網(wǎng)

5、以增強(qiáng)壩袋的剛度，這種壩袋已經(jīng)投入到了應(yīng)用中。近幾年，在橡膠壩的高度方面，也有了新的突破，荷蘭的Pamspol橡膠壩是目前最高的橡膠壩，高達(dá)8m，并為水氣雙充式橡膠壩。有關(guān)橡膠壩比較全面的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，國外使用的是1983年8月日本修訂出版的《橡膠壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，其較為系統(tǒng)的概括了橡膠壩在建設(shè)過程的一些工程經(jīng)驗(yàn)，其中包括有橡膠壩的設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)測管理等方面。..第二章單級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算2.1橡膠壩過流能力計(jì)算基本公式根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227-98)[25]，橡膠壩的泄流能力可以按堰流來計(jì)算，計(jì)算過程參照溢流堰的水力計(jì)算方法[44-46]。圖2-1是橡膠壩過流能力的計(jì)算示意圖。流量

6、系數(shù)是對(duì)橡膠壩泄流造成影響的一個(gè)很重要的因素，而流量系數(shù)主要受水力條件及其幾何邊界條件等的影響。壩袋的斷面形狀主要由壩袋內(nèi)壓比和實(shí)際壩高決定[47]，而橡膠壩的上下游水位以及內(nèi)壓水頭對(duì)壩的實(shí)際壩高和形狀有很大影響，所以在不考慮外在因素時(shí)（如壩袋的粗糙度、環(huán)境溫度等），橡膠壩的流量系數(shù)m由上游水位1h、下游水位2h、內(nèi)壓水頭0h以及內(nèi)壓比決定。在橡膠壩運(yùn)行時(shí)它的壩袋形狀會(huì)發(fā)生變化，流量系數(shù)也隨著而改變。查《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98）可知，橡膠壩的流量系數(shù)是介于曲線型實(shí)用堰和寬頂堰之間的，當(dāng)壩袋充脹的時(shí)候，可以將其視作曲線型實(shí)用堰；流量系數(shù)m=0.36～0.45；而壩袋完全塌平后，可以將

7、其看作是寬頂堰，寬頂堰的自由流流量系數(shù)是比較穩(wěn)定的，變化不大[48]，流量系數(shù)m=0.33～0.36。..2.2單級(jí)橡膠壩塌壩過程計(jì)算方法及程序介紹對(duì)于橡膠壩塌壩泄流過程采用逐時(shí)段演進(jìn)法進(jìn)行計(jì)算，這是因?yàn)橄鹉z壩的塌壩過程是一個(gè)連續(xù)的過程，在塌壩過程中各參數(shù)，如：壩高、上下游水位、流量系數(shù)、堰上水頭等都在隨著時(shí)間變化。由于橡膠壩的泄流計(jì)算過程比較繁瑣，運(yùn)算量相對(duì)較大，耗時(shí)又長，所以，文中使用Visu