多级橡胶坝联合调度泄流特性研究

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1、多级橡胶坝联合调度泄流特性研究第一章绪论1.1橡胶坝研究背景及意义橡胶坝,又叫做橡胶水闸，属于薄壁柔性结构[1]，是在本世纪50年代末兴起的一种新型的水工建筑物，图1-1是一座山西省太原市汾河上的橡胶坝。橡胶坝的受力骨架由强度很高的合成纤维织物来做，并在受力骨架的里外都涂敷上合成橡胶以作为保护层，然后将其制成为胶布，最后按照设计的尺寸，将其锚固于基础底板上，形成了封闭状的坝袋[2-4]。橡胶坝的主要作用是在需要挡水时，用充排水管路对坝袋内部充水（气），使它充胀形成袋式的挡水坝；而不需要时，就排放坝袋内的水（气）来塌坝行洪，当排空水后坝袋会铺于底板上，不影响原有河道的过流断面，不阻水、不碍洪[5

2、-6]。橡胶坝的坝高能通过充排水的方式来升高或者降低，可以在其坝袋顶部溢流，可用来充当活动坝和溢流堰[7]。橡胶坝的充胀方式可以分为两种：充水式和充气式，如图1-2所示，充水式橡胶坝立坝和塌坝时间较充气式要长，但是充水式在坝顶溢流时比之充气式更为稳定，振动的幅度小。目前，在我国充水式橡胶坝是主导坝型。橡胶坝的安装形式有枕式（堵头式）和斜坡式两种，如图1-3所示。橡胶坝的锚固形式有螺栓式、楔块挤压式、螺旋体伸缩式和胶囊充水式。相比于其它坝型，橡胶坝具有施工便捷容易、管理方便、节省材料、造价低、抗震性能良好、不阻水、造型优美等优点[8]。通过对橡胶坝的了解可以知道其适用于跨度比较大，而水头较低的水

3、利工程中[9]。同时，橡胶坝可以当做各式闸门来使用，如当成大型的分水闸，进水闸，节制闸等应用于灌溉系统中；当做挡潮闸应用于沿海岸上。也可以将橡胶坝当做临时围堰或者活动围堰应用于施工过程中，这样就不需要建造土石围堰，节省了劳动力与时间。还可以将橡胶坝应用于城市园林建设工程中，在城区河道上修筑橡胶坝，不仅可以蓄水形成水上景观，而且明亮的坝袋颜色也给河道增添了光彩。橡胶坝的坝高一般都是在5m以下。.1.2橡胶坝在国外的发展概况和研究现状橡胶坝出现于20世纪50年代末。世界上最早出现的橡胶坝是由美国于1957年后半年兴建的，该坝建在洛杉矶河道上，主设计师是伊姆伯逊，坝长约6.1m，坝高为1.52m，高

4、度能用虹吸管来调节，而坝袋所用的胶布层厚度是3mm，强度为90KN/m。美国在橡胶坝的研究使用等方面都起步较早，其橡胶坝技术相对领先于其他国家。法国于1961年建成了最早的充水式橡胶坝。荷兰、德国、前苏联、意大利、英国、日本等多个国家也开始陆续兴建橡胶坝，并不断开拓创新，完善其性能。到目前为止，已建造的橡胶坝不胜枚举，据不完全统计，仅日本于2002年之前就已经兴建有多达3000多座的橡胶坝[10-11]，而且，目前国际橡胶坝市场大多由日本的公司所垄断，日本在早期就在坝袋技术研究方面有所突破，生产出了一种没有搭接缝的坝袋，其优点是气密性很好，而且日本为了减小坝袋的振动，在其内部布设了双层的钢丝网

5、以增强坝袋的刚度，这种坝袋已经投入到了应用中。近几年，在橡胶坝的高度方面，也有了新的突破，荷兰的Pamspol橡胶坝是目前最高的橡胶坝，高达8m，并为水气双充式橡胶坝。有关橡胶坝比较全面的技术规范标准，国外使用的是1983年8月日本修订出版的《橡胶坝技术标准》，其较为系统的概括了橡胶坝在建设过程的一些工程经验，其中包括有橡胶坝的设计、施工以及监测管理等方面。..第二章单级橡胶坝塌坝泄流计算2.1橡胶坝过流能力计算基本公式根据《橡胶坝技术规范》(SL227-98)[25]，橡胶坝的泄流能力可以按堰流来计算，计算过程参照溢流堰的水力计算方法[44-46]。图2-1是橡胶坝过流能力的计算示意图。流量

6、系数是对橡胶坝泄流造成影响的一个很重要的因素，而流量系数主要受水力条件及其几何边界条件等的影响。坝袋的断面形状主要由坝袋内压比和实际坝高决定[47]，而橡胶坝的上下游水位以及内压水头对坝的实际坝高和形状有很大影响，所以在不考虑外在因素时（如坝袋的粗糙度、环境温度等），橡胶坝的流量系数m由上游水位1h、下游水位2h、内压水头0h以及内压比决定。在橡胶坝运行时它的坝袋形状会发生变化，流量系数也随着而改变。查《橡胶坝技术规范》（SL227-98）可知，橡胶坝的流量系数是介于曲线型实用堰和宽顶堰之间的，当坝袋充胀的时候，可以将其视作曲线型实用堰；流量系数m=0.36～0.45；而坝袋完全塌平后，可以将

7、其看作是宽顶堰，宽顶堰的自由流流量系数是比较稳定的，变化不大[48]，流量系数m=0.33～0.36。..2.2单级橡胶坝塌坝过程计算方法及程序介绍对于橡胶坝塌坝泄流过程采用逐时段演进法进行计算，这是因为橡胶坝的塌坝过程是一个连续的过程，在塌坝过程中各参数，如：坝高、上下游水位、流量系数、堰上水头等都在随着时间变化。由于橡胶坝的泄流计算过程比较繁琐，运算量相对较大，耗时又长，所以，文中使用Visu