高壓閘門水封的非線性計算理論與應(yīng)用

前言

隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展，高壩、大流量水電站（如錦屏一級、小灣以及兩河口水電站，壩高達(dá)300m級）不斷開發(fā)，特別是國家能源戰(zhàn)略要求優(yōu)先發(fā)展可再生能源的背景下，西北、西南地區(qū)將出現(xiàn)許多高水頭、甚至是前所未有的特高水頭電站，泄水孔、洞閘門的止水問題顯得越來越突出。高水頭作用下閘門發(fā)生漏水，不僅會引起不必要的水資源損失，而且可能形成縫隙流，導(dǎo)致建筑物空蝕和閘門振動，威脅工程安全。高壓閘門止水裝置的可靠性與合理性日益受到工程界的關(guān)注.雖然止水裝置是水工閘門的細(xì)部結(jié)構(gòu)，但止水型式和水封結(jié)構(gòu)往往決定了高壓閘門運行的安全性和耐久性，因而止水裝置的設(shè)計計算已成為高壓閘門設(shè)計的關(guān)鍵性技術(shù)問題。我國對高壓閘門止水的設(shè)計十分重視，隨著20世紀(jì)80年代以來大孔口、高壓閘門的不斷出現(xiàn)，國內(nèi)有陜西機械學(xué)院、南京水利科學(xué)研究院、中國水利水電科學(xué)研究院、武漢大學(xué)（原武漢水利電力大學(xué)）、昆明水利水電研究院水科所等單位先后從事這方面的研究。就現(xiàn)狀來看高壓閘門止水基本上可以分為偏心鉸壓緊式和液壓伸縮式兩種型式，前者通過偏心鉸轉(zhuǎn)動使閘門面板向前移動壓緊水封封頭而封水，當(dāng)閘門總水壓力很大時，偏心鉸的制造在技術(shù)上很困難；后者閘門采用普通圓柱鉸進(jìn)行支撐，在水封止水元件背部施加一定的背壓使止水元件封頭向外伸移，封頭壓緊門槽墊板（或閘門面板）而封水。

內(nèi)容概要

根據(jù)當(dāng)前大流量高水頭電站建沒和發(fā)展的需要，作者在國家自然科學(xué)基金資助下進(jìn)行了專題研究，全面總結(jié)了高壓閘門水封計算理論及應(yīng)用的研究成果，在此基礎(chǔ)上撰寫了這部理論與實踐緊密結(jié)合的專著。    本書闡述了高壓閘門水封非線性有限元計算的基本理論和工程應(yīng)用實例。全書包括：橡膠類止水材料的力學(xué)性能實驗研究，橡膠類止水材料性質(zhì)與參數(shù)的研究，橡膠類止水材料的黏彈性研究，橡膠類止水材料的耐久性研究，橡膠類止水材料非線性的問題與計算，結(jié)合瀑布溝、水口、拉西瓦等巨型水電站閘門水封進(jìn)行了非線性有限元理論及計算方法分析研究，并對水封水密性規(guī)律及封水判據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。本書是水利水電工程界從事設(shè)計、施工、科研、管理的廣大工程技術(shù)人員及高等院校相關(guān)專業(yè)師生的寶貴參考資料。

作者簡介

劉禮華，1963年4月出生于江西省武寧縣，分別在華東水利學(xué)院、武漢水利電力學(xué)院、武漢大學(xué)獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位?，F(xiàn)任武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院力學(xué)系副主任、教授、博士生導(dǎo)師，水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測研究所所長，國家自然科學(xué)基金獲得者，2006年度全國優(yōu)秀力學(xué)教師，湖北省力學(xué)學(xué)會第七、八屆常務(wù)理事，長期從事教學(xué)和科研工作。主持參與了“高壓閘門水封的非線性計算理論與實驗研究”、歐珠光，1940年11月出生于廣西壯族自治區(qū)合浦縣，1964年7月畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院。武漢大學(xué)教授，湖北省力學(xué)學(xué)會第四、五、六屆理事、常務(wù)理事、副秘書長、副理事長兼學(xué)術(shù)委員會主任委員。1997年被中國力學(xué)學(xué)會授予“中國力學(xué)學(xué)會先進(jìn)工作者”稱號。長期從事力學(xué)與水工方面的教學(xué)與科研工作。曾主持參與了“福建坑口水電站碾壓混凝土振動壓實規(guī)律的研究”、“廣西巖灘水電站碾壓混凝土圍堰快速施工中的碾壓混凝土振動壓實機理的研究”、“緊湊型線路間隔棒短路電流沖擊力的試驗研究”，以及參與了“高壓閘門水封的非線性計算及實驗研究”、“構(gòu)皮灘水電站泄洪中孔充壓式止水實驗研究”等50余項科研項目。先后發(fā)表了《巖灘水電站圍堰碾壓混凝土振動壓實機理的研究》、《碾壓混凝土振動壓實的實驗研究》和《應(yīng)用非線性有限元法對某水封安裝過程進(jìn)行仿真計算》等學(xué)術(shù)論文30余篇，其中有5篇分獲湖北省自然科學(xué)優(yōu)秀論文一、二、三等獎。參編出版了《碾壓混凝土筑壩——設(shè)計與施工》、《力學(xué)及其工程應(yīng)用》，主編出版了《理論力學(xué)》，編著出版了《工程振動》、《水工鋼閘門檢測理論與實踐》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗》和《動力學(xué)實驗》。陳五一，1961年5月出生于重慶市酉縣，先后參加過30余大中型水電站的各階段設(shè)計工作。

書籍目錄

序前言第1章　緒論　1.1　高壓閘門水封研究的目的和意義　1.2　高壓閘門水封的作用、要求及分類　1.3　高壓閘門水封研究現(xiàn)狀　1.4　高壓閘門水封的研究方法與思路　1.5　高壓閘門水封目前的研究工作第2章　橡膠類止水材料的力學(xué)性能實驗研究　2.1　止水材料的硬度實驗　2.2　止水材料的拉伸與壓縮實驗　2.3　止水材料的摩擦實驗　2.4　止水材料的黏彈性實驗第3章　橡膠類止水材料性質(zhì)與參數(shù)的研究　3.1　止水材料的性質(zhì)　3.2　橡膠超彈性本構(gòu)關(guān)系　3.3　止水材料參數(shù)　3.4　止水材料的兩參數(shù)Rivlin公式　3.5　止水材料Rivlin公式的其他形式　3.6　止水材料Rivlin公式的應(yīng)用實例　3.7　止水材料的Ogdcn公式第4章　橡膠類止水材料的黏彈性研究　4.1　Mooney-Rivlin修正公式的研究　4.2　幾種常用止水材料Mooney-Rivlin黏彈性函數(shù)的實驗研究　4.3　橡膠類材料與固體流變模型三維本構(gòu)關(guān)系的研究　4.4　三種常用止水材料流變參量的研究第5章　橡膠類止水材料的耐久性研究　5.1　止水材料的耐久性特征　5.2　止水材料黏彈性對其耐久性的影響　5.3　環(huán)境溫度對止水材料耐久性的影響　5.4　流體環(huán)境對止水材料耐久性的影響　5.5　止水材料與金屬結(jié)合的耐久性　5.6　橡膠類止水元件的耐久性評估方法及目的第6章　橡膠類止水材料非線性的問題與計算　6.1　止水材料大變形的時空描述　6.2　止水材料的材料非線性問題　6.3　止水材料的幾何非線性問題　6.4　止水材料的接觸非線性問題　6.5　止水材料的非線性有限元計算　6.6　用非協(xié)調(diào)元解決材料體積不可壓縮性問題　6.7　非線性方程組的解法和收斂準(zhǔn)則　6.8　ANSYS軟件非線性分析功能及其在水封計算中的應(yīng)用第7章　瀑布溝水電站放空洞弧門充壓伸縮式水封非線性有限元計算　7.1　工程概況　7.2　水封的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)　7.3　水封止水元件的非線性有限元計算力學(xué)模型　7.4　水封非線性有限元計算程序及方法步驟　7.5　翼頭的優(yōu)化比較　7.6　封頭的優(yōu)化計算比較　7.7　水封斷面優(yōu)化計算結(jié)果　7.8　充壓伸縮式水封止水元件時程分析　7.9　充壓伸縮式水封特征數(shù)據(jù)計算　7.10　充壓伸縮式水封水密性計算　7.11　充壓伸縮式水封優(yōu)化設(shè)計的新思路第8章　瀑布溝水電站放空洞弧門充壓伸縮式水封模型實驗　8.1　高壓閘門水封實驗裝置　8.2　實驗水封模型設(shè)計　8.3　封頭自由外伸量測試　8.4　封頭接觸寬度的測試與其接觸應(yīng)力的計算　8.5　封頭壓縮量測試　8.6　水封水密性實驗與封頭偏移量　8.7　計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較　8.8　實驗小結(jié)第9章　某巨型水電站底孔弧門常規(guī)水封仿真計算　9.1　概述　9.2　弧門常規(guī)水封仿真計算　9.3　弧門常規(guī)水封仿真計算結(jié)果　9.4　結(jié)論與展望第10章　水口水電站底孔浮體閘門大截面承載傳力水封仿真計算　10.1　工程特點與水封計算目的　10.2　浮體閘門承載傳力水封的基本結(jié)構(gòu)　10.3　承載傳力水封的仿真計算　10.4　承載傳力水封仿真計算結(jié)果　10.5　承載傳力水封仿真計算結(jié)果分析　10.6　結(jié)論與建議第11章　拉西瓦水電站導(dǎo)流封堵閘門自封閉式水封的非線性有限元計算　11.1　概述　11.2　自封閉式水封的工作原理　11.3　自封閉式水封的非線性有限元計算　11.4　閘門水封摩阻力的非線性有限元計算　11.5　結(jié)論與建議第12章　拉西瓦水電站導(dǎo)流封堵閘門自封閉式水封模型實驗研究　12.1　概述　12.2　自封閉式水封模型實驗研究　12.3　自封閉式水封單質(zhì)止水元件模型實驗　12.4　模型實驗研究結(jié)論與建議第13章　水封的水密性規(guī)律及封水判據(jù)　13.1　理論計算與實驗分析總結(jié)　13.2　水封水密性的規(guī)律　13.3　充壓伸縮式水封的封水判據(jù)　13.4　水封研究的展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：國內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始研究高壓閘門水封，近十幾年來，新材料、新技術(shù)日新月異地采用將水封技術(shù)不斷推向新的高度，特別是三峽工程的建設(shè)，使我國水電建設(shè)技術(shù)在多方面走在了世界前列。隨著國家西部大開發(fā)政策的實施，在國家能源戰(zhàn)略要求優(yōu)先發(fā)展可再生能源的背景下，西北、西南地區(qū)將出現(xiàn)許多高水頭，甚至是特高水頭的電站，這對水工技術(shù)特別是閘門封水技術(shù)提出了更高更新的要求。在閘門設(shè)計中，門體、門槽的設(shè)計技術(shù)已比較成熟，閘門的止水問題由從屬的技術(shù)問題演變?yōu)殚l門設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題。盡管閘門水封在水利樞紐布置上所占空間位置的比例很小，但卻是一個至關(guān)重要的問題。如果閘門封水效果不好，首先，會出現(xiàn)漏水，造成水資源浪費；其次也會形成縫隙流，容易帶來閘門的振動和空化空蝕現(xiàn)象，從而威脅鋼閘門乃至整個水工建筑物的安全；第三，閘門水封的拆卸安裝周期長、難度大，頻繁地更換水封，要花費大量的人工和材料費。所以在閘門水封設(shè)計中，特別是對高壓閘門水封進(jìn)行進(jìn)一步深入研究是有重大意義的，也是迫切需要解決的。由于這個課題涉及到計算力學(xué)、材料學(xué)和工程設(shè)計學(xué)等諸多學(xué)科，如何引入新的研發(fā)方法與研究手段，以及結(jié)合不同層面、不同視角的科研與技術(shù)隊伍通過合作的形式，尋找高壓閘門水封技術(shù)新的突破，使止水部分的局部與細(xì)節(jié)的技術(shù)設(shè)計更加精細(xì)化，是今后高壓閘門水封研究的重要方向。

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