高占遼 柴啟輝

(1.河南襄城縣水利局，河南襄城 452670; 2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

1 橡膠壩簡(jiǎn)介

橡膠壩是用高分子合成材料建造的一種新型柔性水工建筑物，它利用高強(qiáng)度合成纖維或鋼絲作為受力骨架涂敷橡膠制成膠布，錨固在基礎(chǔ)上形成封閉式袋狀，用水或氣充脹形成擋水壩，其壩高可調(diào)節(jié)，壩頂可溢流。橡膠壩用膠布代替了以往筑壩的土、木、鋼、石等建筑材料，其使用條件與水閘相似，既可用于防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)、擋潮，也可用于活動(dòng)圍堰、渠系臨時(shí)擋水等工程。橡膠壩與常規(guī)閘壩相比，具有節(jié)省三材、造價(jià)低(可減少投資30%～70%)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工期短(壩袋只需3 d～15 d即可安裝完畢)及跨度大、自重輕、抗震性好和美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此，橡膠壩目前獲得了廣泛的應(yīng)用。

2 工程任務(wù)和工程建設(shè)目的

該蓄水工程擋水建筑物采用橡膠壩，建在北汝河鮑坡與余莊村之間，設(shè)計(jì)壩高5 m，壩長(zhǎng)190 m，壩頂高程81.7 m，蓄水庫(kù)容679萬(wàn)m3左右。建設(shè)該工程目的主要是解決穎汝灌區(qū)用水、許昌市城市用水以及襄城城區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和環(huán)境用水。

3 壩址選擇方案

方案一:

黃柳村東壩址(樁號(hào)1+042)。該處河槽底寬為160 m，底部高程為71 m～72 m，左岸為行洪灘地，寬352 m，高程為84 m左右;施工導(dǎo)流時(shí)，可利用左岸灘地開挖明渠導(dǎo)流，不需占用農(nóng)田。由于壩長(zhǎng)較短，相應(yīng)壩體和壩基防滲工程量均較小，導(dǎo)、截流、主體工程施工均可在一個(gè)非汛期完成，施工工期短，發(fā)揮效益快。

方案二:

余莊壩址(樁號(hào)0+842)。該處河槽底寬為180 m，底部高程為69 m～72 m，壩底砂層厚度大，防滲費(fèi)用大，由于河床較窄，通過大洪水時(shí)，沒有兩岸灘地泄洪，需要修建的壩長(zhǎng)較長(zhǎng)，投資大，施工導(dǎo)流時(shí)，占用農(nóng)田。

比較上述兩方案，方案一相對(duì)于方案二具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)與大陳閘重疊庫(kù)容小，凈增庫(kù)容大;

2)壩的總長(zhǎng)度短，建筑工程量及壩基防滲工作量小;

3)導(dǎo)流、圍堰、施工一次完成，工程布置簡(jiǎn)潔，工期短等。決定采用方案一進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 橡膠壩設(shè)計(jì)

4.1 工程等級(jí)和建筑物級(jí)別

北汝河橡膠壩是服務(wù)于城市供水和農(nóng)田灌溉的水利工程，規(guī)劃壩高5 m，蓄水庫(kù)容679萬(wàn)m3，按《水利樞紐工程等別劃分標(biāo)準(zhǔn)》，屬Ⅳ等工程，其主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)家GB 50201-94防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Ⅳ等4級(jí)供水工程，按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，30年一遇洪水校核。

4.2 土建工程設(shè)計(jì)

北汝河橡膠壩樞紐工程主要由三跨橡膠壩和一孔泄水閘兩大建筑物組成。兩大建筑物由上游連接段(包括上游防沖槽、上游鋪蓋、兩岸護(hù)坡和兩岸翼墻)、壩身(閘室)段(包括壩底板、閘室控制段)、下游連接段(包括下游消力池段、下游海漫段、下游防沖槽、兩岸護(hù)坡和兩岸翼墻)部分組成。

壩身段底板上部長(zhǎng)度為16.0 m，下游連接1∶1.5的斜坡與消力池連接。壩底板高程為76.7 m，厚度為2.0 m，底板下設(shè)前后齒墻，壩底板分縫間距為10.0 m，采用651型橡皮止水，縫內(nèi)填低發(fā)泡沫塑料板。壩袋凈高5.0 m，設(shè)計(jì)正常擋水位81.7 m。壩袋長(zhǎng)190 m，分三跨修建，中間一跨長(zhǎng)度為70 m，兩側(cè)長(zhǎng)度各為60 m。壩段之間設(shè)置C20鋼筋混凝土直墻隔墩，順?biāo)鏖L(zhǎng)度為16.0 m，墩頂高程為83.5 m，為避免壩袋兩端與墩墻結(jié)合部位出現(xiàn)坍肩現(xiàn)象，引起局部溢流，影響橡膠壩的正常運(yùn)行，將中墩和邊墩端部2.0 m寬底板采用1∶10邊坡抬高20 cm。橡膠堵頭與墩墻接觸部位用1∶2水泥砂漿抹平壓光。為防止壩袋經(jīng)常起落，損害壩袋，參照已建橡膠壩工程，設(shè)計(jì)允許壩頂溢流水深0.5 m，壩前最高控制水位82.2 m。壩袋采用雙錨固線螺栓形式錨固，錨固槽設(shè)置為暗槽，錨固槽回填后與壩底板齊平，以減小坍壩時(shí)夾裹泥砂對(duì)壩袋的磨損。壩袋上下游錨固線采用外錨固，端部堵頭錨固線采用內(nèi)錨固。

上游連接段包括:上游防沖槽、鋪蓋、兩岸護(hù)坡和兩岸翼墻。上游拋石防沖槽，底部高程為70.0 m，底部寬度3.0 m，兩側(cè)邊坡坡度1∶1.5，深1.5 m;順?biāo)鞣较?，下游接漿砌石防沖段，斜坡段水平長(zhǎng)度12.6 m，坡度 1∶3.5，水平段長(zhǎng)度 15.0 m，高程為 75.1 m;上游防滲鋪蓋采用C20鋼筋混凝土，厚度為40 cm，長(zhǎng)度為18.4 m，與底板用鋼筋連接，以增加壩體穩(wěn)定性，底部用10 cm厚C10混凝土墊層。

下游連接段包括消力池，海漫，下游防沖槽，兩岸護(hù)坡和兩岸翼墻。為減少水流對(duì)下游河道的沖刷，需建消能設(shè)施，擬修建消力池，底板高程73.3 m，池深1.80 m，池長(zhǎng)20.0 m，底板厚50 cm，材料采用C20鋼筋混凝土，底板下設(shè)反濾層，底板內(nèi)設(shè)φ50 PVC管，間排距為1.5 m，及時(shí)減小滲流水對(duì)壩體的滲透破壞;下游接海漫段水平長(zhǎng)度為23.5 m，邊坡坡度為1∶6.5，與下游防沖槽連接。下游拋石防沖槽底部高程為70.0 m，底部寬度3.0 m，兩側(cè)邊坡坡度1∶1，深1.5 m，下游與原河道連接。橡膠壩橫剖面如圖1所示。

4.3 橡膠壩袋設(shè)計(jì)

圖1 北汝河橡膠壩橫斷面圖

4.3.1 壩袋設(shè)計(jì)條件

壩袋安裝后將遇到以下四種運(yùn)行情況:

1)充脹試驗(yàn):壩袋安裝后，壩上、下游均無(wú)水，壩袋分三次充脹至設(shè)計(jì)高度，以檢查錨固槽漏水情況。這種情況僅在壩袋安裝完畢后或檢修時(shí)試充水檢查時(shí)出現(xiàn)。

2)正常擋水:壩前水深與壩頂齊平，壩下無(wú)水。

3)正常擋水:壩前水深與壩頂齊平，壩下有水。

4)壩頂溢流:運(yùn)行中為了不使壩袋頻繁起落，允許壩頂溢流，并控制壩頂溢流水深0.5 m。經(jīng)計(jì)算，壩頂溢流最大下泄流量114.6 m3/s。

上述四種設(shè)計(jì)條件中，充脹試驗(yàn)為暫時(shí)情況，正常擋水和壩頂溢流情況，根據(jù)已建橡膠壩經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)壩頂溢流水深很小時(shí)，正常擋水和壩頂溢流情況下的壩袋幾何形狀相差不大。故為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅根據(jù)正常擋水情況，即上游水位平壩頂，下游無(wú)水的情況作為控制壩體設(shè)計(jì)的條件。

4.3.2 袋內(nèi)外水壓比α值的選擇

壩袋內(nèi)水壓力水頭H0的確定是根據(jù)C=H0/H1的比值經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后選定，H1為壩袋充脹高度。因H0/H1與壩袋徑向拉力T成正比，與壩袋的周長(zhǎng)L成反比。因此，在選擇H0時(shí)，應(yīng)綜合考慮帆布的強(qiáng)度、壩袋的造價(jià)及安全系數(shù)。根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》，通常 H0/H1=1.25～1.5，本工程設(shè)計(jì)中就 H0/H1=1.25，1.3，1.35 三種情況進(jìn)行了計(jì)算比較后，決定 α 值采用 1.3。

4.3.3 壩袋拉力計(jì)算

壩袋拉力分徑向拉力和緯向拉力。徑向拉力在設(shè)計(jì)情況下，按下式計(jì)算:

“這我沒有想到，這種可能性不能說沒有，只是太富于戲劇性了，小說家在發(fā)揮想象時(shí)用力過猛了，我承認(rèn)這不失精彩。”

T=0.5γ(H0H1－0.5H21)。

其中，H1為設(shè)計(jì)壩高，H1=5.0 m;H0為壩袋內(nèi)壓力水頭，H0=1.3 ×5.0=6.5 m;γ 為水的容重，取10 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，T=100 kN/m。

壩袋緯向拉力計(jì)算較為復(fù)雜。當(dāng)壩袋充脹后，由于錨固線的約束，各部位的受力情況不同。試驗(yàn)表明，袋壁的最大緯向拉力均較徑向拉力小，壩袋中段的緯向拉力可取徑向拉力的50%;兩端附近褶皺區(qū)，受力情況比較復(fù)雜，可按徑向拉力的100%計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.3.4 壩袋幾何參數(shù)計(jì)算

壩袋設(shè)計(jì)采用查表法計(jì)算壩袋各參數(shù)，已知壩袋內(nèi)壓比α=1.3，H1=5.0 m，查《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》附表2-1，計(jì)算結(jié)果如下:采用雙錨固線式的壩袋有效周長(zhǎng)為:設(shè)計(jì)底墊片的有效長(zhǎng)度為:L1=n+X0=9.40 m。壩袋參數(shù)見表1。

表1 壩袋參數(shù)表

壩袋與底墊片加工時(shí)要加上錨固所需長(zhǎng)度ΔL=0.8 m。

所以，壩袋實(shí)際周長(zhǎng):

L0'=L0+2ΔL=17.65+1.6=19.25 m。

底墊片實(shí)際長(zhǎng)度:

L1'=L+2ΔL=9.4+1.6=11.00 m。

4.3.5 壩袋底板順?biāo)L(zhǎng)度計(jì)算

對(duì)于雙錨固橡膠壩，壩袋底板順?biāo)鏖L(zhǎng)度按下式計(jì)算:

L=0.5(L0+L1)+L2+L3(遼寧水科所公式)。其中，L0為雙錨固時(shí)壩袋有效周長(zhǎng)，L0=17.65 m;L1為雙錨固時(shí)壩袋有效貼地長(zhǎng)度，L1=9.40 m;L2為錨固線至上游底板端部長(zhǎng)度，一般取1 m～2 m;L3為壩袋塌落線至下游底板端部的長(zhǎng)度，取3 m。

L=0.5 × (17.65+9.40)+1.5+3.0=18.02 m，取壩袋底板長(zhǎng)度 L'=18.0 m。

4.3.6 壩袋徑向強(qiáng)度安全系數(shù)

壩體升壩時(shí)，平壩頂最高擋水深5.0 m，取內(nèi)外水壓比α=1.3，則內(nèi)壓水頭H0=6.5 m。壩袋型號(hào)為JBD5.0-300-3，膠布型號(hào)為JBD5.0-300-3，經(jīng)強(qiáng)/緯強(qiáng)為 840/840。由《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》第3.1.3條可知，帆布材料加工制成膠布，強(qiáng)度損失達(dá)10%左右，并且材料強(qiáng)度存在不均勻性?？紤]這一因素，膠布浸水后強(qiáng)度損失取15%，則壩袋制造強(qiáng)度為840×85%=714 kN/m2，設(shè)計(jì)壩袋徑向拉力T=100 kN/m。所以，安全系數(shù)K=714×1/100=7.14＞6.0，滿足要求。

4.3.7 壩袋錨固設(shè)計(jì)

壩袋采用雙錨固，壩袋有效周長(zhǎng)L0=17.65 m，底墊片有效長(zhǎng)度 L=9.40 m，壩袋總周長(zhǎng) 27.05 m，錨固長(zhǎng) 1.6 m，底墊片采用2 mm厚的橡膠墊片。根據(jù)已建橡膠壩經(jīng)驗(yàn)，采用螺栓錨固。為了改善中墩直墻錨固連接而形成的塌肩降低擋水高度，在靠近中墩和邊墩產(chǎn)生塌肩的地方采用1∶10傾斜底板，使該壩段底板比中段的抬高0.2 m，使塌肩處不先過水，從而保證設(shè)計(jì)水位。為保證錨固槽強(qiáng)度及深度，錨固槽周邊采用二期混凝土澆筑，并用鋼筋加固。

5 結(jié)語(yǔ)

襄城北汝河橡膠壩的建成，不僅將取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也將逐步改善該地區(qū)的自然景觀，改善局部氣候，涵養(yǎng)水分，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。但是橡膠壩具有易老化、易破損的缺點(diǎn)，所以在施工過程中要嚴(yán)格把關(guān)，運(yùn)行過程中勤于檢修與養(yǎng)護(hù)，努力提高其壽命，充分發(fā)揮其綜合效益。

[1] 高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

[2] SL 227-98，橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] SL 265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 李 煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.