孫卓

（臨沂市水利局，山東臨沂276000）

橡膠壩工程安全研究綜述

孫卓

（臨沂市水利局，山東臨沂276000）

橡膠壩作為一種新型水工建筑物，與常規(guī)低水頭擋水建筑物相比具有明顯的優(yōu)勢。但橡膠壩的安全可靠度相對較低、壽命較短，這些在很大程度上會影響工程效益的正常發(fā)揮。本文梳理了幾十年來國內(nèi)外對橡膠壩安全研究的一系列成果，并對橡膠壩工程安全研究的前景進行展望，供橡膠壩工程設(shè)計研究人員參考。

橡膠壩；安全；研究

在橡膠壩工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者主要從壩袋型式、材料與加工工藝、壩體受力與振動、橡膠壩冬夏季運行、安全監(jiān)測和外界自然因素的影響等方面研究橡膠壩的安全問題。

本文所研究的安全主要是指橡膠壩工程自身的安全，特別是壩袋的安全和工程的運行安全，即橡膠壩構(gòu)件及其有關(guān)建筑物的各項性能保持正常，承受一定不利因素的影響而不發(fā)生明顯的性能變化，同時可保證與之相關(guān)的人員和設(shè)備等不受損害的連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。

1　壩袋型式、材料與加工工藝研究概述

工程運行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜坡式壩袋錨固于岸墻上，壩袋充脹到設(shè)計高程時，壩袋兩端應(yīng)力集中，出現(xiàn)很深的褶皺，不僅降低了實際壩高，而且壩內(nèi)殘存的水或氣體不易排除。當(dāng)壩袋坍落時，壩袋兩端仍懸掛于邊墻上，泄洪阻水且易被水中漂浮物刺破撕裂。鑒于此，合肥工業(yè)大學(xué)研制出堵頭式橡膠壩。岸墻錨固采用堵頭式壩袋充水后，壩袋全長斷面相同，不起褶皺，壩袋應(yīng)力分布均勻，經(jīng)、緯向受力基本是主應(yīng)力，更適合于薄膜計算理論，材料強度也能充分發(fā)揮作用。但堵頭式橡膠壩不能解決坍壩后兩端的堵頭帆布坍不平的問題。坍壩時在上游水流的沖擊下，發(fā)生壩袋帆布的拍打現(xiàn)象，對壩袋也有破壞作用。

由于橡膠材料的自身特性，壩袋老化是影響橡膠壩工程運行安全的重要因素之一。我國在橡膠壩老化試驗領(lǐng)域的研究較為系統(tǒng)和深入，作者同時認(rèn)為除了橡膠工業(yè)的固有特性以外，還要注意橡膠壩工程的獨有特性，如各有關(guān)因素對壩袋影響的疊加和累積，因而要用創(chuàng)新而又科學(xué)的研究方法研究這一問題，此外也要提高此類研究的仿真程度，以便其研究結(jié)論對實際工程有更大的參考價值。

國外主要是通過提高壩袋的耐老化性能和總體質(zhì)量來延緩其老化，如日本以住友和橋石兩家公司。此外法國橡膠壩的設(shè)計壽命據(jù)稱可達(dá)40年。國內(nèi)外都有學(xué)者和廠家研究、制造、推廣彩色橡膠壩，彩色橡膠壩在一定程度上也有利于延緩壩袋老化。

2　壩體受力與振動研究概述

對橡膠壩壩體受力研究主要集中于其壩袋拉力、靜力變形、充排管道力學(xué)分析等，方法主要有有限元法、連續(xù)法、CAE建模等，研究工況主要集中于壩袋溢流和壩前泥沙堆積等方面。此外還包括進行波浪模型試驗等方面的研究。

10余年來，中外學(xué)者對壩袋振動進行了許多試驗研究，為有效控制壩袋振動提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。美國學(xué)者對橡膠壩的自由振動、三維振動、非線性振動、壩頂溢流等方面進行了試驗研究，并采用有限元方法對橡膠壩的壩袋形狀進行分析；日本通過研制生產(chǎn)無搭接縫壩袋和在充氣壩體上設(shè)置挑流鰓等措施來減輕壩袋振動，克服了充氣壩袋在溢流抗振方面不如充水橡膠壩的不足，日本住友公司還生產(chǎn)了一種在壩袋內(nèi)設(shè)雙層鋼絲網(wǎng)的新型壩袋，通過增加壩袋剛度減輕其振動強度，并已應(yīng)用于實際工程；武漢大學(xué)等單位結(jié)合具體的橡膠壩工程，對不同壩型進行了振動研究，掌握了一定的壩袋振動規(guī)律。他們認(rèn)為通過一定的設(shè)計管理對策，減輕或消除壩袋振動亦是可能的。在工程設(shè)計與建成后運行階段，針對引起振動的原因，提出相應(yīng)的減振對策，工程就可以安全高效地運行。目前主要的減振措施有：1）控制壩頂溢流量。單寬流量越大，振動越明顯。2）調(diào)整下游水位。下游水位很低時，對壩袋影響較小。當(dāng)下游水位達(dá)到一定高度時，對振動影響增大，當(dāng)下游水位再增大時，上下游水位差減小，水流動能減小，振動強度減小，但也易引起充水式單錨固壩型的共振。3）通過改變壩袋內(nèi)壓改變壩袋自振頻率，避開水流脈動主頻率。4）壩袋排水設(shè)備設(shè)在下游。5）在壩袋表面設(shè)置減振裝置。

3　橡膠壩安全監(jiān)測研究

目前我國橡膠壩安全監(jiān)測技術(shù)水平十分落后，容易使橡膠壩的安全可靠度降低、使用壽命縮短，甚至突發(fā)潰壩的惡性事故。為此，揚州大學(xué)研制出的“橡膠壩袋破損監(jiān)視系統(tǒng)”采用了自制的矢量水聽器，可同時獲得壩袋破損程度和破損位置的信息。由于采用了虛擬儀器技術(shù)，可同時實現(xiàn)水聲信號采集、數(shù)字濾波等功能，大大降低了硬件的投資成本，方便了操作使用和維護。

目前國內(nèi)外在橡膠壩安全監(jiān)測方面的研究不多，除上述成果外，也有學(xué)者進行了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)、新技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用以及決策支持系統(tǒng)的有關(guān)研究。

4　自然因素的影響研究概述

國內(nèi)關(guān)于泥沙方面的研究主要成果集中于承德武烈河橡膠壩群的有關(guān)研究成果。在多泥沙河道上建橡膠壩的關(guān)鍵是如何防止夾沙水流對壩袋的磨損破壞，庫區(qū)如何防淤排沙，確保一個能夠長期使用的有效庫容。此外孫小軍等學(xué)者分別對黃河上引水防沙橡膠壩、橡膠壩庫區(qū)泥沙沖淤演變規(guī)律、泥沙運動對橡膠壩運行安全的影響、一維水沙數(shù)學(xué)模型、流域生態(tài)環(huán)境整治進行了專題研究。國外對于洪水過壩時造成的壩袋損壞也有研究。

目前我國在橡膠壩領(lǐng)域?qū)δ嗌硢栴}的研究尚不夠深入，在多沙河流上所建工程不多，運行管理水平有限，事故多發(fā)，相關(guān)研究也不夠深入。

5　結(jié)語

50余年來國內(nèi)外在橡膠壩安全方面的研究主要有以下幾個方面：1）研究橡膠的設(shè)計、制造、老化機理以及防老化措施，以及如何優(yōu)化膠料配方，改進生產(chǎn)工藝，提高養(yǎng)護水平；2）分析自然及工程因素對某單一橡膠壩工程的不利影響及其實際采用的工程措施；3）研究和改進錨固方式、充排管路和混凝土構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)和布置，減輕其對壩袋安全的不利影響；4）壩袋防振動、特別是充氣橡膠壩壩袋防振動裝置的應(yīng)用開發(fā)問題；5）研究常規(guī)水利工程新技術(shù)的應(yīng)用效果，研究橡膠壩的自動控制系統(tǒng)等。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，解決上述問題的主要方式仍需立足于工程實體觀測和模型試驗，同時應(yīng)該注意開發(fā)有關(guān)專門軟件，完善橡膠壩工程的理論體系。另外，如何加強橡膠壩的管理監(jiān)測、加強安全防范方面的工作、開發(fā)相應(yīng)的自動化系統(tǒng)，從而有效防止人為破壞橡膠壩，進一步保證橡膠壩的安全還有待于深入系統(tǒng)的研究。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50979－2014橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，2014．

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50979－2014橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范條文說明［S］．北京：中國計劃出版社，2014．

［3］王溥文，韓昌海，童中山．橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：中國水利水電出版社，2008．

［4］高本虎．橡膠壩工程技術(shù)指南（第二版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2006．

［5］陸吾華，侯作啟．橡膠壩設(shè)計與管理［M］．北京：中國水利水電出版社，2005．

（責(zé)任編輯遲明春）

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2016-05-04

孫卓（1987—），男，助理工程師