李懷兵，高艷偉

（1.蘭陵縣水利建筑安裝公司，山東 蘭陵 277700；2.山東省蘭陵縣農(nóng)村公共供水管理辦公室，山東 蘭陵 277700）

橡膠壩由于其環(huán)保、造價低、結(jié)構(gòu)簡單、施工周期短等優(yōu)勢，在我國廣泛應(yīng)用。1957年美國工程師采用高分子合成材料在洛杉磯修建了第一座橡膠壩，之后我國也著手相關(guān)研究，并在北京右安門水道管理中予以成功應(yīng)用。郭維東等[1]在工程實踐中分析了徑流量對橡膠壩下泄水流水噪聲的影響，指出了優(yōu)化尾坎高度與消力池長度的的方法；李洋洋等[2]在浐河流域的實踐表明，選擇橡膠壩在立壩時的水面線較塌壩時的水面線平穩(wěn)，塌壩時具有延遲性與水躍現(xiàn)象；王洋[3]對遼寧中部城市非恒定流模型的定邊界條件進行改進，加入動態(tài)邊界后模擬河流橡膠壩河段的流態(tài)，表明其自然恢復(fù)性更好，適宜于河流景觀構(gòu)建。截至目前，我國的橡膠壩已建成約5000座，近年來更是以每年新建300座左右的速度發(fā)展。目前橡膠壩的發(fā)展趨勢是，由小跨度到大跨度發(fā)展，由低位向高位發(fā)展。因此再增大跨度、增加高度后橡膠壩的靜動力特性需要引起我們的注意。目前已經(jīng)有一些學(xué)者對橡膠壩的靜動力特性進行了研究，并取得了一定的成果[4～8]。本文基于ANSYS軟件對壩體進行靜力和風(fēng)載作用下有限元分析。

1 工程概況

蘆柞橡膠壩位于山東省臨沂市內(nèi)，是南水北調(diào)工程截污導(dǎo)流工程。橡膠壩壩高4 m，擋水高度4 m，正常蓄水位38.7 m，底板設(shè)計長度14 m，底板頂高程34.7 m，采用C25剛勁混凝土底板結(jié)構(gòu)，邊墩采用C25鋼筋混凝土，長度同底板，墩頂厚1m，墩頂高程39.3 m。彩色壩袋，壩袋布厚3 mm，強度為120 kN/m。

對于壩高超過3 m的橡膠壩，往往采用的還是傳統(tǒng)低矮橡膠壩的設(shè)計方法，無論是在靜荷載還是動荷載的影響下都存在較大的安全隱患，因此本文基于ANSYS軟件對蘆柞橡膠壩進行數(shù)值建模，分析加固和不加固下橡膠壩的穩(wěn)定性，以及在動荷載作用下，橡膠壩的應(yīng)力反應(yīng)特點。并根據(jù)橡膠壩的運行情況提出相應(yīng)建議。

2 壩體靜力分析結(jié)果

采用ANSYS軟件計算壩體的靜強度問題，采用壩袋Mooney-Rivlin材料模型和薄膜結(jié)構(gòu)有限元分析方法，計算橡膠壩體加固和不加固壩體的強度問題。壩體的設(shè)計參數(shù)為：壓力比 α=1.4、H1=3m、H0=4.2m，壩體長度為 15 m。

對于目前一些超高橡膠壩，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足其抵抗外界荷載的功能需求，因此需要采取相應(yīng)的措施對壩體進行加固，分別計算加固和不加固壩體的等效應(yīng)力。

圖1 壩體最大應(yīng)力變化圖

由計算結(jié)果可知，未加固壩體最大應(yīng)力為6.72 MPa，加固后的壩體最大應(yīng)力為6.5 MPa，均滿足設(shè)計要求。對于一般的壩體可以不進行加固處理，但是對于超高壩體，為防止壩體出現(xiàn)工程災(zāi)害，要進行加固處理，提高壩體的安全系數(shù)。由圖1可知，壩體的最大應(yīng)力在間距為0.5 m時，出現(xiàn)最小值，因此對于本工況下，建議設(shè)計間距為0.5 m時，能對荷載起到很好的分布優(yōu)化作用。

3 橡膠壩風(fēng)載作用結(jié)果

橡膠壩在承受風(fēng)載作用時，由于其大跨度的特點，幾乎不能承受彎矩，因此橡膠壩在承受風(fēng)荷載時的軸力和剪力較大，進而導(dǎo)致其變形較大。采用非線性理論，通過ANSYS軟件對橡膠壩進行整體風(fēng)荷載受力分析。模擬壩體承受20 m/s的風(fēng)速，通過風(fēng)速簡化加載函數(shù)：

計算得到壩體上風(fēng)壓隨時間變化曲線見圖2。

圖2 壩體上風(fēng)壓隨時間變化曲線

圖3 X和Y方向上應(yīng)力隨時間變化曲線圖

如圖3所示，壩體在X和Y方向上應(yīng)力隨時間變化幅度較小，由此說明在風(fēng)載作用下，壩體的動應(yīng)力反應(yīng)只在很小的范圍內(nèi)波動，因此動強度系數(shù)可取小一些。本文只對動荷載下，橡膠壩的反應(yīng)進行了初步研究，由于風(fēng)荷載的頻率與壩體的固有振動頻率相似，因此導(dǎo)致壩體整體或局部劇烈震動，引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，此問題需要進一步研究。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）本工況下加固后壩體和不加固壩體均滿足設(shè)計要求，但是對于超高橡膠壩為提高其安全性和穩(wěn)定性，需要進行加固處理。在設(shè)計間距為0.5 m時，壩體的受力分布較為均勻。

2）在風(fēng)荷載作用下，壩體整體的動應(yīng)力反應(yīng)只在很小的范圍內(nèi)波動，因此設(shè)計中動強度系數(shù)可以取小一些，但是對于在動荷載作用下壩體的震動問題還需深入研究。

4.2 建議

1）橡膠壩袋容易受到尖利和有頭角物體的損壞，故應(yīng)劃出橡膠壩工程的管理范圍和安全區(qū)域。制定橡膠壩運行管理的有關(guān)規(guī)章制度，宣傳落實水法、防洪法、水污染防治法、河道管理條例等法律法規(guī)。在管理和保護范圍內(nèi)，禁止“四亂”（亂倒垃圾、亂占河灘、亂采砂石、亂修建筑物），督促清淤除障，保障行洪安全。

2）迎水面設(shè)立水標尺，加強水情預(yù)報。在重點監(jiān)控范圍內(nèi)規(guī)劃“三線”（橡膠壩管理范圍線、保證水位線、警戒水位線），給橡膠壩管理提供依據(jù)。

3）加強工程觀測，如壩身沉降、壩基滲漏、水位變化等，并作好記載，編制并實施工程維修計劃，當(dāng)工程發(fā)生重大險情和重大事故時，及時向上級主管部門請示報告并提出搶險方案。