張正芝

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

人工化、機械化的河流治理對河道自然形態(tài)破壞較大、且維護成本較高。橡膠壩具有結構簡易、對河道環(huán)境適應性強、易于維護的特點，在當前水生態(tài)文明導向背景下備受青睞。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，稍后我國也著手相關研究，并在北京右安門水道管理中予以成功應用。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)，表明其自然恢復性更好，適宜于河流景觀構建。本文結合茶山閘工程概況，簡述橡膠壩設計方案，以期交流工藝關鍵流程，并探討其可改進之處。

1 概況

臨沂市茶山閘工程位于蘭山區(qū)西部山地丘陵地帶茶山河上游，屬臨沂三大供水網絡工程節(jié)點之一，主要用于臨沂山丘區(qū)農村水資源供應管理，另兼構建流域多樣性生態(tài)景觀防治水土流失、旱澇災害功能。區(qū)域水文地質環(huán)境適用于橡膠壩建設條件，依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2000)，劃分該工程等別與永久性建筑物級別為V 級。茶山閘橡膠壩為原壩址上新修設施，基于近50 年來水文特征，設計，壩底板高程76 m、長23 m、厚1 m。

2 壩型選擇

茶山閘水壩對管理上游徑流量、防洪抗旱、引水灌溉具有重大意義。而壩型的選擇事關工程質量安全，是工程實施的基礎，需要結合壩址水文地質環(huán)境、地形特征、降水情勢、人為活動等因素進行專家決策。橡膠壩與傳統(tǒng)壩型優(yōu)缺點見表1[4]。

表1 橡膠壩與傳統(tǒng)壩型優(yōu)缺點比較

綜合考慮工程區(qū)環(huán)境要素與經濟社會背景，專家一致同意采用橡膠壩，壩型剖面見圖1。

圖1 茶山閘橡膠壩剖面圖

3 茶山閘橡膠壩設計

3.1 壩長、壩高、壩袋設計

壩高為大壩建基面的最低點至壩頂高度，是橡膠壩設計的關鍵參數之一，其決定了壩袋內壓、水位、徑流控制的設計。橡膠壩壩體輕質、柔韌，具有彈性，鑒于河流水位變率與不同水文地質條件下對壩體承壓的影響，壩高設計需綜合考慮。通過搜集河流水文資料，計算了壩高、壩袋的參數見表2。

表2 茶山閘橡膠壩壩袋參數

表2 中，α 為內壓比，Ht為設計壩高，m；S 表示下游壩面曲線段長度，m；T 表示壩袋經向計算強度，kN/m；St表征下游壩面曲線段長度，m；R 為壩面曲線段半徑，m；V 表示壩袋容積，m3；X0、n 分別表示下游貼地段長度，m、上游貼地段長度，m。橡膠壩壩底的計算公式如下[5]：

據此得到茶山閘橡膠壩的壩底板順水流向長度為18.24 m。壩底設計另需考慮特殊情況，例如下游無水的最不利工況，據此計算壩底穩(wěn)定系數，如下：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數，通常要求Kc≥1.2；f 為壩底與地基土之間的摩擦系數，經勘測，茶山閘橡膠壩的f 為0.5，∑G、∑H 分別為作用在閘室上垂直、水平方向上全部荷載；B 為壩底板順水流方向長度。計算結果顯示，茶山閘橡膠壩抗滑穩(wěn)定安全系數為3.2，最大基底應力為20.5 kPa，地基應力最大值與最小值之比為1.76，達到中等堅實地基要求，符合一般標準規(guī)范。

3.2 消能設計

消能設計是維護橡膠壩安全和增加其使用周期的工程基礎，其通常以壩高充至設計高度壩頂開始溢流時的工況計算消力池的深度和長度為計算依據。本工程采用鋼筋混凝土消力池，參照《水閘設計規(guī)范》（SL256-2001）的公式：

式中：d 表示消力池深度，m；δ0表征水躍淹沒系數；hc'、hc、hs分別為躍后水深、收縮水深、出池河床水深；△z 表示出池落差，m；T0表征由消力池底板頂面算起的總勢能；Lj為消力池長度；g 為過壩單寬流量，m2/s；a 為水流動能校正系數。

表3 茶山閘橡膠壩消能計算工況表

表4 茶山閘橡膠壩消能計算結果

如表4 所示，計算確定消力池長為17.5 m，深度為0.7 m，袋充脹到設計高度時，可流量系數介于0.31～0.34 之間，設計符合橡膠壩安全需要。

3.3 泄流防沖設計

橡膠壩可隨著上游水勢豐枯調整攔水、泄流狀態(tài)，泄流過程中的勢能沖擊對壩基、壩體造成一定影響，防沖設計的目的在于削減水流勢能沖刷的影響，提高壩體壽命。橡膠壩的泄流能力取決于寬頂堰與曲線型實用堰，基于前述的工況，按照下式計算泄流能力。

式中：相關參數含義與前述一致，h0表示計入行近流速水頭的堰上水頭，m；δ 為淹沒系數；ε 表示堰流側收縮系數；g 為過壩徑流量，m3。

3.4 控制系統(tǒng)設計

橡膠壩控制系統(tǒng)是壩體的核心組件之一，是實現壩體功能的關鍵，其設計內容具體包含沖排設計、動力設備、管路布置和控制室等。茶山閘橡膠壩設計中參照了國內外已建橡膠壩工程統(tǒng)計，決定其充壩、坍壩時間分別為2 h～3 h、1 h～2 h。由于本區(qū)河道比降小、自流性較差，且存在淤積問題，遂決定采用動力式充排，確保在設定的時間內達到充壩、坍壩的要求。動力設置主要指水泵，本工程中水泵的選型主要結合泄流量、充坍壩時間、壩長、壩高等進行設計。水泵流量按下式計算：

式中：Q 為計算的水泵所需最小流量，m3/h；v 表示壩袋沖水后的容積，其計算參照前述3.1 部分；n、t 分別表示泵臺數量、充坍壩所需最短時間。

揚程為水泵泄流的水平距離，其計算如下：

式中：HB為水泵所需的揚程；H1、H2、H3分別表示水泵出水管管口高程、水泵吸水管最低水位、水泵吸水管和壓力管水頭損失總和。計算結果顯示，茶山閘橡膠壩潛水泵、離心泵的揚程分別需要21.5 m、12.4 m；水泵設計流量320 m3/h，流量980 m3/h～1250 m3/h，電壓為380 V，功率42 kW。

4 結論

水利建設事關民生安全，但同時對流域生態(tài)環(huán)境帶來深刻影響，而橡膠壩具有自我調節(jié)、生態(tài)破壞性小、構造簡易的特點，被廣泛應用于中小型親水工程建設中。結合工程實踐，編制茶山閘橡膠壩設計方案并計算幾項關鍵參數，可為項目審核及后期維護提供依據，在橡膠壩建成以后，建議做好人工防護的工作，避免不必要的損壞；同時注意加強豐水枯水期徑流測算，以便及時充壩攔水、坍壩防水。