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        臨沂柳青河岳塢橡膠壩設(shè)計分析

        2019-08-30 01:31:48歐亞峰
        山東水利 2019年8期
        關(guān)鍵詞:壩袋橡膠壩內(nèi)壓

        歐亞峰

        (臨沂市水利工程處,山東 臨沂 276000)

        柳青河是臨沂北城新區(qū)的一條季節(jié)性河流,全長34km,流域面積258.7km2,上游為山洪河道,下游為平原河道,干流平均比降為1.62%。河道上原有的岳塢攔河壩始建于1963年,距今已超過50年,滲漏嚴(yán)重,已無維修價值,因此,有關(guān)部門決定拆除后新建橡膠壩。壩址河道總寬度為152m,工程等級為Ⅳ等,主要建筑物為4級建筑,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇,洪水流量為2800m3/s。

        1 工程總體設(shè)計

        1.1 工程地質(zhì)

        根據(jù)地質(zhì)勘探,岳塢大壩壩址地層以河流沖積相地層為主,并夾帶河床相沉積層,具體從上至下可分為四層:①層為雜填土和素土層;②層為黏土層;③層為粉質(zhì)黏土+粉土層;④層為硬塑黏土層。設(shè)計橡膠壩壩基坐落于②層黏土層之上,經(jīng)測定該黏土層的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

        表1 橡膠壩壩基土料物理力學(xué)參數(shù)

        1.2 工程總體布置

        工程主要建設(shè)內(nèi)容包括:橡膠壩工程、泵房、充排水系統(tǒng)三大部分[1],具體布置如下:

        1)橡膠壩工程布置。本項目設(shè)計壩袋總長度為165m,按照深淺槽不同共布置為3段,其中深槽壩段布置在中間,長45m,淺槽基本平均布置在兩端,長度均為60m。

        2)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。(1)深、淺槽利用以混凝土分隔墩為分界線,設(shè)計分隔墩厚0.8m,長、高分別和底板、壩體高度相同;以橡膠壩為分界線,上游河道底部鋪設(shè)長20m、厚0.3m的混凝土鋪蓋,下游河道底部鋪設(shè)長8m、厚0.6m護坦[2]。(2)為降低壩基滲透壓力,在護坦上設(shè)計排水孔3排,孔徑為Φ0.05m,間排距均設(shè)計1.5m,呈梅花形布置,且下部設(shè)計反濾層。(3)防沖墻設(shè)計在護坦末端一字排列,墻底深入基巖不低于0.5m,防沖墻采用混凝土灌注樁形式,直徑為0.8m,間距0.7m。(4)上下游邊墻均采用重力式混凝土擋土墻形式,頂寬0.5m,底寬1.2m,所有混凝土結(jié)構(gòu)縫隙均采用651型橡膠止水處理,并在縫隙內(nèi)填充聚乙烯泡沫板[3]。

        2 橡膠壩主要參數(shù)設(shè)計

        2.1 壩袋參數(shù)設(shè)計

        1)壩袋材料強度設(shè)計。經(jīng)計算得出岳塢橡膠壩壩袋的設(shè)計拉力為89.5kN/m,安全系數(shù)取8.0,壩袋所能承受的最大拉力為716kN/m??紤]到用于制作壩袋帆布、橡膠的強度不均勻性及浸水后強度下降等因素,本項目設(shè)計在安全系數(shù)的基礎(chǔ)上再增加20%,所以最終要求壩袋所能承受的最大拉力為860kN/m。選用的壩袋型號為JBD5.0-300-3[4]。

        2)壩袋最大伸長率分析。岳塢橡膠壩設(shè)計為雙錨壩袋,并設(shè)置安全溢流管,計算利用薄膜理論,將壩體受力簡化為:上游擋水水深等于壩高、下游無水,壩袋環(huán)向長度L計算公式如下。

        式中:R為壩袋曲率;θ為底板起弧點處與平面的夾角;H0為壩內(nèi)水頭,m。

        此外,壩袋伸長率和設(shè)計內(nèi)壓比有著直接關(guān)系,計算結(jié)果見表2。

        表2 達(dá)到設(shè)計壩高時設(shè)計內(nèi)壓比和壩袋伸長率關(guān)系表

        由表2可知:隨著設(shè)計內(nèi)壓比的增加,壩袋伸長率在逐漸降低,為達(dá)到設(shè)計壩高,可采取適當(dāng)降低內(nèi)壓比的途徑。本項目所設(shè)計的內(nèi)壓比為1.4,壩袋伸長率為9.5,壩高也滿足要求。

        2.2 壩體高度設(shè)計計算

        壩體高度是橡膠壩最重要的參數(shù)之一,其高度越大,所受水體沖擊越大,變形越嚴(yán)重;但若高度不夠,則無法有效起到攔河壩作用,因此本項目設(shè)計3.0m、4.0m、5.0m三個壩體高度利用ANSYS軟件來對溢流穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算[5]。

        1)3.0m壩高溢流計算。設(shè)計高度3.0m,內(nèi)壓比1.4,壩體長度45m,壩袋厚度0.008m,經(jīng)估算最大溢流水深高為0.3m,對該工況壩體位移進(jìn)行模擬見圖1示。

        圖13 .0m壩高溢流0.3m時壩體總位移圖

        經(jīng)分析得知:壩體最大應(yīng)力處位于上、下游錨固線位置,其中,下游錨固線位置應(yīng)力值分布更大,約為上游的1.5~2.0倍,達(dá)到23.45MPa,隨著溢流高度的不斷增加,錨固線處應(yīng)力也在逐步增大。由圖1可知,壩體最大位移處位于壩頂略偏下游部分,錨固線處位移最小。因此需要對錨固螺栓和錨栓附近的壩袋應(yīng)做加強處理,可以認(rèn)為此時壩體承載力已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài),安全性和穩(wěn)定性無法保證,所以3.0m高度不滿足本項目要求。

        2)4.0m壩高溢流計算。設(shè)計高度4.0m,內(nèi)壓比1.4,壩體長度45m,壩袋厚度0.008m,經(jīng)估算最大溢流水深高為0.1m,對該工況壩體位移進(jìn)行模擬見圖2示。

        圖24 .0m壩高溢流0.1m時壩體總位移圖

        壩高4.0m,溢流水深0.1m的工況下,壩體最大應(yīng)力處和最大位移處與3m壩高時基本一致,但下游錨固線最大應(yīng)力值為16.2MPa,相對于上一工況下降了30.9%,這就大大降低了錨固線和錨栓附近壩袋的強度要求,可以認(rèn)為4.0m壩高、溢流0.1m時,壩體承載力的安全性、穩(wěn)定性完全滿足使用要求。

        3)5.0m壩高溢流計算。設(shè)計高度5.0m,內(nèi)壓比1.4,壩體長度45m,壩袋厚度0.008m,經(jīng)估算最大溢流水深高為0.1m,對該工況壩體位移進(jìn)行模擬見圖3示。

        圖35 .0m壩高溢流0.1m時壩體總位移圖

        壩高5.0m,溢流水深0.1m的工況下,壩體最大應(yīng)力處和最大位移處上述兩種工況基本一致,但下游錨固線最大應(yīng)力值為19.8MPa,相對于第一個工況下降了15.6%,相對于第二個工況上升了22.2%,處于中間位置。此時壩袋最大變形量超過0.2m,接近極限變形量,且精度已不滿足要求??梢哉J(rèn)為5.0m壩高、溢流0.1m時,壩體承載力的安全性、穩(wěn)定性完全不滿足使用要求。

        綜上所述,岳塢橡膠壩壩體高度設(shè)計4.0m最為合理,最大溢流高度0.1m,滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的防洪要求。

        3 結(jié)語

        岳塢橡膠壩投入使用后,各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求,而且經(jīng)過近兩年運行,在防洪排澇、供水灌溉等方面完全可以代替和超過之前混凝土壩體的作用,取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。實踐證明,橡膠壩設(shè)計應(yīng)當(dāng)理論與試驗相結(jié)合,保留較大的安全系數(shù),這樣才能確保遇到特殊情況時有一定的調(diào)控空間。

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