鞠玉龍,車傳迎
(臨沂市水利工程處,山東 臨沂 276000)
棗莊市蟠龍河綜合整治工程山家林橡膠壩項目總投資4 200萬元,工期2020年2月~5月,設(shè)計規(guī)模為中型,主要建筑物級別為3級,總寬度147 m,其中船閘凈寬7 m。橡膠壩共設(shè)計2孔,壩孔凈寬69 m,擋水高度4.8 m,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,蓄水量332萬m3,回水長度1 900 m,可實(shí)現(xiàn)景觀水面約74萬m2。
根據(jù)橡膠壩所面對的工況不同,其所受靜水壓力也存在很大差別,在此以4種代表性工況分析壩體極限承載情況:a:上游水深等于壩高,下游無水;b:上游水深等于壩高,下游水深H2;c:壩頂溢流,下游無水;d:壩頂溢流,下游水深H1[1]。
橡膠壩為柔性薄膜材料,只能承受拉力作用,而且由于壩袋下游部分受力相對簡單,因此本項目只選取下游斷面作為分析對象。其中上述4種工況中,以工況b最具有普遍意義,所以在此只針對工況b進(jìn)行極限承載分析[2]。
在工況b下,下游壩袋所承受的最大作用力F由FT和夾角θ共同決定(受力示意圖如圖1所示),具體計算見公式(1)[3]。經(jīng)過計算,新建山家林橡膠壩下游壩袋所承受的最大作用力F≈125.4 kN/m。
圖1 工況b下游部分壩體受力示意圖
式中:H0為壩袋內(nèi)充水水頭,m;H1為壩高,m;γ為河水容重,N/kg;H2為下游水深,m。
以工況b作為分析對象,壩袋斷面周長計算,既要保證壩體高度達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),又要保證壩體充水后強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。壩袋充水后,其形狀如圖2所示,由此可見:上游長度為“Ln段+S1段”,下游長度為“S段+S2段”,下面分別就上下游壩袋斷面長度進(jìn)行計算。
圖2 壩體截面示意圖
1)上游壩袋斷面長度L上計算。上游壩體所承受壓力為一個常數(shù),所以可以近似地看作是一段圓弧S1,只需要求出圓弧半徑R1即可,Ln計算需借助R1計算,具體分別見公式(2)(3)[4],經(jīng)計算可得R1≈6.1 m,Ln≈3.3 m。
最終L上取值13.0 m。
2)下游壩袋斷面長度L下計算。下游壩體所承受壓力非定值,因此S段、S2段為一段變曲率曲線。在此為了簡化計算,參照其他學(xué)者經(jīng)驗,將這兩段均利用微分方程化作橢圓積分形式,經(jīng)計算S≈10.2 m,S2≈1.8 m。
最終L下取值12.0 m。
橡膠壩內(nèi)壓比a是最重要的參數(shù)之一,其值直接決定了壩體工作狀態(tài)、材料成本、上游水頭等。在此還是以工況b為分析對象,確定本項目壩體最佳內(nèi)壓比。
1)內(nèi)壓比變化規(guī)律分析。由圖3可知:在壩高H1確定的情況下,內(nèi)壓比a在1.1以下時,R值(壩體幾何半徑)急劇增大,這肯定會使橡膠壩斷面過大,因此排除。當(dāng)a值超過1.2時,R值的變化趨近于穩(wěn)定,取值范圍在5.76~6.72 m之間,因此a取1.2~1.5均較為合理[5]。
圖3 壩體上游半徑與內(nèi)壓比a變化關(guān)系曲線
2)壩高與壩袋強(qiáng)度關(guān)系。由圖4可知:(1)隨著壩高值越大,內(nèi)壓比a值越大;(2)隨著內(nèi)壓比a增大,同一壩高H1下,所需壩袋強(qiáng)度越大。因此從安全方面考慮,盡量選擇所需較低壩袋強(qiáng)度的方案,所以本項目確定內(nèi)壓比a取值為1.2。已知新建山家林橡膠壩壩高設(shè)計4.8 m,對應(yīng)的壩袋強(qiáng)度約為2.6 t/m,換算后為25.48 kN/m,遠(yuǎn)小于前文所求的最大作用力F,因此安全系數(shù)完全可以保證。
圖4 壩高與壩袋強(qiáng)度關(guān)系曲線
橡膠壩錨固裝置是最重要的結(jié)構(gòu)之一,需要其既有良好可靠的錨固力,又要密封不透水。而目前錨固結(jié)構(gòu)可分為三種:1)螺栓壓板;2)混凝土楔塊;3)膠囊充水。其中前兩種是最常見的錨固形式,在此對本項目最佳錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
上游錨固力FT可分為垂直分力FTy和水平分力FTx。經(jīng)計算,F(xiàn)T≈116 kN/m,略小于前文計算的下游壩袋所承受最大作用力F≈125.4 kN/m。最終本項目設(shè)計上游錨固力為140 kN/m,下游錨固力150 kN/m。
1)螺栓參數(shù)設(shè)計。螺栓需要有足夠的強(qiáng)度、耐久性、抗腐蝕性等,參照以往工程經(jīng)驗,螺栓間距在0.2~0.3 m,本項目設(shè)計取值0.2 m。經(jīng)計算得上游F栓=49 kN,下游F栓=52.2 kN,為方便施工,本項目螺栓承載載荷統(tǒng)一設(shè)計55 kN,材質(zhì)為不銹鋼,螺栓型號為M36×950,要求最小埋深不低于250 mm。
2)壓板強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計。針對橡膠壩壓板設(shè)計,主要參數(shù)有彎矩、應(yīng)力、截面模量等。本項目為設(shè)計方便,直接結(jié)合理論計算和參照其他工程經(jīng)驗,設(shè)計壓板尺寸為:上壓板996 mm×200 mm×19 mm,下壓板996 mm×220 mm×16 mm??箯潙?yīng)力3.2 kN/cm2,每個壓板上配備4根螺栓,材質(zhì)為20#槽鋼。
1)位置固定。利用經(jīng)緯儀精準(zhǔn)確定錨固點(diǎn)位置,按照混凝土底板分縫將錨固點(diǎn)分為若干單元。計算好預(yù)留混凝土面螺栓高度后進(jìn)行與下壓板焊接,焊接時注意保證螺栓垂直度。用鋼筋作為支架上部與螺栓連接,下部支撐于墊層上進(jìn)行找平作業(yè)。
2)加固。用鋼筋將螺栓底部連接,并將支撐筋、架力筋連接,以此來固定下部位置,木槽兩側(cè)用網(wǎng)片定位,保證穩(wěn)定。
3)澆筑混凝土。澆筑順序按照“先槽下,再兩側(cè)”,以防止?jié)q模問題出現(xiàn)。
新建山家林橡膠壩于2020年7月份投入使用,各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),而且該工程與后續(xù)實(shí)施的蟠龍河綜合治理起步區(qū)工程形成完整的水利綜合體,有效保護(hù)了沿岸地區(qū)生產(chǎn)生活、人民生命財產(chǎn)及重要設(shè)施的安全,提高了區(qū)域防洪排澇能力和生態(tài)景觀文化底蘊(yùn),改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)社會、經(jīng)濟(jì)的環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。