加格達奇區橡膠壩工程壩體設計

王志遠，夏鳳蘭

(黑龍江省中部引嫩工程管理處，黑龍江齊齊哈爾161006)

1 概述

加格達奇區位于黑龍江省西北部，大興安嶺山脈南麓，行政區劃隸屬大興安嶺地區，是大興安嶺行政公署所在地，全區總面積1 587 km2。城區現有人口15.53萬人，工業形成了以木材加工為中心，農機、化工、電力、建材、紡織、食品加工為骨干，門類比較齊全、設備比較先進的工業體系，服務業和旅游業發展迅速。城南區總面積12.5 km2，是“十五”、“十一五”期間作為重要軍事、政治、科研和教育中心進行重點投資和建設的地區。

甘河是嫩江上游右岸的一級支流，由西向東流經加格達奇主城區后折向南，城區內有甘河支流加格達奇河和東小河匯入。

2 基本資料

加格達奇區位于黑龍江省西北部甘河中游，是黑龍江省大興安嶺行政公署所在地，地理位置在 E123°46'～124°26'，N50°09'～50°35'，加格達奇區西南與鄂倫春自治旗毗鄰，東部和北部與松嶺區接壤，全區總面積1 587 km2。

加格達奇區地處大興安嶺南坡，屬于北溫帶大陸性季風氣候區，氣溫年變化和日變化都較大。夏季炎熱而短暫，冬季嚴寒而漫長，秋季降溫迅速多早霜。年最低氣溫為－41.5℃，出現在1月份;年最高氣溫32℃，出現在7月份，年平均氣溫－0.6℃。多年平均降水量500 mm，年降水量的70%集中在6～8月。多年平均風速2.4 m/s，多為西風和西北風。本區封凍期約5～6個月，一般11月上、中旬封河，4月中下旬開河。

3 工程建設的必要性

甘河發源于大興安嶺東麓雉雞山，由西向東流經加格達奇區，將主城區分為河南河北兩部分，于主城區東南角折向南，至柳家屯下游15 km處匯入嫩江，是嫩江上游右岸最大一級支流，流域總面積19 665 km2，河道長447 km。加格達奇水文站以上控制面積9 575 km2，流經加格達奇境內河道長55 km。

甘河加格達奇以上河段較大支流為阿里河，從左岸匯入，流域面積2 150 km2。加格達奇河在城區加格達奇水文站斷面上游1 km處從左岸匯入，流域面積100 km2。

甘河上游為大興安嶺山區，屬于山區性河流，河道彎曲，坡陡流急。河床一般由砂礫石及卵石構成，流域內植被良好，森林覆蓋率60%以上。下游河段河灘地較開闊，沿河兩岸灘地多為次生林。城區河段河灘地天然植被破壞嚴重，地表砂壤土大量流失，河岸塌陷，甘河左岸主城區已修建了城市防洪堤，全長5.9 km。

甘河橫跨城區，水量充沛，水質良好，但年內不配不均，春季水量較枯、水位低，嚴重影響城市水域環境。為了合理利用水資源，充分開發城區江段旅游資源，改善城區河段水環境，增加城市景觀的多樣性和功能性，提高甘河兩岸的區位優勢，促進加格達奇區新城區建設和經濟的高速發展，修建橡膠壩工程，是非常必要性的。

甘河在加格達奇城區江段近4 km，靠近中心城區，江岸有公園、甘河大橋等景區及城市防洪堤等重要基礎設施，供居民及游客觀光游覽，但由于甘河春季水位低，水量少，景觀差，從而使游人很難盡興。修建橡膠壩可抬高水位擴大水域面積，蓄水成湖，波光瀲滟，相互輝映，與堤內公園遙相呼應，更增添游覽區秀美山色。湖中泛舟、景中穿行、成為居民觀光、休閑娛樂的理想場所，因此修建橡膠壩工程為人心所向。

4 工程設計

4.1 壩袋計算

4.1.1 壩袋計算條件

按壩袋擋水達到設計高度，壩后無水的情況下，作為壩袋計算的控制條件。

4.1.2 內壓比選定

根據運行工況、溢流水深及壩袋有較短的設計周長并充分利用壩袋強度的原則，選定內壓比α=1.35。

4.1.3 壩袋徑向強度計算

根據SL227－98《橡膠壩技術規范》規定，壩袋徑向強度計算公式為:

式中:T為壩袋徑向計算強度，kN/m;γ為水的容重，kN/m3;α為內壓比，H0/H1;H0為內壓水頭，m;H1為設計壩高，m。

依據運行工況、溢流水深及壩袋有較短的設計周長并充分利用壩袋強度的原則，選定內壓比α=1.35。

選用JBD2.5－180－2型壩袋，其徑向強度為360 kN/m，安全系數K=13.55＞6，滿足強度要求。

4.1.4 壩袋有效周長計算

可將沖脹后的壩袋輪廓分成4個部分:上游壩面曲線段長度S1，下游壩面曲線段長度S，上游貼地段長度n，下游貼地段長度X0，詳見圖1。

圖1 充水式橡膠壩示意圖

壩袋各項設計參數可通過查表格法進行計算，根據內壓比α=1.35，查《橡膠壩技術規范》(SL227－98)表B.2.2－1充水式橡膠壩壩袋設計參數表得出:

上游壩面曲線段長度:S1=1.692H1=4.23 m

下游壩面曲線段長度:S=1.7418H1=4.35 m

上游貼地段長度:n=1.1952H1=2.99 m

下游貼地段長度:X0=0.5394H1=1.35 m

a壩袋的有效周長(不包括錨固長度)L0=S1+S=8.58 m

b底墊片有效長度(不包括錨固長度)L0=n+X0=4.34 m

4.1.5 壩袋實際周長計算

壩袋加工需加上錨固長度△l=1.0 m，則

壩袋的實際周長L=L0+△l=9.58 m

底墊片的實際長度l=l0+△l=5.34 m

4.1.6 壩袋容積計算

根據內壓比α=1.35，查《橡膠壩技術規范》(SL227－98)表B.2.2－1充水式橡膠壩壩袋設計參數表得出:

壩袋單寬容積V0=1.6275H12=10.17 m2則:

單袋充水量V'=711.9 m3

壩袋總充水量V=3V'=2135.7 m3

4.2 橡膠壩底板順水流長度計算

本次設計橡膠壩采用單向坍落式，計算公式為:

式中:Ld為橡膠壩底板順水流方向長度，m;l1、l2為上、下游安裝、檢修通道，一般取0.5～1.0 m，采用1.0 m;l3為壩袋坍落貼地長度，m;其他符號L0、l0含義同前。

取壩底板長度為8.5 m。

4.3 錨固計算

壩袋采用雙錨固線螺栓壓板式錨固，錨固構件由螺栓和壓板組成，螺栓間距為0.2 m。

4.3.1 每根螺栓承受的荷載計算

式中:Q0為每根螺栓承受的荷載;T0為單位長度螺栓計算荷載，kN/m;k1為栓緊力及扭轉力的影響系數，取k=1.75;n為1 m長度內螺栓根數，n=5。

4.3.2 螺栓直徑計算

式中:d為螺栓直徑，cm;[σ]為螺栓允許拉應力，MPa，不銹鋼螺栓[σ]=246 MPa。

經計算:

采用螺栓直徑d=0.26 cm。

壓板強度驗算公式為:

式中:M為壩袋拉力作用在壓板上的彎矩，N·cm;L為力臂，為螺栓中心至壓板邊緣的距離，cm;k2為安全系數，取3.0;Wx為抗彎截面系數，cm3。

采用的壓板選用Q235制成，上壓板尺寸為130×20 mm，下壓板尺寸為145×10 mm。

[1]中國水利水電科學研究院.SL227－98橡膠壩技術規范[S].北京:中國水利水電出版社，1998.

[2]中水東北勘測設計研究有限責任公司.SL211－98水工建筑物抗冰凍設計規范[S].北京:中國水利水電出版社，1998.

[3]齊齊哈爾市水利勘測設計研究院.加格達奇區橡膠壩工程初步設計報告[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，2008.