襄城縣北汝河蓄水工程中的橡膠壩設計

高占遼 柴啟輝

(1.河南襄城縣水利局，河南襄城 452670; 2.華北水利水電學院，河南鄭州 450011)

1 橡膠壩簡介

橡膠壩是用高分子合成材料建造的一種新型柔性水工建筑物，它利用高強度合成纖維或鋼絲作為受力骨架涂敷橡膠制成膠布，錨固在基礎上形成封閉式袋狀，用水或氣充脹形成擋水壩，其壩高可調節，壩頂可溢流。橡膠壩用膠布代替了以往筑壩的土、木、鋼、石等建筑材料，其使用條件與水閘相似，既可用于防洪、灌溉、發電、供水、航運、擋潮，也可用于活動圍堰、渠系臨時擋水等工程。橡膠壩與常規閘壩相比，具有節省三材、造價低(可減少投資30%～70%)、結構簡單、施工期短(壩袋只需3 d～15 d即可安裝完畢)及跨度大、自重輕、抗震性好和美化環境等優點，因此，橡膠壩目前獲得了廣泛的應用。

2 工程任務和工程建設目的

該蓄水工程擋水建筑物采用橡膠壩，建在北汝河鮑坡與余莊村之間，設計壩高5 m，壩長190 m，壩頂高程81.7 m，蓄水庫容679萬m3左右。建設該工程目的主要是解決穎汝灌區用水、許昌市城市用水以及襄城城區工農業生產用水和環境用水。

3 壩址選擇方案

方案一:

黃柳村東壩址(樁號1+042)。該處河槽底寬為160 m，底部高程為71 m～72 m，左岸為行洪灘地，寬352 m，高程為84 m左右;施工導流時，可利用左岸灘地開挖明渠導流，不需占用農田。由于壩長較短，相應壩體和壩基防滲工程量均較小，導、截流、主體工程施工均可在一個非汛期完成，施工工期短，發揮效益快。

方案二:

余莊壩址(樁號0+842)。該處河槽底寬為180 m，底部高程為69 m～72 m，壩底砂層厚度大，防滲費用大，由于河床較窄，通過大洪水時，沒有兩岸灘地泄洪，需要修建的壩長較長，投資大，施工導流時，占用農田。

比較上述兩方案，方案一相對于方案二具有如下優點:

1)與大陳閘重疊庫容小，凈增庫容大;

2)壩的總長度短，建筑工程量及壩基防滲工作量小;

3)導流、圍堰、施工一次完成，工程布置簡潔，工期短等。決定采用方案一進行設計。

4 橡膠壩設計

4.1 工程等級和建筑物級別

北汝河橡膠壩是服務于城市供水和農田灌溉的水利工程，規劃壩高5 m，蓄水庫容679萬m3，按《水利樞紐工程等別劃分標準》，屬Ⅳ等工程，其主要建筑物按4級設計，次要建筑物按5級設計。根據國家GB 50201-94防洪標準規定，Ⅳ等4級供水工程，按20年一遇洪水設計，30年一遇洪水校核。

4.2 土建工程設計

北汝河橡膠壩樞紐工程主要由三跨橡膠壩和一孔泄水閘兩大建筑物組成。兩大建筑物由上游連接段(包括上游防沖槽、上游鋪蓋、兩岸護坡和兩岸翼墻)、壩身(閘室)段(包括壩底板、閘室控制段)、下游連接段(包括下游消力池段、下游海漫段、下游防沖槽、兩岸護坡和兩岸翼墻)部分組成。

壩身段底板上部長度為16.0 m，下游連接1∶1.5的斜坡與消力池連接。壩底板高程為76.7 m，厚度為2.0 m，底板下設前后齒墻，壩底板分縫間距為10.0 m，采用651型橡皮止水，縫內填低發泡沫塑料板。壩袋凈高5.0 m，設計正常擋水位81.7 m。壩袋長190 m，分三跨修建，中間一跨長度為70 m，兩側長度各為60 m。壩段之間設置C20鋼筋混凝土直墻隔墩，順水流長度為16.0 m，墩頂高程為83.5 m，為避免壩袋兩端與墩墻結合部位出現坍肩現象，引起局部溢流，影響橡膠壩的正常運行，將中墩和邊墩端部2.0 m寬底板采用1∶10邊坡抬高20 cm。橡膠堵頭與墩墻接觸部位用1∶2水泥砂漿抹平壓光。為防止壩袋經常起落，損害壩袋，參照已建橡膠壩工程，設計允許壩頂溢流水深0.5 m，壩前最高控制水位82.2 m。壩袋采用雙錨固線螺栓形式錨固，錨固槽設置為暗槽，錨固槽回填后與壩底板齊平，以減小坍壩時夾裹泥砂對壩袋的磨損。壩袋上下游錨固線采用外錨固，端部堵頭錨固線采用內錨固。

上游連接段包括:上游防沖槽、鋪蓋、兩岸護坡和兩岸翼墻。上游拋石防沖槽，底部高程為70.0 m，底部寬度3.0 m，兩側邊坡坡度1∶1.5，深1.5 m;順水流方向，下游接漿砌石防沖段，斜坡段水平長度12.6 m，坡度 1∶3.5，水平段長度 15.0 m，高程為 75.1 m;上游防滲鋪蓋采用C20鋼筋混凝土，厚度為40 cm，長度為18.4 m，與底板用鋼筋連接，以增加壩體穩定性，底部用10 cm厚C10混凝土墊層。

下游連接段包括消力池，海漫，下游防沖槽，兩岸護坡和兩岸翼墻。為減少水流對下游河道的沖刷，需建消能設施，擬修建消力池，底板高程73.3 m，池深1.80 m，池長20.0 m，底板厚50 cm，材料采用C20鋼筋混凝土，底板下設反濾層，底板內設φ50 PVC管，間排距為1.5 m，及時減小滲流水對壩體的滲透破壞;下游接海漫段水平長度為23.5 m，邊坡坡度為1∶6.5，與下游防沖槽連接。下游拋石防沖槽底部高程為70.0 m，底部寬度3.0 m，兩側邊坡坡度1∶1，深1.5 m，下游與原河道連接。橡膠壩橫剖面如圖1所示。

4.3 橡膠壩袋設計

圖1 北汝河橡膠壩橫斷面圖

4.3.1 壩袋設計條件

壩袋安裝后將遇到以下四種運行情況:

1)充脹試驗:壩袋安裝后，壩上、下游均無水，壩袋分三次充脹至設計高度，以檢查錨固槽漏水情況。這種情況僅在壩袋安裝完畢后或檢修時試充水檢查時出現。

2)正常擋水:壩前水深與壩頂齊平，壩下無水。

3)正常擋水:壩前水深與壩頂齊平，壩下有水。

4)壩頂溢流:運行中為了不使壩袋頻繁起落，允許壩頂溢流，并控制壩頂溢流水深0.5 m。經計算，壩頂溢流最大下泄流量114.6 m3/s。

上述四種設計條件中，充脹試驗為暫時情況，正常擋水和壩頂溢流情況，根據已建橡膠壩經驗，當壩頂溢流水深很小時，正常擋水和壩頂溢流情況下的壩袋幾何形狀相差不大。故為簡化計算，僅根據正常擋水情況，即上游水位平壩頂，下游無水的情況作為控制壩體設計的條件。

4.3.2 袋內外水壓比α值的選擇

壩袋內水壓力水頭H0的確定是根據C=H0/H1的比值經經濟技術比較后選定，H1為壩袋充脹高度。因H0/H1與壩袋徑向拉力T成正比，與壩袋的周長L成反比。因此，在選擇H0時，應綜合考慮帆布的強度、壩袋的造價及安全系數。根據《橡膠壩技術規范》，通常 H0/H1=1.25～1.5，本工程設計中就 H0/H1=1.25，1.3，1.35 三種情況進行了計算比較后，決定 α 值采用 1.3。

4.3.3 壩袋拉力計算

壩袋拉力分徑向拉力和緯向拉力。徑向拉力在設計情況下，按下式計算:

“這我沒有想到，這種可能性不能說沒有，只是太富于戲劇性了，小說家在發揮想象時用力過猛了，我承認這不失精彩。”

T=0.5γ(H0H1－0.5H21)。

其中，H1為設計壩高，H1=5.0 m;H0為壩袋內壓力水頭，H0=1.3 ×5.0=6.5 m;γ 為水的容重，取10 kN/m3。

經計算，T=100 kN/m。

壩袋緯向拉力計算較為復雜。當壩袋充脹后，由于錨固線的約束，各部位的受力情況不同。試驗表明，袋壁的最大緯向拉力均較徑向拉力小，壩袋中段的緯向拉力可取徑向拉力的50%;兩端附近褶皺區，受力情況比較復雜，可按徑向拉力的100%計算，計算簡圖見圖2。

圖2 計算簡圖

4.3.4 壩袋幾何參數計算

壩袋設計采用查表法計算壩袋各參數，已知壩袋內壓比α=1.3，H1=5.0 m，查《橡膠壩技術規范》附表2-1，計算結果如下:采用雙錨固線式的壩袋有效周長為:設計底墊片的有效長度為:L1=n+X0=9.40 m。壩袋參數見表1。

表1 壩袋參數表

壩袋與底墊片加工時要加上錨固所需長度ΔL=0.8 m。

所以，壩袋實際周長:

L0'=L0+2ΔL=17.65+1.6=19.25 m。

底墊片實際長度:

L1'=L+2ΔL=9.4+1.6=11.00 m。

4.3.5 壩袋底板順水長度計算

對于雙錨固橡膠壩，壩袋底板順水流長度按下式計算:

L=0.5(L0+L1)+L2+L3(遼寧水科所公式)。其中，L0為雙錨固時壩袋有效周長，L0=17.65 m;L1為雙錨固時壩袋有效貼地長度，L1=9.40 m;L2為錨固線至上游底板端部長度，一般取1 m～2 m;L3為壩袋塌落線至下游底板端部的長度，取3 m。

L=0.5 × (17.65+9.40)+1.5+3.0=18.02 m，取壩袋底板長度 L'=18.0 m。

4.3.6 壩袋徑向強度安全系數

壩體升壩時，平壩頂最高擋水深5.0 m，取內外水壓比α=1.3，則內壓水頭H0=6.5 m。壩袋型號為JBD5.0-300-3，膠布型號為JBD5.0-300-3，經強/緯強為 840/840。由《橡膠壩技術規范》第3.1.3條可知，帆布材料加工制成膠布，強度損失達10%左右，并且材料強度存在不均勻性。考慮這一因素，膠布浸水后強度損失取15%，則壩袋制造強度為840×85%=714 kN/m2，設計壩袋徑向拉力T=100 kN/m。所以，安全系數K=714×1/100=7.14＞6.0，滿足要求。

4.3.7 壩袋錨固設計

壩袋采用雙錨固，壩袋有效周長L0=17.65 m，底墊片有效長度 L=9.40 m，壩袋總周長 27.05 m，錨固長 1.6 m，底墊片采用2 mm厚的橡膠墊片。根據已建橡膠壩經驗，采用螺栓錨固。為了改善中墩直墻錨固連接而形成的塌肩降低擋水高度，在靠近中墩和邊墩產生塌肩的地方采用1∶10傾斜底板，使該壩段底板比中段的抬高0.2 m，使塌肩處不先過水，從而保證設計水位。為保證錨固槽強度及深度，錨固槽周邊采用二期混凝土澆筑，并用鋼筋加固。

5 結語

襄城北汝河橡膠壩的建成，不僅將取得顯著的社會效益和經濟效益，也將逐步改善該地區的自然景觀，改善局部氣候，涵養水分，實現區域內的生態環境的良性循環。但是橡膠壩具有易老化、易破損的缺點，所以在施工過程中要嚴格把關，運行過程中勤于檢修與養護，努力提高其壽命，充分發揮其綜合效益。

[1] 高本虎.橡膠壩工程技術指南[M].北京:中國水利水電出版社，2004.

[2] SL 227-98，橡膠壩設計規范[S].

[3] SL 265-2001，水閘設計規范[S].

[4] 李 煒.水力計算手冊[M].北京:中國水利水電出版社，2006.