充水式橡膠壩底板的穩(wěn)定計算參數分析

海 彬寇祖河袁 瑩

（1.河南省洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南洛陽 471000；2.河南省新鄉(xiāng)市河務局，河南新鄉(xiāng) 453000；3.華北水利水電大學，河南鄭州 450000）

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充水式橡膠壩底板的穩(wěn)定計算參數分析

海 彬1寇祖河2袁 瑩3

（1.河南省洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南洛陽 471000；
2.河南省新鄉(xiāng)市河務局，河南新鄉(xiāng) 453000；
3.華北水利水電大學，河南鄭州 450000）

【摘 要】充水式橡膠壩作為低水頭擋水建筑物，已廣泛用于灌溉、防洪、發(fā)電、城市景觀、美化等工程，對其進行穩(wěn)定分析具有重要的意義。以往橡膠壩底板穩(wěn)定計算的豎向及水平向的受力參數未考慮到下泄水流拖曳力對其底板穩(wěn)定的影響，本文穩(wěn)定計算參數分析中新增了下泄水流拖曳力和壩頂水體自重，更全面地分析了橡膠壩底板的受力狀況，使橡膠壩底板的運行更加穩(wěn)定、安全，進而為橡膠壩更好地發(fā)揮水面效益、美化環(huán)境打下了良好基礎。

【關鍵詞】橡膠壩底板；計算參數；穩(wěn)定分析；拖曳力

1　概 述

充水式橡膠壩作為低水頭擋水建筑物始現(xiàn)于20世紀50年代，以高強力合成纖維布為受力骨架，內外兩面硫化氯丁橡膠層作為止水層和保護層的膠布，按工程設計要求錨固在河道基礎底板和端墻上，形成一個封閉的橡膠布囊，充水形成橡膠柔性體擋水壩，以實現(xiàn)攔河擋水、蓄水等目的。目前橡膠壩已廣泛用于灌溉、防洪、發(fā)電、城市景觀、美化等工程。

隨著社會的不斷發(fā)展進步，橡膠壩作為一種低水頭、便于管理的擋水建筑物，更多應用于城市水面及景觀美化，建于城區(qū)內部河道上，周邊多為居民住宅區(qū)或娛樂休閑公園、廣場，它的運行穩(wěn)定安全性關乎城市防洪及人身財產安全，因此其穩(wěn)定安全尤為重要，對橡膠壩穩(wěn)定計算參數進行全面的穩(wěn)定計算分析具有重要的意義。

2　橡膠壩底板的穩(wěn)定計算受力簡圖及公式

橡膠壩作為一種低水頭擋水建筑物，底板結構相對簡單，設計時多采用對稱性布置，使整個橡膠壩處于良好的受力穩(wěn)定狀況，以保證其運行管理安全及簡便。根據橡膠壩壩底板結構布置及受力情況，此次以對稱性壩底板結構布置及受力情況為條件，結合其受力情況簡圖（見下圖），對橡膠壩底板穩(wěn)定計算參數進行全面的穩(wěn)定計算分析，從而找出以往被忽略的作用力，更深入地剖析橡膠壩的穩(wěn)定計算參數，為設計計算提供依據。

受力情況簡圖

上圖圖中：G1為壩袋自重（kN）；G2為壩底板自重（kN）；G3為壩袋上游底板上水重（kN）；G4為壩袋下游底板上水重（kN）；P0為壩袋內壓垂直分力（kN）；P1為上游水壓力（kN）；P2為下游水壓力（kN）；T為壩袋徑向壓力（kN）；F為下泄水流拖曳力（即下泄水流與壩袋之間摩擦產生的拖曳力，受力方向為下泄水流流線與壩袋的切線方向，kN）；U為滲透壓力（kN）；a1、a2、a3分別為拖曳力、壩袋下游徑向力、壩袋下游徑向力與壩底板的夾角（圖示中a1、a2、a3標示不規(guī)范）。

根據規(guī)范及相關資料，橡膠壩底板穩(wěn)定計算公式分別如下：

式中 P——壩基底應力的最大值或最小值，kPa；

∑G——作用在壩底板上的全部豎向荷載，kN；

∑M——作用在壩底板上的全部豎向和水平向荷載對基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；

A——壩底板基礎底面面積，m2；

W——壩底板基礎底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

式中 Kc——抗滑穩(wěn)定安全系數；

f——底板底面與地基間的摩擦系數，若地基土為黏性土，f＝tanφ0，φ0為沿底板基底面與地基土之間的摩擦角；

∑G——作用在壩底板上的全部豎向荷載，kN；

∑H——作用在壩底板上的全部水平荷載，kN；

A——壩底板基礎底面面積，m2；

c——底板底面與地基之間的黏聚力，kPa／m2。

3　橡膠壩底板的穩(wěn)定計算參數分析

橡膠壩在蓄水運行時受力狀況較為復雜，其最不利狀況為橡膠壩完全充滿水達到設計擋水高度時的運行狀況，則此次以其最不利狀況為例，對橡膠壩的穩(wěn)定計算參數深入分析。

根據有關橡膠壩穩(wěn)定設計資料可知，在最不利工況下壩底板穩(wěn)定計算分析中，往往忽略了下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′，造成壩基底應力計算時未考慮拖曳力F豎向分力Fsin a1和壩頂溢流水重G′，在抗滑穩(wěn)定安全系數Kc計算時未考慮拖曳力F水平向分力Fsin a1，其受力計算參數分析不符合實際受力情況，導致了最不利狀況下計算成果存在缺陷。筆者認為在最不利工況下橡膠壩穩(wěn)定計算時應考慮下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′，雖然壩袋為橡膠制品，表面光滑，但橡膠壩在充滿水運行時，壩頂溢流流速大，且下泄水流拖曳力與溢流流速成正比，下泄水流拖曳力較大；同時壩頂溢流時有一定的溢流水深，在壩頂上部形成水體自重G′，其隨著溢流水深的加大而增大。

綜上所述，計算時考慮了下泄水流拖曳力和壩頂溢流水體自重的影響，在最不利工況下更深入地分析橡膠壩底板穩(wěn)定計算參數，全面了解受力狀況，從而使橡膠壩底板穩(wěn)定計算成果更接近實際狀況，能提高橡膠壩底板的運行穩(wěn)定安全性。

4　工程實例

宜陽縣連昌橡膠壩工程為1跨，壩袋為橡膠壩袋，內壓比1. 25；壩高4m，壩底板厚1. 5m，鋼筋混凝土結構，順水流向長14m，寬86m；壩基為砂礫石基礎，地基承載力為300kPa，鋼筋混凝土重度為25kN／m3。

本次采用1m單寬進行計算，分別以兩種工況進行比較計算：一是不考慮下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′；二是考慮下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′，在橡膠壩充滿水運行時取壩頂溢流水深50cm。

根據橡膠壩底板穩(wěn)定計算公式及橡膠壩基本計算參數，并參照其受力分析情況，計算結果詳見下表。

計算結果對比表

根據以上計算結果可知：兩種計算工況下，基底應力計算結果基本相同；但抗滑穩(wěn)定系數相差較大，即“不考慮下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′”時抗滑穩(wěn)定系數計算結果大于“考慮下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′”時抗滑穩(wěn)定系數，說明下泄水流拖曳力F和壩頂溢流水重G′對壩底板的穩(wěn)定性有一定影響，特別是下泄水流拖曳力F在水平向對橡膠壩底板抗滑穩(wěn)定性具有較大影響，它們在橡膠壩穩(wěn)定計算中也是不可忽略的受力。因此，在橡膠壩受力分析中應考慮下泄水流拖曳力和壩頂溢流水重，其計算結果更接近橡膠壩運行時的受力實際狀況，更深入地對橡膠壩底板穩(wěn)定性進行較全面分析，能為結構穩(wěn)定計算提供更多參考。

5　結 論

a.計算時考慮了下泄水流拖曳力和壩頂溢流水體自重對橡膠壩穩(wěn)定的影響，提高了橡膠壩正常運行時的安全性，也使橡膠壩更好地發(fā)揮擋水及美化環(huán)境的效益。

b.設計時考慮了下泄水流拖曳力和壩頂溢流水體自重的影響，更深入地分析了橡膠壩底板穩(wěn)定計算參數，全面了解受力狀況，從而為橡膠壩工程穩(wěn)定設計提供了參考。

c.下泄水流拖曳力為下泄水流與壩袋之間摩擦而產生，隨壩頂溢流流速的增大而增大。壩頂溢流水體自重G′隨溢流水深的加大而增大。

d.下泄水流拖曳力和壩頂溢流水重對壩底板的穩(wěn)定性具有一定影響，特別是下泄水流拖曳力對橡膠壩底板抗滑穩(wěn)定性具有較大影響，在穩(wěn)定計算時一定不能忽略下泄水流拖曳力和壩頂溢流水重，如此才能在最不利狀況下計算出更接近實際的受力狀況，為進一步優(yōu)化結構設計提供依據。■

參考文獻

［1］ 王溥文，韓昌海，童中山，等.橡膠壩技術及應用［M］. 1版.北京：中國水利水電出版社，2008.

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［3］ 王喜芹，劉柳，等.充水式橡膠壩壩體和底板穩(wěn)定分析［J］.吉林水利，2013（1）.

［4］ 侍克斌，霍洪麗，等.堆石壩壩頂溢洪道帶有水平阻滑板泄槽底板的穩(wěn)定分析［J］.水力發(fā)電，2005（9）.

［5］ 海彬，周峰，侍克斌.深厚軟基上土石壩壩體溢洪道泄槽末端反弧段的穩(wěn)定分析［J］.中國農村水利水電，2009（12）.

Analysis on the stability calculation Parameter of Water filling rubber dam basePlate

HAI Bin1，KOU Zuhe2，YUAN Ying3
（1．Henan Luoyang Water Vonservancy Survey and Design Vo.，Ltd.，Luoyang 471000，Vhina；
2．Henan Xinxiang River Authority，Xinxiang 453000，Vhina；
3．North Vhina University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450000，Vhina）

Abstract：Water filling rubber dam is regarded as low head water retaining structure，which has been widely used for irrigation，flood control，power generation，urban landscape，beautification and other projects. Stability analysis on them has important significance. In the past，the influence of drainage flow drag force on the baseplate stability is not considered by vertical and horizontal force parameters in rubber dam baseplate stability calculation. Drainage flow drag force and dam top water gravity are newly added for stability calculation parameter analysis in the paper. The stress condition of the rubber dam baseplate is comprehensively analyzed. The operation of rubber dam baseplate is more stable and safe，thereby laying a good foundation for developing water efficiency and beautifies environment.

Key Words：rubber dam baseplate；calculation parameters；stability analysis；drag force

DOI：10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.02.019

中圖分類號：TV214

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8241（2016）02-0067-03