關于溪口橡膠壩工程技術的應用與探析

劉平華　許　航

（湖南中武建筑工程有限公司　長沙市　410007）　（湖南省水利廳　長沙市　410007）

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關于溪口橡膠壩工程技術的應用與探析

劉平華許航

（湖南中武建筑工程有限公司長沙市410007）（湖南省水利廳長沙市410007）

【摘要】橡膠壩主要適用于低水頭、大跨度的閘壩工程，可以不用常規的工作橋和啟閉機結構建筑物，能夠及時方便地蓄水和調節水位與流量，比金屬結構閘門調節水流的效果更佳，不需取土、取石、混凝土工程保持河道清潔，節約勞動力和縮短施工工期。用于城市園林工程，采用彩色壩袋造型優美、線條流暢可為旅游開發建設添彩，橡膠壩工程技術得到廣泛應用。文章分析橡膠壩工程的特點及技術要點，就如何在水利工程中加強橡膠壩工程技術的應用進行探析。

【關鍵詞】橡膠壩水利水電大壩工程應用

橡膠壩的結構簡單新穎，壩袋是石油副產品用現代工業生產的合成材料，原材料來源豐富，壩的跨度大（目前國內單跨壩長達到200m）適用范圍廣，它還具有造價低、節省三材（鋼、木、水泥）、施工期短、抗震性能好、不阻水和止水效果好、操作靈活，維修費用低等優點。本文以溪口橡膠壩的設計為案例，在相關數據計算的基礎上，對橡膠壩建設各技術要點作一探析。

1　橡膠壩工程技術的特點

（1）節省三材。橡膠壩袋是用合成纖維織物和合成橡膠制成的薄壁柔性結構，代替鋼和鋼筋混凝土結構，由于不需要修建工作橋、機架橋等鋼或鋼筋混凝土結構，結構簡單，三材用量少，一般可節省鋼材30%～50%，水泥約20%～50%，木材60%以上。

（2）造價低。橡膠壩同規模的常規擋水建筑物比較，橡膠壩的造價是較低的，據統計，一般可以減少投資30%～70%，這是橡膠壩的突出優點。

（3）施工期短。橡膠壩在工廠生產，然后運到工地安裝。因此施工速度快，施工期短。安裝一個80m的橡膠壩，正常情況下10～15天即可安裝完成。橡膠壩的工程結構相對簡單，工期一般較短，可當年施工，當年受益。

（4）抗震性能好。橡膠壩的壩體為柔性薄殼結構，富有彈性，可抵抗強大的地震波和特大洪水的波浪沖擊。如河南省西平縣五溝營橡膠壩，在遭遇1975年百年一遇的特大洪水時，由于及時塌壩泄流，洪水過后壩袋仍可充水運行；河北省唐山陡河橡膠壩，經受住1976年唐山8級以上大地震的考驗，未發現大問題。

（5）行洪能力強，止水效果好。橡膠壩體內的水或氣泄空后，壩袋緊貼在底板上，不縮小原有河床的過水斷面；橡膠壩的跨度大，中間閘墩少，不需建機架橋等結構物，對水流的阻礙作用小；壩袋錨固在基礎底板和岸墻上，不漏水，止水效果好。

（6）操作靈活，維護費用低。橡膠壩的高度可調節——壩袋升高或塌落，是利用水泵和閘閥控制，操作簡便靈活，年維修費用低。

2　溪口橡膠壩技術的技術要點

（1）橡膠壩壩頂高程計算。壩頂高程計算根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）的規定，擋水建筑物防浪墻頂部高程按設計情況和校核情況時的靜水位加相應的波浪爬高，風壅增高和安全加高確定，壩頂高程應不低于正常蓄水位。

校核情況時，堰閘為堰流，下游為淹沒出流，采用下式試算校核洪水位：

式中Q——校核工況時下泄流量，Q=15 572m3/s；

δs——淹沒系數，取δs=0.95；

δc——側收縮系數，取δc=0.99；

m——基本流量系數，取m=0.39；

n——壩段數；

b——單個壩段凈寬；

Ho——校核工況堰頂水深（m）。

經試算得校核水深為13.60m，相應校核洪水位為136.10m。

設計工況時，堰閘為堰流，下游為淹沒出流，采用下式試算設計洪水位：

式中Q——設計工況時下泄流量，Q=11 106m3/s；

δs——淹沒系數，取δs=0.965；

δc——側收縮系數，取δc=0.99；

m——基本流量系數，取m=0.39；

n——壩段數；

b——單個壩段凈寬；

Ho——設計工況水深（m）。

經試算得設計水深為11.0m，相應設計洪水位為133.50m。

壩頂距靜水位的高差采用下式計算：

Δh=hb+hz+hc

式中Δh——壩頂距靜水位高度（m）；

hb——波浪高，取累積頻率1%的波高（m）；

hz——波浪中心線至最高靜水位高度（m）；

hc——安全超高，校核工況取0.3m，設計工況取0.4m。

庫區最大風速V=24m/s，取吹程D=1km。

經計算得：設計工況=0.80+0.27+0.4=1.47m，

校核工況=0.68+0.22+0.3=1.2m，

則：設計工況壩頂高程：133.50+1.47=134.97m，

校核工況壩頂高程：136.10+1.20=137.30m。

（2）橡膠壩袋設計計算。橡膠壩按充脹介質可分為充水式與充氣式兩種。結合溪口橡膠壩工程的運用方式，優先選用充水式，充水式橡膠壩壩頂溢流時袋形比較穩定，過水均勻，對下游沖刷亦較小。充水式橡膠壩壩袋設計計算內容包括：袋壁徑向拉力T，袋壁周長L0，壩體充脹容積V0，袋壁抗撕裂安全系數K。壩袋計算時，假設壩袋只承受拉力，而不承受彎矩和剪切力，并且忽略壩袋膠布厚度的影響，壩袋膠布自重和受力后彈性伸長的影響忽略不計。根據《橡膠壩技術規范》（SL 227-98）中的有關規定，本次設計計算工況為上游水深等于壩高，即上游水位為130m時，下游無水的情況。

根據以往類似工程的經驗，本工程橡膠壩內壓比取值1.2，錨固方式采用螺栓壓板雙線錨固，根據錨固需要兩側邊坡取為1∶2.5。

袋壁徑向拉力T計算采用《橡膠壩技術規范》（SL227-98）中的數解法進行，計算公式如下：

式中T——袋壁徑向拉力（kN/m）；

r——水的容重（10 kN/m3）；a0——壩袋內外壓比，取1.2；

H1——壩袋設計壩高，取7.5m；

經計算，袋壁徑向拉力為196.88 kN/m。

上游壩面曲率半徑采用如下公式進行計算：

設計內壓比為取用1.2，設計壩高7.5m，計算得上游壩面曲率半徑13.13m。

袋壁周長L0采用如下公式計算：

L0=S0+S+n+X0

式中L0——袋壁周長（kN/m）；

S0——上游壩面曲線段長度（m），計算得長度14.80m；

S——下游壩面曲線段長度（m），計算得長度12.60m；

X0——壩袋下游貼地部分長度（m），計算得長度3.74m。

根據上式計算得袋壁周長為43m。

壩體充脹容積V0采用如下公式計算：

式中V0——壩體充脹容積（m3）；

R——上游壩面曲率半徑（m）；

φ1——上游壩面中心角（rad）；

H1——壩袋設計壩高，取7.5m；

H0——壩袋內充脹水頭，取9m。

經計算所得壩體每米充脹容積為97.5m3。

綜合上述壩袋計算成果并結合橡膠壩袋生產廠家的有關資料及類似工程經驗，壩袋采用國內最新工藝，壩袋制作采用鋼絲骨架，無搭接縫一次成型，壩袋總體徑向力強度為1 772 kN/m，安全系數9倍，壩袋表面膠4mm，夾層膠1mm，內膠2mm，總厚度為20mm。

（3）底板順水流方向長度確定。橡膠壩底板順水流方向長度L的確定，取決于橡膠壩袋塌落長及壩袋檢修等因素，可按下式計算：

L=L1+0.5（S0+S+n+X0）+L2

式中L——橡膠壩底板順水流方向長度（m）；

S0、S——上、下游壩面曲線段長度，計算得長度S0=14.80m、S=12.60m；

n、X0——壩袋上、下游貼地部分長度算得長度n=11.86m、X0=3.74m；

L1、L2——壩袋上、下游錨固線至上、下端頭的長度，一般取（1～2）m。按式計算所得橡膠壩底板順水流方向長度為25.30m。

（4）消能計算。由于本工程橡膠壩水深較淺，且壩袋承受水頭不高，故不宜采用面流或挑流式消能。根據《水閘設計規范》，為了控制水流對下游河床、河岸的沖刷，水閘采用底流式消能。消能設施設計為：在主閘段下游設置長30m、深度為1.0m的C25鋼筋混凝土消力池，在消力池內布設直徑為50mm的排水管，縱橫間距均為2m，梅花型布置，護坦末端設防淘刷齒墻，墻深5.0m，底高程為116.50m，C25鋼筋混凝土結構，118.50m以下厚1m，以上為斜坡，至消力池底板底高程處厚3m。消力池后接拋石防沖保護體，底部高程為117.50m，頂部高程為121.50m，底寬3m，上游面直立，下游面坡比1∶2，要求石塊最小邊長不小于30 cm。消力池兩側布置M7.5漿砌石護坡，護坡厚0.5m。

根據相關規范，本工程消能設計洪水標準為30年一遇（Q=10 316m3/s）。壩體溢流段泄洪，壩下游均出現淹沒水躍，下游采用急流消能的消能方式。

消力池長度LB計算公式：

Lj=6.9（hc"-hc）

Lsj=Ls+βLj

消力池深度d算公式：

d=δ0 hc"hS△Z

式中Lsj——消力池長度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度（m），取6m；

hc"——躍后水深（m）；

hc——收縮斷面水深（m）；

β——水躍長度校正系數，取0.7；

Lj——水躍長度（m）；

δ0——水躍淹沒系數；

hS——出池河床水深（m）；

△Z——出池落差（m）。

式中t——消力池底板始端厚度（m）；

hc——閘孔泄水時上下游水位差（m）；

k1——底板計算系數，取0.18；

k2——底板安全系數，取1.2；

U——作用在底板表面的揚壓力（kPa）；

W——作用在底板頂面的揚壓力（kPa）；

Pm——作用在底板上的脈動壓力（kPa）；

γb——底板的飽和容重（kN/m3）。

兩者取大值，t=t1=0.98m，取消力池底板厚1.0m。

（5）穩定及應力計算。橡膠壩布置設計為：溢流段底板采用C25鋼筋混凝土寬頂堰，壩底板根據壩袋布置需要采用順河向寬25.30m，堰頂布置2個底寬為82m，頂寬為123.25m橡膠壩袋，充脹成形后高度為7.5m的橡膠壩袋，底板高程122.50m，底板厚度4m，基礎高程118.50m，根據通航通行需要，正常水位取為130m，即充脹成形后橡膠壩袋頂高程為130m，兩個溢流壩段均為泄洪兼沖砂用。溢流壩段下游設置長30m、深1.0m的C25鋼筋混凝土消力池，在消力池底板內布設直徑為50mm的排水管，縱橫間距均為2m，消力池末端設防淘刷齒墻。非溢流段最大壩高11.88m，頂寬3.0m，頂高程136.10m，防浪墻頂高程137.30m，上游邊坡1∶0.3，下游邊坡1∶0.2，壩體采用C15混凝土材料，下游側填土至132.00m。

根據溪口橡膠壩布置，溢流段為砂礫石基礎，非溢流壩段部分為巖基，因此分別對閘室段和非溢流壩段進行計算。計算時采用以下兩種組合五種工況：

基本組合：

①正常蓄水位130m時，下游無水；

②設計洪水位133.5m時，下游水位132.8m；

③施工完建橡膠壩充脹成形，上下游均無水。

特殊組合：

①校核洪水位136.1m時，下游水位135.25m；

②施工完建時，上下游均無水。

計算時混凝土容重取24 kN/m3，壓實砂礫石料容重取19.5 kN/m3，防滲墻折減揚壓力系數為0.35，溢流壩段取單塊20m長壩段計算。

按照《水閘設計規范》（SL 265-2001）的規定，對溢流壩段采用抗剪強度公式進行抗滑穩定計算，對連接壩段采用抗剪斷強度公式進行抗滑穩定計算，基底應力按材料力學公式計算，其計算公式為：

穩定安全系數計算公式：

基底應力計算公式：

不均勻系數計算公式：

式中K——抗滑穩定安全系數；

f———基礎底面與地基土之間的摩擦系數，取f=0.40；

∑G——豎向力之和（kN）；

∑P——水平力之和（kN）；

A——基礎底面面積（m2）；

F′——抗剪斷磨擦系數，基巖或砼取F′=1.0，砂卵石取F′=0.55；

C′——凝聚力，基巖或混凝土取C′=0.7mPa，砂卵石取C′=0；

σ——基底應力（MPa）；

∑M——力矩之和（kN/m）；

W——基底對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m2）；

η——基底應力不均勻系數。堰閘穩定及基礎應力計算成果見附表。

附表　堰閘穩定及基礎應力計算成果表

由附表可以看出，橡膠壩的抗滑穩定安全系數在各種工況下均滿足規范要求，基礎應力及其不均勻系數也滿足規范的安全性要求。

3　結　語

本文以溪口橡膠壩的初步設計為例，分5個部分，用大量公式推導，完整地、詳細地闡述了橡膠壩設計的各個關鍵要點，通過計算成果表直觀的表達了施工設計的計算過程，特別是在橡膠壩壩頂高程計算、橡膠壩袋設計計算、底板順水流方向長度確定、消能計算、穩定及應力計算方面作了較深入的探討，為湖南省橡膠壩的建設提供一個思路。

作者簡介：劉平華（1977-），男，湖南常德人，大學本科，工程師，目前從事水利工程管理工作，手機：18973110040。

收稿日期：（2016-03-11）