淺談充水橡膠壩壩袋設(shè)計中需要注意的幾個問題

摘 要：文章簡要介紹橡膠壩設(shè)計壩袋計算工作流程及特點(diǎn)，著重提出了在設(shè)計過程中需要注意的問題，針對各個問題提出了作者的觀點(diǎn)，供讀者共同研究探討。

關(guān)鍵詞：橡膠壩；壩袋；設(shè)計；問題

1 設(shè)計工作背景

半支箭河橡膠壩蓄水工程位于新區(qū)（八家組團(tuán)）東側(cè)半支箭河上。赤峰市是內(nèi)蒙古東部地區(qū)重要交通樞紐，是鐵路、公路、航空運(yùn)輸?shù)募⒌亍０胫Ъ酉鹉z壩蓄水工程已建有3座橡膠壩，壩址編號從下游至上游分別為BⅠ-Ⅰ、BⅡ-Ⅱ、BⅢ-Ⅲ，橡膠壩間距依次為745米、500米。現(xiàn)擬建的BⅣ-Ⅳ橡膠壩工程位于第三道橡膠壩上游470米處，即半支箭河王府橋上游425米，巴林橋下游520米。半支箭河BⅠ-Ⅰ、BⅡ-Ⅱ、BⅢ-Ⅲ橡膠壩建設(shè)已分別于2005年、2006年完成，在上述工程實(shí)施的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了半支箭河BⅣ-Ⅳ橡膠壩蓄水工程的設(shè)計。

2 橡膠壩壩袋設(shè)計基本內(nèi)容

2.1 橡膠壩工程規(guī)模確定

根據(jù)《水利水電工程等級劃分與防洪標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）及《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001），橡膠壩段（發(fā)生100、50、20年洪水時橡膠壩必須坍壩泄洪）防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年，100年一遇洪水過堰洪峰流量為1550m3/s。根據(jù)攔河閘工程分等指標(biāo)，工程等別依據(jù)其過流流量確定，由于過閘流量在1000-5000m3/s，工程等別屬Ⅱ等，大（2）型，主要建筑物級別為2級。

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（條文說明）（SL-227-98）之1.0.3款，由于此橡膠壩位于中心城區(qū)，屬重要工程，工程建筑物級別為3級。并根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）2.1.6款的規(guī)定，參考《新城區(qū)橡膠壩蓄水工程初步設(shè)計報告》中Ⅰ-Ⅰ橡膠壩工程等別的確定，確定半支箭河橡膠壩工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級，臨建為5級。橡膠壩洪水為20年一遇洪水設(shè)計，50年一遇洪水校核，臨建洪水標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇。

2.2 橡膠壩工程總體布置

主河槽為正常蓄水庫區(qū)，壩區(qū)半支箭河段主河槽寬為76～77米。在橡膠壩上游回水區(qū)域內(nèi)的右岸河道堤防護(hù)砌采用抗?jié)B標(biāo)號為W6的半縫混凝土板，左岸為膜袋砼。壩址以上設(shè)計河底比降4.5‰，為了防滲在壩前庫底100厘米下鋪設(shè)兩布一膜土工膜（700g/m2）與半縫混凝土板膠結(jié)為一體，庫底總防滲面積分別為4.26萬平方米。考慮運(yùn)行后土工膜有局部損壞滲漏時產(chǎn)生揚(yáng)壓力，可能使覆膜膨鼓，所以在壩區(qū)覆膜范圍內(nèi)每隔30米鋪設(shè)一道鉛絲石籠壓膜帶，壓膜帶高100厘米，寬70厘米。

橡膠壩設(shè)計壩高為3.0米，總壩長為76.8米，壩頂以下蓄水庫容為8.14萬立米，相應(yīng)水面面積為5.64萬平米。

橡膠壩為2孔，為充水型橡膠壩。孔口凈寬均為38米，立壩蓄水時，壩頂允許最大溢流量為55.08m3/s。壩底板順?biāo)鞣较蜷L度11米，墩寬0.8米，上游砼鋪蓋5米，下游消力池長為10米，消力池深0.6米，海漫順?biāo)鞣较蛩蕉伍L6米，斜坡段長12米，防沖槽深1.0米，寬6米。

泵房及管理房建布置在橡膠壩右壩防洪堤外側(cè)，總建筑面積184.45m2。泵房布置水源井一眼，管道泵2臺，輸排水管路及各控制盤柜、儀表。主變壓器及各電氣保護(hù)布置在泵房處的開關(guān)站內(nèi)。

2.3 橡膠壩泄洪能力計算

壩袋充脹時，根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》SL227-98，泄流能力計算公式如下：

Q-過壩流量，m3/s；

B-溢流斷面的平均寬度，B=n×b；

n-孔數(shù)，n=2；

b-單跨凈寬，b=38m；

h0-包括行近流速水頭的堰頂水頭，m；

m-流量系數(shù)；

σ-淹沒系數(shù)，取值1.0；

ε-堰前側(cè)收縮系數(shù)。

因壩袋為雙錨固結(jié)構(gòu)形式，橡膠壩運(yùn)用中雙錨固充水橡膠壩流量系數(shù)按以下公式計算：

m=0.1630+0.0913■+0.0951■+0.0037■

H0-壩袋內(nèi)壓水頭，m；

H-運(yùn)行時壩袋充脹的實(shí)際壩高，m；

h1-壩上游水深，m；

h2-壩下游水深，m。

在橡膠壩運(yùn)用期泄流能力計算時，考慮了兩種情況。一是考慮最高水頭為0.3米時橡膠壩頂溢流能力，二是泄洪前橡膠壩逐漸坍落過程中橡膠壩頂溢流能力。參照已建類似工程經(jīng)驗(yàn)，為防止橡膠壩堰上水頭過高而引起壩體震動，確定橡膠壩運(yùn)行時堰上最高水頭為0.3米。橡膠壩逐漸坍落時，假定壩頂水頭不變，壩袋逐漸降落20cm、40cm、60cm、80cm的流量計算，計算泄流成果見表1。

根據(jù)表1計算成果、壩區(qū)庫容曲線及坍壩時間對壩區(qū)庫水位、逐漸坍壩時泄量和坍壩時間關(guān)系進(jìn)行計算。根據(jù)表1計算結(jié)果及橡膠壩運(yùn)行狀態(tài)時泄流能力計算公式對橡膠壩逐漸坍落時壩頂泄流能力進(jìn)行修正，結(jié)果如表2。

2.4 橡膠壩壩袋設(shè)計

2.4.1 壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)的確定

橡膠壩技術(shù)規(guī)范中要求強(qiáng)度安全系數(shù)K≥6。

壩袋是很薄的膠布制品，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，堅固性較差，容易被刺傷和磨損。橡膠壩位于赤峰市新城區(qū)內(nèi)主要河段上，沿岸均為生活區(qū)，位置比較重要，應(yīng)適當(dāng)提高工程安全性，故本次設(shè)計選定壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)為8。

2.4.2 壩袋強(qiáng)度計算

T=■γH12（2？琢-1）

式中：

T-壩袋徑向拉力（t/m）；

γ-水的容重，γ=1.0 t/m3，（t/m3）；

H1-壩袋充脹高度（m）；

α-壩袋內(nèi)外壓比α=■；

H0-壩袋內(nèi)壓水頭（m）。

根據(jù)《規(guī)范》，充水橡膠壩內(nèi)外壓比值選用1.3，壩袋充脹高度按設(shè)計高度，即H1=3.0米，H0=H1+0.90=3.90米，經(jīng)計算，在設(shè)計壩高下壩袋單寬徑向拉力為3.60t/m。

2.4.3 壩袋幾何形狀的計算

（1）壩袋設(shè)計參數(shù)

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98）附錄B，壩袋各項(xiàng)設(shè)計參數(shù)采用查表法進(jìn)行計算，根據(jù)α=1.3，查表B.2.2-1得成果如表3。

表3 橡膠壩壩袋設(shè)計參數(shù)值

（2）壩袋尺寸及容積計算

由表3所查參數(shù)值以及壩高值H1=3.0m，計算壩袋各部尺寸，計算結(jié)果如表4。

表4 壩袋環(huán)向各部尺寸及壩袋單寬容積

（3）壩袋坍落長度、壩袋有效周長、底墊片的有效長度

a.壩袋坍落后下游錨固點(diǎn)到壩袋未端的距離

b.壩袋有效周長（不包括錨固長度）

L0=S1+S=10.586m

c.底墊片有效長度（不包括錨固長度）

L0=n+X0=5.6358m

2.4.4 壩袋材料設(shè)計

（1）按壩袋最大計算拉力乘以安全系數(shù)來選擇壩袋膠布，即

KT=8×3.6=28.8t/m，選擇徑向抗拉強(qiáng)力不小于28.8t/m的壩袋。

（2）壩袋膠布使用高強(qiáng)且與橡膠具有良好結(jié)合性能的錦綸帆布（錦綸網(wǎng)眼布）。錦綸帆布在涂膠前要求對白坯布進(jìn)行化學(xué)藥品浸漬處理，以加強(qiáng)膠料對織物的滲透和涂敷粘合體系。

（3）壩袋膠料主料采用耐老化、耐腐蝕、耐磨損、抗凍性及耐水性好的國產(chǎn)通用氯丁橡膠，彩色壩袋的貼合復(fù)合層主料采用氯磺化聚乙烯。

壩袋面層顏色：應(yīng)具有持久性，彩色壩袋外覆蓋膠采用復(fù)合型式，外敷彩色膠厚度為2.5毫米。

壩袋膠布的膠層厚度：外覆蓋膠厚度2.5毫米，夾層膠0.5毫米，內(nèi)覆蓋膠2.0毫米。除上述膠層，表層另外加覆2.0毫米厚的純氯丁橡膠片，以減少泥沙對壩袋的磨損。

3 橡膠壩設(shè)計中需要注意的幾個問題

3.1 壩袋計算中各有關(guān)參數(shù)的選擇

橡膠壩壩袋計算中需要用到一個很重要的參數(shù)，就是內(nèi)壓比，內(nèi)壓比的選擇直接關(guān)系到壩袋計算的正確與否。內(nèi)壓比是指壩袋內(nèi)壓高度與壩袋設(shè)計高度之比。當(dāng)壩高一定時，壩袋的外形尺寸受壩袋的內(nèi)壓高度的影響。當(dāng)內(nèi)壓高度大時，壩袋有效周長短，土建工程量小，但袋壁拉力大，要求材料強(qiáng)度高；若內(nèi)壓高度小，壩袋有效周長則長，土建工程量大，但袋壁拉力小，要求材料強(qiáng)度低。因此，理論上講，有一個是壩袋拉力和壩袋有效周長的乘積比較小的內(nèi)壓高度。怎樣選擇一個合適的內(nèi)壓比，是檢驗(yàn)一個設(shè)計人員是否合格的重要指標(biāo)。作者認(rèn)為，從我國建成的數(shù)百座充水式橡膠壩工程設(shè)計指標(biāo)中，內(nèi)壓比選用在1.1-2.0，但絕大多數(shù)是采用1.25-1.6。本次設(shè)計根據(jù)河道自然地理特征及實(shí)際條件，選擇內(nèi)壓比為1.3，是比較合理并符合實(shí)情的。

3.2 有關(guān)充水橡膠壩袋材料的選擇

作者認(rèn)為，橡膠壩袋應(yīng)滿足下列構(gòu)造要求：（1）在膠布加工條件許可的情況下，應(yīng)盡量選用布幅較大的帆布。（2）壩袋膠布的帆布層數(shù)不宜超過三層。（3）壩袋膠布各層膠的厚度應(yīng)滿足：外覆蓋膠厚大于2.5mm；夾層膠厚0.3-0.5mm；內(nèi)覆蓋膠厚大于2.0mm。（4）在有推移質(zhì)的河道上，壩袋宜考慮緩沖墊層設(shè)計。（5）壩袋膠布應(yīng)具有耐老化、耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊、抗屈撓、耐水、耐寒等性能。

壩袋搭接處粘著強(qiáng)度應(yīng)大于膠布本身強(qiáng)度。壩袋膠布布幅間的搭接強(qiáng)度應(yīng)大于壩袋緯向設(shè)計強(qiáng)度。搭接方法應(yīng)與膠布制做廠家商定，搭接強(qiáng)度須經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，并應(yīng)保證壩袋錨固安裝有良好的止水效果。在壩體縱斷面為矩形布置，且選用堵頭結(jié)構(gòu)時，可選用平搭接或無搭接壩袋。

4 結(jié)束語

以上是作者從事橡膠壩設(shè)計工作中的一點(diǎn)體會和心得，特在此提出以和讀者共勉。充水式橡膠壩的設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算內(nèi)容繁多，由于篇幅所限作者僅列出了一部分的計算過程，實(shí)際計算中還有許多問題沒有說明，希望以后能夠和更多的讀者一起來就橡膠壩計算的內(nèi)容進(jìn)行更多的交流討論，也敬請讀者對文中不妥之處批評指正。

參考文獻(xiàn)

[1]橡膠壩設(shè)計與管理[M].中國水利水電出版社.

[2]SL27-98.橡膠壩技術(shù)規(guī)范[S].

作者簡介：李輝，男，本科，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，中級工程師，主要從事水利工程的設(shè)計工作。

韓超，男，在職研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，中級工程師，現(xiàn)從事水利規(guī)劃、設(shè)計工作。