16年后再“斤斤計較”新洲舉水橡膠壩工程設(shè)計

【摘要】新洲舉水橡膠壩是2000年設(shè)計施工建造的，已經(jīng)運行約16年，為當(dāng)?shù)毓喔?、供水、水生態(tài)環(huán)境等方面起得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。橡膠壩建成時其高度和跨度屬國內(nèi)規(guī)模較大的，該壩在這些年的運行管理過程中，積累了一些寶貴經(jīng)驗。作為參與設(shè)計者之一，現(xiàn)在回頭看當(dāng)初的設(shè)計固然有可喜成功之處，但更有值得今后改進(jìn)和完善的地方。

【關(guān)鍵詞】橡膠壩；設(shè)計；改進(jìn)

1、引言

橡膠壩是20世紀(jì)50年代末，隨著高分子合成材料工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型水工建筑物。它是用高強(qiáng)力合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷合成橡膠作粘結(jié)保護(hù)層，加工成膠布，按要求的尺寸，錨固在混凝土基礎(chǔ)底板上，成封閉袋形，用水、氣或水氣混合充脹，形成擋水壩。不需要擋水時，泄空壩袋內(nèi)的水、氣，便可恢復(fù)原有河渠的過流斷面。壩高可調(diào)節(jié)，壩頂可溢流，起活動壩和溢流堰的作用。橡膠壩具有投資低、節(jié)省三材、結(jié)構(gòu)簡單、施工及安裝簡便、制造工廠化、工期短、生效快、運用管理靈活方便、泄量大淹沒小和抗震性能良好等特點，一般適用于低水頭大跨度的閘壩工程。

我國自1965年開始橡膠壩的研制工作，至今已建成各種橡膠壩以千余座計，遍及我國絕大多數(shù)省市，并以每年50座左右的速度發(fā)展。應(yīng)用范圍十分廣闊，不但用來代替各種閘門、活動溢流堰、船閘閘門、防潮閘，還建成了片閘、渡槽、袋式活動圍堰、防浪促淤浮網(wǎng)片壩等等。但在2000年以前，湖北和湖南地區(qū)橡膠壩并不多見。自2000年5月武漢市新洲區(qū)舉水橡膠壩建成后，由于獨創(chuàng)的設(shè)計特點，贏得了普遍好評，并成為當(dāng)?shù)厥痉豆こ蹋粡V泛推廣應(yīng)用。

2、工程概述

舉水地處長江中游下段北岸，是鄂東北地區(qū)跨行政區(qū)域的一條較大水系。它發(fā)源于大別山中段南麓鄂豫交界處的風(fēng)包泐山，自北向南流經(jīng)麻城、新洲、團(tuán)風(fēng)等市、區(qū)、縣，在距武漢市下游66.1 km處新洲大埠街境內(nèi)注入長江。舉水干流長170.4 km，平均坡度0.63‰，流域面積4 054.6 km2。

新洲舉水橡膠壩工程位于武漢市新洲區(qū)城關(guān)舉水河新大橋上游900 m處，距舉水在長江出口27.5 km。它是舉水灌區(qū)補(bǔ)源主體工程。樞紐建筑物自左向右分別為帶有升臥式平面鋼閘門的泄水閘、2跨5 m高橡膠壩、河心灘、2跨3 m高橡膠壩。根據(jù)水量平衡計算確定的興利庫容和沿河兩岸抽水泵站、涵閘對水位的要求，確定新洲舉水橡膠壩的正常擋水位26.00m。橡膠壩壩址處主河槽寬250 m，河床平均高程20.90m；次河槽寬130 m，河床平均高程23.05 m。主河槽與次河槽之間有近100 m寬的灘地，灘地平均高程27.5 m。根據(jù)防洪、灌溉、供水及生態(tài)、環(huán)境等要求，確定新洲舉水橡膠壩的總體布置為：橡膠壩正常蓄水位26.00m，主河槽內(nèi)橡膠壩底板高程21.00 m，壩高5.00 m，布置兩跨，每跨105.0 m，采用斜坡錨固，中墩、邊墩的斜坡段坡度1：2；次河槽內(nèi)橡膠壩底板高程23.00 m，壩高3.0 m，布置1跨，跨度100.0 m，采用堵頭式錨固。壩袋與混凝土底板均采用螺栓、鋼板壓條錨固。

根據(jù)舉水河流域規(guī)劃，在符合防洪規(guī)劃的前提下，舉水橡膠壩庫容可滿足舉水灌區(qū)內(nèi)1.37萬hm2在農(nóng)田85%年份的灌溉需水量以及河道兩岸城鎮(zhèn)生活用水和工業(yè)用水，同時改善水生態(tài)環(huán)境。

3、工程設(shè)計方面較成功之處

3.1 底板高程、跨度定得較合理

（1）底板高程

底板高程與河床高程息息相關(guān)，通常情況下底板高程與河床高程齊平或弱高，但是，什么是河床高程？河床不是水平的，河床有河槽和灘地，因此，河床高程是指河床的平均高程，既不是河槽高程，也不說河灘高程，應(yīng)該是將建壩處的河床橫斷面測繪出來，然后按圖分段加權(quán)平均計算河床平均高程。橡膠壩壩址處主河槽寬250 m，河床平均高程20.90m；次河槽寬130 m，河床平均高程23.05 m。設(shè)計底板高程取與河床高程大致齊平原則，即：主河槽內(nèi)橡膠壩底板高程21.00 m，次河槽內(nèi)橡膠壩底板高程23.00 m。

（2）跨度

由于建壩處屬于平原河道，為了減少修建水工建筑物對河道阻水的影響，盡可能采用大跨度，并參考國內(nèi)當(dāng)時同類高度橡膠壩最大的寬度，還考慮單跨壩袋的加工、運輸、重量等因素，最后確定：主壩2跨，每跨105m；次壩1跨100m。

這些年運行表明，在洪水期間，當(dāng)塌壩運行時既不存在泥沙淤積在壩袋上影響壩袋的升壩，也幾乎不存在阻水造成洪水抬高現(xiàn)象；在正常擋水時，橡膠壩沒有振動、抖動現(xiàn)象，說明橡膠壩底板高程和跨度是合理的。

3.2橡膠壩一側(cè)布置水閘，為工程管理提供 “工具”

在橡膠壩主壩左側(cè)布置了一孔水閘，其底板低于橡膠壩底板1m，事實證明有很多好處：一是解決換橡膠壩袋時導(dǎo)流問題；二是保證橡膠壩充水進(jìn)水口處泥沙不淤積問題；三是橡膠壩溢流水頭超過50cm時，可用閘門靈活調(diào)節(jié)流量，減少過壩溢流水深。

水閘設(shè)計考慮的問題：

（1）美觀。橡膠壩是一種低水頭、大跨度且可溢流的擋水建筑物，而水閘跨度小，啟閉室出露于水面之上，在水閘設(shè)計時應(yīng)注意尺寸與橡膠壩協(xié)調(diào)一致，適當(dāng)降低水閘高度，避免“碉堡式”水閘的出現(xiàn)。升臥式平面閘門利用平面直升閘門擋水和弧形門槽啟閉的特點，在弧形軌道上作弧形運行，可使平面閘門的機(jī)架橋高度顯著降低（一般可降低閘門高度的70%左右）。當(dāng)水閘整體高度降低后，美觀問題就解決了一半。同時，適當(dāng)引入建筑美學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)工程整體美感。

例如，新洲舉水橡膠壩注重建筑物的美觀，泄水閘采用升臥式平面鋼閘門，較平面直升閘門方案的啟閉室高度降低4.5m，同時將壩袋錨固的邊墩與泄水閘的邊墩相結(jié)合，并將邊墩設(shè)計為空心墩，泵房布置其內(nèi)，空間布置緊湊；此外啟閉室采用古典建筑的亭閣造型，使整個橡膠壩工程與周圍環(huán)境融為一體。

（2）換橡膠壩袋時導(dǎo)流。由于橡膠壩袋易老化，每15～20年就要更換一次，在更換過程中，其導(dǎo)流是個大問題。舉水橡膠壩設(shè)計時就考慮了利用水閘在冬季換壩袋或檢修導(dǎo)流。水閘的孔口尺寸為9.0×6.0m（寬×高），水閘底板高程比橡膠壩底板低1.0m，當(dāng)上游水位與閘底板齊平時，水閘過流能力到達(dá)10m3/s，即能滿足通過枯水期1-3月5年一遇洪水要求。

（3）中、枯水期開啟水閘還可利用較大流速帶走閘前淤沙，保證橡膠壩充水進(jìn)水口高于河床不少于0.5m。舉水橡膠壩充水進(jìn)水口布置在水閘上游側(cè)，其底部高程比水閘底板高0.5m，在橡膠壩運用中，閘門經(jīng)常開啟以在壩前后形成過流沖沙通道，減少壩前淤積。

（4）水閘的消能防沖設(shè)計

當(dāng)水閘上下游水頭差大于3m時，水閘消能防沖問題不容忽視。通常情況下，經(jīng)規(guī)范計算的消力池水深很大，施工比較困難。舉水橡膠壩設(shè)計時，為減少池深、提高消能效果，在消力池內(nèi)設(shè)輔助消能工、出口處設(shè)尾檻。此外，水閘與橡膠壩之間布置隔離導(dǎo)流墻，在水閘單獨運用時，可減少閘后折沖水流的產(chǎn)生。

3.3橡膠壩壩高宜留余地

橡膠壩的特點之一就是高壩可以當(dāng)?shù)蛪芜\行，即5m高的壩根據(jù)需要可以逐級運行。隨著城市的發(fā)展，人們對水景觀和生活休閑的要求也逐漸提高。橡膠壩的修建在枯水期或在河道來水流量小時抬高城區(qū)河段水位，形成的人工湖泊、濕地可極大地美化和改善城區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)沿河兩岸土地增值。在壩高選擇上，特別是當(dāng)勘測資料不全時，考慮到橡膠壩運行高度可調(diào)，高壩可低壩運行而低壩無法進(jìn)一步加高運行，在壩高選擇時宜高不宜低，為橡膠壩的再利用留出余地。

4、以后類似設(shè)計可改進(jìn)之處

4.1 充水設(shè)備不需要大而全

舉水橡膠壩充水設(shè)備選擇了兩套水泵及配套電機(jī)。水泵參數(shù)流量Q=1600～1900m3/s，揚(yáng)程H=9～15m，電機(jī)功率110kW，當(dāng)時設(shè)計的理由是一臺（套）常用，另一臺（套）備用?，F(xiàn)在看來有點“浪費”。由于舉水橡膠壩的排水出口是布置在橡膠壩下游，當(dāng)打開閥門可自行排水，無需水泵排水，基本上可將壩袋內(nèi)的水排掉80%左右。在平時管理運行時，水泵利用率很低。建議以后同類壩設(shè)計時沖排水設(shè)備規(guī)模減半，即采用兩臺（套），其水泵參數(shù)流量Q=800～900m3/s，揚(yáng)程H=9～15m，電機(jī)功率45kW，兩臺（套）相互既可常用，也可備用，降低造價，節(jié)約泵房空間，還可減小變壓器等電器設(shè)備。

4.2 消能防沖設(shè)施需考慮河道采砂水位下降影響

橡膠壩投入使用后，必須嚴(yán)格控制橡膠壩下游一定范圍內(nèi)采砂，以免對橡膠壩的穩(wěn)定造成影響。下游河道多年采砂，容易導(dǎo)致河道整體下切，橡膠壩海漫尾部出現(xiàn)陡坎，從而對橡膠壩的穩(wěn)定構(gòu)成極大威脅，因此管理單位必須嚴(yán)格控制橡膠壩下游采砂。此外，在橡膠壩設(shè)計時，下游海漫的長度20～30m、坡度通常在1/10，如果河道有采砂且很難控制，建議加大海漫后面的防沖槽深度和斷面尺寸，防止河道采砂引起下游水位下降不大的情況下不至于影響海漫和消力池的安全，因為消力池、海漫、防沖槽之間是“唇亡齒寒”的依賴關(guān)系。一旦消能工破壞，整個閘室工程隨即破壞。

5、工程管理方面的問題探討

橡膠壩工程能否安全運行、充分發(fā)揮效益，除了有合理的設(shè)計、精心的施工及高質(zhì)量的壩袋外，加強(qiáng)工程管理維修、健全嚴(yán)格的運行制度也是十分重要的。新洲舉水橡膠壩工程在其運行管理階段，安排了高素質(zhì)、懂技術(shù)的管理人員，嚴(yán)格執(zhí)行橡膠壩這一特殊水工建筑物的管理條例，并將橡膠壩觀測資料進(jìn)行整理計算和校核，為橡膠壩的研究和發(fā)展積累經(jīng)驗，以確保工程在安全高效條件下運行。

從舉水流域面積4054.6km2，壩址以上流域面積3176 km2，壩址處多年平均輸沙量為35.4噸，一次洪水過后，壩址斷面泥沙沉積厚度最大為9.4cm，最小為4.7cm，據(jù)有關(guān)資料，壩袋上泥砂覆蓋厚度小于50cm時，不影響壩袋運行，因此泥沙不影響壩袋運行。本工程由于單跨壩長在壩高為5m的情況下為全國最長，為了不影響壩袋的安全運用，在高壩左側(cè)建一升臥式調(diào)節(jié)閘，在溢流水深超過0.5m時開啟調(diào)節(jié)閘，當(dāng)流量大于217m3/s時塌壩運行。

為保證橡膠壩安全運行，應(yīng)特別注意如下幾點：

（1）橡膠壩嚴(yán)禁超高、超壓運行，只能在低于或等于設(shè)計壩高、內(nèi)壓的情況下運行。

（2）必須做好壩體充排水準(zhǔn)備工作，包括：清除壩袋及錨固件上的雜物，檢查機(jī)泵、管路及閥門等設(shè)備是否正常。

（3）對壩區(qū)水流、含沙量等進(jìn)行定期觀測。①觀測水流是否平順，水躍是否發(fā)生在消力池內(nèi)，有無折沖水流、洄流、漩渦等不良流態(tài)；②觀測河道含沙量的變化，防止泥沙對壩袋的磨損，同時在含沙量較大時塌壩排沙沖淤，保持一個長期而有效的可利用庫容。

（4）控制壩高達(dá)到設(shè)計高度情況下壩頂溢流水深在0.5 m以內(nèi)，若壩頂溢流水深超過0.5 m，及時降低壩高運行。

（5）運行過程中對壩袋的工作狀況進(jìn)行實時觀測。避免出現(xiàn)溢流水深和下游水位的不利組合，若出現(xiàn)壩袋振動，及時通過調(diào)節(jié)泄水閘門開度或改變壩高等措施來減輕或消除振動。

6、結(jié)語

新洲舉水橡膠壩工程是當(dāng)時國內(nèi)建設(shè)規(guī)模較大橡膠壩之一，，在設(shè)計過程中解決了很多難題，也有許多創(chuàng)新之處，豐富了橡膠壩工程的設(shè)計內(nèi)容，達(dá)到了工程建設(shè)的目的，工程建成后示范作用十分突出，自工程開工建成后參觀者絡(luò)繹不絕。工程建成運行至今，社會效益、生態(tài)效益和環(huán)境效益顯著，為湖北省其它地方乃至全國修建類似的橡膠壩工程積累了寶貴的設(shè)計施工及運行管理經(jīng)驗，雖然有成功之處，但16年后回頭看，也存在有很多改進(jìn)空間，特別是一些“細(xì)節(jié)”，如果認(rèn)識不到位，直接影響工程造價、運行管理、效益發(fā)揮等。

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