高海拔地區硬推移質河床上橡膠壩設計

劉 良 李華偉 舒劉海 鐘恒昌

一、工程概況

工程位于拉薩市拉薩河城區段，平均海拔3650m，具有攔蓄環境水、回補地下水、營造生態濕地等綜合功能，是創建人水和諧、宜商宜居拉薩水城的重要基礎設施工程。該工程設計蓄水位3638.00m，底板高程3635.80m，攔蓄水量102萬m3，回水總長度約1.69km，壩址區50年一遇設計行洪流量3330m3/s，100年一遇校核行洪流量3610m3/s。

拉薩河屬于典型的游蕩型河道，整體形態較順直，橫斷面寬淺，平面上水流散亂呈辮狀，心灘密布，河勢變化無常，主要有以下特點：

（1）洪水：拉薩河流域降水一般發生在6～9月，占年降水量的85%以上，7～8月兩月更為集中，占年總數的51%以上，洪水過程歷時一般為5～10d，較大洪水過程可達15d以上，洪水過程平緩、多峰，漲退緩慢。歷年實測最大1d降水量約為41～45mm，最大3d雨量約為62～85mm。

（2）懸移質：根據拉薩站至2009年實測資料統計，多年平均年輸沙量126萬t，多年平均年侵蝕模數為48.0t/km2，多年平均含沙量為0.13kg/m3。

（3）推移質：拉薩站推移質輸沙量，根據唐加站懸移質、推移質輸沙量之比及該站懸移質輸沙量估算而得為26.3 萬 t。

二、方案選擇

拉薩市是藏傳佛教圣地，歷史文化悠久，風俗民情獨特，是我國重要的旅游城市。方案比選突出與生態景觀規劃相協調的原則，結合該工程的功能定位、拉薩河水文泥沙特性以及對于山區河道的適用性等河道特性，重點選取了節制閘、橡膠壩及鋼壩閘進行壩型比選，考慮工程投資限制及景觀效果要求，對橡膠壩在高海拔地區多泥沙河流上的應用進行研究分析，采用工程措施可以解決技術難題，設計最終采用橡膠壩方案。

三、橡膠壩設計

根據壩址處的河道情況，橡膠壩布置7跨，采用枕式結構，單跨長度72.0m，內壓比取1.35，壩高2.2m，隔墩厚度2.0m，橡膠壩段總長516.0m，充、排水方式均采用動力式，單側設置充排水泵房，安裝5臺單級單吸泵（4用1備）。調節閘布置在橡膠壩右側，設5孔，單孔凈寬8.0m。

設計在采用橡膠壩方案前，組織相關人員進行調研，并與有關廠家進行技術交流。針對該工程技術難題進行研究分析，解決壩袋磨損、壩袋防老化和減少頻繁充塌壩等問題，是橡膠壩成功應用的關鍵。

1.壩袋抗磨損措施

拉薩河是多泥沙河流，拉薩河沙量年內分配與水量分配相似，極不均勻，汛期（6～9月）沙量約占全年的97%，且往往集中在幾次大洪水過程中。場地卵石粒徑為20～200mm的卵石約占75.5%。因此壩袋磨損和壩前后推移質沉積是橡膠壩工程設計的重點和難點，輕則影響泄洪，重則造成橡膠壩報廢，出現突然失控情況。針對河道情況和壩袋運用情況，主要從壩袋、閘底板、堵頭部位和上游設沉砂池等方面進行科學合理的設計。

（1）壩袋設計

橡膠壩壩體為柔性結構，壩袋易被尖銳漂浮物刺破，壩袋受砂卵石的撞擊、與底板之間的磨損等均能造成壩袋的損害。

在設計過程中，主要從壩袋內外壓比和壩袋材料上進行選擇。充水式橡膠壩內外壓比大多數選取的范圍為1.25～1.6，從節省壩袋材料的角度，可選較大的內外壓比；從防止堵頭處壩袋塌肩嚴重的角度，內外壓比不宜過大。綜合考慮設計內外壓比選用1.35，壩袋厚度9.9mm。橡膠壩壩袋承載的主體是帆布，過去帆布多采用錦綸6，此次設計采用性能比錦綸6更優越的錦綸66材料；在壩袋膠料選擇上，規范要求外膠層磨耗量（阿克隆）不大于0.8cm3/1.61km，為增加壩袋耐磨性，通過改進壩袋外膠層材料特性，可使外膠層磨耗量（阿克隆）不大于0.4cm3/1.61km。

（2）閘底板設計

該工程推移質卵石含量較大，壩袋下游面在塌壩泄洪時，壩袋會產生脈動，塌落線部位壩袋與底板間的接觸磨損是泄洪時壩袋脈動拍打底板造成的，由于水流流態復雜，經常會有卵石、砂礫等卷入壩袋與底板之間造成磨損加劇，有些帶有鋒利棱角的塊石甚至直接磨破壩袋。

在底板設計時，根據現狀地形情況，適當抬高壩底板頂高程，盡可能地阻礙推移質從壩袋上部通過，同時壩底板抬高后過壩流速加大，可減小推移質在壩袋頂部的磨損時間。

壩底板表面采用磨光處理，并在壩袋下游塌落線范圍外采用1∶4斜坡直接與消力池底板相銜接，增加壩底板的光滑度，保證砂卵石不積聚在底板上，從而減緩壩袋磨損。

橡膠壩底板采用C25鋼筋混凝土平底板，底板表層設0.4m厚的C40耐磨混凝土，提高壩底板表面強度，從而避免壩底板磨損造成壩袋損壞。

（3）堵頭部位設計

堵頭式橡膠壩兩端是通過擠壓兩側墩墻進行止水，兩端與墩墻的接觸面范圍大，壩袋在塌落泄洪時會與兩側墩墻面不停摩擦，如果墩墻不夠平整光滑，容易引起磨損；另外半壩運行時此部位容易產生褶皺，會導致應力集中，將壩袋撕裂。

為減輕橡膠壩袋兩端與墩墻結合部位出現塌肩現象，引起局部溢流，影響橡膠壩的正常運行，設計將靠近兩岸端（中墩）按1∶10抬高0.3m，并將壩袋嵌入墩墻內，采用1∶2水泥砂漿抹平壓光堵頭與墩墻之間的縫隙，壩袋安裝后，端墻采用M10砂漿砌磚填充，表面采用M20砂漿抹面。

為減輕橡膠壩堵頭在隔墩處磨損，在隔墩與壩袋結合面處設復合不銹鋼飾面，復合層采用不銹鋼12Cr18Ni9Si3，厚 3mm，基材采用Q235B，厚 9mm，寬 6.0m，高 1.2m。施工時要求先安裝龍骨，固定牢靠后，再焊接不銹鋼板，并要求不銹鋼板為整體，保證不銹鋼面平整光滑，從而減小隔墩對壩袋的磨損。

（4）上游修建沉砂池

橡膠壩上游修建沉砂池，沉沙池附近由于流速較小，使推移質盡可能沉積，減少過壩推移質，阻礙泥砂向前推進，但拉薩河推移質含量大，極易淤積攔砂池，需定期進行清理。

2.壩袋防老化措施

橡膠壩老化主要表現為壩袋膠布的表層老化，其使用壽命與氣候、使用條件、受力狀況以及壩袋質量、厚度等因素有關。拉薩地區紫外線強度較大，太陽輻射紫外光具有很高的能量，會引起橡膠壩發生光化學反應，使分子鏈斷裂，加速壩袋老化；另外橡膠壩在水中容易吸水膨脹或發生水解反應，也會加速壩袋老化。

根據以往的經驗和研究分析，增加壩袋外層膠厚度和對外層膠防護是延長壩袋使用壽命的關鍵，主要因為外層膠具有良好的水、氣密性外，還能防止帆布老化。

針對該工程特點，設計主要通過增加外層膠厚度和防護措施來解決壩袋老化問題。規范規定外層膠厚度選擇應大于2.5mm，從壩袋總體厚度考慮，設計采用外膠層厚度4.0mm。防護措施包括化學防護和物理防護。化學防護措施主要有在壩袋膠料中添加抗氧劑、抗臭氧劑、紫外線吸收劑等外加劑；物理防護措施主要采用耐老化、耐腐蝕、抗磨損、抗凍性及耐水性等性能優異的氯丁橡膠膠料。

3.設置調節閘的必要性

傳統設計的橡膠壩多采用橡膠壩充坍壩來調節流量，調度不靈活，有時小流量就要塌壩運行，不但浪費水源和增加運行費用，而且影響工程景觀效果。

該工程將拉薩河作為寶貴的景觀資源加以利用，打造濱河生態旅游帶，帶動城區向南拓展，有利于拉薩城市總體規劃的實施。拉薩河流域降水一般發生在6～9月，剛好又是拉薩旅游旺季，在不影響行洪的情況下，延長橡膠壩運行時間很關鍵。根據歷年行洪流量分析，考慮工程投資和景觀要求，布置3孔調節閘，橡膠壩在設置調節閘情況下行洪流量700m3/s以下可不塌壩運行。

調節閘的主要功能是調節流量，調節壩上蓄水位，避免頻繁充坍壩，同時兼顧沖砂。在橡膠壩檢修期間，渲泄上游來水；在橡膠壩擋水期間，調節閘可以通過控泄的方式，調節壩上蓄水位，或者渲泄較大頻率的中小洪水；在行洪期間，調節閘與橡膠壩可同時過流。在河道主槽建調節閘，利用上游來水進行沖砂，灘地修建橡膠壩，可減小橡膠壩壩袋磨損，拉薩河壩址處河道主槽位于右岸，故在右岸設置調節閘進行沖砂。

在橡膠壩右側設置調節閘，橡膠壩壩頂溢流最大溢流量375m3/s，調節閘控泄流量400m3/s，保證非汛期橡膠壩基本不需塌壩。

四、實施效果

該工程投入使用2年來，經歷多次洪水考驗，最大行洪流量2200m3/s，洪水過后，經檢查壩袋外觀情況良好，磨損輕微，壩袋下游底板下有極少量砂卵石。小流量采用調節閘調節，減少頻繁充坍壩，既節能又保證了工程景觀■