耐沖擊橡膠壩的研制

周英志，周 毅

（1.山東臨朐中學，山東 濰坊 262600；2.山東橫濱橡膠工業制品有限公司，山東 濰坊 262610）

橡膠壩又稱橡膠攔水壩、橡膠水閘，利用鋼網、膠布等骨架材料與彈性體材料一起硫化后，按照一定尺寸錨固在底板、端墻上，形成封閉帶體，可以充滿或排放水、空氣，調節其升高、降低活動的袋式擋水壩[1]。

世界上第一座橡膠壩1957年誕生在美國的洛杉磯河道上，由美國費爾斯通輪胎公司生產。隨后英國、前蘇聯、捷克斯洛伐克、澳大利亞、日本、中國相繼開展了橡膠壩的研制推廣工作。其中日本的橡膠壩技術發展最快，且技術穩定。目前日本國內擁有橡膠壩3 000多座，中國大約擁有500座。日本的住友、普利司通公司幾乎壟斷了整個國際橡膠壩市場。

由橡膠壩形成的上下游水的落差主要用于農業灌溉、交通航運、工業發電、阻擋潮水、預防洪水、園林景觀等，同時一定量的蓄水能夠增加空氣的濕度、改善周圍環境、增加當地生物多樣性等。目前我國已經進入工業化時代，環境治理刻不容緩，橡膠壩的推廣具有顯著的經濟和社會效益。

1 橡膠壩的結構和工作原理

橡膠壩示意見圖1。橡膠壩主要由地基、混凝土底面、側墻、橡膠壩袋和水電控制系統等組成。首先將生產好的橡膠壩袋平鋪在預定的混凝土底面上；其次按照要求在上游和下游將橡膠壩袋錨固在底面上；然后開始試驗充水或空氣達到預定的高度；最后檢驗橡膠壩溢水、運行情況。

圖1 橡膠壩示意

橡膠壩主要是利用充水或空氣后形成的一定高度的壩袋阻擋上游的水達到一定的蓄水高度，從而形成上下游水的落差，進而對不同落差的水源合理利用的水利工程設施。

本次研制的耐沖擊橡膠壩斷面結構示意見圖2。其結構從外到內依次包括：外覆蓋膠、中間膠、第1層鋼絲繩網、中間膠、第2層帆布、中間膠、第3層帆布、中間膠、第4層鋼絲繩網、中間膠、內覆蓋膠。

圖2 橡膠壩斷面結構示意

2 結構設計

2.1 基本參數

本次設計的橡膠壩為充水、兩端堵頭無縫搭接橡膠壩。上游水位海拔9.5 m，下游水位海拔3.5 m，設計壩高H1為6 m，內外水壓比α＝H0/H1＝1.35，內壓水頭H0＝αH1＝1.35×6＝8.1 （m）。壩 袋 徑 向 計 算 強 度T＝0.5γ（α-0.5）H12＝0.5×10×（1.35-0.5）×62＝153 （kN·m-1）（γ為水的容重10 kN·m-3）。

將充脹后的壩袋分為四部分：橡膠壩上游曲線段長度S1、橡膠壩下游曲線段長度S、橡膠壩上游貼地段長度n、橡膠壩下游貼地段長度X0。本次設計的橡膠壩采用雙錨線錨固，壩袋的有效周長（不含錨固長度）為L0＝S1+S，底墊片的有效長度（不含錨固長度）為I0＝n+X0。

壩袋的曲線長度可以用橢圓積分計算，也可以通過橡膠壩工程技術規范中的圖表查出來。因此可得：

L0＝S1+S＝1.692H1+1.741 8H1＝（1.692+1.741 8）×6＝20.6 （m）

對8眼監測井2002—2010年地下水水位埋深每年逐月進行年平均（均值）和單井逐月年平均，如圖2所示。8眼監測井地下水水位埋深平均值隨月份變化趨勢不明顯，若要找尋規律的話，大致在5—10月，水位埋深呈下降趨勢，11月—翌年4月，水位略有回升，埋深減小。以單眼監測井逐月水位變動趨勢看，8眼監測井的多年年內地下水水位埋深變化各有不同，水位達到最低值及回升的時間不相一致，可知地下水水位埋深在年內的變化趨勢，因監測井位置的不同而存在較大差異。

I0＝n+X0＝1.195 2H1+0.539 4H1＝（1.195 2+0.539 4）×6＝10.41 （m）

同理，通過查表，計算壩袋單寬容積V＝1.627 5H12＝1.627 5×62＝58.59 （m3/m）。本次設計的壩袋錨固長度為250 mm，上下游兩側的錨固總長度為250×2＝500 mm，因此本壩袋有效周長（含錨固長度）為20.6+0.5＝21.1 （m）。相應底墊片的有效長度（含錨固長度）為10.41+0.5＝10.91 （m）。

2.2 骨架材料

橡膠壩工程技術規范[2]規定壩袋強度安全系數大于6。綜合考慮設計偏差、質量不均勻、客觀損耗等因素，一般損耗約為15%，因此安全系數取6×1.15＝6.9。計算壩袋經向強度為153 kN·m-1，因此設計壩袋經向強度為153×6.9＝1 055.7 （kN·m-1）。根據以往的設計經驗，緯向強度低容易破壩，因此本次選用經緯向同強度的骨架材料，單層強度為300 kN×300 kN。上下兩層為鋼絲繩網，中間兩層為錦綸66帆布。錦綸66帆布具有強力高、耐熱性好、尺寸穩定等特點。鋼絲繩網材質為82A，結構為1×7-Φ1.5-10，即鋼絲繩中心為1股，四周6股交互捻、開放式結構，編織纏繞形成的鋼絲繩直徑為1.5 mm、兩根鋼絲繩之間的間距為10 mm，鋼絲繩之間用錦綸繩連接編織形成鋼絲繩-錦綸網。本次實際設計的安全系數為K＝300×4/153＝7.84＞6。

錦綸66帆布300 kN×300 kN，原布厚度1.95 mm。鋼絲繩網的厚度為1.5 mm。設計中間膠的厚度為0.5 mm，外覆蓋膠的厚度為4.5 mm，內覆蓋膠的厚度為4.0 mm。據此推算壩袋的總厚度為17.9 mm。

本次設計的骨架材料上下兩層選用鋼絲繩網，中間兩層選用帆布，既有帆布的柔軟耐屈撓性能，又有鋼網的剛性、耐沖擊特性，壩袋整體性能好，充滿水后設計高度達到6 m。

3 配方設計

3.1 覆蓋膠

橡膠壩長期浸泡在水中并暴露在室外各種惡劣的環境中，日積月累不斷接受風吹日曬、雨淋、冰雹、霜雪、冰凍、洪水等侵蝕。因此壩袋要求具有耐天候老化、耐水、耐劃傷撕裂、耐化學腐蝕等特性。

據此，本次設計的橡膠壩里外覆蓋膠配方為：CSM/NR/BR 70/20/10，白炭黑 10，硬脂酸1，氧化鎂 3，氧化鋅 1，防老劑 2.5，多元醇4，著色劑 6，白色填充劑 40，石油樹脂 6，軟化劑 8，硫黃 1，促進劑 1.2，其他 0.15。膠料的物理性能（148 ℃×30 min）為：邵爾A型硬度62度，拉伸強度 18 MPa，拉斷伸長率 495%，撕裂強度 20 kN·m-1，熱空氣老化性能（100℃×96 h）為：拉伸強度 16 MPa，拉斷伸長率460%，臭氧老化性能[臭氧體積分數 1×10-5，溫度 （40±2） ℃，拉伸率 20%，時間 120 min]：不龜裂。

3.2 中間膠

中間膠的主要作用是增加骨架材料之間、骨架材料與覆蓋膠之間的粘合力，緩沖來自外部的對骨架材料之間的沖擊力，提高壩袋的耐屈撓性能要求具有良好的粘合力、耐水性、耐化學品、耐熱性等性能。本次研制的壩袋骨架材料除了中間的2層錦綸66帆布外，還有上下2層鋼絲繩網。這種設計不僅要求中間膠與錦綸66帆布有良好的粘合，而且要求中間膠與鋼絲繩網也有良好的粘合。

氯丁橡膠（CR）物理性能優良，具有耐臭氧、耐酸堿、耐油、耐熱、耐化學試劑、耐燃、耐日光等特點[5]。本次選用CR作為中間膠主體橡膠，粘合體系選擇鈷鹽粘合增進劑。

中間膠配方為：CR/NR 90/10，炭黑 45，白炭黑 10，硬脂酸 1，氧化鎂 3，氧化鋅 4，石蠟 1，鈷鹽 4，軟化劑 15，防老劑 2.5，硫黃 1.5，促進劑 0.3。膠料的物理性能（148℃×30 min）為：邵爾A型硬度 60度，拉伸強度13 MPa，拉斷伸長率 455%，撕裂強度 17 kN·m-1，熱空氣老化性能為（100 ℃×96 h）：拉伸強度 12 MPa，拉斷伸長率 400%。臭氧老化性能[臭氧體積分數 1×10-5，溫度 （40±2） ℃，拉伸率 20%，時間 120 min]：不龜裂。

4 生產工藝和產品性能

本次設計的壩袋共3節，每節長80 m。采用無縫搭接、分段連續硫化。首先，壓延時按照壓延機的最大寬度對錦綸66帆布、鋼絲繩網進行壓延貼膠；其次，在成型時各層骨架材料依次錯開對接；然后，將覆蓋膠片按照要求與骨架層錯開對接。最后，在大型熱壓合硫化機上依次硫化成型。采用這種工藝生產的壩袋成品，整體性能均勻、平穩，避免了局部應力集中引起的過早損壞。硫化時，壩袋的有效周長作為寬度方向、每節長度作為長度方向進行分段連續硫化。每節的頭部、尾部預留出堵頭部分的生坯，以便于堵頭的硫化。

關于堵頭的硫化，根據結構設計，查找橡膠壩工程技術規范橢圓曲線坐標表，已知設計壩袋的高度6 m，計算出壩袋的坐標，繪制出壩袋的曲線圖。按照壩袋的曲線圖，拼裝壩袋堵頭硫化模具。用壩袋堵頭模具硫化出來的成品外觀光滑、平整，骨架層過渡弧形均勻，不會產生應力集中。

本次設計壩袋在下游曲線增設了擾流板。溢過壩袋的水流經過擾流板時形成一股向上的氣流，干擾不經過擾流板的水流順著壩袋流下對壩袋底部的沖擊力。這樣不僅減小了壩袋的振動和顫動，避免壩袋過早磨損，而且水流經過擾流板形成了美麗的瀑布景觀。擾流板設計成T型，高度為45 mm，厚度為30 mm。

為了延長壩袋的使用壽命，在壩袋內外表面增加了相同顏色的CSM防護涂層。經過清洗、打磨、清洗、涂刷第1遍涂層、晾干、涂刷第2遍涂層、晾干、涂刷第3遍涂層、晾干，然后充水試驗，驗收合格后投入使用。

5 結語

現場實際裝機應用表明，新研制的耐沖擊橡膠壩既有錦綸帆布的柔軟耐屈撓特性，又有鋼絲繩網的剛性抗沖擊性；覆蓋膠耐天候老化性能優良；擾流板設計減小了壩袋振動、顫動，形成了小型瀑布景觀；增加的里外層防護涂層延長了壩袋的使用壽命。設計壩高6 m，使用壽命30年。產品的整體性能達到了客戶的使用要求。