充水橡膠壩靜動力分析

李懷兵，高艷偉

（1.蘭陵縣水利建筑安裝公司，山東 蘭陵 277700；2.山東省蘭陵縣農村公共供水管理辦公室，山東 蘭陵 277700）

橡膠壩由于其環保、造價低、結構簡單、施工周期短等優勢，在我國廣泛應用。1957年美國工程師采用高分子合成材料在洛杉磯修建了第一座橡膠壩，之后我國也著手相關研究，并在北京右安門水道管理中予以成功應用。郭維東等[1]在工程實踐中分析了徑流量對橡膠壩下泄水流水噪聲的影響，指出了優化尾坎高度與消力池長度的的方法；李洋洋等[2]在浐河流域的實踐表明，選擇橡膠壩在立壩時的水面線較塌壩時的水面線平穩，塌壩時具有延遲性與水躍現象；王洋[3]對遼寧中部城市非恒定流模型的定邊界條件進行改進，加入動態邊界后模擬河流橡膠壩河段的流態，表明其自然恢復性更好，適宜于河流景觀構建。截至目前，我國的橡膠壩已建成約5000座，近年來更是以每年新建300座左右的速度發展。目前橡膠壩的發展趨勢是，由小跨度到大跨度發展，由低位向高位發展。因此再增大跨度、增加高度后橡膠壩的靜動力特性需要引起我們的注意。目前已經有一些學者對橡膠壩的靜動力特性進行了研究，并取得了一定的成果[4～8]。本文基于ANSYS軟件對壩體進行靜力和風載作用下有限元分析。

1 工程概況

蘆柞橡膠壩位于山東省臨沂市內，是南水北調工程截污導流工程。橡膠壩壩高4 m，擋水高度4 m，正常蓄水位38.7 m，底板設計長度14 m，底板頂高程34.7 m，采用C25剛勁混凝土底板結構，邊墩采用C25鋼筋混凝土，長度同底板，墩頂厚1m，墩頂高程39.3 m。彩色壩袋，壩袋布厚3 mm，強度為120 kN/m。

對于壩高超過3 m的橡膠壩，往往采用的還是傳統低矮橡膠壩的設計方法，無論是在靜荷載還是動荷載的影響下都存在較大的安全隱患，因此本文基于ANSYS軟件對蘆柞橡膠壩進行數值建模，分析加固和不加固下橡膠壩的穩定性，以及在動荷載作用下，橡膠壩的應力反應特點。并根據橡膠壩的運行情況提出相應建議。

2 壩體靜力分析結果

采用ANSYS軟件計算壩體的靜強度問題，采用壩袋Mooney-Rivlin材料模型和薄膜結構有限元分析方法，計算橡膠壩體加固和不加固壩體的強度問題。壩體的設計參數為：壓力比 α=1.4、H1=3m、H0=4.2m，壩體長度為 15 m。

對于目前一些超高橡膠壩，采用傳統的設計方法已經不能滿足其抵抗外界荷載的功能需求，因此需要采取相應的措施對壩體進行加固，分別計算加固和不加固壩體的等效應力。

圖1 壩體最大應力變化圖

由計算結果可知，未加固壩體最大應力為6.72 MPa，加固后的壩體最大應力為6.5 MPa，均滿足設計要求。對于一般的壩體可以不進行加固處理，但是對于超高壩體，為防止壩體出現工程災害，要進行加固處理，提高壩體的安全系數。由圖1可知，壩體的最大應力在間距為0.5 m時，出現最小值，因此對于本工況下，建議設計間距為0.5 m時，能對荷載起到很好的分布優化作用。

3 橡膠壩風載作用結果

橡膠壩在承受風載作用時，由于其大跨度的特點，幾乎不能承受彎矩，因此橡膠壩在承受風荷載時的軸力和剪力較大，進而導致其變形較大。采用非線性理論，通過ANSYS軟件對橡膠壩進行整體風荷載受力分析。模擬壩體承受20 m/s的風速，通過風速簡化加載函數：

計算得到壩體上風壓隨時間變化曲線見圖2。

圖2 壩體上風壓隨時間變化曲線

圖3 X和Y方向上應力隨時間變化曲線圖

如圖3所示，壩體在X和Y方向上應力隨時間變化幅度較小，由此說明在風載作用下，壩體的動應力反應只在很小的范圍內波動，因此動強度系數可取小一些。本文只對動荷載下，橡膠壩的反應進行了初步研究，由于風荷載的頻率與壩體的固有振動頻率相似，因此導致壩體整體或局部劇烈震動，引起結構的失穩破壞，此問題需要進一步研究。

4 結論及建議

4.1 結論

1）本工況下加固后壩體和不加固壩體均滿足設計要求，但是對于超高橡膠壩為提高其安全性和穩定性，需要進行加固處理。在設計間距為0.5 m時，壩體的受力分布較為均勻。

2）在風荷載作用下，壩體整體的動應力反應只在很小的范圍內波動，因此設計中動強度系數可以取小一些，但是對于在動荷載作用下壩體的震動問題還需深入研究。

4.2 建議

1）橡膠壩袋容易受到尖利和有頭角物體的損壞，故應劃出橡膠壩工程的管理范圍和安全區域。制定橡膠壩運行管理的有關規章制度，宣傳落實水法、防洪法、水污染防治法、河道管理條例等法律法規。在管理和保護范圍內，禁止“四亂”（亂倒垃圾、亂占河灘、亂采砂石、亂修建筑物），督促清淤除障，保障行洪安全。

2）迎水面設立水標尺，加強水情預報。在重點監控范圍內規劃“三線”（橡膠壩管理范圍線、保證水位線、警戒水位線），給橡膠壩管理提供依據。

3）加強工程觀測，如壩身沉降、壩基滲漏、水位變化等，并作好記載，編制并實施工程維修計劃，當工程發生重大險情和重大事故時，及時向上級主管部門請示報告并提出搶險方案。