臨沂茶山閘橡膠壩工程設(shè)計淺析

張正芝

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

人工化、機(jī)械化的河流治理對河道自然形態(tài)破壞較大、且維護(hù)成本較高。橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡易、對河道環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)的特點，在當(dāng)前水生態(tài)文明導(dǎo)向背景下備受青睞。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，稍后我國也著手相關(guān)研究，并在北京右安門水道管理中予以成功應(yīng)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(yōu)化尾坎高度與消力池長度的方法；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(wěn)，塌壩時具有延遲性與水躍現(xiàn)象；王洋[3]對遼寧中部城市非恒定流模型的定邊界條件進(jìn)行改進(jìn)，加入動態(tài)邊界后模擬河流橡膠壩河段的流態(tài)，表明其自然恢復(fù)性更好，適宜于河流景觀構(gòu)建。本文結(jié)合茶山閘工程概況，簡述橡膠壩設(shè)計方案，以期交流工藝關(guān)鍵流程，并探討其可改進(jìn)之處。

1 概況

臨沂市茶山閘工程位于蘭山區(qū)西部山地丘陵地帶茶山河上游，屬臨沂三大供水網(wǎng)絡(luò)工程節(jié)點之一，主要用于臨沂山丘區(qū)農(nóng)村水資源供應(yīng)管理，另兼構(gòu)建流域多樣性生態(tài)景觀防治水土流失、旱澇災(zāi)害功能。區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境適用于橡膠壩建設(shè)條件，依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2000)，劃分該工程等別與永久性建筑物級別為V 級。茶山閘橡膠壩為原壩址上新修設(shè)施，基于近50 年來水文特征，設(shè)計，壩底板高程76 m、長23 m、厚1 m。

2 壩型選擇

茶山閘水壩對管理上游徑流量、防洪抗旱、引水灌溉具有重大意義。而壩型的選擇事關(guān)工程質(zhì)量安全，是工程實施的基礎(chǔ)，需要結(jié)合壩址水文地質(zhì)環(huán)境、地形特征、降水情勢、人為活動等因素進(jìn)行專家決策。橡膠壩與傳統(tǒng)壩型優(yōu)缺點見表1[4]。

表1 橡膠壩與傳統(tǒng)壩型優(yōu)缺點比較

綜合考慮工程區(qū)環(huán)境要素與經(jīng)濟(jì)社會背景，專家一致同意采用橡膠壩，壩型剖面見圖1。

圖1 茶山閘橡膠壩剖面圖

3 茶山閘橡膠壩設(shè)計

3.1 壩長、壩高、壩袋設(shè)計

壩高為大壩建基面的最低點至壩頂高度，是橡膠壩設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一，其決定了壩袋內(nèi)壓、水位、徑流控制的設(shè)計。橡膠壩壩體輕質(zhì)、柔韌，具有彈性，鑒于河流水位變率與不同水文地質(zhì)條件下對壩體承壓的影響，壩高設(shè)計需綜合考慮。通過搜集河流水文資料，計算了壩高、壩袋的參數(shù)見表2。

表2 茶山閘橡膠壩壩袋參數(shù)

表2 中，α 為內(nèi)壓比，Ht為設(shè)計壩高，m；S 表示下游壩面曲線段長度，m；T 表示壩袋經(jīng)向計算強(qiáng)度，kN/m；St表征下游壩面曲線段長度，m；R 為壩面曲線段半徑，m；V 表示壩袋容積，m3；X0、n 分別表示下游貼地段長度，m、上游貼地段長度，m。橡膠壩壩底的計算公式如下[5]：

據(jù)此得到茶山閘橡膠壩的壩底板順?biāo)飨蜷L度為18.24 m。壩底設(shè)計另需考慮特殊情況，例如下游無水的最不利工況，據(jù)此計算壩底穩(wěn)定系數(shù)，如下：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，通常要求Kc≥1.2；f 為壩底與地基土之間的摩擦系數(shù)，經(jīng)勘測，茶山閘橡膠壩的f 為0.5，∑G、∑H 分別為作用在閘室上垂直、水平方向上全部荷載；B 為壩底板順?biāo)鞣较蜷L度。計算結(jié)果顯示，茶山閘橡膠壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.2，最大基底應(yīng)力為20.5 kPa，地基應(yīng)力最大值與最小值之比為1.76，達(dá)到中等堅實地基要求，符合一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3.2 消能設(shè)計

消能設(shè)計是維護(hù)橡膠壩安全和增加其使用周期的工程基礎(chǔ)，其通常以壩高充至設(shè)計高度壩頂開始溢流時的工況計算消力池的深度和長度為計算依據(jù)。本工程采用鋼筋混凝土消力池，參照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL256-2001）的公式：

式中：d 表示消力池深度，m；δ0表征水躍淹沒系數(shù)；hc'、hc、hs分別為躍后水深、收縮水深、出池河床水深；△z 表示出池落差，m；T0表征由消力池底板頂面算起的總勢能；Lj為消力池長度；g 為過壩單寬流量，m2/s；a 為水流動能校正系數(shù)。

表3 茶山閘橡膠壩消能計算工況表

表4 茶山閘橡膠壩消能計算結(jié)果

如表4 所示，計算確定消力池長為17.5 m，深度為0.7 m，袋充脹到設(shè)計高度時，可流量系數(shù)介于0.31～0.34 之間，設(shè)計符合橡膠壩安全需要。

3.3 泄流防沖設(shè)計

橡膠壩可隨著上游水勢豐枯調(diào)整攔水、泄流狀態(tài)，泄流過程中的勢能沖擊對壩基、壩體造成一定影響，防沖設(shè)計的目的在于削減水流勢能沖刷的影響，提高壩體壽命。橡膠壩的泄流能力取決于寬頂堰與曲線型實用堰，基于前述的工況，按照下式計算泄流能力。

式中：相關(guān)參數(shù)含義與前述一致，h0表示計入行近流速水頭的堰上水頭，m；δ 為淹沒系數(shù)；ε 表示堰流側(cè)收縮系數(shù)；g 為過壩徑流量，m3。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

橡膠壩控制系統(tǒng)是壩體的核心組件之一，是實現(xiàn)壩體功能的關(guān)鍵，其設(shè)計內(nèi)容具體包含沖排設(shè)計、動力設(shè)備、管路布置和控制室等。茶山閘橡膠壩設(shè)計中參照了國內(nèi)外已建橡膠壩工程統(tǒng)計，決定其充壩、坍壩時間分別為2 h～3 h、1 h～2 h。由于本區(qū)河道比降小、自流性較差，且存在淤積問題，遂決定采用動力式充排，確保在設(shè)定的時間內(nèi)達(dá)到充壩、坍壩的要求。動力設(shè)置主要指水泵，本工程中水泵的選型主要結(jié)合泄流量、充坍壩時間、壩長、壩高等進(jìn)行設(shè)計。水泵流量按下式計算：

式中：Q 為計算的水泵所需最小流量，m3/h；v 表示壩袋沖水后的容積，其計算參照前述3.1 部分；n、t 分別表示泵臺數(shù)量、充坍壩所需最短時間。

揚程為水泵泄流的水平距離，其計算如下：

式中：HB為水泵所需的揚程；H1、H2、H3分別表示水泵出水管管口高程、水泵吸水管最低水位、水泵吸水管和壓力管水頭損失總和。計算結(jié)果顯示，茶山閘橡膠壩潛水泵、離心泵的揚程分別需要21.5 m、12.4 m；水泵設(shè)計流量320 m3/h，流量980 m3/h～1250 m3/h，電壓為380 V，功率42 kW。

4 結(jié)論

水利建設(shè)事關(guān)民生安全，但同時對流域生態(tài)環(huán)境帶來深刻影響，而橡膠壩具有自我調(diào)節(jié)、生態(tài)破壞性小、構(gòu)造簡易的特點，被廣泛應(yīng)用于中小型親水工程建設(shè)中。結(jié)合工程實踐，編制茶山閘橡膠壩設(shè)計方案并計算幾項關(guān)鍵參數(shù)，可為項目審核及后期維護(hù)提供依據(jù)，在橡膠壩建成以后，建議做好人工防護(hù)的工作，避免不必要的損壞；同時注意加強(qiáng)豐水枯水期徑流測算，以便及時充壩攔水、坍壩防水。