充水式橡膠壩袋設(shè)計內(nèi)壓比初步優(yōu)化研究

鮑桂婷

（臨沂市濱河景區(qū)小埠東橡膠壩管理所）

1 工程概況

該工程為充水式橡膠壩，坐落于淮河流域下游水系，壩袋總體長度為185 m，呈兩側(cè)較短中間較長的三跨式結(jié)構(gòu)，其中兩側(cè)長度均為60 m，中間長度為65 m，水壩具有預(yù)防洪澇、攔沙的作用，通過抬升河流水位，使水庫容量能夠達到6.80×106m3，能夠極大程度的滿足周邊居民農(nóng)業(yè)灌溉以及用水需求。

2 相關(guān)影響因素分析

2.1 最優(yōu)設(shè)計內(nèi)壓比影響因素

在優(yōu)化橡膠壩袋設(shè)計內(nèi)壓比的設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)充水式橡膠壩的實際運行而定，選擇合適的內(nèi)壓比，使其滿足最優(yōu)設(shè)計。通過計算表明，壩體高度對充水式橡膠壩袋設(shè)計內(nèi)壓比的優(yōu)化產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)壩體高度較低時，內(nèi)壓比的選擇將不受材料因素的制約，具有較大的選擇幅度，因而在選擇較大數(shù)值時可以有效減少壩袋的使用數(shù)量；反之，壩體較高時，強度將受到材料因素的影響，因而內(nèi)壓比應(yīng)選擇小數(shù)值。由此可見，當(dāng)充水式橡膠壩袋的強度在一定狀態(tài)時，壩體的高度將會成為壩袋設(shè)計內(nèi)壓比優(yōu)化的最大因素。

2.2 壩袋強度影響因素

從理論上來說，橡膠壩袋的強度可分為兩類：制造強度與設(shè)計強度。其中制造強度主要受到壩袋材料、填充物材料以及制作工藝的影響，設(shè)計強度主要受到橡膠壩壩體高度、擋水圍高度以及內(nèi)壓比的影響。在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，充水式橡膠壩的實際內(nèi)壓比與制造強度聯(lián)系密切，通過利用壩袋的制作強度為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，在壩高恒定的情況下使用相同的制造工藝、不同內(nèi)壓比及材料，以此獲得價格數(shù)據(jù)，以此可以得到壩袋內(nèi)壓比與材料造價方面的關(guān)系曲線。

3 壩高與優(yōu)化內(nèi)壓比關(guān)系曲線的建立

內(nèi)壓比作為充水式橡膠壩袋的設(shè)計中一項重要的數(shù)據(jù)，將對壩袋工程建設(shè)成本具有直接的影響，因此，在進行橡膠壩袋的設(shè)計中應(yīng)保證橡膠壩的安全以及節(jié)約工程成本。文章通過對壩袋價格分析計算水壩高度與壩袋造價、內(nèi)壓比之間的關(guān)聯(lián)，在內(nèi)壓比與壩袋造價關(guān)系曲線圖中可以看出橡膠壩壩袋與內(nèi)壓比α共有6個坐標(biāo)。通過這些坐標(biāo)可以得到壩體高度與內(nèi)壓比優(yōu)化關(guān)系曲線，通過該曲線圖可以得到當(dāng)壩體高度在2～5 m區(qū)間時橡膠壩的內(nèi)壓比將會達到最優(yōu)狀態(tài)。

4 壩袋設(shè)計計算

4.1 計算假定

4.1.1 壩袋平面假定

壩袋浸入水中，將在靜水壓力的作用下與基礎(chǔ)底板鋼筋錨固產(chǎn)生反作用力，并且與水的自身壓力一同垂直作用于水壩的軸線。壩袋除兩端的斷面外具有相同的形狀，因此，通過平面設(shè)定能夠?qū)未O(shè)計計算轉(zhuǎn)化為壩袋的斷面計算。

4.1.2 壩袋薄膜內(nèi)力的假定

由于壩袋材料的特性與薄膜相近，因此可以將壩袋的袋壁假定為只能接受其最大可承受的拉力，不可承受彎矩以及剪力。

4.2 計算工況

相關(guān)技術(shù)規(guī)范中要求橡膠壩袋的設(shè)計工況應(yīng)為上游水深與橡膠壩壩體高度相等，結(jié)合工程案例中橡膠壩的特點，選擇使用楔形雙錨線錨固形壩袋，并且設(shè)計水壩溢流管將以技術(shù)規(guī)范中的要求進行壩袋長度、容量以及拉伸力的計算。

4.3 壩袋變形分析

橡膠壩袋受水的作用力后將發(fā)生變形，導(dǎo)致其實際的環(huán)向長度增加，并且壩袋的長度與在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計高度下的內(nèi)壓水頭成反比。

4.3.1 壩袋徑向強度計算

根據(jù)壩高與優(yōu)化內(nèi)壓比的關(guān)系曲線，充水式橡膠壩內(nèi)壓比α取值1.20～1.40之間，案例工程中初步選擇內(nèi)壓比為1.25，壩體高度為2.50 m，因此獲得壩袋徑向強度公式：

4.3.2 壩袋充水參數(shù)計算

充水式橡膠壩袋實際的形狀由上游的圓弧段以及下游變曲率曲線組合構(gòu)成，因此，壩袋充水后的參數(shù)分別為：

上游壩面曲線段長度計算公式：

式中字母含義同規(guī)范規(guī)程規(guī)定。

上游水平貼地段長度計算公式：

式中字母含義同上。

將公式（3）中的參數(shù)計算結(jié)果帶入公式（2），便能得到上游壩面曲線段的實際長度。

下游壩面曲線段長度計算公式：

下游水平貼地長度X0的計算公式：

上式中字母含義同規(guī)范規(guī)程規(guī)定。

在相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中按照內(nèi)壓比為1.25 可以得到充水式橡膠壩在經(jīng)過沖水后的形狀參數(shù)，充水式橡膠壩充水后形狀擬定參數(shù)如表1所示。

結(jié)合工程案例中橡膠壩的結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)計算程序可以獲得在不同內(nèi)壓比及伸長率等條件下壩袋的狀態(tài)效果。

橡膠壩設(shè)立溢流管道時上游水深與壩體高度相同、下游無水的條件下，將內(nèi)壓比設(shè)1.40，壩高比、強度比與環(huán)向伸長率的關(guān)系如表2所示。

當(dāng)設(shè)定向家壩袋環(huán)向伸長率為12%的情況下，壩高比、強度比與內(nèi)壓比的關(guān)系如表3所示。

4.4 壩袋參數(shù)的分析與優(yōu)化

表1 橡膠壩充水后形狀擬定參數(shù)表

表2 壩高比、強度比與環(huán)向伸長率關(guān)系表

表3 壩高比、強度比與內(nèi)壓比關(guān)系表

根據(jù)前文對充水式橡膠壩內(nèi)壓比等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可以看出，當(dāng)橡膠壩在上游水深與壩體高度相一致，且下游無水的狀態(tài)下，內(nèi)壓比數(shù)值設(shè)置為1.40、環(huán)向伸長率在10%以內(nèi)時橡膠壩的壩體高度將不會超過整體的3.30%，壩袋的強度增長幅度不會超過14%。由此可見，橡膠壩袋的設(shè)計內(nèi)壓比在適用的情況下選擇較大數(shù)值，并控制壩袋的環(huán)向率能夠在滿足工程設(shè)計要求的同時，還可以降低工程建設(shè)成本以整體的工作量。

在工程選定壩袋參數(shù)后并可進行優(yōu)化處理：工程案例中橡膠壩袋內(nèi)壓比α的設(shè)計取值在1.20～1.40之間，通過計算最終選定內(nèi)壓比值為1.40；工程案例中壩袋的環(huán)向伸長率按照9%計算，根據(jù)前文分析，當(dāng)內(nèi)壓比為1.40、環(huán)向伸長率為9%的情況下，橡膠壩的壩體高度為1.03、壩袋的強度比為1.01。

根據(jù)上文表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)壓比取值1.40時，壩袋的強度為1.01，由此計算出壩袋的徑向強度可以達到107.23 kN/m；計算出楔形雙錨線錨固形壩袋的周長：L0=S1+S=16.30 m。

將所選定的內(nèi)壓比與設(shè)計值進行對比，可以看出，當(dāng)橡膠壩的內(nèi)壓比由1.25提升到1.40時，壩袋的徑向強度將會提升，當(dāng)壩袋材料為恒定時所計算出的數(shù)據(jù)顯示其強度能夠滿足徑向壓力，且安全系數(shù)在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；內(nèi)壓比的提升只是其它數(shù)值減少，從而降低了壩袋材料的用量、工程成本以及工作量，因此，工程案例中將使用優(yōu)化后的內(nèi)壓比，即α=1.40。

5 結(jié)論

由于水利工程技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，充水式橡膠壩被廣泛應(yīng)用在實際工程當(dāng)中，為了在施工過程中節(jié)約工程成本與工程量，通過該案例對橡膠壩袋的內(nèi)壓比設(shè)計進行優(yōu)化分析，以此獲得最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)降低壩袋材料的用量，有效地減少了工程施工周期以及橡膠壩的管理成本。