充水式橡膠壩袋設計內壓比初步優化研究

鮑桂婷

（臨沂市濱河景區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，呈兩側較短中間較長的三跨式結構，其中兩側長度均為60 m，中間長度為65 m，水壩具有預防洪澇、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業灌溉以及用水需求。

2 相關影響因素分析

2.1 最優設計內壓比影響因素

在優化橡膠壩袋設計內壓比的設計中，應依據充水式橡膠壩的實際運行而定，選擇合適的內壓比，使其滿足最優設計。通過計算表明，壩體高度對充水式橡膠壩袋設計內壓比的優化產生一定的影響，當壩體高度較低時，內壓比的選擇將不受材料因素的制約，具有較大的選擇幅度，因而在選擇較大數值時可以有效減少壩袋的使用數量；反之，壩體較高時，強度將受到材料因素的影響，因而內壓比應選擇小數值。由此可見，當充水式橡膠壩袋的強度在一定狀態時，壩體的高度將會成為壩袋設計內壓比優化的最大因素。

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，設計強度主要受到橡膠壩壩體高度、擋水圍高度以及內壓比的影響。在相關研究中發現，充水式橡膠壩的實際內壓比與制造強度聯系密切，通過利用壩袋的制作強度為優化標準，在壩高恒定的情況下使用相同的制造工藝、不同內壓比及材料，以此獲得價格數據，以此可以得到壩袋內壓比與材料造價方面的關系曲線。

3 壩高與優化內壓比關系曲線的建立

內壓比作為充水式橡膠壩袋的設計中一項重要的數據，將對壩袋工程建設成本具有直接的影響，因此，在進行橡膠壩袋的設計中應保證橡膠壩的安全以及節約工程成本。文章通過對壩袋價格分析計算水壩高度與壩袋造價、內壓比之間的關聯，在內壓比與壩袋造價關系曲線圖中可以看出橡膠壩壩袋與內壓比α共有6個坐標。通過這些坐標可以得到壩體高度與內壓比優化關系曲線，通過該曲線圖可以得到當壩體高度在2～5 m區間時橡膠壩的內壓比將會達到最優狀態。

4 壩袋設計計算

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底板鋼筋錨固產生反作用力，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，通過平面設定能夠將壩袋設計計算轉化為壩袋的斷面計算。

4.1.2 壩袋薄膜內力的假定

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

相關技術規范中要求橡膠壩袋的設計工況應為上游水深與橡膠壩壩體高度相等，結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，并且設計水壩溢流管將以技術規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生變形，導致其實際的環向長度增加，并且壩袋的長度與在標準設計高度下的內壓水頭成反比。

4.3.1 壩袋徑向強度計算

根據壩高與優化內壓比的關系曲線，充水式橡膠壩內壓比α取值1.20～1.40之間，案例工程中初步選擇內壓比為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成，因此，壩袋充水后的參數分別為：

上游壩面曲線段長度計算公式：

式中字母含義同規范規程規定。

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）中的參數計算結果帶入公式（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范規程規定。

在相關技術標準中按照內壓比為1.25 可以得到充水式橡膠壩在經過沖水后的形狀參數，充水式橡膠壩充水后形狀擬定參數如表1所示。

結合工程案例中橡膠壩的結構整體結構計算程序可以獲得在不同內壓比及伸長率等條件下壩袋的狀態效果。

橡膠壩設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，將內壓比設1.40，壩高比、強度比與環向伸長率的關系如表2所示。

當設定向家壩袋環向伸長率為12%的情況下，壩高比、強度比與內壓比的關系如表3所示。

4.4 壩袋參數的分析與優化

表1 橡膠壩充水后形狀擬定參數表

表2 壩高比、強度比與環向伸長率關系表

表3 壩高比、強度比與內壓比關系表

根據前文對充水式橡膠壩內壓比等相關數據的分析可以看出，當橡膠壩在上游水深與壩體高度相一致，且下游無水的狀態下，內壓比數值設置為1.40、環向伸長率在10%以內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，橡膠壩袋的設計內壓比在適用的情況下選擇較大數值，并控制壩袋的環向率能夠在滿足工程設計要求的同時，還可以降低工程建設成本以整體的工作量。

在工程選定壩袋參數后并可進行優化處理：工程案例中橡膠壩袋內壓比α的設計取值在1.20～1.40之間，通過計算最終選定內壓比值為1.40；工程案例中壩袋的環向伸長率按照9%計算，根據前文分析，當內壓比為1.40、環向伸長率為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。

根據上文表2可以發現，當內壓比取值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。

將所選定的內壓比與設計值進行對比，可以看出，當橡膠壩的內壓比由1.25提升到1.40時，壩袋的徑向強度將會提升，當壩袋材料為恒定時所計算出的數據顯示其強度能夠滿足徑向壓力，且安全系數在規范標準范圍內；內壓比的提升只是其它數值減少，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化后的內壓比，即α=1.40。

5 結論

由于水利工程技術的創新發展，充水式橡膠壩被廣泛應用在實際工程當中，為了在施工過程中節約工程成本與工程量，通過該案例對橡膠壩袋的內壓比設計進行優化分析，以此獲得最優設計參數，實現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。