十家子河橡膠壩水力計算及結構設計探析

于思洋

(沈陽宇坤工程技術有限公司，遼寧 沈陽 110000)

十家子河為大凌河的I級支流，發源于朝陽縣大廟鄉北部的大青山脈，流經龍城區的邊杖子鄉、七道泉子鎮和雙塔區的孟克鄉，由西向東于朝陽城區北部的扣北村匯入大凌河。鐵路橋以上流域面積643.4 km2，河道全長42 km，河道平均比降13‰。十家子河3號人工湖工程主要由1座擋水建筑物形成的1片人工湖水域及其景觀帶組成。擋水建筑物為十家子河3號橡膠壩，壩址位于龍城橋上游75 m。十家子河3號橡膠壩壩長為165 m，橡膠壩分為3跨，每跨長55 m，壩高為2.3 m。橡膠壩底板高程為162.00 m，蓄水水面高程為164.30 m。

1 十家子河橡膠壩現狀

橡膠壩在北方地區技術成熟[1]，外形美觀，壩高可以調節，運行方便，汛期塌壩，對河道行洪影響較小，泄流量大，造價適中。加之大凌河干流上景觀攔河建筑物均為橡膠壩，運行管理協調方便，資源配置合理，采用橡膠壩方案對于總體防洪調度也是比較方便和有利的[3]，因此，在十家子河攔河建筑物采取橡膠壩方案特別合適。

十家子河3號攔河建筑物采用橡膠壩擋水，為充水式橡膠壩，總長為165 m，每跨長55 m，蓄水水面高程為164.5 m。橡膠壩底板高程為162.0 m，厚為1.0 m，順水流方向長7.0 m。上游鋪蓋為鋼筋混凝土結構，順水流方向長5.0 m，鋪蓋頂高程162.0 m，厚0.4 m。下設500 g/m2復合土工膜與原河道土工膜相接。兩側翼墻頂高程為165.95 m。下游消力池為鋼筋混凝土結構，消力池順水流方向長8.0 m，深度0.55 m，消力池底板高程161.45 m，厚0.5 m，兩側翼墻高程為165.95 m。護坦為鉛絲石籠結構，順水流方向長10.0 m，護坦高程162.00 m，厚0.4 m，下設100 mm厚粗砂墊層，粗砂墊層下為400 mm厚砂礫料墊層。護坦下游設置長7.0 m，深1.0 m的防沖槽。橡膠壩管理房設在壩的左岸堤內。

2 橡膠壩水力計算及結構設計

2.1 橡膠壩布置

十家子河3號橡膠壩位于龍城橋上游66 m，回水至龍城橋上游780 m處。攔河壩由橡膠壩及泵房組成，橡膠壩壩軸線控制點坐標見表1。

表1 橡膠壩控制點坐標

2.1.1 壩長的確定

根據橡膠壩壩址所在位置的河槽寬度、檢修需要，同時滿足坍壩時河道設計行洪要求，確定橡膠壩壩長、泄洪凈寬、跨數，以及中墩厚度。

2.1.2 壩頂高程的確定

依據城市整體規劃，在河道上修建橡膠壩以形成一片人工水域，滿足開發旅游、美化環境、改善自然景觀的要求[4]。同時考慮橡膠壩需形成連續水面的要求，結合地面高程，確定橡膠壩壩頂高程。

2.1.3 橡膠壩底板高程的確定

本工程屬于北方多泥沙河流，為最大限度地滿足泄洪斷面的要求，使洪水暢行無阻，采用橡膠壩底板高程與河道底坡齊平。

2.2 泄流能力計算

2.2.1 橡膠壩溢流能力計算

為防止橡膠壩袋在共振區運行，根據規范壩上溢流水深控制在0.3 m，依據《橡膠壩技術規范》在不同壩高時的泄流量按下列公式計算：

(1)

式中：Q為過壩流量，m3/s；δ為淹沒系數，δ=1；ε為側收縮系數，ε=1.0；B為泄流壩寬，取B=165 m；h0為計入行近流速的堰頂水頭；m為流量系數。

(2)

式中： H0為壩袋內壓水頭(m)；H為運行時壩袋充脹的實際壩高(m)；h1為壩上游水深(m)；h2為壩下游水深(m)；橡膠壩溢流能力計算結果見表2和表3。

表2 十家子3號橡膠壩溢流水位與流量關系

2.2.2 橡膠壩泄流能力計算

當壩上水深超過0.3 m時，橡膠壩坍壩開始泄洪，視作寬頂堰，泄流量按下列公式計算：

公式同上，m取0.35，計算結果見表3。滿足河道泄洪要求。

表3 橡膠壩壩址水位與泄量

2.3 消能防沖設計

2.3.1 消能型式及控制工況選定

當河道流量較大時，橡膠壩處于坍壩狀態，建在河道上的橡膠壩，一般采用底流消能，隨著橡膠壩坍壩，若按上游水位初期不變，流量隨橡膠壩落而增大，下游水深也逐漸升高，按(hc"-ht)為最大值的工況進行下游消能防沖計算。

2.3.2 橡膠壩消力池計算

經計算，橡膠壩壩袋兩孔坍壩時，(hc"-ht)為最大值。計算成果見表4。

表4 橡膠壩消力池計算成果表

2.3.3 消力池底板厚度計算

消力池底板厚度根據抗沖和抗浮計算，采用《水閘設計規范》中公式，計算結果見表5。

表5 橡膠壩消力池底板厚度表

(3)

(4)

式中：q為過壩單寬流量(m3/s)；K1為消力池底板計算系數，K1=0.2；△H′為壩泄水時的上、下游水位差(m)；K2為消力池底板安全系數，K2=1.3；U為作用在消力池底板底面的揚壓力(KPa)；W為作用在消力池底板頂面的水重(KPa)；Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力(KPa)； γb為消力池底板的飽和重度(KN/m3)；

2.3.4 滲流穩定計算

防滲長度計算采用《水閘設計規范》中公式：

L=CΔH

(5)

式中：L為防滲長度(m)；C為允許滲徑系數，采用5；△H為上下游水位差(m)。

橡膠壩實際防滲長度見表6。

表6 橡膠壩防滲長度及鋪蓋長度表

2.3.5 下游護坦設計

下游護坦計算采用《水閘設計規范》中公式：

(6)

式中：Ks為護坦長度計算系數，根據地質情況，Ks取12.0；qs為消力池末端單寬流量(m3/s)。

計算結果見表7。

表7 橡膠壩護坦長度表

2.3.6 下游防沖槽設計

河床沖刷深度計算，采用《水閘設計規范》中公式，計算結果見表8。

表8 橡膠壩防沖槽結構表

(7)

式中：dm為護坦末端河床沖刷深度(m)；qm為護坦末端單寬流量(m3/s)；[v0]為河床土質允許不沖流速(m/s)；hm為護坦末端河床水深(m)。

防沖槽結構計算，采用《水工設計手冊》6中公式：

(8)

式中：h為防沖槽砌置深度(m)；t為沖刷坑上游鋪砌厚度，t=0.6 m；m1，m2為防沖槽上下游邊坡系數， m1=2～3，m2=3；m為沖刷坑上游邊坡系數， m=3；K為考慮塊石在水流作用下鋪砌不均勻的安全系數， K=1.3。

2.4 壩體穩定計算

2.4.1 確定壩底板長度

壩底板長度按《橡膠壩技術規范》確定。經過計算并考慮橡膠壩地基及穩定分析等綜合因素，壩底板長度選定見表9。根據計算情況選定橡膠壩底板長度為7.0 m。

表9 橡膠壩底板長度選定表

Ld=L+l1+l2+l3

(9)

式中：Ld為底板順水流方向的長度，m；L為壩袋底墊片有效長度，m；l1、l2為上、下游安裝、檢修通道，l3為壩袋坍落貼地長度。

2.4.2 壩體穩定計算

設計條件：上游正常蓄水，下游無水。壩體抗滑穩定計算，計算結果見表10。根據表10中成果，橡膠壩抗滑穩定安全系數均大于允許抗滑穩定安全系數，故滿足要求。

表10 橡膠壩穩定計算表

(10)

式中：Kc為計算抗滑穩定安全系數；f為壩基底面與基礎之間的摩擦系數，取0.45；∑G為作用在壩底板上的全部豎向荷載之和；∑H為作用在壩底板上的全部水平荷載之和；[Kc]為基礎底面允許抗滑穩定安全系數，[Kc]=1.25。

2.4.3 壩基應力計算

壩基底應力由下式確定在：計算結果見表11。通過計算表明，基底壓力小于圓礫層地基允許承載力P允=150 KPa，基底壓力不均勻系數小于規范允許值。

表11 橡膠壩應力計算表

(11)

式中：T為壩底寬；∑W為垂直力的總和(向下為正，向上為負)；∑M為全部垂直力和水平力對計算截面形心的力矩。

2.5 壩袋設計

2.5.1 壩袋充脹介質方案選擇

橡膠壩壩袋充脹介質的選擇應綜合考慮壩區自然條件，遵循管理運用方便、經濟實用的原則。初擬橡膠壩壩型為充水式。其優點如下：

(1)充水式橡膠壩最顯著的特點是適用于低水頭大跨度的攔河工程；操作靈活，有效壩高易于控制；汛期可快速放空壩袋，不影響河道行洪。

(2)充水式橡膠壩在壩頂溢流時性能比較穩定，過水均勻，對下游沖刷小。

(3)充水式橡膠氣密性要求較低，可以降低施工難度，提高運行的可靠性。

(4)充水式橡膠壩具有結構簡單、施工方便、造價低、節省三材和抗震性能好的特點。

鑒于充水式橡膠壩的以上特點，推薦采用充水式橡膠壩。

2.5.2 壩袋設計

橡膠壩壩袋為黑色橡膠制作，采用螺栓錨固。

1)壩袋強度計算及壩袋膠布的選用

采用公式如下：

(12)

式中：T為壩袋徑向計算強度，KN/m；γ為水的容重，KN/m3；α為內壓比，H0/H1；H0為內壓水頭，m；H1為設計壩高，m。

根據工程的重要性和制造廠家的實際條件，按《橡膠壩技術規范》要求橡膠壩強度設計安全系數K值應大于6以上來選用壩袋膠布的材質，使之滿足強度要求。計算結果見表12。

表12 壩袋膠料物理機械性能要求

2)壩袋有效周長

采用雙錨固線的壩袋，分為壩袋有效周長和底墊片有效長度兩部分。按《橡膠壩技術規范》計算并考慮壩袋和底墊片加工時所需的錨固長度。

3)壩袋結構設計

按《橡膠壩技術規范》壩袋膠布技術設計標準，本工程橡膠壩高2.3 m選用二布三膠，壩袋型號為JBD2.3-300-2，骨架材料型號為J300300-2型錦綸帆布；堵頭采用二布三膠，采用J160160-2型錦綸布；壩袋錨固型式選用螺栓錨固型式；底墊片：厚≥3 mm。

表13 壩袋及堵頭工程量

4)壩袋充脹容積計算

由《橡膠壩技術規范》查表得單寬壩袋的充水容積，計算結果見表14。

表14 單寬壩袋的充水容積計算表

3 結語

十家子河橡膠壩的建成，可以使龍城橋至鐵路橋之間河道內污水橫流，垃圾成堆，生態環境惡化得到改善，完善了朝陽新城區的河道景觀建設，改善了該地區的居住及投資環境，使得上下游景觀水面銜接，并在建設中建設中結合河道清理等內容改善、加強現有河道行洪能力。