橡膠壩在滕州市城河塢溝除險加固工程中的應用

馮文剛

（北京中水利德科技發展有限公司,北京 100000）

1 引言

攔河建筑物修建可以改善當地水面面積,有利于河道生態環境打造,同時可改善河道防洪能力不足的現狀,具有十分重要的意義[1-3]。橡膠壩[4-5]是一種較為常用的攔河建筑物,結合滕州市城河塢溝除險加固工程,對橡膠壩在河道治理工程的應用進行研究。

塢溝駝峰堰位于滕州市城河東郭鎮前塢溝村東300 m處,中泓樁號36+550。塢溝駝峰堰工程于1997 年7 月建成。駝峰堰原設計標準為20 年一遇洪水設計,設計洪水位82.03 m,下泄流量1289.9 m3/s。工程任務為攔蓄河道徑流及改善生態環境的功能,并壅高水位為城河、漷河水系連通提供水源條件。

2 攔河建筑物

河道上常用的蓄水建筑物型式有水閘、橡膠壩、鋼壩閘、水力翻板閘、液壓升降壩、氣盾閘等。結合本程的功能定位及特點,在著重考慮攔河建筑物的耐久性、啟閉靈活性及景觀性后,本文選取橡膠壩建筑物型式。橡膠壩滿河槽布置,壩底板頂高程76.50 m,正常蓄水位80.50 m,共1 孔,單孔凈寬95.00 m。橡膠壩順水流方向總長72.70 m,其中鋪蓋長10 m、壩底板長14 m、陡坡及消力池長23.7 m、海漫長20 m、防沖槽長5.0 m。管理房設置在河道的左岸,其下部為泵室,管理房內設變配電室、中控室及值班室等。橡膠壩方案圖見圖1。

圖1 橡膠壩壩室方案圖

3 橡膠壩設計

3.1 水位-蓄水量-水面面積關系

根據實測的河道橫斷面,建立塢溝橡膠壩水位、水面面積、蓄水量關系,見表2。由表2 可知,塢溝壩正常蓄水位80.50 m情況下,回水長度750 m,水面面積6.75 萬m2,一次蓄水量10.03 萬m3。

表2 塢溝橡膠壩水位、水面面積、庫容關系

3.2 橡膠壩設計

3.2.1 水力計算

1）泄洪能力計算

橡膠壩泄洪能力根據下式計算：

式中：Q為過壩流量；B為溢流斷面寬度；h0為堰前水頭；m為流量系數；σ、ε 為淹沒、側收縮系數；泄洪能力計算見表3。

表3 過流能力復核計算成果表

經計算,20 年設計洪水位工況下和50 年校核洪水工況下,水閘過流能力滿足要求。

2）壩頂溢流能力計算

橡膠壩未設調節閘,運行過程中不可能頻繁塌壩,因此遇中小洪水必須考慮壩頂溢流。為避免壩頂溢流時壩袋振動影響壩的正常使用,壩頂溢流水深宜取0.2 m~0.5 m。本次設計壩頂溢流水深取0.3 m。壩頂溢流能力同式（1）,壩頂溢流計算結果見表4。

表4 壩頂溢流計算表

經計算,橡膠壩不塌壩的情況下,壩頂最大溢流流量為46.0 m3/s。

3.2.2 壩基及壩肩截滲設計

根據地勘資料可知塢溝橡膠壩壩基存在嚴重滲漏問題,且高水位時,地基土與基礎接觸面之間存在滲透變形可能。左右壩肩存在繞滲問題,可結合壩基一并采用截滲處理。

壩室段截滲墻位于鋪蓋前端齒槽中線位置,截滲長度145 m。兩岸灘地截滲墻頂高程平灘地高程81.70 m,主河槽鋪蓋段截滲墻頂高程為75.60 m（嵌入鋪蓋齒墻內0.5 m）,岸墻底板段為岸墻底板底高程63.50 m,墻底深入黏土不透水層2.0 m。本次設計擬定以下二個防滲方案,分別從技術可行性、施工工藝和工程投資等方面進行比較及分析論證,以確定合理的方案。

1）方案Ⅰ：塑性砼防滲板墻方案

塑性砼防滲墻是目前水利工程中較普遍采用的一種地下截滲處理方法,該技術廣泛應用于水庫大壩、江河、湖泊等大堤的防滲加固工程中,是防滲處理的一種有效措施。

2）方案Ⅱ：高壓旋噴灌漿方案

高噴墻采用單排旋噴套接結構形式,采用二管法施工,旋噴樁的直徑1.0 m,孔距1.0 m,成墻最小厚0.4 m；空壓機的壓力0.7 MPa,流量1.0 m3/min,氣嘴數量2 個,環狀間隙1.2 mm；泥漿泵壓力30 MPa,流量80 L/min,密度1.5 g/cm3,漿嘴數量2 個,漿嘴直徑2.5 mm,回漿密度≥1.3 g/m3；提升速度10 cm/min。

表5 壩體防滲方案比較表

根據上述二個方案的特點,結合工程地質條件,著重從施工質量方面考慮,方案Ⅰ雖然適用各種地質條件,防滲效果好,但工程投資較大,方案Ⅱ施工技術日益成熟,可靠性得到大幅度提升,且投資較省,經綜合考慮本次截滲采用方案Ⅱ,即高壓旋噴防滲墻方案。

3.2.3 橡膠壩袋設計

（1）壩袋計算

1）壩袋徑向強度

根據下式計算：

式中：T壩袋徑向計算強度, kN/m；γ水的容重,γ=10 kN/m3；α內壓比,α=1.30；H1設計壩高,m。

經計算：T=64 kN/m。

2）壩袋其他參數計算

壩袋有效長度：L0=14.114 m；

底墊片有效長度：l0=7.514 m；

壩袋容積：壩袋單寬容積V=27.526 m3/m；

壩袋容積V=1926.82 m3。

（2）壩袋材料選定

壩袋型號：JBD4.0 -300 -2；膠布型號：J300300 -2（錦綸66）。膠布強度為600 kN/m /600 kN/m（經/緯）；壩袋厚度為10.10 mm。壩袋設計參數見表6。

表6 壩袋設計參數表

（3）壩室順水流向長度確定

橡膠壩底板順水流向長度確定,按下式計算。

單向坍落：

式中：Ld底板順水流方向長度, m；L壩袋底墊片有效長度,m；L1、L2上下游安裝、檢修通道,取1.5 m；L3壩袋坍落貼地長度,m；L0壩袋的有效周長,m。

經計算,Ld=13.814 m,本次設計壩袋地板順水流向的長度取14.00 m。

3.2.4 結構設計

（1）壩底板穩定計算

1）基本數據

擬建橡膠壩底板高程為76.50 m,建基面為76.00 m,基礎持力層為（1）層礫砂,承載力為160 kPa,基礎底面與中粗砂間的摩擦系數為0.4。據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）,工程區的地震動峰值加速度為0.10 g,基本地震動加速度反應譜特征周期為0.40 s,相應地震基本烈度為Ⅶ度。

2）計算工況及荷載組合

計算工況與荷載組合按照《水閘設計規范》（SL265 -2016）規定。根據實際運用情況,對其進行運行工況分析和荷載組合分析,荷載組合分為設計擋水期、充水實驗期、正常擋水位+地震。①設計擋水期：上游側為80.5 m,下游無水。②充水實驗期：壩袋內充水、上下游無水。③正常擋水位+地震：上游水位80.5 m,下游無水,按8度地震設防。計算工況及荷載組合見表7。

表7 計算工況及荷載組合表

3）計算公式

①基底應力：

②壩底板抗滑穩定計算：

式中：Kc抗滑安全系數；f摩擦系數；∑G、∑H 所有豎向、水平荷載之和。

壩底板穩定計算成果見表8。

表8 壩底板穩定計算成果匯總表

經計算,在各種荷載組合情況下,安全系數、地基承載力均滿足規范要求,橡膠壩壩底板整體穩定滿足規范要求。

4 結論

（1）通過方案比選,采用橡膠壩作為攔水建筑物具有景觀效果好、投資低、施工簡便等優勢,在滕州市城河塢溝除險加固工程中較為適用。

（2）根據洪水特性,確定了橡膠壩結構參數；通過方案比選確定采用高壓旋噴防滲墻作為防滲方案。通過計算,設計橡膠壩穩定性滿足相關規范要求。