棗莊市山家林橡膠壩壩體及錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鞠玉龍，車傳迎

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000）

棗莊市蟠龍河綜合整治工程山家林橡膠壩項(xiàng)目總投資4 200萬(wàn)元，工期2020年2月～5月，設(shè)計(jì)規(guī)模為中型，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，總寬度147 m，其中船閘凈寬7 m。橡膠壩共設(shè)計(jì)2孔，壩孔凈寬69 m，擋水高度4.8 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，蓄水量332萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度1 900 m，可實(shí)現(xiàn)景觀水面約74萬(wàn)m2。

1 橡膠壩壩體設(shè)計(jì)分析

1.1 壩體極限承載工況分析

根據(jù)橡膠壩所面對(duì)的工況不同，其所受靜水壓力也存在很大差別，在此以4種代表性工況分析壩體極限承載情況：a：上游水深等于壩高，下游無水；b：上游水深等于壩高，下游水深H2；c：壩頂溢流，下游無水；d：壩頂溢流，下游水深H1[1]。

橡膠壩為柔性薄膜材料，只能承受拉力作用，而且由于壩袋下游部分受力相對(duì)簡(jiǎn)單，因此本項(xiàng)目只選取下游斷面作為分析對(duì)象。其中上述4種工況中，以工況b最具有普遍意義，所以在此只針對(duì)工況b進(jìn)行極限承載分析[2]。

在工況b下，下游壩袋所承受的最大作用力F由FT和夾角θ共同決定（受力示意圖如圖1所示），具體計(jì)算見公式（1）[3]。經(jīng)過計(jì)算，新建山家林橡膠壩下游壩袋所承受的最大作用力F≈125.4 kN/m。

圖1 工況b下游部分壩體受力示意圖

式中：H0為壩袋內(nèi)充水水頭，m；H1為壩高，m；γ為河水容重，N/kg；H2為下游水深，m。

1.2 壩袋斷面周長(zhǎng)計(jì)算

以工況b作為分析對(duì)象，壩袋斷面周長(zhǎng)計(jì)算，既要保證壩體高度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，又要保證壩體充水后強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。壩袋充水后，其形狀如圖2所示，由此可見：上游長(zhǎng)度為“Ln段+S1段”，下游長(zhǎng)度為“S段+S2段”，下面分別就上下游壩袋斷面長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。

圖2 壩體截面示意圖

1）上游壩袋斷面長(zhǎng)度L上計(jì)算。上游壩體所承受壓力為一個(gè)常數(shù)，所以可以近似地看作是一段圓弧S1，只需要求出圓弧半徑R1即可，Ln計(jì)算需借助R1計(jì)算，具體分別見公式（2）（3）[4]，經(jīng)計(jì)算可得R1≈6.1 m，Ln≈3.3 m。

最終L上取值13.0 m。

2）下游壩袋斷面長(zhǎng)度L下計(jì)算。下游壩體所承受壓力非定值，因此S段、S2段為一段變曲率曲線。在此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，參照其他學(xué)者經(jīng)驗(yàn)，將這兩段均利用微分方程化作橢圓積分形式，經(jīng)計(jì)算S≈10.2 m，S2≈1.8 m。

最終L下取值12.0 m。

1.3 壩體最佳內(nèi)壓比設(shè)計(jì)

橡膠壩內(nèi)壓比a是最重要的參數(shù)之一，其值直接決定了壩體工作狀態(tài)、材料成本、上游水頭等。在此還是以工況b為分析對(duì)象，確定本項(xiàng)目壩體最佳內(nèi)壓比。

1）內(nèi)壓比變化規(guī)律分析。由圖3可知：在壩高H1確定的情況下，內(nèi)壓比a在1.1以下時(shí)，R值（壩體幾何半徑）急劇增大，這肯定會(huì)使橡膠壩斷面過大，因此排除。當(dāng)a值超過1.2時(shí)，R值的變化趨近于穩(wěn)定，取值范圍在5.76～6.72 m之間，因此a取1.2～1.5均較為合理[5]。

圖3 壩體上游半徑與內(nèi)壓比a變化關(guān)系曲線

2）壩高與壩袋強(qiáng)度關(guān)系。由圖4可知：（1）隨著壩高值越大，內(nèi)壓比a值越大；（2）隨著內(nèi)壓比a增大，同一壩高H1下，所需壩袋強(qiáng)度越大。因此從安全方面考慮，盡量選擇所需較低壩袋強(qiáng)度的方案，所以本項(xiàng)目確定內(nèi)壓比a取值為1.2。已知新建山家林橡膠壩壩高設(shè)計(jì)4.8 m，對(duì)應(yīng)的壩袋強(qiáng)度約為2.6 t/m，換算后為25.48 kN/m，遠(yuǎn)小于前文所求的最大作用力F，因此安全系數(shù)完全可以保證。

圖4 壩高與壩袋強(qiáng)度關(guān)系曲線

2 橡膠壩錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

橡膠壩錨固裝置是最重要的結(jié)構(gòu)之一，需要其既有良好可靠的錨固力，又要密封不透水。而目前錨固結(jié)構(gòu)可分為三種：1）螺栓壓板；2）混凝土楔塊；3）膠囊充水。其中前兩種是最常見的錨固形式，在此對(duì)本項(xiàng)目最佳錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.1 錨固力的計(jì)算

上游錨固力FT可分為垂直分力FTy和水平分力FTx。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)T≈116 kN/m，略小于前文計(jì)算的下游壩袋所承受最大作用力F≈125.4 kN/m。最終本項(xiàng)目設(shè)計(jì)上游錨固力為140 kN/m，下游錨固力150 kN/m。

2.2 螺栓和壓板強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計(jì)

1）螺栓參數(shù)設(shè)計(jì)。螺栓需要有足夠的強(qiáng)度、耐久性、抗腐蝕性等，參照以往工程經(jīng)驗(yàn)，螺栓間距在0.2～0.3 m，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)取值0.2 m。經(jīng)計(jì)算得上游F栓=49 kN，下游F栓=52.2 kN，為方便施工，本項(xiàng)目螺栓承載載荷統(tǒng)一設(shè)計(jì)55 kN，材質(zhì)為不銹鋼，螺栓型號(hào)為M36×950，要求最小埋深不低于250 mm。

2）壓板強(qiáng)度參數(shù)設(shè)計(jì)。針對(duì)橡膠壩壓板設(shè)計(jì)，主要參數(shù)有彎矩、應(yīng)力、截面模量等。本項(xiàng)目為設(shè)計(jì)方便，直接結(jié)合理論計(jì)算和參照其他工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)壓板尺寸為：上壓板996 mm×200 mm×19 mm，下壓板996 mm×220 mm×16 mm。抗彎應(yīng)力3.2 kN/cm2，每個(gè)壓板上配備4根螺栓，材質(zhì)為20#槽鋼。

2.3 錨固裝置施工要點(diǎn)分析

1）位置固定。利用經(jīng)緯儀精準(zhǔn)確定錨固點(diǎn)位置，按照混凝土底板分縫將錨固點(diǎn)分為若干單元。計(jì)算好預(yù)留混凝土面螺栓高度后進(jìn)行與下壓板焊接，焊接時(shí)注意保證螺栓垂直度。用鋼筋作為支架上部與螺栓連接，下部支撐于墊層上進(jìn)行找平作業(yè)。

2）加固。用鋼筋將螺栓底部連接，并將支撐筋、架力筋連接，以此來固定下部位置，木槽兩側(cè)用網(wǎng)片定位，保證穩(wěn)定。

3）澆筑混凝土。澆筑順序按照“先槽下，再兩側(cè)”，以防止?jié)q模問題出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

新建山家林橡膠壩于2020年7月份投入使用，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且該工程與后續(xù)實(shí)施的蟠龍河綜合治理起步區(qū)工程形成完整的水利綜合體，有效保護(hù)了沿岸地區(qū)生產(chǎn)生活、人民生命財(cái)產(chǎn)及重要設(shè)施的安全，提高了區(qū)域防洪排澇能力和生態(tài)景觀文化底蘊(yùn)，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。