某新建充氣式橡膠壩工程設計研究

惠志賓，溫宗然

（河南靈捷水利勘測設計研究有限公司，河南 南陽 473000）

1 工程概況

依據《水利水電工程等級劃分及設計標準》，工程等別為Ⅳ等，橡膠壩、控制室級別為4級，臨時工程級別為5級；橡膠壩工程為4級建筑物，設計洪水標準正常運行期20年一遇，非常運行期50年一遇；臨時工程洪水標準5年一遇，控制室內因有機電設備控制壩袋升降運行，按50年一遇洪水位設計。

橡膠壩工程按照防洪要求及工程總體功能綜合布置，主要包括四部分：橡膠壩主體工程，左右岸及上下游護岸工程，充排氣系統及控制室工程，上下游河床整治工程。

2 新建充氣式橡膠壩工程設計

2.1 橡膠壩主體工程

2.1.1 橡膠壩長度確定橡膠壩采用貼坡式梯形結構，底部寬度29.60 m，兩岸以1∶1斜坡與岸頂相銜接，橡膠壩順水流方向長度為7 m。

2.1.2 壩體結構布置及斷面設計選定壩底板頂面高出河底0.30 m，壩袋凈高2.20 m，壩底板順水流向長度7 m，厚度為1 m，采用C25鋼筋混凝土結構，下設前后齒墻，以增加壩底板的抗滑穩定性。壩底板垂直于水流方向的分縫間距為17.50 m，填縫材料為閉孔泡沫板，內設橡膠止水帶。

橡膠壩兩岸采用1∶1斜坡與壩基相連。為了保證壩的有效高度，邊坡上的最高錨固線抬高0.22 m，斜坡段底板為鋼筋混凝土結構，順流向長度與壩底板相同為7 m，兩側均設止水與上下游擋墻相連接。

壩基坐于中粗砂層上，局部高于壩基以上時，應清除至原狀土，局部低于壩基及壩基下有淤泥時，應將淤泥清除回填粘性土至設計高程后，澆注C15混凝土。

壩袋上游及斜坡錨固線均采用外錨固，下游錨固線采用內錨固。

2.1.3 上游防滲結構

壩上游設鋼筋混凝土防滲鋪蓋。鋪蓋水平順流向長度為10 m，厚度為0.50 m。在鋪蓋前設C20截滲墻，墻高1.50 m。

2.1.4 下游消力池段

C25 鋼筋混凝土消力池池深0.50 m，全長9 m，首段以1∶4斜坡與壩底板銜接，長度為3.20 m，下接消力池水平段，水平段長5.80 m，池末端設0.50 m 寬的尾坎，消力池斜坡段及水平段底板厚度均為0.50 m。消力池底部布設間距1.50 m、直徑為10 cm的PVC管排水孔，梅花型布置。

2.1.5 下游防沖段

消力池后設長10 m、厚40 cm 的C25 鋼筋混凝土海漫，海漫末端接格賓石籠，格賓石籠長10 m、厚0.30 m，格賓石籠后與河床相接。

2.2 左右岸及上下游護岸工程

橡膠壩工程僅對壩主體工程范圍內和上游截滲墻以前30 m、下游格賓石籠以后30 m進行河道整治并進行兩岸護砌。兩岸護砌均采用C20混凝土擋土墻進行防護。

2.3 充氣式橡膠壩控制室工程

在橡膠壩右岸的臺地上布置控制室，一層矩形結構，平面軸線間尺寸為6.60 m×5.40 m，控制室為墻厚0.24 m磚混結構。

3 充氣式橡膠壩消能及防沖計算

3.1 壩頂溢流水力分析計算

過流能力按寬頂堰流計算：

式（1）中：Q—過壩流量，m3/s；Ho—計入行近流速水頭的堰上水深，m；m—流量系數，m=0.312～0.34；ε—堰流側收縮系數，ε=0.98；βo—孔凈寬，34.42 m；σ—淹沒系數σ=1；φ—流速系數，可取0.95（比值稍大，但偏于安全）。

3.2 消能計算

按正常溢流和塌壩過程中的溢流兩種情況進行消能計算。由計算結合以往建壩經驗可以確定，壩后設消力池水平段長為5.80 m，考慮前部斜坡聯接段和尾坎長度綜合計算，消力池總長9.50 m，池深0.50 m。

3.3 海漫長度計算

采用南京水利科學研究所海漫長度計算公式經計算選定海漫長度為17 m。

3.4 防沖計算

結合以往治河及修建橡膠壩經驗，確定橡膠壩防沖措施為：①上游鋪蓋前部設深1.50 m的混凝土擋墻，且上游河床采用40 cm厚的粘土進行防滲，不會對壩體形成沖刷。②下游海漫段未端河床采用40 cm厚的粘土進行防滲，不會對下游河床沖刷。

4 充氣式橡膠壩壩體穩定及結構計算

4.1 壩體穩定及結構計算

①計算工況：工況一，升壩擋水時，上游水位為最大擋水高度，下游無水（地下水和河底齊平）。工況二，竣工期，上、下游無水，壩袋內充滿水。其中以工況一為最不利計算情況。

②荷載計算：壩體荷載按1 m寬板條計算。③按抗滑穩定計算公式計算結果見表1。

表1 橡膠壩正常擋水情況下抗滑穩定計算表

④橡膠壩壩基底應力計算公式：

式（2）中：A—壩基礎底面面積，m2；e—基底應力偏心距，m；B—基礎寬度，m。

⑤橡膠壩壩基底應力不均勻系數：

橡膠壩壩底板基底應力計算結果見表2。

表2 橡膠壩壩底板基底應力計算表

綜上可知，壩底板、上下游岸坡的抗滑穩定、壩底板基底應力不均勻系數小于規范標準允許值，基底應力小于地基容許承載力，可以判定橡膠壩體是安全的。

4.2 橡膠壩地基滲透穩定分析計算

按防滲長度的基本公式計算結果詳見表3。

表3 防滲長度計算表

由表3可知，橡膠壩滿足滲透穩定要求。

4.3 壩底板結構計算

壩底板內力指標采用彈性地基梁法計算分析，按均布荷載特征簡化有效計算荷載。計算結果表明，底板結構配筋采用φ 16@25和φ14@25。

5 其他相關設計

5.1 橡膠壩袋及錨固設計

壩袋高2.20 m，內壓比1.00，壩袋型號參照JBD2.0-120120-2，采用三布四膠，單層厚12 mm，經向強度120 kN/m，安全系數9.92，大于《橡膠壩工程技術規范》規定的8.00。壩袋錨固形式采用內外錨固線相結合設置暗槽錨固槽，外錨固壩袋，內錨固下游。螺栓、壓板及墊板選用廠家定型產品。

5.2 充排氣系統設計

采用自控系統，利用羅茨風機將空氣通過DN100 鋼管沖入壩袋內。當壩內氣壓超過設計壓力時，羅茨風機自動停止運行，由排氣閥將超壓氣體自動排出。

5.3 電氣設計

控制室設專用控制屏一屏，所有風機、閥門、壓力表的運行均通過控制屏進行操作，實現自動控制。在值班間配置Z4 手提干粉滅火器1只。室內安裝2×40 W熒光燈4套，三葉吊扇2套，吸頂燈（60 W）1 套。壩控制室屋檐下安裝高壓投光燈1套。控制室頂部設置避雷設施。

6 結語

充氣式橡膠壩工程設計主要內容有：工程等級和設計標準，整體工程布置，消能及防沖計算，穩定及結構計算，直至最后完成其它相關設計。此橡膠壩工程設計成果可為類似城市景觀建設提供科學參考。