橡膠壩壩袋安全評價研究

郝連柱，張武來，張立功，張 弛

(北京市潮白河管理處，北京 101300)

0 引言

橡膠壩是用橡膠涂覆織物制造，錨固于基礎底板上成封閉代替，利用充排水(或空氣)控制其升降的擋水水工建筑物，主要包括壩袋和結合基礎底板兩部分[1]。由于其結構簡單、施工便利、造價低等諸多優點，被廣泛應用[2-4]。我國于上世紀60年開始研究橡膠壩技術，并與1966年6月成功建成了第一座橡膠壩：北京右安門橡膠壩，至今已建成橡膠壩逾千座[5-6]。

橡膠壩壩袋是用帆布等骨架材料和橡膠制成，經拼接成型，可錨固于橡膠壩基礎底板的橡膠涂覆織物制品，用于橡膠壩擋水部分[1]。橡膠壩主要通過壩袋來控制水位，調節下泄流量，是影響橡膠壩安全的最重要結構之一，根據《北京市水閘、橡膠壩安全監測與安全評價技術指導意見》，設計條件、壩基、壩袋和錨固結構安全性分級中有一項為C級，可評定為四類橡膠壩，可見壩袋對橡膠壩安全運行的重要性。

橡膠壩壩袋由于受內外因素綜合作用的影響，隨著使用年限的增加，將出現老化，高分子材料結構逐漸失去原有的優良性能，以致最后喪失使用價值[7]。孫英祥、傅侖瑛等人采用人工加速臭氧老化的室內試驗方法和實際工程的觀測和驗證，初步判定橡膠壩帶的使用壽命為13～25年。此外，由于壩袋材料既輕又柔，它的堅固性與剛性材料無法比擬，運行中壩袋可能受到冰凌、尖銳石塊及人為破壞等也會嚴重影響壩袋使用壽命，進而影響工程安全，因此加強運行管理工作對橡膠壩工程極為重要[8-9]。

早在1970年Harrison已使用有限元方法建立了上下游都有水且無溢流情況下的橡膠壩二維模型；1990年Hsieh等人建立了上游有水、下游無水情況下，壩袋無自重、無形變的橡膠壩靜態模型；2000以來，美國弗吉尼亞綜合研究院與州立大學對橡膠壩的自由振動、三維振動、非線性振動、壩頂溢流方面進行了試驗研究[2-6]。國內方面，中國水利水電科學研究院、天津大學等許多單位結合具體的橡膠壩工程對不同壩型進行了振動研究。為適應在不同條件下應用橡膠壩，我國進行了大量的試驗研究，如壩袋膠布的膠料配方研究，采用帆布試制，開展壩袋抗波浪試驗、泥沙沖淤試驗、壩袋振動試驗，橡膠壩流量系數試驗、壩袋錨固、充氣橡膠壩技術研究等[2-6]。

目前，國內外對橡膠壩壩袋的特性研究多處于設計、制造階段，已運行多年的橡膠壩壩袋由于取樣困難，對其拉伸強度、斷裂伸長率等特性研究較少，相應的壩袋檢測規范也較少。因此，運行多年的壩袋大多通過外觀檢查來評價其工程質量。本文以潮白河河槽村橡膠壩為例，通過現場檢查、取樣、制樣、室內試驗、強度計算等綜合評價壩袋質量，為今后已運行多年的橡膠壩壩袋安全評價提供借鑒和參考。

1 工程概況

河槽村橡膠壩位于北京市密云區潮白河河道上，樁號0+900，于2009年建成，至今已運行13年。該工程等別為Ⅲ等，建筑物級別為3級，地震原設防烈度為Ⅶ度。橡膠壩壩高3.5m，壩長210m，采用斜坡式結構，壩袋采用J260260-2材料，壩袋帆布為兩布三膠。壩袋內壓比為1.4，共三跨。正常蓄水位為4m，蓄水量約120萬m3。工程段順水流方向全長97m，由進口鋪蓋段、壩身段、消力池、海漫、充排系統和管理房等組成。河道地基為砂礫料地基。

2 壩袋檢測

2.1 壩袋外觀

為了解橡膠壩壩袋外觀質量，現場采用查看、尺量等方法檢查壩袋有無凹陷、缺膠、帆布斷裂、氣泡、死褶等，并對典型外觀缺陷進行拍照顯像，記錄壩袋外觀缺陷[10-12]。

經現場檢查，發現橡膠壩壩袋表觀存在老化，局部修補過的部位表觀脫膠，局部表皮脫落、破損。

2.2 壩袋檢測

橡膠壩已運行多年，現場處于過流狀態，如對主要受力部位取樣，勢必破壞壩袋整體性。因此，本次對錨固端尾部非受力壩袋進行現場取樣。

(1)檢測依據及采用儀器

根據室內試驗條件，本次檢測項目主要包括膠層厚度、膠料拉伸強度、斷裂伸長率、硬度、壩袋拉伸強度、最大負荷下的伸長率、膠料與織物粘合強度[13-14]。

膠料的拉伸強度、斷裂伸長率試驗主要依據GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》，主要試驗儀器包括裁刀、測厚計、拉力試驗機；膠料硬度檢測依據GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法》，主要使用儀器為邵氏硬度計；壩袋拉伸強度、最大負荷下的伸長率主要依據SL 235—2012《土工合成材料測試規程》中的條帶拉伸試驗法，試樣按寬條法制備，主要儀器包括具有等速拉伸功能的試驗機、夾具等；膠料與織物粘合強度檢測包括剝離力及剝離強度，依據GB/T 532—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠與織物粘合強度的測定》，主要儀器包括試驗機、自動圖表記錄儀。

(2)試驗結果及分析

本次對取樣壩袋的外覆蓋膠、夾層膠、內覆蓋膠分別測量了厚度，對比SL 554—2011《橡膠壩袋》規定的層膠厚度，所取試樣均滿足規范要求。河槽村壩袋膠層厚度檢測結果見表1。

表1 河槽村壩袋膠層厚度檢測結果 單位：mm

根據GB/T 528—2009規定，外層膠拉伸強度≥14MPa，斷裂伸長率≥400%，本次分別對外層膠、底層膠做了4組試驗，其中外層膠拉伸強度平均值為10.2MPa，是規范要求的73%，斷裂伸長率為279%，是規范要求的70%。膠料的邵氏硬度值，基本滿足規范要求。由試驗可知經過10多年的運行的河槽村橡膠壩壩袋膠料的力學性能下降了30%左右。壩袋膠料物理力學性能檢測結果見表2。

表2 河槽村壩袋膠料物理力學性能檢測結果

因現場取樣有限，只制備了2個完整的壩袋寬條試樣，進行了拉伸試驗，壩袋拉伸試驗結果如圖1所示，力學性能檢測結果見表3。根據SL 554—2011壩袋拉伸強度值416kN/m，試驗結果為332.9kN/m，是規范要求的80%，壩袋整體抗拉強度衰減了20%左右。

圖1 壩袋拉伸試驗曲線圖

表3 河槽村橡膠壩壩袋物理力學性能檢測結果

分別對內層膠、外層膠2個試樣進行了硫化橡膠與織物粘合強度剝離試驗，硫化橡膠與織物粘合強度試驗。試驗結果分別見表4、如圖2所示。從試驗結果來看，內層膠最大剝離力、剝離強度明顯大于外層膠，可能與外層膠受環境影響較大有關，從整體來看，橡膠硫化橡膠與織物粘合強度較好。

圖2 硫化橡膠與織物粘合強度剝離試驗曲線圖

表4 硫化橡膠與織物粘合強度剝離試驗結果

3 壩袋強度計算

3.1 計算理論與公式

根據GBT 50979—2014《橡膠壩工程技術規范》，充水式橡膠壩壩袋徑向計算強度可按下式計算[13]：

(1)

式中，T—壩袋徑向計算強度，kN/m；γ—水的重度，10kN/m3；α—壩袋內外壓比，取1.4；H1—設計壩高，m，取3.5m。

在確定壩袋強度安全系數時還應考慮下列因素：①壩袋膠布材料加工制成膠布時強度損失一般達15%～25%；②材料強度存在的不均勻性；③壩袋在使用過程中因老化所造成的強度損失；④工程規模和重要性等。現行行業標準SL 554—2011給出的壩袋膠布強度已經考慮了上述因素，并進行了折減。

本次復核并對壩袋進行了取樣和力學性能試驗，試驗結果表明力學性能較規范值下降了25%左右，故在計算壩袋強度安全系數時可直接采用SL 554—2011中的膠布強度折減。

3.2 計算結果

河槽村橡膠壩壩袋實際檢測強度為332.9kN/m，強度安全系數的計算結果為6.04，見表5，略大于GBT 50979—2014中規定的充水壩壩袋強度安全系數不小于6.0的要求。但此次取樣為非受力部位，從理論上講強度檢測結果較受力部位偏高。且該壩袋運用時間已接近設計年限，存在一定老化和損傷，建議盡快更換壩袋。

表5 壩袋強度計算結果

4 評價結論及建議

4.1 結論

對運行13年的河槽村橡膠壩壩袋開展安全評價工作，通過對壩袋外觀質量檢查、現場取樣及室內試驗、壩袋強度計算等得出以下結論。

(1)從外觀上來看，河槽村橡膠壩壩袋局部修補過的部位表觀脫膠，局部表皮脫落、破損，進一步發展會危及整個壩袋安全。

(2)運行13年的河槽村橡膠壩壩袋，膠料厚度、硬度基本滿足現行規范要求，橡膠硫化橡膠與織物粘合性良好，但膠料抗拉強度、扯斷伸長率降低了30%左右，壩袋抗拉強度降低了20%，壩袋整體力學性能指標下降顯著。

(3)壩袋徑向計算強度安全系數為6.04，與規范規定的充水壩壩袋強度安全系數不小于6.0的要求很接近，本次取樣均為非受力部位，計算結果可能較受力部位高。

4.2 建議

壩袋外觀出現了老化及局部破損，現狀強度安全裕度較低，且已運行13年，臨近使用年限，建議盡快更換壩袋。為保障河槽村橡膠壩安全，建議在更換壩袋之前，制訂保壩安全應急措施。

5 結語

隨著橡膠壩運行年限的增長，壩袋會出現老化、破損等現象，影響壩袋使用壽命，甚至危及橡膠壩工程安全。本文以潮白河河槽村橡膠壩為工程實例，探討了運行多年的壩袋安全評價方法。從外觀質量、室內試驗、強度計算3方面綜合評價了壩袋質量，為之后運行多年的橡膠壩壩袋安全評價提供重要借鑒。

本文所取試驗樣品均取自壩袋非受力部位，其檢測的抗拉強度、扯斷伸長率等力學性能僅僅反映了壩袋局部質量狀況，而壩面、錨固等壩袋受力部位未取樣檢測。根據判斷，受力部位壩袋的力學性能指標衰減應比非受力部位更嚴重，為更準確評價壩袋質量狀況，需進一步研究檢測評價方法。