砂性土河道充水式橡膠壩集水廊道失效原因及改進(jìn)措施

摘 要：充水式橡膠壩的應(yīng)用日益廣泛使用，其集水廊道失效現(xiàn)象逐漸增多。對砂性河道上充水橡膠壩集水廊道的失效原因進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)措施，并以太湖縣長河水環(huán)境整治工程3#攔河堰為例，詳細(xì)介紹了在無砂混凝土集水廊道的基礎(chǔ)上增加斜插反濾進(jìn)水管的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過滲流計(jì)算驗(yàn)證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性。相關(guān)成果可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：橡膠壩；集水廊道；斜插反濾進(jìn)水管；長河；攔河堰；砂性土

中圖分類號：TV640；TV139.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0418

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來，橡膠壩在我國發(fā)展迅速。截至2006年10月，我國已建成橡膠壩約2 000 座，近年來更是以每年新建300座左右的速度發(fā)展 。橡膠壩適用于低水頭、大跨度的閘壩工程，具有施工期短、工程造價(jià)低、運(yùn)行維修方便、抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn)，比傳統(tǒng)閘壩節(jié)省投資30%～60%[1]。旱季橡膠壩袋內(nèi)充水或充氣成壩擋水，滿足工農(nóng)業(yè)及生活用水需要，汛期排出壩袋內(nèi)的水或氣塌壩，方便河道泄洪。由于充氣橡膠壩內(nèi)氣體具有較大的壓縮性，充氣橡膠壩在壩頂溢流時(shí)出現(xiàn)凹口現(xiàn)象，水流集中，對下游河道的沖刷較強(qiáng)，而且對氣密性要求較高，這些不利因素限制了充氣式橡膠壩的應(yīng)用。目前，我國大部分橡膠壩充壩介質(zhì)以水為主。橡膠壩充水水源根據(jù)水文條件、河道地質(zhì)、自來水管網(wǎng)設(shè)置的情況，采用自流引水管、自來水、大口井、深水井或無砂混凝土集水廊道等方案[2]。

砂性土河指河床主要由直徑0.075～2 mm的砂土顆粒組成，砂土顆粒間無黏聚力，結(jié)構(gòu)松散，按照粒度組成可分為粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。對位于河床寬大的砂性土河道內(nèi)的橡膠壩，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及以往橡膠壩工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，壩袋的充水水源常為無砂混凝土集水廊道。

通過對潛山縣幾座運(yùn)行多年的橡膠壩工程進(jìn)行實(shí)地查勘調(diào)研，發(fā)現(xiàn)類似砂性土河道中采用無砂混凝土集水廊道作為充水水源的橡膠壩工程，在工程運(yùn)行初期充水水源的給水流量較為充足，但在運(yùn)行過程中，壩袋充水水源給水流量不斷減小甚至影響泵站的正常運(yùn)行，如何解決這個(gè)問題是工程的技術(shù)難點(diǎn)。據(jù)某橡膠壩現(xiàn)場運(yùn)管工作人員反映，集水廊道經(jīng)歷5個(gè)汛期后，廊道的集水流量已不能滿足泵站的抽水流量。每個(gè)汛期橡膠壩塌壩后再充水，集水廊道的集水流量都會(huì)減少。具體表現(xiàn)為第1、2個(gè)汛期廊道集水流量減少幅度較小，第3、4、5個(gè)汛期廊道集水流量減少幅度較大。受監(jiān)測手段的限制，不能定量分析廊道集水流量變化。將廊道挖開進(jìn)行集水流量調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，無砂混凝土集水廊道側(cè)墻孔隙附著有細(xì)砂，廊道外側(cè)的人工濾層內(nèi)未見明顯細(xì)砂顆粒，河床基土未見明顯坍塌。對無砂混凝土側(cè)墻進(jìn)行了透水性試驗(yàn)，結(jié)果顯示其透水性較弱。

1 橡膠壩集水廊道失效原因分析

地下集水廊道正常運(yùn)行的關(guān)鍵是營造穩(wěn)定的滲濾系統(tǒng)（河床含水層+人工濾層+集水廊道）。造成其失效的原因主要有兩種：一種是最外層濾料與基土間聚集一層細(xì)砂造成淤堵；另一種是細(xì)砂穿過反濾料，附著于無砂混凝土側(cè)墻上造成淤堵[3]。

人工濾層起著承上啟下的作用，但目前地下集水廊道尚未有專門的濾層設(shè)計(jì)理論與方法，工程上通常采取類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)。將太沙基濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與地下集水工程工況進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)[4]：太沙基濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的關(guān)注點(diǎn)在于“濾土”，被保護(hù)土顆粒一般較細(xì)，滲透系數(shù)小。濾層工作狀況為高水頭、低流量、嚴(yán)格保土。而地下集水工程濾層的關(guān)注點(diǎn)在于“透水”，要求有較高的滲透系數(shù)，濾層工作狀況為低水頭、大流量、強(qiáng)透水、部分保土。顯然兩者的運(yùn)行工況是不同的，因此集水廊道濾層的設(shè)計(jì)需具備一定“濾土”功能，并保持適當(dāng)透水性[5]。工程設(shè)計(jì)中多采用粒徑較大的級配濾料作為人工濾層[6]，在低水頭作用下，河床基土內(nèi)部分細(xì)顆粒流失并穿過人工濾層，最終附著于無砂混凝土側(cè)墻上。

根據(jù)對已建工程的調(diào)查和分析，橡膠壩集水廊道失效主要原因是無砂混凝土集水廊道淤堵。即河床基料內(nèi)部不穩(wěn)定土層中的部分細(xì)粒被水帶動(dòng)，并在滲濾過程中穿過反濾層，最終附著在無砂混凝土廊道側(cè)墻上，從而影響整個(gè)滲濾系統(tǒng)的透水性。可知，無砂混凝土廊道淤堵是導(dǎo)致廊道長期透水性不能實(shí)現(xiàn)的原因[7]。

2 改進(jìn)措施研究

廊道無砂混凝土側(cè)墻淤堵后無簡便有效的清淤措施是導(dǎo)致橡膠壩集水廊道失效的原因。基于此，對廊道原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。改進(jìn)前后集水廊道結(jié)構(gòu)見圖1，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采取以下改進(jìn)措施。①增加新型結(jié)構(gòu)過水通道，在無砂混凝土廊道側(cè)墻設(shè)置一定數(shù)量的斜插PVC管，管子穿過無砂混凝土側(cè)墻，兩端與無砂混凝土側(cè)墻內(nèi)外壁齊平，斜插管進(jìn)水口低，出水口高，管內(nèi)填充反濾料，并用鍍鋅鐵絲網(wǎng)封堵管口。無砂混凝土側(cè)墻作為斜插管的基礎(chǔ)，在工程運(yùn)行初期，兩者作為集水廊道透水體共同工作。②新型結(jié)構(gòu)過水通道為可拆卸可更換型式，考慮工程運(yùn)行一定時(shí)間后出現(xiàn)集水廊道無砂混凝土側(cè)墻及斜插管內(nèi)反濾料被堵塞的情況，斜插管管口鐵絲網(wǎng)及管內(nèi)反濾料采用可拆卸更換的型式，即當(dāng)斜插管內(nèi)反濾料發(fā)生淤堵時(shí)，可將管口鍍鋅鐵絲網(wǎng)拆卸，取出管內(nèi)反濾料并更換新的反濾料。③斜插反濾管的滲透流量滿足泵站抽水流量的要求，即使無砂混凝土側(cè)墻失效，仍不影響工程正常運(yùn)行。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

長河水環(huán)境整治工程位于安徽省太湖縣境內(nèi)長河干流段，上起花亭湖滾水壩，下至黑河口，全長約27 km。其中3#攔河堰位于長河中上游駝龍山附近，主要功能是抬高蓄水位，解決兩岸居民生活用水及農(nóng)田灌溉用水問題。堰址處河床總寬約450 m，河底高程23.6 m。攔河堰由深孔閘、淺孔閘組成，左岸為3孔單孔凈寬10 m的深孔閘，其余部位為淺孔閘，采用橡膠壩結(jié)構(gòu)，單孔凈寬61 m，共6孔，總凈寬366 m。橡膠壩采用充水式壩袋，壩袋高2.75 m，壩頂高程27.55 m，底板頂面高程24.8 m，檢修期上游水位24.8 m。河床表層土為松散狀態(tài)的細(xì)中砂，層厚3.0～6.9 m，往下依次為砂礫卵石、中粗砂夾礫、粉砂質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖。

3.2 集水廊道布置

本工程集水廊道采用前述改進(jìn)措施，解決橡膠壩充水水源無法保證可靠給水量的問題。工程總體布置如下：在橡膠壩上游河道內(nèi)垂直水流向平行布置3道集水廊道（整體偏長河左岸布置，泵房集水池位于左岸），單排廊道長100 m，寬2 m，高1.5 m。集水廊道末端各順接長2 m的DN600引水鋼管，引水鋼管均與1根引水鋼管垂直連接，將水流匯集并輸送至充水泵站集水池。檢修期上游最低引水水位為24.8 m，集水廊道頂高程與上游河道河底高程齊平，為23.6 m，引水鋼管中心高程均為23.0 m，集水廊道平面布置如圖2所示。

集水廊道由素混凝土底板、無砂混凝土側(cè)墻、側(cè)墻斜插反濾進(jìn)水管、側(cè)墻兩側(cè)反濾料、鋼筋混凝土蓋板等組成，順?biāo)飨驒M剖面布置如圖3所示。每孔集水由遠(yuǎn)及近分別布置厚0.5 m粒徑為3～5 mm的反濾料、厚0.5 m粒徑為5～10 mm的反濾料和厚0.5 m粒徑為10～30 mm的反濾料。反濾料頂部由上至下依次設(shè)厚0.12 mC25混凝土預(yù)制鎖塊（孔隙率25%）、0.1 m厚碎石墊層，混凝土預(yù)制鎖塊頂面與河道底高程齊平，為23.6 m，反濾料底高程為22.1 m。混凝土廊道底板為C25素混凝土結(jié)構(gòu)，底板底面高程22.1 m，厚0.5 m，廊道側(cè)墻采用無砂混凝土結(jié)構(gòu)，高0.75 m，厚0.5 m。廊道頂部設(shè)厚0.12 m鋼筋混凝土預(yù)制蓋板，單塊蓋板尺寸0.5 m×0.5 m。廊道縱向每間隔0.4 m（凈距）設(shè)一道斜插式反濾進(jìn)水管，斜插反濾進(jìn)水管布置見圖4，進(jìn)水管軸線與側(cè)墻交角45°，廊道側(cè)為管口較高側(cè)，反濾進(jìn)水管采用內(nèi)徑0.3 m的PVC管，管內(nèi)上半部分（近廊道側(cè)）填充粒徑為18～24 mm的反濾料，管內(nèi)下半部分側(cè)填充粒徑為6～9 mm的反濾料，管口用鍍鋅鐵絲網(wǎng)封堵固定，網(wǎng)孔直徑3.45 mm。

3.3 集水廊道輸水能力計(jì)算

橡膠壩充水泵站設(shè)計(jì)抽水量為4 505 m3，2 h充滿6個(gè)壩袋，抽水流量為0.626 m3/s，泵站設(shè)計(jì)最低運(yùn)行水位24.6 m。集水廊道進(jìn)水由斜插反濾管進(jìn)水及廊道側(cè)壁進(jìn)水兩部分組成，橡膠壩檢修期上游河道最低引水水位取24.8 m，計(jì)算集水廊道輸水能力。此時(shí)河道與水泵最低運(yùn)行水位的水位差為0.2 m，集水廊道深度為1.0 m，長度為100 m，進(jìn)口、彎頭、出口局部水頭損失及沿程水頭損失取0.05 m（實(shí)際較小），斜插反濾進(jìn)水管滲流流程取管長0.71 m，滲透系數(shù)取0.15 m/s（經(jīng)驗(yàn)值），斜插反濾進(jìn)水管內(nèi)徑0.3 m，共計(jì)858個(gè)斜插反濾進(jìn)水管。廊道側(cè)壁滲流流程壁厚取0.5 m，側(cè)壁進(jìn)水總面積為258 m2，滲透系數(shù)取2×10-2 m/s（經(jīng)驗(yàn)值）[8-9]。

集水廊道輸水能力計(jì)算分別采用達(dá)西定律二維平面法和三維有限元法進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

3.3.1 達(dá)西定律二維平面法

按照達(dá)西定律計(jì)算廊道進(jìn)水流量[10-11]，見式（1）、式（2）。

式中：Q為滲流流量（m3/s）；A為滲流橫斷面面積（m2）；k為沙土的滲透系數(shù)（m/s）；v為滲流流速（m/s）；J為水力坡降；ΔH為滲流前后水頭差（m）；L為滲流流程（m）。

經(jīng)計(jì)算，斜插反濾管進(jìn)水流量Q1=1.91 m3/s，為3.03倍壩袋充水流量；集水廊道側(cè)墻進(jìn)水流量：Q2=1.55 m3/s，為2.46倍壩袋充水流量；集水廊道總進(jìn)水流量Q = Q1 + Q2 = 3.46 m3/s，為5.5倍壩袋充水流量。綜上，考慮無砂混凝土側(cè)墻堵塞，僅斜插反濾管工作的最不利情況，集水廊道滲透流量亦滿足泵站充水流量要求。

3.3.2 三維有限元法

采用Midas GTS NX三維有限元計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算[12]。取1條廊道的單側(cè)側(cè)墻長度的1/10建立三維實(shí)體模型（見圖5）。墻寬0.5 m，長度取10 m（實(shí)際長度100 m），墻高方向分為三段，底部為不透水混凝土結(jié)構(gòu)，高0.5 m，中間段為無砂混凝土及斜插反濾管段，高0.75 m，上部為不透水混凝土結(jié)構(gòu)，高0.25 m。側(cè)墻上、下游側(cè)水頭分別為2.7、2.5m，為保證側(cè)墻兩側(cè)水頭差的形成，墻上部不透水混凝土結(jié)構(gòu)高度取1.95 m。

以側(cè)墻底板底面端頭為坐標(biāo)原點(diǎn)，X為側(cè)墻寬度方向，Y為側(cè)墻長度方向，Z為側(cè)墻高度方向。側(cè)墻兩端及底部假設(shè)為滲透系數(shù)極小的土體，厚度均取2.5 m。側(cè)墻及土體均采用三維實(shí)體單元模擬，為四面體單元，單元總數(shù)為35 612，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為8 312。

側(cè)墻頂部和底部均設(shè)置為不透水混凝土各向同性單元，中間段為透水混凝土各向同性單元，土體為滲透系數(shù)極小的各向同性單元。

圖6為滲流流量分析結(jié)果云圖。整體來看，集水廊道側(cè)墻無砂混凝土及斜插反濾進(jìn)水管范圍內(nèi)滲流流量較大，其它部位滲流流量很小，符合工程實(shí)際情況。無砂混凝土側(cè)墻及斜插反濾進(jìn)水管范圍滲流流量平均值7.6×10-3 m3/s，由此計(jì)算整個(gè)集水廊道的滲流流量為3.42 m3/s，與達(dá)西定律滲流流量計(jì)算結(jié)果接近，滿足泵站充水流量要求。

3.4 工程運(yùn)用效果

工程于2024年3月試運(yùn)行，集取水質(zhì)清澈，集水流量滿足泵站抽水流量，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期[13]。

4 結(jié) 論

（1）通過對橡膠壩無砂混凝土集水廊道采取一定的改進(jìn)措施，在砂性土河道上修建橡膠壩集水廊道工程是可行的。

（2）滲流計(jì)算分析和工程實(shí)踐表明，無砂混凝土集水廊道結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)效果良好，但結(jié)構(gòu)參數(shù)主要依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

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收稿日期：2024-05-17

作者簡介：王麗軍，女，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：153592141@qq.com

2024，8（4）：121-126

Water-filled Rubber Dam on Sandy Soil River

WANG Lijun

（Anhui Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract： Water-filled rubber dams have seen widespread use while the failures of their water collection gallery are also gradually increasing. This study examines the failure causes of the water collecting gallery of water-filled rubber dam on sandy soil river and offers improvement measures. Additionally，taking the water environment improvement project at No.3 weir of Changhe River in Taihu County as a case study，we present a design of adding an inclined anti-filter inlet pipe to the existing sand-free concrete water collecting gallery，and verify the feasibility and reliability of this improved structure through seepage calculation. The findings provide references for similar projects.

Key words：rubber dam；water collecting gallery；inclined anti-filtration inlet pipe；Changhe River；weir；sandy soil