充氣橡膠壩壩袋改造中復(fù)核方法的分析

朱 軍，馬振文，丁立國

（1.沈陽市渾河管理中心，遼寧 沈陽110011；2.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003）

王家灣橡膠壩工程位于渾河沈陽城段上游河道上，是一座以攔河蓄水形成連續(xù)水面，開發(fā)旅游、美化環(huán)境、改善自然景觀的水利工程項(xiàng)目。工程建成于2004年10月，工程形式為單跨66m的6孔充氣式橡膠壩，總長401m，壩高3.5m，防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。壩底板采用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬10m、厚1.5m。壩袋采用二布三膠堵頭式無縫彩色壩袋，雙錨線螺栓錨固，徑向強(qiáng)度520kN/m、緯向強(qiáng)度260kN/m，安全系數(shù)11。

1 問題的提出

王家灣橡膠壩底板高程43m，壩頂高程46.5m，正常運(yùn)行水位47m。因當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)周期短，考慮安全性因素，內(nèi)外壓比選用0.75，部分項(xiàng)目相對(duì)考慮不周。建成后，橡膠壩長期處于高水位運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)上游右岸濱水路及苗圃等設(shè)施造成淹沒，對(duì)岸邊沖刷破壞時(shí)有發(fā)生。為彌補(bǔ)氣壩無調(diào)節(jié)能力的缺陷和壩上過流對(duì)下游沖刷的不利影響，2005年10月在1號(hào)壩段下游增設(shè)了二級(jí)消力池及護(hù)坦，對(duì)下游河岸進(jìn)行了加固處理。2006年對(duì)橡膠壩進(jìn)行了功能優(yōu)化改造，將原66m長的6號(hào)壩段由氣壩改成兩孔等寬的充水式橡膠壩，仍采用原壩袋，底板抬高0.6m，在水氣壩之間增加了導(dǎo)流墻。對(duì)2～5號(hào)壩段下游進(jìn)行了河底防護(hù)。在水壩建成后，雖然用水壩調(diào)節(jié)，使氣壩不過流，暫時(shí)解決了上游回水的影響。但在陽光直射下，壩袋實(shí)際高度達(dá)到了4.0m，受風(fēng)擺影響壩頭磨損漏氣現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。工程無法正常運(yùn)行且安全隱患極大。

考慮到王家灣橡膠壩工程建成僅5年時(shí)間，建設(shè)成本達(dá)到4000萬元，如果完全新建或進(jìn)行大規(guī)模的改建都是不經(jīng)濟(jì)的，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造，可最大程度地節(jié)約改造成本。為此，提出了仍采用原充氣設(shè)備、壩袋和錨固槽，只降低壩袋高度的改造方案，并委托相關(guān)部門進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

2 2種復(fù)核方法分析

壩袋改造的復(fù)核計(jì)算主要經(jīng)歷了2個(gè)階段，應(yīng)用了2種復(fù)核方法，得到的結(jié)果卻存在較大差異。

2.1 在壩袋與底板夾角為零情況下的復(fù)核方法

首先采用的是規(guī)范中列舉的在壩袋與下游底板夾角ω=0情況下的復(fù)核方法，此種方法在新橡膠壩設(shè)計(jì)過程中被廣泛采用。

（1）基本公式

式中γ為水的容重，10kN/m3；α為袋內(nèi)壓比，即內(nèi)壓水頭與設(shè)計(jì)壩高之比；H1為設(shè)計(jì)壩高，m。

式中T1為壩袋設(shè)計(jì)徑向拉力數(shù)值，此次從安全角度出發(fā)按原設(shè)計(jì)數(shù)值衰減50%計(jì)算，取260kN/m。

（2）驗(yàn)證結(jié)果

采用上述方法進(jìn)行復(fù)核，考慮到橡膠壩降低壩高后，仍采用原錨固槽形狀發(fā)生的變化。從降低壩袋高1.0m開始向下試算壩袋內(nèi)壓比數(shù)值和壩袋安全系數(shù)，復(fù)核是否滿足規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算和查閱充氣式橡膠壩壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)表，得出在壩高降至2.7m、內(nèi)壓比0.57、安全系數(shù)為7.47最為合理。但《規(guī)范》中規(guī)定：充氣式橡膠壩宜選用的數(shù)值為內(nèi)外壓比為0.75～1.10，安全系數(shù)為8.0以上。由于試算產(chǎn)生的結(jié)果不在規(guī)范的推薦范圍內(nèi)，請(qǐng)相關(guān)專家進(jìn)行論證，得出極有可能產(chǎn)生V字流和壩端漏水嚴(yán)重現(xiàn)象，建議進(jìn)一步研究并進(jìn)行水工模型試驗(yàn)的結(jié)論。

2.2 壩袋與底板夾角不為零的情況

通過進(jìn)一步分析和查閱相關(guān)資料，特別是從2007年10月河南省水利學(xué)會(huì)橡膠壩學(xué)組會(huì)議中交流的 《橡膠壩壩袋與下游底板夾角不為零情況下參數(shù)的計(jì)算》成果獲得啟示，認(rèn)識(shí)到王家灣橡膠壩為維持錨固槽不變，會(huì)出現(xiàn)壩袋與下游底板夾角不為零的情況。使用MATLAB軟件，用3次樣條插值計(jì)算橢圓積分值，進(jìn)行重新復(fù)核，并采用《規(guī)范》中ω=0的特殊情況進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算示意圖見圖1。

圖1 充氣式橡膠壩計(jì)算示意圖

（1）公式

袋壁拉力公式T=R·P，

式中R為曲率半徑，m；P內(nèi)外壓差，kN/m2。

壩袋上游面內(nèi)外壓差P=r(H0-y），

式中r為水的容重，10kN/m3；ω為下游壩袋與水平面夾角；y下游曲線任意點(diǎn)縱坐標(biāo)；H0為內(nèi)壓水頭，m；H1為設(shè)計(jì)壩高，m。

應(yīng)用橢圓積分公式，上游任一點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1），

式中E，F(xiàn)為橢圓積分。

（2）驗(yàn)證結(jié)果

采用壩高H1=2.5m，原設(shè)計(jì)內(nèi)壓比H0=0.75H1，ω=0，驗(yàn)證見表1，最大誤差0.4cm，在允許范圍內(nèi)，用此方法進(jìn)行壩袋設(shè)計(jì)是合理的。

表1 公式驗(yàn)證表

（3）壩袋復(fù)核

參數(shù)計(jì)算：從節(jié)約成本方面考慮，橡膠壩錨固槽長度（即是貼地段長度）要求保持不變，為2.53m，在壩高2.5m情況下，采用內(nèi)外壓比0.75，0.8，1.0分別進(jìn)行復(fù)核，見表2。

表2 壩袋復(fù)核參數(shù)表

壩袋強(qiáng)度復(fù)核：橡膠壩原壩袋膠布徑向強(qiáng)度520kN/m，正常運(yùn)行時(shí)間是15～20年?？紤]橡膠壩已運(yùn)行4～5年，按最不利情況強(qiáng)度衰減50%計(jì)算，壩袋強(qiáng)度取260kN/m時(shí)，在內(nèi)外壓比分別取0.75，0.8，1.0時(shí)， 計(jì)算壩袋拉力對(duì)應(yīng)為 24.397，26.259，33.858，安全系數(shù)為 10.66，9.90，7.68。 可見除內(nèi)外壓比采用1.0除外，其它兩種情況可滿足《規(guī)范》提出的安全要求。

壩袋長度復(fù)核：橡膠壩原上部壩袋有效長度10.183m，為改造可利用長度，重新錨固所需長度為1.7m，按改造后壩袋有效長度在8.483m以下條件進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)表2中計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算壩袋有效長度分別為6.949，6.908，6.849m，都可以滿足要求。

綜上所述，經(jīng)計(jì)算得出：從壩袋與下游底板不為零的實(shí)際情況出發(fā)，王家灣橡膠壩仍采用原有錨固槽、壩袋，選用內(nèi)外壓比為0.75，0.80時(shí)，將壩高降低至2.5m時(shí)的改建方案都是可行的。

3 結(jié)語

采用《規(guī)范》中常用的方法復(fù)核，在此情況下的壩袋應(yīng)力最為均勻，是新設(shè)計(jì)橡膠壩中最為常見的一種理想情況，而在實(shí)際情況下，特別是在壩袋改造過程中，條件發(fā)生變化，一定程度上反映出了此種計(jì)算方法的不適用性。所以，在橡膠壩改造過程中，應(yīng)針對(duì)壩體的實(shí)際情況，選用與之相適應(yīng)的計(jì)算方法，才能對(duì)實(shí)際工作起到相關(guān)的指導(dǎo)作用。

[1]SL227—98，橡膠壩技術(shù)規(guī)范[S].

[2]高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南[M].北京.中國水利水電出版社，2004.

[3]陸吾華，候作君.橡膠壩設(shè)技與管理[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[4]劉要敏.橡膠壩設(shè)計(jì)與施工淺議[J].河南水利與南水北調(diào)，2008，(7).