無塌肩橡膠壩技術(shù)設(shè)計(jì)探討

周政民 曹曉芬

（承德市武烈河河道管理處 067000）

1 問題的提出

橡膠壩是20世紀(jì)50年代末隨著高分子合成材料的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型擋水建筑物。橡膠壩具有型式新穎、外形美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理運(yùn)用方便、使工期短、投資省、見效快等許多優(yōu)點(diǎn)。在我國已建橡膠壩中，以直墻式堵頭結(jié)構(gòu)的枕式壩袋為主。對(duì)于高水頭枕式橡膠壩，橡膠壩充壩運(yùn)行時(shí)，受壩袋本身重力、壩袋與中邊墩岸墻產(chǎn)生的摩擦力等多種因素的影響，致使壩端產(chǎn)生的局部褶皺不能打開，端部壩袋不能全部展開，形成壩袋端部塌肩現(xiàn)象。壩頭塌肩，一是降低橡膠壩的有效壩高，工程效益不能充分發(fā)揮；二是壩袋溢流不均，影響壩體的整體美觀，加速壩袋老化；三是壩袋端頭褶皺處膠布易形成應(yīng)力集中，久而久之會(huì)使膠布過早老化和脫膠，給工程運(yùn)行帶來隱患。

壩頭塌肩現(xiàn)象在直墻枕式壩袋中是一種普遍現(xiàn)象，壩袋設(shè)計(jì)高度越高，壩頭塌肩現(xiàn)象越大、越明顯。從已建成的橡膠壩運(yùn)行情況看，2.0m以下的橡膠壩基本不存在塌肩（見圖1），2.0m以上的橡膠壩塌肩現(xiàn)象普遍存在，尤以4.0m以上的高壩更加明顯（見圖2）。

針對(duì)枕式橡膠壩壩頭塌肩現(xiàn)象，多年來，在枕式橡膠壩的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了有益的探索和嘗試，提出了一些塌肩解決辦法。

a.改進(jìn)中邊墩施工工藝方式。將中邊墩做磨光處理，在端墻應(yīng)用鋼絲網(wǎng)水磨石面或在端墻表面涂抹環(huán)氧樹脂，減少壩袋堵頭與中墩的摩擦力；另外抬高端部底板，將靠近兩岸端的壩底板錨固線稍許抬高。

b.采取人工踩踏壩頭方式。將壩袋端部平鋪展開，在充壩過程中，人工及時(shí)踩踏端部壩袋，使壩袋盡量不形成褶皺，減少壩頭塌肩。

圖1 承德市武烈河第五道橡膠壩（淺槽壩高2.0m）

圖2 承德市武烈河第五道橡膠壩（深槽壩高3.5m）

c.采取往兩端壩頭充氣方式。首先向壩袋內(nèi)充水，通過充氣使壩頭端部打開、展平，減少壩端的褶皺，從而減少壩頭塌肩現(xiàn)象。

d.采取在中邊墩安裝自動(dòng)化起吊設(shè)備，解決壩頭塌肩問題。通過起吊設(shè)備將端部壩袋在未充壩之前全部展開到設(shè)計(jì)高度，將壩端褶皺全部打開，解決橡膠壩壩頭塌肩現(xiàn)象。

但這些措施，需要人工現(xiàn)場(chǎng)輔助操作，操作運(yùn)行受運(yùn)行條件的限制，沒有從設(shè)計(jì)根本上解決橡膠壩壩頭塌肩的問題。解決好枕式橡膠壩壩頭塌肩現(xiàn)象，對(duì)推動(dòng)我國橡膠壩技術(shù)的全面發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 解決方法的探討

橡膠壩壩頭塌肩歸根到底，與中邊墩的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、形式有著直接的關(guān)系，枕式壩袋在壩頭處產(chǎn)生塌肩，而斜坡式橡膠壩壩袋兩端部不存在塌肩現(xiàn)象，而只在壩袋兩端部起坡點(diǎn)處易出現(xiàn)皺折現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，將兩種設(shè)計(jì)型式、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，能夠有效地解決橡膠壩的塌肩的問題。在我國，既有枕式壩袋又有斜坡式橡膠壩，他們各有其優(yōu)、缺點(diǎn)，但在工程的結(jié)構(gòu)布置上又有很多相似之處，不妨進(jìn)行想象，改進(jìn)邊坡的連接形式，既保留枕式橡膠壩的連接型式又保留斜坡式橡膠壩的連接型式，將中邊墩設(shè)計(jì)成斜坡直墻式型式。

2.1 斜坡直墻式連接型式的設(shè)想

我國已建橡膠壩高度一般在6m以下，2.0m以上的橡膠壩塌肩現(xiàn)象普遍存在，尤以4.0m以上的高壩更加明顯，而已建成的2.0m以下橡膠壩基本上不存在塌肩現(xiàn)象。斜坡直墻式連接型式的橡膠壩在距離中邊墩1.0m以內(nèi)起坡，坡比大于1，根據(jù)橡膠壩壩袋的設(shè)計(jì)高度確定斜坡的高度，通過斜坡連接相對(duì)抬高了橡膠壩壩底板的錨固高度，壩袋在斜坡上通過自重直接平鋪于斜坡上，壩袋充水時(shí)，壩袋展開的以下部分不會(huì)出現(xiàn)褶皺，而是直接緊貼于中邊墩上，上邊剩余壩袋高度控制在2.0m以下。通過以上措施，可從根本上解決橡膠壩塌肩現(xiàn)象。

2.2 斜坡直墻式連接型式的可行性

斜坡橡膠壩的壩袋長度（垂直水流方向）必須等于河床的濕周（這也是壩袋塌壩放水時(shí)壩袋平鋪于底板、不阻水的基本要求）。當(dāng)壩袋充水達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，壩袋頂點(diǎn)線滿足河道開口要求，因此濕周大于河道開口直線，故壩袋在坡腳處必然產(chǎn)生折皺。而直墻式橡膠壩（枕式橡膠壩）由于壩袋靠堵頭與直墻連接，壩袋不與直墻錨固，當(dāng)壩袋充水達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，壩袋頂點(diǎn)線與河道開口相同，壩袋在直線段不產(chǎn)生折皺。但由于壩袋堵頭與側(cè)墻之間產(chǎn)生摩擦力，端部壩袋不能全部展開，形成壩袋端部塌肩現(xiàn)象。

斜坡直墻式連接型式既保留了枕式橡膠壩具有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有兼有斜坡式橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)。斜坡直墻式連接型式在距離中邊墩1.0m以內(nèi)起坡，行洪斷面減少有限，壩袋塌落后，平鋪于壩底板和斜坡上，基本不影響河道行洪。同時(shí)斜坡斷面的增加，也更有利于中邊墩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，所設(shè)斜坡段立壩蓄水時(shí)全部在水面以下，不影響整個(gè)河道景觀。

2.3 斜坡直墻式連接型式對(duì)行洪的影響

按照上述設(shè)想，假定壩高4.0m，斜坡邊坡比為m=1，則斜坡高度為h1=1m，斜坡坡長為h2=1.414m，h塌高=4－1－1.414=1.586m＜2m，斜坡段面積 S=1/2×1×1×2=1m2，基本不影響行洪。

而斜坡式橡膠壩假定壩高4.0m，斜坡邊坡比為m=1，則斜坡高度為 h1=4m，斜坡段面積 S=1/2×4×4×2=16m2，對(duì)行洪有一定影響。

而直墻式橡膠壩假定壩高4.0m，目前設(shè)計(jì)上采取的措施一般是將靠近兩岸端的壩底板錨固線稍許抬高0.1m左右，斜坡邊坡比為m=1，則斜坡段面積S=1/2×0.1×1×2=0.1m2，對(duì)行洪基本沒有影響。

2.4 斜坡直墻式橡膠壩高度的設(shè)計(jì)（見圖3）

圖3 斜坡直墻式橡膠壩高度設(shè)計(jì)

設(shè)斜坡直墻式橡膠壩的壩高為h≤6m，斜坡邊坡比為m≤1m，假設(shè)塌肩靜高度h塌高≤2m，則斜坡段高度應(yīng)滿足h1=（h－2）/2，斜坡坡長為h2={[（h－2）/2]2+[（h－2）/2m]2}1/2。

斜坡上部與直墻折角處以上壩袋受壩袋自重的影響，自然向下平鋪塌落于斜坡段上，即（h－2）/2+{[（h－2）/2]2+[（h－2）/2m]2}1/2高度以下的壩袋在壩袋升高過程中會(huì)平鋪于斜坡墻及中邊墩墻上，不會(huì)產(chǎn)生褶皺。（h－2）/2+{[（h－2）/2]2+[（h－2）/2m]2}1/2=h－h(huán)塌高。

將上述已知條件代入上式得：h塌高≤2m，符合設(shè)計(jì)要求。

斜坡直墻式橡膠壩各段壩高的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見下表。

按照以上理論計(jì)算，從上表可以看出，當(dāng)h≤2m時(shí)，h塌高≤2m，可以不設(shè)斜坡段即為直墻式（枕式）橡膠壩；當(dāng) h＞2m 時(shí)，設(shè)置斜坡段后，h塌高＜2m，滿足設(shè)計(jì)要求。從計(jì)算結(jié)果分析來看，設(shè)計(jì)壩高較高時(shí)，坡比選擇大一些，設(shè)計(jì)壩高較小時(shí)，坡比選擇小一些，更符合實(shí)際要求。

斜坡直墻式橡膠壩各段壩高設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果表

斜坡直墻式橡膠壩壩袋展開圖（見圖4）設(shè)計(jì)在斜坡段參照斜坡橡膠壩展開圖進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，在直墻段參照直墻式橡膠壩展開圖進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。斜坡段上游側(cè)最好按照壩袋設(shè)計(jì)斷面的弧線布置，下游側(cè)可按直線布置，若上游側(cè)采用折線布置時(shí)，則應(yīng)將上游底板的錨固線向邊坡延伸0.3～0.4m，然后才分布若干段折線向上布置，解決壩袋在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生折皺問題。

3 結(jié)語

圖4 斜坡直墻式橡膠壩壩袋展開圖

斜坡直墻式橡膠壩型式的提出，豐富了橡膠壩的設(shè)計(jì)型式，解決了橡膠壩塌肩的技術(shù)難題，對(duì)促進(jìn)我國橡膠壩技術(shù)的發(fā)展，一定會(huì)起到積極的促進(jìn)作用。