吉縣清水河橡膠壩錨固設(shè)計(jì)及研究

任衍斌

（臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 臨汾 041000）

1 清水河橡膠壩工程概況

清水河是黃河的一級(jí)支流，是吉縣境內(nèi)最大的季節(jié)性河流之一，由縣城東北向西南橫穿而過(guò)。清水河橡膠壩工程位于山西省臨汾市吉縣縣城段的清水河上，是吉縣清水河河道綜合治理工程之蓄水工程的重點(diǎn)。清水河吉縣城屬四等城鎮(zhèn)，工程按20年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，河道洪峰流量為1 025 m3/s，工程等級(jí)為IV等，擋水建筑物為4級(jí)。擋水建筑物即橡膠壩計(jì)劃共建9座，壩段分為橡膠壩段和消力池段兩部分，橡膠壩段長(zhǎng)10 m，消力池段長(zhǎng)12m，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橡膠壩壩寬最大為40 m，采用的充水式橡膠壩為單向擋水，壩袋內(nèi)外壓比為1.3，壩袋采用彩色橡膠壩袋，為二布三膠，堵頭為一布兩膠，壩袋抗扯斷強(qiáng)度為360 kN/cm，在每個(gè)壩段壩袋端部設(shè)排氣孔，壩袋高即蓄水高度考慮設(shè)計(jì)流量及河道寬度不同，分別為2.7 m和2.0 m，相應(yīng)的橡膠壩兩端端墻為箱涵式擋墻，高度分別為3.2 m和2.5 m，擋墻寬1.0 m，箱涵寬0.2 m僅用于排污。工程于2010年5月進(jìn)行招投標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)已建成4號(hào)橡膠壩，其余的橡膠壩在施工中。

2 壩袋錨固線布置形式和錨固結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

充水式橡膠壩工程錨固的要求是既要牢固可靠地承受壩袋的拉力，又要密封不透水，以使橡膠壩起到擋水作用。錨固結(jié)構(gòu)是橡膠壩工程主要組成部分，是橡膠壩能否安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一。考慮到設(shè)計(jì)的橡膠壩較高，壩袋固線布置采用對(duì)壩袋磨損和震動(dòng)影響較小的雙線錨固布置，單向擋水枕式壩錨固形式。上、下游及兩端頭固線平行，錨固高程相同。端頭錨固線布置在端根部，為減少壩袋塌肩對(duì)設(shè)計(jì)高度的影響，端墻底板設(shè)計(jì)成1:10的坡度，長(zhǎng)度2.0 m。上、下游錨固線的距離，根據(jù)所選取的內(nèi)壓比及壩高2.7 m和2.0 m,按照《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》［1］通過(guò)查表法計(jì)算求得上、下游均設(shè)置錨固線的距離，分別為5 612 mm和4 916 mm。橡膠壩底板槽深為0.175 m,槽與壩袋的接觸面為1:0.4的斜坡,寬為0.2 m,深為0.175 m。端墻的端頭錨固采用墻內(nèi)錨固形式，槽底寬及接觸面坡度與底板錨固槽相同，受底板坡度的影響，深度變?yōu)?.169 m。

錨固結(jié)構(gòu)設(shè)置在橡膠壩底板的錨固槽內(nèi)，采用了工程中較為常用的螺栓平面壓板式穿孔式錨固形式：螺栓采用M27螺栓，長(zhǎng)900 mm，間距200 mm；為減少壩袋充水擋水后因錨固力而產(chǎn)生靜滑動(dòng)摩擦對(duì)壩袋的破壞,橡膠壩袋被夾在墊平片、抗磨片與止水海綿、底墊片之間。錨固結(jié)構(gòu)安裝完成后，槽內(nèi)填充M4.0水泥砂漿。錨固結(jié)構(gòu)中墊平片、抗磨片、底墊片均為橡膠片,止水海綿粘在底墊片上主要起密封止水作用，抗磨片主要布置在下游側(cè)，是為防止錨固安裝后因錨固槽內(nèi)填充水泥砂漿對(duì)壩袋的磨損而增設(shè)。為了穩(wěn)固M27螺栓，螺栓錨固段特加設(shè)φ20鋼筋,通長(zhǎng)布置;上、下壓板長(zhǎng)度錨固為側(cè)60.4 m,堵頭錨固側(cè)為8.2 m，采用曲線形，螺栓和上下壓板均為鋼板；其結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 橡膠壩錨固結(jié)構(gòu)詳圖

3 錨固力計(jì)算與研究

在設(shè)計(jì)過(guò)程中螺栓壓板式錨固力計(jì)算主要根據(jù)壩袋徑向設(shè)計(jì)拉力，來(lái)設(shè)計(jì)螺栓和上壓板。現(xiàn)以壩袋高為2.7 m的橡膠壩為例進(jìn)行錨固結(jié)構(gòu)各參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 螺栓直徑的計(jì)算

螺栓直徑d取決于螺栓受力情況，穿孔錨固形式的受力情況主要是:在壩袋充脹擋水時(shí)，螺栓既承受錨固壩袋所需拉力，又承受上壓板的偏心拉力（假定螺栓橫斷面應(yīng)力成均勻分布），螺栓所承受的錨固力實(shí)際為二者之和。《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》［3］第119頁(yè)提供了相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

式中：P0——螺栓設(shè)計(jì)拉力，N/cm；

K——安全系數(shù)，取K=3.0；

T——壩袋徑向拉力，N/cm，《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》L227—98［1］第19頁(yè)附錄B里稱之為壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度。

其中：α=H0/H1，稱為壩袋內(nèi)外壓比，又稱內(nèi)壓比；H0為壩袋內(nèi)水壓力；H1為設(shè)計(jì)壩袋高（270 cm）；γ為水的容重，根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》［1］SL227—98 經(jīng)方案比較選取 α=1.3。

θ—壩袋徑向拉力T與基礎(chǔ)底板夾角（°）,本次設(shè)計(jì)θ=75.5°；

l——上壓板端頭至螺栓中心的距離，cm；

L——上壓板寬度，cm；

f——壩袋膠布與止水海綿膠片之間的摩擦系數(shù)；f1——壩袋膠布與上壓板間的摩擦系數(shù)。

上式中，上壓板寬度L一般為2l,則公式可簡(jiǎn)化為：

以上公式既考慮到了螺栓在壩袋充水及擋水后因水壓力而產(chǎn)生的壩袋徑向拉力對(duì)錨栓錨固力的影響，又考慮到膠布材料及膠布與上壓板之間的摩擦,以及壩袋徑向拉力T與基礎(chǔ)底板夾角θ對(duì)錨栓錨固力的影響。其中壩袋徑向拉力取決于設(shè)計(jì)壩高H1和內(nèi)壓比α，加上θ角值設(shè)計(jì)時(shí)它們的值均以選定；而膠布材料及膠布與上壓板之間靜摩擦系數(shù)則與所選材料有關(guān)，因此選取的上壓板和膠布材料不同，其間的摩擦系數(shù)會(huì)有差別?！端姽こ啼撻l門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74—95）[2]中推薦的橡皮對(duì)鋼的靜摩擦系數(shù)f1在0.65與0.3之間，橡皮對(duì)不銹鋼的靜摩擦系數(shù)f1在0.5與0.2之間。至于壩袋與止水海綿則屬同種材料之間的摩擦，其值則大于橡皮對(duì)鋼的f值，由此可知錨固結(jié)構(gòu)發(fā)生滑動(dòng)破壞，必發(fā)生在上壓板與壩袋或壩袋與止水海綿之間。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到上壓板與壩袋、壩袋與止水海綿之間的摩擦系數(shù)選取范圍較大，設(shè)計(jì)時(shí)則改用的是《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》L227—98[1]第45頁(yè)附錄D.1螺栓壓板式錨固中所提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算進(jìn)行初選,公式如下：

式中：Q0——每根螺栓承受的荷載，kN；

T0——單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載，kN/m；

k1——栓緊力及扭轉(zhuǎn)力的影響系數(shù)，選取k1=1.75；T0——單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載，kN/m；

n——1 m長(zhǎng)度內(nèi)的螺栓根數(shù)，通過(guò)計(jì)算螺栓間距可求，螺栓間距應(yīng)根據(jù)所采用的壓板剛度和螺栓直徑進(jìn)行計(jì)算確定，螺栓間距宜取0.2～0.3 m，本工程取0.2 m，則n實(shí)際為5個(gè)。

從公式(4)可知每根螺栓承受的荷載Q0主要跟單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載T0有關(guān)。《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》L227—98［1］附錄D第45頁(yè)規(guī)定:單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載T0應(yīng)考錨固件的強(qiáng)度、耐久性、錨固力、銹蝕等因素，根據(jù)所采用的錨固結(jié)構(gòu)形式計(jì)算確定。因此在設(shè)計(jì)初選計(jì)算T0時(shí)，參考了《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》[3]所提供的穿孔錨固螺栓計(jì)算公式（1）,用公式中所提供的安全系數(shù)K乘以利用公式（2）所求的壩袋徑向拉力T就認(rèn)為是T0，此時(shí)的T0單位為N/cm，換算成kN/m后代入公式（4），以此公式來(lái)計(jì)算單位長(zhǎng)度（1m）每根螺栓承受的荷載Q0為30.62 kN。

螺栓直徑的選取除了考慮每根螺栓承受的荷載Q0外，還與所選螺栓的材料允許拉應(yīng)力［σ］有關(guān),《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》L227—98附錄D第45頁(yè)提供公式如下為：

式中：d——螺栓直徑,m；

［σ］——螺栓允許拉應(yīng)力（kN/m2），設(shè)計(jì)時(shí)所選的螺栓材料允許拉應(yīng)力經(jīng)換算為110 000 kN/m2。

根據(jù)以上參數(shù),初步確定d≥0.0 215 m。因此選取螺栓直徑應(yīng)不小于22 mm，相應(yīng)的螺栓規(guī)格為M22。

需要指出的是，由于此種方法忽略了膠布材料之間及膠布與上壓板之間靜摩擦以及壩袋徑向拉力T與基礎(chǔ)底板的夾角θ對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，只增加了規(guī)范提供的栓緊力及扭轉(zhuǎn)力的影響系數(shù)kl，按這種方法設(shè)計(jì)得出的螺栓直徑d偏小，只能作為螺栓的初選值。設(shè)計(jì)螺栓直徑d時(shí)，仍需要在確定膠布材料之間及膠布與上壓板之間靜摩擦系數(shù)之后，利用參考《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》[3]第118頁(yè)至119頁(yè)提供的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。另外由中國(guó)水利水電出版社出版的《橡膠壩工程技術(shù)指南》[4]第152頁(yè)至158頁(yè)中也提供了錨固螺栓直徑設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算公式。設(shè)計(jì)時(shí)兩者都可采用，然后結(jié)合已有同類工程經(jīng)分析后確定螺栓直徑d,對(duì)重要工程還應(yīng)該在做專門的錨固結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，以保證錨固的牢固可靠。本次設(shè)計(jì)最后經(jīng)綜合分析后確定選用M27螺栓。

3.2 螺栓錨固長(zhǎng)度的計(jì)算

螺栓錨固長(zhǎng)度由埋設(shè)在混凝土內(nèi)和混凝土表面外兩部分組成。

混凝土表面外的長(zhǎng)度應(yīng)考慮安裝時(shí)給底墊片2.0 mm、止水海綿10 mm、壩袋7.0 mm、抗磨片7.0 mm、墊平片7.0 mm、兩個(gè)M27螺母預(yù)留長(zhǎng)度。另外在擰緊螺母后還需預(yù)留至少2～3個(gè)牙紋的長(zhǎng)度，對(duì)于M27粗牙螺紋一個(gè)牙紋長(zhǎng)度為3 mm，則至少預(yù)留9 mm。經(jīng)計(jì)算混凝土表面外的初選長(zhǎng)度為71 mm。考慮到還有上壓板厚度沒(méi)有計(jì)入并加大預(yù)留長(zhǎng)度值，最后根據(jù)具體情況確定設(shè)計(jì)值為135 mm。

埋在混凝土基礎(chǔ)中的深度，應(yīng)保證錨栓通過(guò)其和混凝土之間的粘著力傳遞拉力。根據(jù)鋼筋與混凝土粘結(jié)原理，若混凝土在錨固力的作用下受拉破壞，會(huì)產(chǎn)生類似圓錐的破裂面。而橡膠壩混凝土基礎(chǔ)受錨栓拉力未破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)為錐形，簡(jiǎn)稱應(yīng)力錐，而在應(yīng)力錐面積范圍內(nèi)的應(yīng)力則為有效應(yīng)力。為防止出現(xiàn)應(yīng)力錐重疊使錨栓的拔拉破壞機(jī)率增大，應(yīng)使錨栓縱向應(yīng)保持合適的距離,即限制單位長(zhǎng)內(nèi)錨栓的個(gè)數(shù)。若發(fā)生重疊則還需按要求增加混凝土基礎(chǔ)錨固螺栓的長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)時(shí)埋置在混凝土基礎(chǔ)中的深度計(jì)算，可根據(jù)錨栓的工作拉力P來(lái)求，設(shè)計(jì)參考《橡膠壩工程技術(shù)指南》[4]第160頁(yè)提供公式如下：

式中：Ld——錨栓埋深；

P——錨栓的工作拉力；

X——為系數(shù)，對(duì)于埋入混凝土中的錨頭取0.65，若錨頭超出表面鋼筋以外，X=0.85；

R——C25混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度；

Ad——錨頭面積，保守計(jì)算按φ25選取。

初選計(jì)算Ld時(shí)我們把每根螺栓承受的設(shè)計(jì)荷載Q0值代入公式（6），經(jīng)換算后發(fā)現(xiàn)其值很小為172 mm，錨栓埋深應(yīng)根據(jù)規(guī)范按構(gòu)造來(lái)計(jì)算?！断鹉z壩技術(shù)規(guī)范》SL227—98［1］第45頁(yè)規(guī)定:對(duì)于光面鋼筋錨固長(zhǎng)度，當(dāng)其直徑d>16 mm時(shí)，錨固長(zhǎng)至少為20d，考慮到錨栓的要求，其彎鉤則為4d。經(jīng)計(jì)算結(jié)果為648 mm。設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加長(zhǎng)確定Ld為765 mm，螺栓錨固設(shè)計(jì)長(zhǎng)度合計(jì)總長(zhǎng)為900 mm。

3.3 扭緊力矩及上壓板強(qiáng)度和剛度

為了嚴(yán)防扭緊力過(guò)大將螺栓扭斷破壞，需計(jì)算扭緊力矩。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)螺紋的螺栓扭緊力矩，設(shè)計(jì)時(shí)參考《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》[3]第119頁(yè)提供的計(jì)算公式：

MC——螺栓扭緊力矩,N·cm；

Q0——每根螺栓計(jì)算荷載，N；

d——螺栓直徑，cm。

經(jīng)計(jì)算確定扭緊力矩Mc=6 613.9 N·cm。

在工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況扭緊力矩可適當(dāng)增減，并且每次壩袋充水后，都要將螺母反復(fù)多次擰緊，使其獲得足夠的扭緊力。

上壓板的強(qiáng)度是由壩袋徑向拉力T的垂直分力Tsinθ作用在上壓板端頭上的彎矩M和上壓板材料允許壓應(yīng)力[σ]以及上壓板抗彎截面模數(shù)Wx來(lái)確定，其計(jì)算參考《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》第120頁(yè)提供的公式為：

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》L227—98[1]附錄D第46頁(yè)所提供的公式可知，θ取90°時(shí)上壓板所承受的彎矩最大,此時(shí)計(jì)算較為安全，公式則簡(jiǎn)化：

M——壩袋拉力作用在壓板上產(chǎn)生的彎矩，N·cm；

T——壩袋拉力N/cm；

I——力臂，為螺栓中心至壓板邊緣的距離，cm；

k2——為安全系數(shù),一般取3；

[σ]——上壓板材料允許應(yīng)力，N/cm2。

由于現(xiàn)階段我國(guó)沒(méi)有對(duì)上壓板的型號(hào)及尺寸進(jìn)行過(guò)統(tǒng)一的規(guī)定，所以其型號(hào)及尺寸一般依廠家根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況而定。

3 總結(jié)和建議

以上就是根據(jù)現(xiàn)有的充水橡膠壩設(shè)計(jì)中常用的螺栓壓板式錨固理論知識(shí)及相關(guān)公式，進(jìn)行了吉縣清水河橡膠壩壩袋錨固線布置形式及錨固結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，計(jì)算初步選取驗(yàn)證了螺栓直徑、螺栓錨固長(zhǎng)度、扭緊力矩等參數(shù)。分析上述參數(shù)可以看出，決定橡膠壩錨固設(shè)計(jì)質(zhì)量的因素有：壩袋徑向拉力，壩袋膠布之間及壩袋膠布與上壓板之間的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)，錨固螺栓的直徑，所選材料的性能等，其中壩袋徑向拉力取決于設(shè)計(jì)水位和壩袋充水擋水時(shí)的內(nèi)外壓比，壩袋徑向拉力在選擇橡膠壩的形式和水位時(shí)已經(jīng)基本確定。設(shè)計(jì)和實(shí)際工程應(yīng)用中存在的一些不確定性因素主要是所選材料的性能及材料與材料之間的相互關(guān)系，而這些不確定因素設(shè)計(jì)時(shí)一般難以掌握，往往只能采用單一安全系數(shù)計(jì)算對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制，以減少不確定性因素對(duì)橡膠壩錨固結(jié)構(gòu)的影響。因此在實(shí)際橡膠壩工程中，設(shè)計(jì)單位宜根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中一些如實(shí)際的工作拉力、扭緊力矩等工程參數(shù)通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行收集和整理，以便與本次設(shè)計(jì)中計(jì)算的相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)照,分析如壩袋膠布之間、壩袋膠布與上壓板之間的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)等不確定性因素對(duì)它們的影響,優(yōu)化螺栓壓板式錨固設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)單位應(yīng)及時(shí)與施工單位及相關(guān)設(shè)施生產(chǎn)單位進(jìn)行聯(lián)系，加強(qiáng)技術(shù)交流和相互學(xué)習(xí)，從而不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)成果更加科學(xué)完善、經(jīng)濟(jì)合理。

［1］水利部.（SL227—98）橡膠壩技術(shù)規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.19,45～46.

［2］水利部.（SL74—95）水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.73.

［3］王溥文，韓昌海，童中山.橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.118～120

［4］高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南[M].北京:中國(guó)水利水電水電出版社,2006.152～160