寒冷地區(qū)橡膠壩設(shè)計(jì)

劉 麗，唐振華，張大鵬

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

寒冷地區(qū)橡膠壩設(shè)計(jì)

劉 麗，唐振華，張大鵬

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

橡膠壩作為一種新型水工建筑物，具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工期短、抗震性好、維修方便和造型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，被各國(guó)廣泛應(yīng)用于閘壩工程、灌溉渠系工程、海岸防浪堤和城市河道治理以及園林工程等領(lǐng)域。文章結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例，探索寒冷地區(qū)橡膠壩防冰凍設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，供同類工程參考。

寒冷地區(qū)；橡膠壩；設(shè)計(jì)；抗冰凍

世界上第一座橡膠壩于 1957 年由美國(guó)工程師N.M.Lmbert-son 建在洛杉磯河上，橡膠壩是以高強(qiáng)合成纖維織物為受力骨架，用合成橡膠為保護(hù)層和止水層的膠布按要求的尺寸，錨固于河床混凝土底板和河岸邊墻上成封閉袋體，利用充排水（氣）控制其升降活動(dòng)的袋式擋水壩。

橡膠壩于 1992 年被我國(guó)科委列為國(guó)家百項(xiàng)技術(shù)推廣項(xiàng)目之一，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，正以強(qiáng)勁的勢(shì)頭在世界各地得以進(jìn)一步推廣。特別是關(guān)于寒冷地區(qū)橡膠壩的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究，對(duì)其在寒冷地區(qū)的應(yīng)用及推廣具有十分重要的意義。橡膠壩在我國(guó)分布廣泛，西到新疆維吾爾自治區(qū)石河子市，東到黑龍江省雞西市梨樹(shù)區(qū)，北到黑龍江省大興安嶺林區(qū)加格達(dá)奇，南到海南省五指山市。此文以遼寧省撫順市前進(jìn)攔河閘橡膠壩工程設(shè)計(jì)實(shí)例，探索寒冷地區(qū)橡膠壩防冰凍設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

工程始建于 1981 年，主要由攔河壩、進(jìn)水閘和兩岸防護(hù)堤組成，原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為 10 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為 20 年一遇，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為 1040 m3/s。原泄水閘底板采用折線型，共設(shè) 49 孔閘門(mén)擋水。閘門(mén)為半“K”字型鑄鐵閘架插板式結(jié)構(gòu)，凈過(guò)水寬度為 147m，閘門(mén)擋水高度為 1.0m，閘門(mén)擋水頂高程 243.30m（同正常蓄水位）。進(jìn)水閘布置在左岸庫(kù)內(nèi)側(cè)，共 2 孔，單孔寬 1.60m，底板頂高程為 242.60m。兩岸邊墻均為半重力式漿砌石擋土墻，墻高 2.60～3.75m。

2011 年經(jīng)水利部核查確定此工程為四類壩。除險(xiǎn)加固后，工程等別為Ⅲ等、主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為 20 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，將原鑄鐵閘架插板式結(jié)構(gòu)水閘改造為橡膠擋水壩。除險(xiǎn)加固后的前進(jìn)攔河閘由橡膠壩、沖沙閘和進(jìn)水閘組成；新建沖沙閘布置在左岸進(jìn)水閘下游側(cè)，設(shè) 2 孔，單孔寬 3m；重建進(jìn)水閘，結(jié)構(gòu)尺寸與控制高程與現(xiàn)狀進(jìn)水閘相同。

閘址區(qū)地處遼寧省東部高寒山區(qū)，大陸性氣候，冬季寒冷降水量少，夏季炎熱降水量多。多年平均年降水量 810.9mm，多年平均氣溫 5.2 ℃，最冷月平均氣溫-23 ℃。最大凍土深 1.69m。閘址區(qū)基礎(chǔ)土層為圓礫層，其下為紫色泥質(zhì)粉砂巖。圓礫層，巖性以花崗巖，石英巖等為主，天然密度為 21 kN/m3，孔隙率為 0.33%，允許承 載力為 350kPa，滲透系數(shù)為 0.069cm/s，允許滲透比降為水平段為0.22,出口段為 0.50。

2 橡膠壩設(shè)計(jì)

前進(jìn)橡膠壩壩長(zhǎng) 132.8m，壩高 1.50m，分兩跨，單跨長(zhǎng) 66.00m,中敦厚 0.80m，橡膠壩充脹頂高程為 243.30m（與原閘門(mén)頂高程同），壩袋充排水系統(tǒng)設(shè)在右岸壩頭泵房?jī)?nèi)，用庫(kù)水充壩。

2.1 壩袋設(shè)計(jì)

壩袋按充脹介質(zhì)可分為充水式和充氣式，充氣式橡膠壩國(guó)內(nèi)建的不多，此工程采用枕式充水式橡膠壩袋，充水橡膠壩設(shè)計(jì)內(nèi)外壓比值選用1.40。經(jīng)計(jì)算，壩袋徑向拉力為 10.125kN/m。壩袋緯向拉力計(jì)算較為復(fù)雜，當(dāng)壩袋充脹后，由于錨固線的約束，各部位的受力情況不同。試驗(yàn)表明，袋壁的最大緯向拉力均較徑向拉力小，壩袋中段的緯向拉力可取徑向拉力的 50%，即 5kN/m；兩端附近折皺區(qū)，受力情況比較復(fù)雜，可按徑向拉力的100%計(jì)算，即 10kN/m。

英語(yǔ)單詞數(shù)量雖然龐大，但構(gòu)成單詞的元素——詞根、前綴、后綴等卻是有限的。常見(jiàn)的詞根有300多個(gè)，常見(jiàn)的前綴、后綴有100多個(gè)。如果學(xué)生能掌握這些基本構(gòu)件，從一個(gè)詞根發(fā)散到眾多新單詞，便能輕松擴(kuò)大詞匯量。如表示“非/不”的前綴un-/in-/im-/non-/dis-，表示“人”的后綴-er/-or/-ist，表示“狀態(tài)”的后綴-ment/-tion/-ness，表示“再、又”的前綴-re等。

橡膠壩袋袋壁材料采用 1布 2膠，即 2層氯丁橡膠，1 層錦綸帆布，袋布總厚 1.18mm。壩袋型號(hào)為 JBD1.5-160160-1，膠布型號(hào)為 J160160，徑/緯向膠布強(qiáng)度為 160/160kN/m。

2.2 底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）底板長(zhǎng)度確定。壩底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度由下式確定：

Ld=1/2L0+L1+L2

式中：Ld——底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度，m；L0——壩袋有效周長(zhǎng)，5.041m；L1，L2——上、下游安裝、檢修通道，1.50m；

計(jì)算 Ld=5.52m，考慮底板兼顧承接壩頂溢流水舌并起水平導(dǎo)向作用，充分利用面流消能，確定壩底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度 Ld=7.00m。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橡膠壩底板采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，垂直水流向長(zhǎng)度為 132.80m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng) 7.00m。 底板頂 高 程為 241.80m、 底高程 為240.80m， 底 板 厚 度 為 1.0m， 下 設(shè) 0.10m 厚C15F100 混 凝 土 墊 層 。 底 板 混 凝 土 標(biāo) 號(hào) 為C25F250，為滿足防凍要求，在底板上下游側(cè)各設(shè)一道深 0.5m，底寬 0.5m，坡比為 1∶1 的齒槽。

壩底板沿垂直水流向每 19m 設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，縫間設(shè)置一道橡膠止水帶。壩底板與上游側(cè)防滲鋪蓋、下游側(cè)消力池底板之間分別設(shè)置一道橫向橡膠止水帶。

2.3 橡膠壩錨固設(shè)計(jì)

為了減少壩袋的振動(dòng)與摩擦，錨固線的布置采用雙錨固線錨固。壩袋的錨固結(jié)構(gòu)型式采用螺栓壓板錨固。錨固件的上壓板、墊板要求做防腐處理，涂防銹漆。

2.4 橡膠壩袋與兩岸的連接設(shè)計(jì)

堵頭式和斜坡式是根據(jù)現(xiàn)有河道邊坡形狀確定的。此工程橡膠壩分 2孔，兩岸邊墻為直立半重力式邊墻，橡膠壩與兩岸連接形式采用堵頭式。

在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠壩壩袋錨固在直墻上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下列不利情況：①當(dāng)壩袋充到設(shè)計(jì)高度時(shí)，靠近直墻部位的壩袋出現(xiàn)很深的的褶皺，這樣不僅降低了壩袋的有效高度，而且壩內(nèi)殘存的氣體不易排除；②當(dāng)壩袋坍落時(shí)，壩袋兩端仍掛在邊墻上，過(guò)流阻水，且壩袋易被飄浮物刺破；③在橡膠壩運(yùn)行時(shí)，壩袋兩端部位應(yīng)力比較復(fù)雜，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，長(zhǎng)期使用，壩袋易損壞。為了改善上述不利情況，采用壩袋兩端錨固線仍布置在底板兩端，堵頭式壩袋不和直墻錨固，只利用堵頭與直墻的擠壓，達(dá)到止水的目的。充水后，壩袋全斷面形狀相同，不起褶皺，壩袋應(yīng)力分布比較均勻。當(dāng)橡膠壩袋塌壩運(yùn)行時(shí)，壩袋全部塌落在底板上，兩端與端墻處不需處理。

2.5 橡膠壩冬季運(yùn)行措施

寒冷地區(qū)的充水式橡膠壩，冬季擋水時(shí)壩袋內(nèi)易結(jié)冰，塌壩運(yùn)行時(shí)壩袋表面會(huì)過(guò)冰，都會(huì)對(duì)壩袋造成不良影響。

冬季對(duì)橡膠壩壩袋給予保護(hù)一直是運(yùn)行中備受關(guān)注的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)忻州市郭家寨水庫(kù)橡膠壩2年冬季結(jié)冰運(yùn)行的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)外界最低氣溫為-17 ℃時(shí)，壩袋內(nèi)最低點(diǎn)溫度為-6.5 ℃，二者變化不同步，袋內(nèi)溫度變化滯后于外界氣溫，且壩袋內(nèi)日平均溫度比外界日平均氣溫平均高約 8.81 ℃，詳見(jiàn)圖 1。同時(shí)發(fā)現(xiàn)壩袋在補(bǔ)水過(guò)程中，溫度上升，水充填了冰與壩袋之間的空隙，將壩袋內(nèi)冰與壩袋內(nèi)壁分離開(kāi)來(lái)。根據(jù)每天3次：早 8：00，午 14：00，晚 16：00，壩袋內(nèi)溫度以小時(shí)加權(quán)平均后，計(jì)算出橡膠壩內(nèi)部各點(diǎn)的日平均溫度等值線，詳見(jiàn)圖 2。結(jié)冰過(guò)程中，溫度每降低 1 ℃，歷時(shí)一晝夜，壩袋內(nèi)可增加冰厚 0.7cm 左右；溶解過(guò)程中，溫度每增加 1 ℃，歷時(shí)一晝夜，壩袋內(nèi)可溶解1cm 左右厚的冰,結(jié)冰速度小于融冰速度。

圖1 壩袋內(nèi)外溫差實(shí)測(cè)曲線

圖2 壩袋內(nèi)部各點(diǎn)的日平均溫度等值線

因此橡膠壩冬季充脹運(yùn)行時(shí)，應(yīng)每隔數(shù)日對(duì)橡膠壩壩袋進(jìn)行排水及充水運(yùn)行，這樣才能防止壩袋內(nèi)結(jié)冰對(duì)壩袋造成損壞，但運(yùn)行費(fèi)用較高。

如果橡膠壩冬季坍壩運(yùn)行，若河道內(nèi)水流冰的厚度較小，一般不會(huì)對(duì)壩袋造成破壞影響；若壩袋表面過(guò)流能保持一定的水流深度，冰就會(huì)浮在水面，也不會(huì)對(duì)壩袋造成損壞。

3 幾點(diǎn)體會(huì)

3.1 關(guān)于結(jié)冰期運(yùn)行需注意的問(wèn)題

寒冷地區(qū)冬季室外溫度很低，河道水流會(huì)結(jié)冰，橡膠壩壩袋充脹運(yùn)行時(shí)壩袋內(nèi)水也會(huì)結(jié)冰，如果橡膠壩冬季運(yùn)行措施不當(dāng)，壩袋內(nèi)外冰都會(huì)對(duì)壩袋造成損害。橡膠壩冬季充脹擋水運(yùn)行時(shí)，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行排水和充水運(yùn)行，確保壩袋內(nèi)不結(jié)冰或少結(jié)冰，因此，壩袋的充排水管道、閥門(mén)等冬季必須做好保溫措施，保證管道不結(jié)冰，所有設(shè)施都能夠正常運(yùn)行，以滿足冬季融冰和坍壩的要求；如果橡膠壩冬季塌壩運(yùn)行，要保證壩袋表面有一定的水深或?qū)未M(jìn)行保護(hù)。

3.2 閘室段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面的控制因素

均質(zhì)土基上的攔河閘防滲排水布置應(yīng)根據(jù)閘基地質(zhì)條件、上下游水位差及選用的防滲排水設(shè)施，結(jié)合閘室、消能防沖和兩岸連接布置綜合分析確定。閘基輪廓尺寸初步確定后，首先需進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核，然后再依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》逐項(xiàng)進(jìn)行閘室段的穩(wěn)定（抗滑、抗傾覆、抗?。ū匾獣r(shí)））等各項(xiàng)計(jì)算后，確定閘室段結(jié)構(gòu)輪廓。在規(guī)劃和可研階段，可以估算閘基防滲長(zhǎng)度，而初步設(shè)計(jì)階段必須仔細(xì)核算閘基防滲長(zhǎng)度，這一項(xiàng)很重要，是制約工程安全的控制要素。

3.3 有利于靈活的運(yùn)行管理

橡膠壩的充排水管路控制系統(tǒng)以及水泵均布置在堤外坡河道內(nèi)，泵房通往控制室的大門(mén)正對(duì)河堤路，近岸側(cè)回填土高程控制在 246.00m,等同右岸河堤路高程，可形成約 35m2的平臺(tái)，便于汛期搶險(xiǎn)作業(yè)，也利于運(yùn)行管理。

［1］栗秉忠.橡膠壩冬季結(jié)冰情況的觀測(cè)［J］.山西水利科技，2005，157（3），23～25.

TV551

B

1002－0624（2014）04－0001－03

2013-10-30