上馬村橡膠壩基礎(chǔ)底板和防滲排水設(shè)計(jì)初步分析

張國慶

（遼寧省營口水文局，遼寧營口 115003）

上馬村橡膠壩基礎(chǔ)底板和防滲排水設(shè)計(jì)初步分析

張國慶

（遼寧省營口水文局，遼寧營口 115003）

橡膠壩是用高強(qiáng)力合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷合成橡膠作黏結(jié)保護(hù)層，加工成膠布，按要求的尺寸，錨固在混凝土基礎(chǔ)底板上，成封閉袋形，用水、氣或水氣混合充脹，形成擋水壩。不需要擋水時(shí)，泄空壩袋內(nèi)的水（氣），便可恢復(fù)原有河渠的過流斷面。文章對(duì)基礎(chǔ)底板和防滲排水設(shè)計(jì)做了初步分析。關(guān)鍵詞：防滲排水；基礎(chǔ)；底板；橡膠壩

1 概 述

沈陽農(nóng)業(yè)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)位于沈陽市東部輝山風(fēng)景區(qū)附近，其境內(nèi)蒲河的治理是開發(fā)區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。根據(jù)開發(fā)區(qū)建設(shè)的總體規(guī)劃，在蒲河上修建兩座橡膠壩作為蓄水工程。該場(chǎng)地位于上馬村附近，蒲河水系第四系沉積物厚度5.4～5.6m，由粉土、礫砂、圓礫組成，底部為古老花崗巖基底。橡膠壩高為2.5m，單跨。壩體總長為40m，壩底板寬為8m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上下層配Φ12的鋼筋，間距為200mm。下層配Φ12＠250的分布鋼筋。考慮到采用的錨固形式以及氣候原因，壩底板厚度為0.8m，底板下面前后各設(shè)一道齒墻以增強(qiáng)壩體抗滑穩(wěn)定性，齒墻深為1.2m。壩底板中間設(shè)瀝青木板沉陷縫2cm。錨固槽為23×30cm，長為40m，兩個(gè)錨固槽中心距為7.0925m。

2 基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)底板的設(shè)計(jì)計(jì)算

1）長度：底板順?biāo)鞣较虻拈L度，等于壩袋塌落寬度與上下游壩袋的安裝、檢查維修所需交通寬度之和，一般交通道上游和下游各取0.5～1.0m。

基礎(chǔ)底板長度的計(jì)算公式為：

式中：L0為壩袋的有效周長，m，L0＝8.4023m；l1為上游交通道寬度，m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取1.5m；l2為下游交通道寬度，m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取2.0m；經(jīng)計(jì)算，Ld＝7.70115m，取8.0m。

2）厚度：一般采用0.3～0.8m，應(yīng)滿足管路布置和結(jié)構(gòu)需要，如有防凍或特殊的要求的工程可適當(dāng)加厚。本設(shè)計(jì)底板厚度選取0.8m為宜［1］。

3）基礎(chǔ)底板的形式：有平底板、低堰底板、折線底板和反拱底板等，橡膠壩工程多采用平底板，但要以不影響水流為原則。

4）地下輪廓線的形狀和尺寸：根據(jù)地基的地質(zhì)條件、壩上、下游的水頭差并結(jié)合考慮錨固槽的需要來選定，底板在上、下游兩端一般均設(shè)齒墻；本設(shè)計(jì)齒墻深為1.2m。

2.2 基礎(chǔ)底板的應(yīng)力和穩(wěn)定計(jì)算

本設(shè)計(jì)計(jì)算是按照基本荷載的正常擋水情況設(shè)計(jì)的?？紤]自重，靜水壓力，揚(yáng)壓力，土壓力等，底板荷載及計(jì)算圖見圖1所示。基礎(chǔ)底板的應(yīng)力計(jì)算利用彈性地基梁法。壩底板寬8m，長40m，中間分一縫，除去邊墩基座長度1m，則每縫長19m，取單位長度1m分析［2］。

圖1 底板荷載及計(jì)算圖

1）荷載計(jì)算：

對(duì)底板上游端點(diǎn)取矩：

M水＝151.85kN；M壩＝339.53kN；M底板＝151.5kN；M揚(yáng)＝－352kN；M水平＝26.04kN。所以，ΣM＝985.42kN。

各力矩對(duì)底板中心的偏心距為：

2）據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)偏心受壓公式計(jì)算底板上、下游端的地基反力：

3）計(jì)算地基反力的平均系數(shù)：

通過上述計(jì)算結(jié)果表明，壩體的抗滑穩(wěn)定，基底壓力不均勻系數(shù)，均小于規(guī)范允許值，基底壓力均小于地基允許承載力，故壩體穩(wěn)定。

4）基礎(chǔ)底板的穩(wěn)定計(jì)算：由于底板下一般設(shè)置齒墻，所以底板的滑動(dòng)不是沿底板的底下表面和地基土壤表面，而是沿著上、下游齒墻最低點(diǎn)的AB連線的土體中滑動(dòng)［3］。因此，抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：

5）底板結(jié)構(gòu)計(jì)算：采用彈性地基梁法計(jì)算底板內(nèi)力，然后進(jìn)行配筋計(jì)算。橡膠壩底板順?biāo)鞣较蜷L8m，垂直水流方向縫距19m，取底板中心線處單位為1m脫離體計(jì)算。

梁撓曲線初參數(shù)方程為：

對(duì)上式求導(dǎo)得：

由壩長40m，兩端擋土墻外延1m，所以分縫長度余下38m，分兩縫，每縫長為19m，任取一段計(jì)算?？紤]最危險(xiǎn)的情況，取在壩最高處單寬1m計(jì)算q值。

式中：K為混凝土抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)，取K＝1.5；r為截面抗矩的塑性系數(shù)，對(duì)于矩形截面取r＝1.55；Ri為混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，R1＝1300kN／m2；b、h為寬度和高度，b＝1.0m，h＝0.8m。

3 防滲排水設(shè)計(jì)

橡膠壩的壩基防滲排水應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)地質(zhì)條件和壩址上、下游水位差等因素，并結(jié)合消能和兩岸布置綜合考慮，以構(gòu)成完整的防滲排水系統(tǒng)。

3.1 地下輪廓線的設(shè)計(jì)

壩基的防滲長度即鋪蓋后板樁等防滲設(shè)施及底板與地基接觸線長度，是壩基滲流的第一條流線長度。要經(jīng)濟(jì)、合理地設(shè)計(jì)地下輪廓及與之相應(yīng)的防滲、排水設(shè)施。橡膠壩雖然是小工程，擋水高度不高，但與一般的擋水建筑物一樣，都存在基礎(chǔ)防滲問題。無論是各類土基或巖基，底板的地下輪廓布置均應(yīng)遵照防滲與排水相結(jié)合的原則，即在橡膠壩基礎(chǔ)上游布置防滲設(shè)施，如防滲鋪蓋、板樁（后截水槽、或防滲墻）、灌漿帷幕等，用來延長滲徑，減小底板滲透壓力，降低壩基平均滲透坡降，并保證不超過規(guī)定的允許值；在下游則布置排水設(shè)施，如排水孔和反濾層等，使?jié)B透水流盡快地安全排走，防止?jié)B流出口處發(fā)生滲透變形，并減小底板滲透壓力，增加基礎(chǔ)的抗滑穩(wěn)定性。

3.2 上游鋪蓋設(shè)計(jì)

鋪蓋的長度應(yīng)根據(jù)防滲效果好和工程造價(jià)低的原則確定，一般為擋水高度的2～4倍，或?yàn)樯稀⑾掠嗡徊畹?～5倍至7～8倍，對(duì)于滲透系數(shù)大的基礎(chǔ)，長度可達(dá)20～30m。鋪蓋材料可用混凝土、漿砌石、黏土做成；在缺少上述材料的地方，可用厚塑料布或薄橡膠片做成。鋪蓋既能增加防滲段長度，加大滲徑，減少底板揚(yáng)壓力，也可防止河床被淘刷。

根據(jù)防滲要求，經(jīng)計(jì)算防滲鋪蓋長度為20m，厚度0.4m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3 海漫

水流經(jīng)過護(hù)坦（消力池）后，若其流速尚能沖刷自然河床時(shí)，為了保護(hù)底板、護(hù)坦及河床防止沖刷應(yīng)設(shè)置海漫。海漫一般用拋石、砌石、鉛絲石籠或混凝土塊鋪筑。海漫要求耐沖，透水，柔軟，以適應(yīng)不均勻沉陷。海漫厚度取為0.3～0.5m。本設(shè)計(jì)取0.4m厚。為了減少滲透壓力，漿砌石海漫段長5m內(nèi)設(shè)2排水孔。干砌石海漫長20m，下設(shè)反濾層。

3.4 消力池設(shè)計(jì)

護(hù)坦低于底板，并采用一斜坡段連接，坡度為1∶4。消力池的設(shè)計(jì)按水工建筑物的常規(guī)設(shè)計(jì)。一般采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。如護(hù)坦作為防滲段的一部分，則應(yīng)做成不透水的，此時(shí)在護(hù)坦下面作用有滲透壓力，因而要適當(dāng)加厚以維持自身的穩(wěn)定。如護(hù)坦不作為防滲段的一部分，則應(yīng)做成透水的。

建在河道上的橡膠壩，一般都采用水躍式消能，橡膠壩塌壩時(shí)間，隨著塌落過程中，若上游水位不變，則流量隨著橡膠壩塌落而增大，下游水位也逐漸增高，上、下游水位差而逐漸變小，則在一跨壩袋下落到某一高度時(shí)，消力池的長度最大，以此確定消力池的長度：

3.4.1 下游水深hd與流量Q關(guān)系的確定

由下面公式先確定下游水深hd與流量Q之間的關(guān)系，任取hd值，求出對(duì)應(yīng)的Q值：

3.4.2 設(shè)計(jì)流量Qd和消力池深度d的確定

選取多個(gè)流量分別求出其相應(yīng)的躍后水深h2，并和下游水深hd比較，則（h2－h(huán)d）的最大值對(duì)應(yīng)的流量為設(shè)計(jì)流量Qd。

計(jì)算過程為：

1）設(shè)定一個(gè)流量 Q，根據(jù) hd～Q曲線可得到hd。

2）單寬流量q＝Q／b

4）T0＝H0＋P＋di

H0＝2.8m，0.3為壩上水頭，P為跌差取2m，d為池深（試算時(shí)取d＝0）則T0＝4.8m。

5）根據(jù)梯形斷面明槽收縮斷面水深及水躍共軛水深求解圖（《水力學(xué)》附錄IV清華大學(xué)水力學(xué)教研組編）由的值差T0～hk關(guān)系表，可得的比值，進(jìn)而求出躍后水深h2。

6）消力池深度：

式中：σ為水躍淹沒系數(shù)，取σ＝1.05；q為單寬流量，m3／s；φ為流量系數(shù)，可近似取為σ＝0.95。

以上為第一輪計(jì)算，將第一輪計(jì)算的d值代入，進(jìn)行第二輪計(jì)算，又可得（h2－h(huán)d）和d；再進(jìn)行下一次試算，直到（h2－h(huán)d）的值呈下降趨勢(shì)為止，此時(shí)，一般情況下所設(shè)d值與計(jì)算所得d值很接近。則（h2－h(huán)d）對(duì)應(yīng)的流量為設(shè)計(jì)流量，池深為d。

經(jīng)過計(jì)算可得消力池的深度為d＝0.66m，取d＝0.7m。

計(jì)算長度L：

3.5 滲徑驗(yàn)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，擬定滲徑。水利工程的壩下土基中的防滲計(jì)算方法有：直線比例法、流網(wǎng)法和阻力系數(shù)法（滲徑系數(shù)法），直線比例法有勃萊法和萊因法兩種。本設(shè)計(jì)采用勃萊法計(jì)算滲徑長度。即假設(shè)滲透水頭沿著地面輪廓線逐漸消減，不論是垂直滲流，還是水平滲徑，因此，都是成直線比例關(guān)系，關(guān)系式為：

式中：L為地下輪廓線長度，包括全部水平與垂直滲徑長度；△H為壩體承受的最大水頭差。

根據(jù)上式算出基礎(chǔ)底板有關(guān)各點(diǎn)的滲壓水頭后，就可繪出底板滲壓水頭分布圖。勃萊法還認(rèn)為，地下輪廓總長度與滲透水頭應(yīng)保持一定的比例關(guān)系，這個(gè)比例的值叫做勃萊滲徑系數(shù)C，故：

勃萊系數(shù)隨地基土質(zhì)條件而定。本設(shè)計(jì)采用的C＝8。所以L＝44mm。整體工程滲徑長度路徑長L：L＝53.49m＞44m

所以滲徑長度滿足要求。即校核結(jié)果滿足防滲要求。

［1］周樹奎，宋雪峰，孫海峰.芻議北方寒區(qū)橡膠壩工程規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.黑龍江水利科技，2008，36（03）：61.

［2］周政民.橡膠壩工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討［J］.水利建設(shè)與管理，2010（06）：10－11.

［3］莫花帖，黃德強(qiáng).長瓦水電站橡膠壩設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2010（19）：39－41.

Preliminary Design Analysis of Foundation Slab and Anti－seepage Drainage for Shangma Village Rubber Dam

Zhang Guo-qing
（Liaoning Province Yingkou Hydrology Bureau，Yingkou 115003，China）

Rubber dam takes high strength synthetic fiber fabric as the bearing frame，internal and external synthetic rubber adhesive protection layer is coated and processed into fabric，according to the required size，then anchored in the concrete foundation slab. Water，gas or gas mixture is inflated to form a dam. When it is not necessary to block water，empty the dam bag in the water（gas），flow section can restore the original canal. This paper made a preliminary analysis of the foundation and the seepage control design of rubber dam.

anti-seepage drainage；foundation；slab；rubber dam

TV543

A

1007－7596（2014）08－0070－04

2014－05－06

張國慶（1983－），男，遼寧蓋州人，工程師，研究方向?yàn)樗臏y(cè)驗(yàn)、地下水及水資源評(píng)價(jià)等。