高橋灣橡膠壩壩袋及錨固結構設計

王長江 舒劉海 胡 嵩

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230000）

高橋灣橡膠壩壩袋及錨固結構設計

王長江 舒劉海 胡 嵩

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230000）

針對霍山高橋灣橡膠壩工程，闡述了充水枕式橡膠壩壩袋及錨固結構的設計與計算，供同類工程借鑒。

橡膠壩 壩袋設計 錨固結構 防銹蝕處理

1 工程概況

高橋灣水利樞紐工程位于霍山縣城北側、淮河支流東淠河干流上佛子嶺水庫壩下約19km處，是以攔蓄環(huán)境水、改善水生態(tài)環(huán)境為主，結合發(fā)電及旅游等功能的綜合利用工程。樞紐工程主要建筑物由橡膠壩、控制閘、水電站、進廠道路及影響處理工程等組成。

橡膠壩壩型為充水式橡膠壩，壩高3.10m，壩頂高程65.60m，底板高程62.50m，共布置8跨，每跨長67.50m，壩袋全長540m，中墩及邊墩厚均為1.00m。

2 壩袋設計

考慮高橋灣橡膠壩較長，且分跨布置，為不影響行洪要求，不宜設計為斜坡壩，采用枕式壩，并盡量減小中墩尺寸以較小阻水的情況。

橡膠壩的錨固型式分為螺栓壓板式錨固、楔塊擠壓式錨固和膠囊充水式錨固等。根據(jù)工程特點及重要性，并多方調(diào)研，該工程橡膠壩袋錨固型式采用螺栓壓板式錨固。螺栓壓板式錨固的錨固布置有兩種方式：單線錨固和雙線錨固。單線錨固的特殊型式會導致壩體可動范圍較大，對壩袋的防磨防振不利。尤其是壩頂溢流時，可能會在下游壩腳位置產(chǎn)生負壓，加劇壩袋的磨損；雙線錨固則是在壩袋四周都固定住，這樣壩體可動范圍就較小，利于壩袋的防磨防振，而且節(jié)省壩袋。因此，該工程壩袋采用雙線錨固的型式。

橡膠壩壩體充滿后頂高程為65.60m，壩高3.1m，經(jīng)多方調(diào)研及和類似工程對比，橡膠壩內(nèi)壓比定位α=1.4。經(jīng)計算橡膠壩上游壩袋曲線長S1=5.09m，下游壩袋曲線長S=5.33m，上游貼地段長度 3.466m，下游貼地段長度1.549m，壩袋徑向拉力T=43.245 kN/m。因而采用雙錨線錨固的底墊片長度（不包括錨固長度）為5.015m。

根據(jù)計算，按《橡膠壩技術規(guī)范》SL227－98規(guī)定，壩袋型號選定JBD3.5-260240-2型，采用二布三膠結構，考慮該工程位于山區(qū)河道，樹枝之類的雜物較多，且早晚溫差較大，為減小壩袋被雜物刮破的可能性和延長壩袋的老化時間，設計壩袋厚度比常規(guī)廠家推薦的要厚一些（設計外膠層厚度不小于2.5mm，中膠層厚度0.5mm，內(nèi)膠層厚度2.5mm，壩袋總厚度為8.5mm）。其中外層橡膠要求具有耐磨損、耐日照、耐熱及耐臭氧等性能；中層橡膠起連接骨架材料的作用，要求具有較好的強力和較高的附著力；內(nèi)層橡膠除具有帆布的功能外，還要求具有較好的耐老化性能及較高的水密性和氣密性。

為了更好地適應山區(qū)生態(tài)要求及以后旅游業(yè)的發(fā)展，該工程橡膠壩壩體采用藍色壩袋。

3 錨固結構設計

3.1 錨固線布置

考慮該工程中橡膠壩壩頂允許溢流，對壩袋的穩(wěn)定性及耐久性要求均較高。因此，壩袋錨固形式采用雙線錨固。底板上、下游各設一條錨固線，上下游都采用外錨固形式，中墩采用無皺折的枕式堵頭。

3.2 錨固結構型式選擇

由于該工程位于山區(qū)，河水較清，對鋼構件的銹蝕作用不強，且壩袋擋水水頭較高，為確保錨固的可靠性，根據(jù)國內(nèi)相關工程經(jīng)驗及橡膠壩壩袋廠家建議，采用曲線型螺栓壓板穿孔錨固。曲線型螺栓壓板是參考了日本經(jīng)驗，較普通螺栓壓板錨固止水效果更加可靠，壩袋也不容易撕裂，使用壽命更長。是一種適用于高壩的較好的錨固方式，國內(nèi)近幾年已開始生產(chǎn)曲線型的錨固構件，運用在橡膠壩工程中，效果很好。曲線型螺栓壓板如圖1。

3.3 錨固系統(tǒng)布置

壩基底板上設有兩道錨固槽，橡膠壩軸線上、下游各設一道錨固槽，錨固槽截面采用直角梯形，直角邊設在靠近壩軸線位置，這樣能消除因壩袋運行破壞錨固槽內(nèi)二期混凝土的隱患。槽深0.15m，槽底寬為0.3m，槽頂寬為0.45m，錨固件采用曲線型壓板，上壓板寬度為130mm，厚44mm，下壓板寬度為140mm，厚16mm。兩槽中心距為壩袋上下游間貼地長度與壓板寬度之和，即為5.145m。上、下壓板間自上而下分別為補強片、壩袋、止水膠條、底墊片。

圖1 曲線型壓板

壩袋為有接縫膠布制成，錨固部位需要墊平，并且壩袋不宜直接和錨固件接觸而發(fā)生磨損，壩袋由于在錨固點被穿孔，也需要膠布補強，因此在上壓板與壩袋間，設補強片。補強片采用一布二膠結構，厚4.5mm，寬0.5m。

壩袋下部的止水膠條主要起止水作用，厚度為8.0mm，寬度為0.25m。

圖2 橡膠壩錨固大樣圖

圖3 上游側錨固力分析

考慮到該橡膠壩在壩袋就位過程中，底墊片如強度不足易被扯壞，故底墊片采用一布二膠結構，其厚度為2.5mm。橡膠壩錨固大樣圖如圖2。

螺栓間距根據(jù)相似工程經(jīng)驗取0.2m。

3.4 錨固計算

3.4.1 螺栓計算

經(jīng)過計算可知，橡膠壩在設計狀態(tài)下，上游側錨固力明顯大于下游側錨固力，因此出于安全考慮，以計算得出的上游側錨固力來設計錨固件。

錨固螺栓在設計狀態(tài)下承受的拉力（如圖3）：

G=G1+G2

G1=T（R-H）/〔R（f1+f2）〕

G2=L1Tsinθ/（L-l）

式中：G—單位長度螺栓計算荷載，kN；

G1—錨固壓板克服壩袋抽出作用于壩袋上的正壓力，kN；

G2—上壓板偏心拉力，kN；

T—壩袋徑向拉力，kN/m；

H—壩高，m；

R—上游側壩面曲線段半徑，m；

f1—橡膠壩袋與止水海綿膠片之間的摩擦系數(shù)，取0.5；

f2—橡膠壩袋與上壓板之間的摩擦系數(shù)，取0.5；

L—上壓板寬度，m；

l—上壓板邊沿至螺栓中心的距離，m；

θ—壩袋經(jīng)向拉力與基礎底板夾角，°。

每根螺栓承受的荷載及螺栓直徑可按下式計算：

式中：Q0—每根螺栓承受的荷載；

G—單位長度螺栓計算荷載；

k1—栓緊力及扭轉力的影響系數(shù)；

n—每米長度內(nèi)螺栓根數(shù)；

d—螺栓直徑；

[σ]—螺栓允許拉應力。

據(jù)計算，d≥18.1mm，據(jù)此計算成果及廠家建議，采用M27螺栓。

螺栓埋置深度Lm根據(jù)規(guī)范要求Lm=30d加彎鉤，但不小于250mm。該工程螺栓埋置深度采用810mm，螺栓底部設150mm彎鉤。

3.4.2 壓板計算

壓板材料選用ZG230-450。

壓板強度按下式驗算：

M=k2TL

式中：M—壩袋拉力作用在壓板上產(chǎn)生的彎矩kN.m；

L—力臂，為螺栓中心至壓板邊緣的距離，m；

k2—安全系數(shù)，取為3.0；

Wx—抗彎截面系數(shù)；

T—單位長度壩袋徑向拉力，kN。

經(jīng)計算σ=122.4MPa，滿足要求。

3.5 錨固件防銹蝕處理措施

底板設置錨固槽；錨固件完全置于錨固槽內(nèi)；壓板、墊板采用鑄鋼型產(chǎn)品，安裝前做除銹處理；錨固螺栓螺紋區(qū)域做鍍鋅處理，其余部位安裝前做除銹處理；優(yōu)先保證螺栓螺母不銹蝕，二期混凝土澆筑前，螺母及螺栓頂部涂聚氨酯，后用特制厚塑料袋套裝螺母及螺栓頂部，再用C25細石混凝土回填錨固槽，并采用水泥砂漿找平。

4 結語

該工程橡膠壩的設計是在走訪調(diào)研多個項目及設計院、廠家的基礎上，經(jīng)過充分的論證和多次審查后最終形成的方案。目前，高橋灣橡膠壩已順利建成，經(jīng)過多次的充壩實驗及聯(lián)合試運行，效果良好。

該樞紐工程建設對拉大城市框架、挖掘城市資源潛力、改善城市水資源環(huán)境及人居環(huán)境、提高城市品位、塑造特色景觀等諸多方面具有十分重要意義，是霍山縣城區(qū)段東淠河水域梯級開發(fā)治理規(guī)劃的重要組成部分。樞紐的建成使城區(qū)河道這一獨特的自然資源發(fā)揮更大的社會效益，產(chǎn)生更多的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，實現(xiàn)人水和諧共處，造福后代