橡膠壩工程安全研究綜述

孫卓

（臨沂市水利局，山東臨沂276000）

橡膠壩工程安全研究綜述

孫卓

（臨沂市水利局，山東臨沂276000）

橡膠壩作為一種新型水工建筑物，與常規(guī)低水頭擋水建筑物相比具有明顯的優(yōu)勢。但橡膠壩的安全可靠度相對較低、壽命較短，這些在很大程度上會(huì)影響工程效益的正常發(fā)揮。本文梳理了幾十年來國內(nèi)外對橡膠壩安全研究的一系列成果，并對橡膠壩工程安全研究的前景進(jìn)行展望，供橡膠壩工程設(shè)計(jì)研究人員參考。

橡膠壩；安全；研究

在橡膠壩工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者主要從壩袋型式、材料與加工工藝、壩體受力與振動(dòng)、橡膠壩冬夏季運(yùn)行、安全監(jiān)測和外界自然因素的影響等方面研究橡膠壩的安全問題。

本文所研究的安全主要是指橡膠壩工程自身的安全，特別是壩袋的安全和工程的運(yùn)行安全，即橡膠壩構(gòu)件及其有關(guān)建筑物的各項(xiàng)性能保持正常，承受一定不利因素的影響而不發(fā)生明顯的性能變化，同時(shí)可保證與之相關(guān)的人員和設(shè)備等不受損害的連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。

1　壩袋型式、材料與加工工藝研究概述

工程運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜坡式壩袋錨固于岸墻上，壩袋充脹到設(shè)計(jì)高程時(shí)，壩袋兩端應(yīng)力集中，出現(xiàn)很深的褶皺，不僅降低了實(shí)際壩高，而且壩內(nèi)殘存的水或氣體不易排除。當(dāng)壩袋坍落時(shí)，壩袋兩端仍懸掛于邊墻上，泄洪阻水且易被水中漂浮物刺破撕裂。鑒于此，合肥工業(yè)大學(xué)研制出堵頭式橡膠壩。岸墻錨固采用堵頭式壩袋充水后，壩袋全長斷面相同，不起褶皺，壩袋應(yīng)力分布均勻，經(jīng)、緯向受力基本是主應(yīng)力，更適合于薄膜計(jì)算理論，材料強(qiáng)度也能充分發(fā)揮作用。但堵頭式橡膠壩不能解決坍壩后兩端的堵頭帆布坍不平的問題。坍壩時(shí)在上游水流的沖擊下，發(fā)生壩袋帆布的拍打現(xiàn)象，對壩袋也有破壞作用。

由于橡膠材料的自身特性，壩袋老化是影響橡膠壩工程運(yùn)行安全的重要因素之一。我國在橡膠壩老化試驗(yàn)領(lǐng)域的研究較為系統(tǒng)和深入，作者同時(shí)認(rèn)為除了橡膠工業(yè)的固有特性以外，還要注意橡膠壩工程的獨(dú)有特性，如各有關(guān)因素對壩袋影響的疊加和累積，因而要用創(chuàng)新而又科學(xué)的研究方法研究這一問題，此外也要提高此類研究的仿真程度，以便其研究結(jié)論對實(shí)際工程有更大的參考價(jià)值。

國外主要是通過提高壩袋的耐老化性能和總體質(zhì)量來延緩其老化，如日本以住友和橋石兩家公司。此外法國橡膠壩的設(shè)計(jì)壽命據(jù)稱可達(dá)40年。國內(nèi)外都有學(xué)者和廠家研究、制造、推廣彩色橡膠壩，彩色橡膠壩在一定程度上也有利于延緩壩袋老化。

2　壩體受力與振動(dòng)研究概述

對橡膠壩壩體受力研究主要集中于其壩袋拉力、靜力變形、充排管道力學(xué)分析等，方法主要有有限元法、連續(xù)法、CAE建模等，研究工況主要集中于壩袋溢流和壩前泥沙堆積等方面。此外還包括進(jìn)行波浪模型試驗(yàn)等方面的研究。

10余年來，中外學(xué)者對壩袋振動(dòng)進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究，為有效控制壩袋振動(dòng)提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。美國學(xué)者對橡膠壩的自由振動(dòng)、三維振動(dòng)、非線性振動(dòng)、壩頂溢流等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并采用有限元方法對橡膠壩的壩袋形狀進(jìn)行分析；日本通過研制生產(chǎn)無搭接縫壩袋和在充氣壩體上設(shè)置挑流鰓等措施來減輕壩袋振動(dòng)，克服了充氣壩袋在溢流抗振方面不如充水橡膠壩的不足，日本住友公司還生產(chǎn)了一種在壩袋內(nèi)設(shè)雙層鋼絲網(wǎng)的新型壩袋，通過增加壩袋剛度減輕其振動(dòng)強(qiáng)度，并已應(yīng)用于實(shí)際工程；武漢大學(xué)等單位結(jié)合具體的橡膠壩工程，對不同壩型進(jìn)行了振動(dòng)研究，掌握了一定的壩袋振動(dòng)規(guī)律。他們認(rèn)為通過一定的設(shè)計(jì)管理對策，減輕或消除壩袋振動(dòng)亦是可能的。在工程設(shè)計(jì)與建成后運(yùn)行階段，針對引起振動(dòng)的原因，提出相應(yīng)的減振對策，工程就可以安全高效地運(yùn)行。目前主要的減振措施有：1）控制壩頂溢流量。單寬流量越大，振動(dòng)越明顯。2）調(diào)整下游水位。下游水位很低時(shí)，對壩袋影響較小。當(dāng)下游水位達(dá)到一定高度時(shí)，對振動(dòng)影響增大，當(dāng)下游水位再增大時(shí)，上下游水位差減小，水流動(dòng)能減小，振動(dòng)強(qiáng)度減小，但也易引起充水式單錨固壩型的共振。3）通過改變壩袋內(nèi)壓改變壩袋自振頻率，避開水流脈動(dòng)主頻率。4）壩袋排水設(shè)備設(shè)在下游。5）在壩袋表面設(shè)置減振裝置。

3　橡膠壩安全監(jiān)測研究

目前我國橡膠壩安全監(jiān)測技術(shù)水平十分落后，容易使橡膠壩的安全可靠度降低、使用壽命縮短，甚至突發(fā)潰壩的惡性事故。為此，揚(yáng)州大學(xué)研制出的“橡膠壩袋破損監(jiān)視系統(tǒng)”采用了自制的矢量水聽器，可同時(shí)獲得壩袋破損程度和破損位置的信息。由于采用了虛擬儀器技術(shù)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水聲信號采集、數(shù)字濾波等功能，大大降低了硬件的投資成本，方便了操作使用和維護(hù)。

目前國內(nèi)外在橡膠壩安全監(jiān)測方面的研究不多，除上述成果外，也有學(xué)者進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)、新技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用以及決策支持系統(tǒng)的有關(guān)研究。

4　自然因素的影響研究概述

國內(nèi)關(guān)于泥沙方面的研究主要成果集中于承德武烈河橡膠壩群的有關(guān)研究成果。在多泥沙河道上建橡膠壩的關(guān)鍵是如何防止夾沙水流對壩袋的磨損破壞，庫區(qū)如何防淤排沙，確保一個(gè)能夠長期使用的有效庫容。此外孫小軍等學(xué)者分別對黃河上引水防沙橡膠壩、橡膠壩庫區(qū)泥沙沖淤演變規(guī)律、泥沙運(yùn)動(dòng)對橡膠壩運(yùn)行安全的影響、一維水沙數(shù)學(xué)模型、流域生態(tài)環(huán)境整治進(jìn)行了專題研究。國外對于洪水過壩時(shí)造成的壩袋損壞也有研究。

目前我國在橡膠壩領(lǐng)域?qū)δ嗌硢栴}的研究尚不夠深入，在多沙河流上所建工程不多，運(yùn)行管理水平有限，事故多發(fā)，相關(guān)研究也不夠深入。

5　結(jié)語

50余年來國內(nèi)外在橡膠壩安全方面的研究主要有以下幾個(gè)方面：1）研究橡膠的設(shè)計(jì)、制造、老化機(jī)理以及防老化措施，以及如何優(yōu)化膠料配方，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高養(yǎng)護(hù)水平；2）分析自然及工程因素對某單一橡膠壩工程的不利影響及其實(shí)際采用的工程措施；3）研究和改進(jìn)錨固方式、充排管路和混凝土構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)和布置，減輕其對壩袋安全的不利影響；4）壩袋防振動(dòng)、特別是充氣橡膠壩壩袋防振動(dòng)裝置的應(yīng)用開發(fā)問題；5）研究常規(guī)水利工程新技術(shù)的應(yīng)用效果，研究橡膠壩的自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，解決上述問題的主要方式仍需立足于工程實(shí)體觀測和模型試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)該注意開發(fā)有關(guān)專門軟件，完善橡膠壩工程的理論體系。另外，如何加強(qiáng)橡膠壩的管理監(jiān)測、加強(qiáng)安全防范方面的工作、開發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)，從而有效防止人為破壞橡膠壩，進(jìn)一步保證橡膠壩的安全還有待于深入系統(tǒng)的研究。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50979－2014橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2014．

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50979－2014橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范條文說明［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2014．

［3］王溥文，韓昌海，童中山．橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：中國水利水電出版社，2008．

［4］高本虎．橡膠壩工程技術(shù)指南（第二版）［M］．北京：中國水利水電出版社，2006．

［5］陸吾華，侯作啟．橡膠壩設(shè)計(jì)與管理［M］．北京：中國水利水電出版社，2005．

（責(zé)任編輯遲明春）

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2016-05-04

孫卓（1987—），男，助理工程師