關(guān)于溪口橡膠壩工程技術(shù)的應(yīng)用與探析

劉平華　許　航

（湖南中武建筑工程有限公司　長沙市　410007）　（湖南省水利廳　長沙市　410007）

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關(guān)于溪口橡膠壩工程技術(shù)的應(yīng)用與探析

劉平華許航

（湖南中武建筑工程有限公司長沙市410007）（湖南省水利廳長沙市410007）

【摘要】橡膠壩主要適用于低水頭、大跨度的閘壩工程，可以不用常規(guī)的工作橋和啟閉機結(jié)構(gòu)建筑物，能夠及時方便地蓄水和調(diào)節(jié)水位與流量，比金屬結(jié)構(gòu)閘門調(diào)節(jié)水流的效果更佳，不需取土、取石、混凝土工程保持河道清潔，節(jié)約勞動力和縮短施工工期。用于城市園林工程，采用彩色壩袋造型優(yōu)美、線條流暢可為旅游開發(fā)建設(shè)添彩，橡膠壩工程技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。文章分析橡膠壩工程的特點及技術(shù)要點，就如何在水利工程中加強橡膠壩工程技術(shù)的應(yīng)用進行探析。

【關(guān)鍵詞】橡膠壩水利水電大壩工程應(yīng)用

橡膠壩的結(jié)構(gòu)簡單新穎，壩袋是石油副產(chǎn)品用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的合成材料，原材料來源豐富，壩的跨度大（目前國內(nèi)單跨壩長達到200m）適用范圍廣，它還具有造價低、節(jié)省三材（鋼、木、水泥）、施工期短、抗震性能好、不阻水和止水效果好、操作靈活，維修費用低等優(yōu)點。本文以溪口橡膠壩的設(shè)計為案例，在相關(guān)數(shù)據(jù)計算的基礎(chǔ)上，對橡膠壩建設(shè)各技術(shù)要點作一探析。

1　橡膠壩工程技術(shù)的特點

（1）節(jié)省三材。橡膠壩袋是用合成纖維織物和合成橡膠制成的薄壁柔性結(jié)構(gòu)，代替鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于不需要修建工作橋、機架橋等鋼或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，三材用量少，一般可節(jié)省鋼材30%～50%，水泥約20%～50%，木材60%以上。

（2）造價低。橡膠壩同規(guī)模的常規(guī)擋水建筑物比較，橡膠壩的造價是較低的，據(jù)統(tǒng)計，一般可以減少投資30%～70%，這是橡膠壩的突出優(yōu)點。

（3）施工期短。橡膠壩在工廠生產(chǎn)，然后運到工地安裝。因此施工速度快，施工期短。安裝一個80m的橡膠壩，正常情況下10～15天即可安裝完成。橡膠壩的工程結(jié)構(gòu)相對簡單，工期一般較短，可當年施工，當年受益。

（4）抗震性能好。橡膠壩的壩體為柔性薄殼結(jié)構(gòu)，富有彈性，可抵抗強大的地震波和特大洪水的波浪沖擊。如河南省西平縣五溝營橡膠壩，在遭遇1975年百年一遇的特大洪水時，由于及時塌壩泄流，洪水過后壩袋仍可充水運行；河北省唐山陡河橡膠壩，經(jīng)受住1976年唐山8級以上大地震的考驗，未發(fā)現(xiàn)大問題。

（5）行洪能力強，止水效果好。橡膠壩體內(nèi)的水或氣泄空后，壩袋緊貼在底板上，不縮小原有河床的過水斷面；橡膠壩的跨度大，中間閘墩少，不需建機架橋等結(jié)構(gòu)物，對水流的阻礙作用??；壩袋錨固在基礎(chǔ)底板和岸墻上，不漏水，止水效果好。

（6）操作靈活，維護費用低。橡膠壩的高度可調(diào)節(jié)——壩袋升高或塌落，是利用水泵和閘閥控制，操作簡便靈活，年維修費用低。

2　溪口橡膠壩技術(shù)的技術(shù)要點

（1）橡膠壩壩頂高程計算。壩頂高程計算根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000）的規(guī)定，擋水建筑物防浪墻頂部高程按設(shè)計情況和校核情況時的靜水位加相應(yīng)的波浪爬高，風壅增高和安全加高確定，壩頂高程應(yīng)不低于正常蓄水位。

校核情況時，堰閘為堰流，下游為淹沒出流，采用下式試算校核洪水位：

式中Q——校核工況時下泄流量，Q=15 572m3/s；

δs——淹沒系數(shù)，取δs=0.95；

δc——側(cè)收縮系數(shù)，取δc=0.99；

m——基本流量系數(shù)，取m=0.39；

n——壩段數(shù)；

b——單個壩段凈寬；

Ho——校核工況堰頂水深（m）。

經(jīng)試算得校核水深為13.60m，相應(yīng)校核洪水位為136.10m。

設(shè)計工況時，堰閘為堰流，下游為淹沒出流，采用下式試算設(shè)計洪水位：

式中Q——設(shè)計工況時下泄流量，Q=11 106m3/s；

δs——淹沒系數(shù)，取δs=0.965；

δc——側(cè)收縮系數(shù)，取δc=0.99；

m——基本流量系數(shù)，取m=0.39；

n——壩段數(shù)；

b——單個壩段凈寬；

Ho——設(shè)計工況水深（m）。

經(jīng)試算得設(shè)計水深為11.0m，相應(yīng)設(shè)計洪水位為133.50m。

壩頂距靜水位的高差采用下式計算：

Δh=hb+hz+hc

式中Δh——壩頂距靜水位高度（m）；

hb——波浪高，取累積頻率1%的波高（m）；

hz——波浪中心線至最高靜水位高度（m）；

hc——安全超高，校核工況取0.3m，設(shè)計工況取0.4m。

庫區(qū)最大風速V=24m/s，取吹程D=1km。

經(jīng)計算得：設(shè)計工況=0.80+0.27+0.4=1.47m，

校核工況=0.68+0.22+0.3=1.2m，

則：設(shè)計工況壩頂高程：133.50+1.47=134.97m，

校核工況壩頂高程：136.10+1.20=137.30m。

（2）橡膠壩袋設(shè)計計算。橡膠壩按充脹介質(zhì)可分為充水式與充氣式兩種。結(jié)合溪口橡膠壩工程的運用方式，優(yōu)先選用充水式，充水式橡膠壩壩頂溢流時袋形比較穩(wěn)定，過水均勻，對下游沖刷亦較小。充水式橡膠壩壩袋設(shè)計計算內(nèi)容包括：袋壁徑向拉力T，袋壁周長L0，壩體充脹容積V0，袋壁抗撕裂安全系數(shù)K。壩袋計算時，假設(shè)壩袋只承受拉力，而不承受彎矩和剪切力，并且忽略壩袋膠布厚度的影響，壩袋膠布自重和受力后彈性伸長的影響忽略不計。根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL 227-98）中的有關(guān)規(guī)定，本次設(shè)計計算工況為上游水深等于壩高，即上游水位為130m時，下游無水的情況。

根據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗，本工程橡膠壩內(nèi)壓比取值1.2，錨固方式采用螺栓壓板雙線錨固，根據(jù)錨固需要兩側(cè)邊坡取為1∶2.5。

袋壁徑向拉力T計算采用《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98）中的數(shù)解法進行，計算公式如下：

式中T——袋壁徑向拉力（kN/m）；

r——水的容重（10 kN/m3）；a0——壩袋內(nèi)外壓比，取1.2；

H1——壩袋設(shè)計壩高，取7.5m；

經(jīng)計算，袋壁徑向拉力為196.88 kN/m。

上游壩面曲率半徑采用如下公式進行計算：

設(shè)計內(nèi)壓比為取用1.2，設(shè)計壩高7.5m，計算得上游壩面曲率半徑13.13m。

袋壁周長L0采用如下公式計算：

L0=S0+S+n+X0

式中L0——袋壁周長（kN/m）；

S0——上游壩面曲線段長度（m），計算得長度14.80m；

S——下游壩面曲線段長度（m），計算得長度12.60m；

X0——壩袋下游貼地部分長度（m），計算得長度3.74m。

根據(jù)上式計算得袋壁周長為43m。

壩體充脹容積V0采用如下公式計算：

式中V0——壩體充脹容積（m3）；

R——上游壩面曲率半徑（m）；

φ1——上游壩面中心角（rad）；

H1——壩袋設(shè)計壩高，取7.5m；

H0——壩袋內(nèi)充脹水頭，取9m。

經(jīng)計算所得壩體每米充脹容積為97.5m3。

綜合上述壩袋計算成果并結(jié)合橡膠壩袋生產(chǎn)廠家的有關(guān)資料及類似工程經(jīng)驗，壩袋采用國內(nèi)最新工藝，壩袋制作采用鋼絲骨架，無搭接縫一次成型，壩袋總體徑向力強度為1 772 kN/m，安全系數(shù)9倍，壩袋表面膠4mm，夾層膠1mm，內(nèi)膠2mm，總厚度為20mm。

（3）底板順水流方向長度確定。橡膠壩底板順水流方向長度L的確定，取決于橡膠壩袋塌落長及壩袋檢修等因素，可按下式計算：

L=L1+0.5（S0+S+n+X0）+L2

式中L——橡膠壩底板順水流方向長度（m）；

S0、S——上、下游壩面曲線段長度，計算得長度S0=14.80m、S=12.60m；

n、X0——壩袋上、下游貼地部分長度算得長度n=11.86m、X0=3.74m；

L1、L2——壩袋上、下游錨固線至上、下端頭的長度，一般?。?～2）m。按式計算所得橡膠壩底板順水流方向長度為25.30m。

（4）消能計算。由于本工程橡膠壩水深較淺，且壩袋承受水頭不高，故不宜采用面流或挑流式消能。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，為了控制水流對下游河床、河岸的沖刷，水閘采用底流式消能。消能設(shè)施設(shè)計為：在主閘段下游設(shè)置長30m、深度為1.0m的C25鋼筋混凝土消力池，在消力池內(nèi)布設(shè)直徑為50mm的排水管，縱橫間距均為2m，梅花型布置，護坦末端設(shè)防淘刷齒墻，墻深5.0m，底高程為116.50m，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，118.50m以下厚1m，以上為斜坡，至消力池底板底高程處厚3m。消力池后接拋石防沖保護體，底部高程為117.50m，頂部高程為121.50m，底寬3m，上游面直立，下游面坡比1∶2，要求石塊最小邊長不小于30 cm。消力池兩側(cè)布置M7.5漿砌石護坡，護坡厚0.5m。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本工程消能設(shè)計洪水標準為30年一遇（Q=10 316m3/s）。壩體溢流段泄洪，壩下游均出現(xiàn)淹沒水躍，下游采用急流消能的消能方式。

消力池長度LB計算公式：

Lj=6.9（hc"-hc）

Lsj=Ls+βLj

消力池深度d算公式：

d=δ0 hc"hS△Z

式中Lsj——消力池長度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度（m），取6m；

hc"——躍后水深（m）；

hc——收縮斷面水深（m）；

β——水躍長度校正系數(shù)，取0.7；

Lj——水躍長度（m）；

δ0——水躍淹沒系數(shù)；

hS——出池河床水深（m）；

△Z——出池落差（m）。

式中t——消力池底板始端厚度（m）；

hc——閘孔泄水時上下游水位差（m）；

k1——底板計算系數(shù)，取0.18；

k2——底板安全系數(shù)，取1.2；

U——作用在底板表面的揚壓力（kPa）；

W——作用在底板頂面的揚壓力（kPa）；

Pm——作用在底板上的脈動壓力（kPa）；

γb——底板的飽和容重（kN/m3）。

兩者取大值，t=t1=0.98m，取消力池底板厚1.0m。

（5）穩(wěn)定及應(yīng)力計算。橡膠壩布置設(shè)計為：溢流段底板采用C25鋼筋混凝土寬頂堰，壩底板根據(jù)壩袋布置需要采用順河向?qū)?5.30m，堰頂布置2個底寬為82m，頂寬為123.25m橡膠壩袋，充脹成形后高度為7.5m的橡膠壩袋，底板高程122.50m，底板厚度4m，基礎(chǔ)高程118.50m，根據(jù)通航通行需要，正常水位取為130m，即充脹成形后橡膠壩袋頂高程為130m，兩個溢流壩段均為泄洪兼沖砂用。溢流壩段下游設(shè)置長30m、深1.0m的C25鋼筋混凝土消力池，在消力池底板內(nèi)布設(shè)直徑為50mm的排水管，縱橫間距均為2m，消力池末端設(shè)防淘刷齒墻。非溢流段最大壩高11.88m，頂寬3.0m，頂高程136.10m，防浪墻頂高程137.30m，上游邊坡1∶0.3，下游邊坡1∶0.2，壩體采用C15混凝土材料，下游側(cè)填土至132.00m。

根據(jù)溪口橡膠壩布置，溢流段為砂礫石基礎(chǔ)，非溢流壩段部分為巖基，因此分別對閘室段和非溢流壩段進行計算。計算時采用以下兩種組合五種工況：

基本組合：

①正常蓄水位130m時，下游無水；

②設(shè)計洪水位133.5m時，下游水位132.8m；

③施工完建橡膠壩充脹成形，上下游均無水。

特殊組合：

①校核洪水位136.1m時，下游水位135.25m；

②施工完建時，上下游均無水。

計算時混凝土容重取24 kN/m3，壓實砂礫石料容重取19.5 kN/m3，防滲墻折減揚壓力系數(shù)為0.35，溢流壩段取單塊20m長壩段計算。

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2001）的規(guī)定，對溢流壩段采用抗剪強度公式進行抗滑穩(wěn)定計算，對連接壩段采用抗剪斷強度公式進行抗滑穩(wěn)定計算，基底應(yīng)力按材料力學(xué)公式計算，其計算公式為：

穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式：

基底應(yīng)力計算公式：

不均勻系數(shù)計算公式：

式中K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f———基礎(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù)，取f=0.40；

∑G——豎向力之和（kN）；

∑P——水平力之和（kN）；

A——基礎(chǔ)底面面積（m2）；

F′——抗剪斷磨擦系數(shù)，基巖或砼取F′=1.0，砂卵石取F′=0.55；

C′——凝聚力，基巖或混凝土取C′=0.7mPa，砂卵石取C′=0；

σ——基底應(yīng)力（MPa）；

∑M——力矩之和（kN/m）；

W——基底對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m2）；

η——基底應(yīng)力不均勻系數(shù)。堰閘穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計算成果見附表。

附表　堰閘穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力計算成果表

由附表可以看出，橡膠壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種工況下均滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)應(yīng)力及其不均勻系數(shù)也滿足規(guī)范的安全性要求。

3　結(jié)　語

本文以溪口橡膠壩的初步設(shè)計為例，分5個部分，用大量公式推導(dǎo)，完整地、詳細地闡述了橡膠壩設(shè)計的各個關(guān)鍵要點，通過計算成果表直觀的表達了施工設(shè)計的計算過程，特別是在橡膠壩壩頂高程計算、橡膠壩袋設(shè)計計算、底板順水流方向長度確定、消能計算、穩(wěn)定及應(yīng)力計算方面作了較深入的探討，為湖南省橡膠壩的建設(shè)提供一個思路。

作者簡介：劉平華（1977-），男，湖南常德人，大學(xué)本科，工程師，目前從事水利工程管理工作，手機：18973110040。

收稿日期：（2016-03-11）