橡膠壩在山區(qū)水庫工程中的推廣應(yīng)用

趙麗華 陳麗剛 馮向珍

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司， 河南 鄭州 450003)

橡膠壩在山區(qū)水庫工程中的推廣應(yīng)用

趙麗華 陳麗剛 馮向珍

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司， 河南 鄭州 450003)

針對水庫高供水設(shè)計保證率，以及水庫所在山區(qū)河流暴漲暴落的特點，選擇在溢流堰頂設(shè)橡膠壩，在保證水庫自身行洪的同時，最大程度地增加水庫有效蓄水量，并盡可能少的增加工程投資。針對堰頂平臺這一特殊的溢流堰體型，通過水工模型試驗，選取冪曲線連接，更接近水流特點，堰頂負壓較小。溢流堰頂設(shè)橡膠壩泄洪的方法從技術(shù)經(jīng)濟上分析是可行的。

橡膠壩； 高供水保證率； 山區(qū)水庫； 冪曲線

欒川縣城第四飲水工程位于河南省欒川縣城西部的石廟鄉(xiāng)境內(nèi)，為欒川縣政府建設(shè)的城鎮(zhèn)自來水供水工程，工程由龍?zhí)端畮旃こ?、引水配水管線工程、雙堂水廠擴建工程組成。

龍?zhí)端畮觳捎媚雺夯炷林亓尾贾梅桨?，碾壓混凝土重力壩由擋水壩段、溢流壩段組成，壩頂長度290.00m，共分12個壩段，其中溢流壩段長69.00m。壩頂高程904.00m，最大壩高49.00m，正常蓄水位902.00m，死水位875.50m，汛限水位899.00m，有效庫容625.79萬m3。龍?zhí)端畮炜上驒璐h城第四飲水工程日供水1.48萬m3，年供水540.2萬m3。

龍?zhí)端畮煨购榻ㄖ锊捎瞄_敞式溢流堰+橡膠壩，挑流消能。溢流凈寬62.50m，堰頂高程899.00m，堰頂順水流方向長9.00m，下游堰面為WES曲線。堰上設(shè)3.0m高的橡膠壩，正常運用時，橡膠壩充水擋水，擋水高程為正常蓄水位902.00m，泄洪時，橡膠壩塌壩。校核洪水位903.75m時橡膠壩塌壩泄洪，下泄流量為876.6m3/s。

龍?zhí)端畮斓闹饕_發(fā)任務(wù)是供水，沒有下游防洪及發(fā)電等其他要求，供水設(shè)計保證率96%，這對水庫有效庫容要求很高，因此在滿足供水保證率的情況下，為充分利用當?shù)厮Y源，在水庫不能滿足日供水量2萬m3/d的情況下，水庫正常蓄水位應(yīng)取移民控制水位的上限，盡可能提高水庫在非汛期的供水量，發(fā)揮水庫的興利效益。

而山區(qū)河流暴漲暴落的特點又決定了水庫布置與運用的特殊性。壩址地區(qū)年降水主要集中在汛期，山區(qū)暴雨較多，主要出現(xiàn)在汛期7—10月。該地區(qū)的洪水為暴雨造成，因此該地區(qū)洪水一般也出現(xiàn)在7—10月。支流發(fā)源于山區(qū)，源短流急，洪水漲落較快。

龍?zhí)端畮祀m然沒有下游防洪要求，但為了確保水庫自身防洪、蓄水供水及移民限制水位的要求，龍?zhí)端畮熘餮雌?月1日至9月30日需控制水位不超過汛限水位899.00m。10月1日至次年6月30日控制庫水位在死水位875.50m與正常高蓄水位902.00m之間；當遇洪水使庫水位上升超過902.20m并有上升趨勢時，需進行泄洪將庫水位降到汛限水位899.00m，待洪水退水后，可蓄水至正常高蓄水位902.00m。

因此，針對水庫高供水設(shè)計保證率，以及山區(qū)河流暴漲暴落的特點，如何選取泄水建筑物型式，在保證水庫自身行洪的同時，最大程度地增加水庫有效蓄水量，同時盡可能少的增加工程投資，從而達到供水高保證率的目的，成為工程成敗的關(guān)鍵。

1 泄水建筑物型式比選

1.1 泄水建筑物型式比選

泄水建筑物型式比較了溢流壩段堰頂設(shè)閘門方案和溢流壩堰頂設(shè)置橡膠壩塌壩泄洪方案(簡稱橡膠壩方案)兩種型式。為了控制移民搬遷量，20年一遇洪水時控制庫水位在正常蓄水位902.00m左右，泄水建筑物型式根據(jù)此運用條件進行比較。

橡膠壩方案溢流壩全長65m，堰頂高程899.00m，其上設(shè)3.0m高橡膠壩。按照20年一遇洪水，計算塌壩后水庫洪水位902.24m。橡膠壩方案投資約需70萬元。

按照同樣的20年一遇洪水位控制在902.00m左右布置泄洪閘，則需要泄洪閘孔口尺寸8.0m×9.0m(寬×高)，與泄洪閘配套的土建、金屬結(jié)構(gòu)、水機、電氣等設(shè)備共需投資340萬元左右。

橡膠壩運用條件與常規(guī)鋼閘門相似，但與常規(guī)閘門相比又有以下特點[1]：

a. 造價低。同等條件下，橡膠壩方案不需要常規(guī)閘的啟閉機、工作橋等附屬結(jié)構(gòu)，節(jié)約了三材，故較堰頂設(shè)閘門方案投資降低270萬元。

b. 施工期短。壩袋只需3～15d即可安裝完畢，當年施工當年即可受益。

c. 抗震性能好，壩體為柔性軟殼結(jié)構(gòu)，富有彈性，能抵抗地震、波浪等沖擊，且止水效果好，跨度大，汛期不阻水。

d. 維修少，管理方便。橡膠壩袋的使用壽命一般為15～25年。

因此該工程泄洪方式采用溢流壩頂設(shè)置橡膠壩方案。

1.2 溢流堰體型設(shè)計

目前國內(nèi)橡膠壩主要應(yīng)用于低水頭、大跨度的閘壩工程，或用于河道上作為低水頭、大跨度的滾水壩或溢流堰，應(yīng)用與山區(qū)水庫中等壩高的溢流堰頂(龍?zhí)端畮煲缌餮咦畲髩胃?4m)作為泄洪建筑物還較為少見，從水力學和運用條件分析，建在溢流堰頂?shù)南鹉z壩，壩后緊接陡坡段，無下游回流頂托現(xiàn)象，壩袋不易產(chǎn)生顫動；在洪水季節(jié)，大量推移質(zhì)已在庫區(qū)沉積，過流時不致磨損壩袋。但在溢流堰上建橡膠壩，堰頂形成寬9.0m的平臺，溢流堰的體型較為特殊，必須采取合理的溢流堰體型，處理好過堰后的水流條件，否則不良的流態(tài)將會對溢流堰自身帶來危害。因此采取合理的溢流堰體型，減小底板對水流的頂托，增大泄洪能力，并保證水流平穩(wěn)下泄，處理好堰頂平臺與下游溢流面的連接設(shè)計是溢流堰設(shè)計的重點[2]。

溢流堰泄流能力與堰頂體型有關(guān)，確切地說，堰頂曲線對水流特性影響最大。堰頂曲線做成與同樣條件下薄壁堰自由出流的水舌下緣相吻合的形狀，則水流將緊貼堰面下泄，水舌基本上不受堰面影響，堰面壓強為大氣壓強。堰面曲線突出于水舌下緣，則堰面將頂托水流，水舌不能保持原有的形狀，堰面壓強應(yīng)大于大氣壓強，堰前總水頭中的一部分勢能將轉(zhuǎn)換成壓能，使轉(zhuǎn)換成水舌動能的有效水頭減小，過水能力降低。堰面曲線低于水舌下緣，溢流水舌將脫離堰頂表面，脫離處氣被水舌帶走，堰面形成局部負壓區(qū)，負壓區(qū)的存在，等于加大了水頭，過水能力將增大，然而過大負壓將形成空蝕破壞和水舌顫動[3]。

本次設(shè)計比較了兩種連接方式，即采用圓弧(R=6.07m)連接和冪曲線(x1.85=5.942y)連接。通過水工整體模型試驗(表1)可以看出，采用冪曲線連接，更接近水流特點，堰面負壓較小，保證了溢流堰的安全運行，因此堰頂采用冪曲線與下游直線連接。最終確定溢流堰體型及下游消能，兩種曲線連接方式溢流堰泄流能力與堰面壓力對比如表1所列。

表1 兩種曲線連接方式溢流堰泄流能力與堰面壓力對比表

溢流表孔上游壩面與擋水壩段平齊，堰頂高程899.00m，堰面采用WES堰型冪曲線，堰面曲線為y=0.1683x1.85；堰頂上游堰面曲線采用半徑為0.5m的圓弧，考慮橡膠壩的布置需要，堰頂沿水流方向加寬至9.00m，其上布置3m高的橡膠壩，橡膠壩長65m，內(nèi)壓比1.4，橡膠壩充水后壩頂高程與正常蓄水位相同，為902.00m；堰面下游端為WES曲線，曲線下接坡面坡度為1∶0.65。出口采用挑流消能方式將水流挑入下游河道，挑坎高程867.00m，挑角25°(見圖1)。

圖1 溢流壩段典型剖面 (單位：m)

2 堰頂橡膠壩的具體設(shè)計

橡膠壩布置在溢流堰頂，為單跨、堵頭式充水橡膠壩，設(shè)計壩高3.0m，壩頂長65m，底板頂面高程899.00m，壩頂高程902.00m，與水庫正常蓄水位相同(見圖2、圖3)。橡膠壩的設(shè)計主要包括壩袋設(shè)計、錨固設(shè)計及充排控制系統(tǒng)設(shè)計，按照《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL 227—98)[4]，其主要參數(shù)指標見表2。

圖2 溢流堰頂橡膠壩平面布置 (單位：m)

圖3 溢流堰頂橡膠壩剖面 (單位：m)表2 橡膠壩主要參數(shù)指標

項 目單 位指 標壩頂高程m902.00底板高程m899.00壩高m3壩長m65內(nèi)壓比1.4壩袋周長m10.78上游壩面曲線段半徑m3.38上游貼地長度m3.35下游貼地長度m1.5壩袋徑向計算強度kN/m40.5壩袋型號JBD3.0—220—2膠布型號J220220—2設(shè)計安全系數(shù)10.86錨固型式螺栓壓板式壩袋單寬容積m313.977充排方式泵充、自排

2.1 壩袋設(shè)計

壩袋設(shè)計內(nèi)外壓比經(jīng)綜合比較后選用1.4，強度設(shè)計安全系數(shù)為8.7。袋布總厚度9.5mm，采用二布三膠，外敷彩色膠層，堵頭采用一布兩膠，底墊片采用純橡膠片。壩袋膠布使用高強錦綸帆布，膠布強度經(jīng)/緯向均為440kN/m。壩袋膠料物理機械性能應(yīng)滿足規(guī)范要求。

2.2 錨固設(shè)計

考慮到橡膠壩設(shè)在溢流堰頂，其運行可靠性要求較高且檢修不便等因素，壩袋錨固采用可靠度較高的螺栓壓板式和雙錨線錨固型式。通過螺栓、螺母將壩袋膠布、底墊片等錨在一起，頂部用膠片保護，內(nèi)填黃油，外填水泥砂漿至與底板齊平。側(cè)錨固槽凹陷在側(cè)墻底部，錨固方式與上下游錨固相同，僅錨固槽尺寸略小一些。為保證錨固槽的精度，該部位采用二期混凝土澆筑。

2.3 橡膠壩基礎(chǔ)和泵房設(shè)計

橡膠壩基礎(chǔ)底板頂面高程899.00m。底板順水流向?qū)挾雀鶕?jù)計算定為9.0m，立壩時壩袋上游貼地長度3.35m，下游貼地長度1.5m，壩袋塌落貼地長度7.47m。為減少塌肩的影響，在距側(cè)墻兩端1m范圍內(nèi)的底板做成1∶10的斜坡向上抬高壩肩。與壩袋接觸部位的混凝土表面要求平整光滑，不平整度小于±3mm。

橡膠壩泵房布置在左岸擋水壩體下游側(cè)，緊鄰下游壩面，基礎(chǔ)高程897.00m，沿壩軸線樁號為0+122.5～0+131.0m，壩下0+005.0 ～壩下0+010.25m，長、寬、高分別為8.5m、5.25m、5.0m，泵房為磚混結(jié)構(gòu)。從基礎(chǔ)平臺897.00m開始設(shè)有樓梯通向壩頂。

根據(jù)運行要求，堰頂橡膠壩在汛期到來之前，壩袋為完全塌平方式運行，其余時間均為立壩運行狀態(tài)。汛后充壩蓄水時，將充脹時間控制在3h左右。橡膠壩塌壩排水時間控制在2h內(nèi)，排水方式為自排。水泵起泵運行水位為898.40m，安全溢流管溢流時停泵運行。

壩袋兩端側(cè)墻均設(shè)有鋼爬梯，供管理人員下至底板表面進行必要的觀察、檢修等工作。

3 應(yīng)用優(yōu)點

鑒于龍?zhí)端畮鞂璐h城供水的重要性，根據(jù)壩址所在山區(qū)河流暴漲暴落的特點，工程通過橡膠壩在洪水期塌壩泄洪、洪水后攔蓄來水的方式有效解決了在不增加投資的情況下最大程度地增加水庫有效庫容，提高了供水保證率，方便了工程運行管理，經(jīng)濟效益顯著。

相較于傳統(tǒng)的溢流堰頂設(shè)閘門泄洪的布置方法，該方法的優(yōu)點在于避免了增設(shè)檢修閘門及配套的啟閉設(shè)備，降低了施工難度和工程投資，經(jīng)濟易行且縮短了工期。

龍?zhí)端畮齑髩喂こ逃?012年10月完成開挖，2013年7月26日壩體澆筑到設(shè)計高程并開始下閘蓄水。投入使用幾年來，橡膠壩運行情況良好。

4 結(jié) 語

綜上所述，該方案利用橡膠壩汛期塌壩泄洪、非汛期立壩運行的方法成功解決了在少增加投資的情況下最大程度增大水庫有效庫容的問題，對于龍?zhí)端畮彀踩\行，縮短工期、降低施工難度和工程投資，保障工程的順利實施做出了貢獻。該方法在龍?zhí)端畮斓某晒?yīng)用，一方面體現(xiàn)了其優(yōu)越性和可實施性，另一方面對類似工程具有普遍的指導意義。fffffc

[1] 陳東清.不同擋水建筑物方案的應(yīng)用比選[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014(1)，56-59.

[2] 王二平，張玉華，張小虎，等.頂部建橡膠壩的溢流堰體型研究[J].人民黃河，2006(8),67-69.

[3] 郭莉莉.寶泉抽水蓄能電站下水庫溢流堰頂橡膠壩設(shè)計[J]，河南水利與南水北調(diào)，2006(10)，72-74.

[4] SL 227—98橡膠壩技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社,1999.

Popularization and application of rubber dam in mountain area reservoir project

ZHAO Lihua, CHEN Ligang, FENG Xiangzhen

(YellowRiverSurveyPlanningandDesignCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,China)

Rubber dam is set at the top of overflow weir in the view of high water supply design guarantee rate in the reservoir, and characteristic of river water level sudden rising and falling in mountain area reservoir. Own flood draw-off of the reservoir is guaranteed. Meanwhile, effective water storage of the reservoir is increased maximally, and the increased investment in the project is minimized as far as possible. Power curve connection is selected through hydraulic model test aiming at the platform at the top of the weir——a special overflow weir shape, which is closer to water flow characteristics, and negative pressure at the top of the weir is small. The method of setting rubber dams at the top of overflow weir is feasible in the aspect of technical economy analysis.

rubber dam; high water supply guarantee rate; mountain area reservoir; power curve

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.02.011

TV641

A

1005-4774(2017)02- 0040- 05