高海拔地區(qū)硬推移質(zhì)河床上橡膠壩設(shè)計(jì)

劉 良 李華偉 舒劉海 鐘恒昌

一、工程概況

工程位于拉薩市拉薩河城區(qū)段，平均海拔3650m，具有攔蓄環(huán)境水、回補(bǔ)地下水、營造生態(tài)濕地等綜合功能，是創(chuàng)建人水和諧、宜商宜居拉薩水城的重要基礎(chǔ)設(shè)施工程。該工程設(shè)計(jì)蓄水位3638.00m，底板高程3635.80m，攔蓄水量102萬m3，回水總長度約1.69km，壩址區(qū)50年一遇設(shè)計(jì)行洪流量3330m3/s，100年一遇校核行洪流量3610m3/s。

拉薩河屬于典型的游蕩型河道，整體形態(tài)較順直，橫斷面寬淺，平面上水流散亂呈辮狀，心灘密布，河勢變化無常，主要有以下特點(diǎn)：

（1）洪水：拉薩河流域降水一般發(fā)生在6～9月，占年降水量的85%以上，7～8月兩月更為集中，占年總數(shù)的51%以上，洪水過程歷時(shí)一般為5～10d，較大洪水過程可達(dá)15d以上，洪水過程平緩、多峰，漲退緩慢。歷年實(shí)測最大1d降水量約為41～45mm，最大3d雨量約為62～85mm。

（2）懸移質(zhì)：根據(jù)拉薩站至2009年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均年輸沙量126萬t，多年平均年侵蝕模數(shù)為48.0t/km2，多年平均含沙量為0.13kg/m3。

（3）推移質(zhì)：拉薩站推移質(zhì)輸沙量，根據(jù)唐加站懸移質(zhì)、推移質(zhì)輸沙量之比及該站懸移質(zhì)輸沙量估算而得為26.3 萬 t。

二、方案選擇

拉薩市是藏傳佛教圣地，歷史文化悠久，風(fēng)俗民情獨(dú)特，是我國重要的旅游城市。方案比選突出與生態(tài)景觀規(guī)劃相協(xié)調(diào)的原則，結(jié)合該工程的功能定位、拉薩河水文泥沙特性以及對于山區(qū)河道的適用性等河道特性，重點(diǎn)選取了節(jié)制閘、橡膠壩及鋼壩閘進(jìn)行壩型比選，考慮工程投資限制及景觀效果要求，對橡膠壩在高海拔地區(qū)多泥沙河流上的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，采用工程措施可以解決技術(shù)難題，設(shè)計(jì)最終采用橡膠壩方案。

三、橡膠壩設(shè)計(jì)

根據(jù)壩址處的河道情況，橡膠壩布置7跨，采用枕式結(jié)構(gòu)，單跨長度72.0m，內(nèi)壓比取1.35，壩高2.2m，隔墩厚度2.0m，橡膠壩段總長516.0m，充、排水方式均采用動(dòng)力式，單側(cè)設(shè)置充排水泵房，安裝5臺(tái)單級單吸泵（4用1備）。調(diào)節(jié)閘布置在橡膠壩右側(cè)，設(shè)5孔，單孔凈寬8.0m。

設(shè)計(jì)在采用橡膠壩方案前，組織相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)研，并與有關(guān)廠家進(jìn)行技術(shù)交流。針對該工程技術(shù)難題進(jìn)行研究分析，解決壩袋磨損、壩袋防老化和減少頻繁充塌壩等問題，是橡膠壩成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.壩袋抗磨損措施

拉薩河是多泥沙河流，拉薩河沙量年內(nèi)分配與水量分配相似，極不均勻，汛期（6～9月）沙量約占全年的97%，且往往集中在幾次大洪水過程中。場地卵石粒徑為20～200mm的卵石約占75.5%。因此壩袋磨損和壩前后推移質(zhì)沉積是橡膠壩工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，輕則影響泄洪，重則造成橡膠壩報(bào)廢，出現(xiàn)突然失控情況。針對河道情況和壩袋運(yùn)用情況，主要從壩袋、閘底板、堵頭部位和上游設(shè)沉砂池等方面進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

（1）壩袋設(shè)計(jì)

橡膠壩壩體為柔性結(jié)構(gòu)，壩袋易被尖銳漂浮物刺破，壩袋受砂卵石的撞擊、與底板之間的磨損等均能造成壩袋的損害。

在設(shè)計(jì)過程中，主要從壩袋內(nèi)外壓比和壩袋材料上進(jìn)行選擇。充水式橡膠壩內(nèi)外壓比大多數(shù)選取的范圍為1.25～1.6，從節(jié)省壩袋材料的角度，可選較大的內(nèi)外壓比；從防止堵頭處壩袋塌肩嚴(yán)重的角度，內(nèi)外壓比不宜過大。綜合考慮設(shè)計(jì)內(nèi)外壓比選用1.35，壩袋厚度9.9mm。橡膠壩壩袋承載的主體是帆布，過去帆布多采用錦綸6，此次設(shè)計(jì)采用性能比錦綸6更優(yōu)越的錦綸66材料；在壩袋膠料選擇上，規(guī)范要求外膠層磨耗量（阿克?。┎淮笥?.8cm3/1.61km，為增加壩袋耐磨性，通過改進(jìn)壩袋外膠層材料特性，可使外膠層磨耗量（阿克?。┎淮笥?.4cm3/1.61km。

（2）閘底板設(shè)計(jì)

該工程推移質(zhì)卵石含量較大，壩袋下游面在塌壩泄洪時(shí)，壩袋會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，塌落線部位壩袋與底板間的接觸磨損是泄洪時(shí)壩袋脈動(dòng)拍打底板造成的，由于水流流態(tài)復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)有卵石、砂礫等卷入壩袋與底板之間造成磨損加劇，有些帶有鋒利棱角的塊石甚至直接磨破壩袋。

在底板設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)狀地形情況，適當(dāng)抬高壩底板頂高程，盡可能地阻礙推移質(zhì)從壩袋上部通過，同時(shí)壩底板抬高后過壩流速加大，可減小推移質(zhì)在壩袋頂部的磨損時(shí)間。

壩底板表面采用磨光處理，并在壩袋下游塌落線范圍外采用1∶4斜坡直接與消力池底板相銜接，增加壩底板的光滑度，保證砂卵石不積聚在底板上，從而減緩壩袋磨損。

橡膠壩底板采用C25鋼筋混凝土平底板，底板表層設(shè)0.4m厚的C40耐磨混凝土，提高壩底板表面強(qiáng)度，從而避免壩底板磨損造成壩袋損壞。

（3）堵頭部位設(shè)計(jì)

堵頭式橡膠壩兩端是通過擠壓兩側(cè)墩墻進(jìn)行止水，兩端與墩墻的接觸面范圍大，壩袋在塌落泄洪時(shí)會(huì)與兩側(cè)墩墻面不停摩擦，如果墩墻不夠平整光滑，容易引起磨損；另外半壩運(yùn)行時(shí)此部位容易產(chǎn)生褶皺，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，將壩袋撕裂。

為減輕橡膠壩袋兩端與墩墻結(jié)合部位出現(xiàn)塌肩現(xiàn)象，引起局部溢流，影響橡膠壩的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)將靠近兩岸端（中墩）按1∶10抬高0.3m，并將壩袋嵌入墩墻內(nèi)，采用1∶2水泥砂漿抹平壓光堵頭與墩墻之間的縫隙，壩袋安裝后，端墻采用M10砂漿砌磚填充，表面采用M20砂漿抹面。

為減輕橡膠壩堵頭在隔墩處磨損，在隔墩與壩袋結(jié)合面處設(shè)復(fù)合不銹鋼飾面，復(fù)合層采用不銹鋼12Cr18Ni9Si3，厚 3mm，基材采用Q235B，厚 9mm，寬 6.0m，高 1.2m。施工時(shí)要求先安裝龍骨，固定牢靠后，再焊接不銹鋼板，并要求不銹鋼板為整體，保證不銹鋼面平整光滑，從而減小隔墩對壩袋的磨損。

（4）上游修建沉砂池

橡膠壩上游修建沉砂池，沉沙池附近由于流速較小，使推移質(zhì)盡可能沉積，減少過壩推移質(zhì)，阻礙泥砂向前推進(jìn)，但拉薩河推移質(zhì)含量大，極易淤積攔砂池，需定期進(jìn)行清理。

2.壩袋防老化措施

橡膠壩老化主要表現(xiàn)為壩袋膠布的表層老化，其使用壽命與氣候、使用條件、受力狀況以及壩袋質(zhì)量、厚度等因素有關(guān)。拉薩地區(qū)紫外線強(qiáng)度較大，太陽輻射紫外光具有很高的能量，會(huì)引起橡膠壩發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使分子鏈斷裂，加速壩袋老化；另外橡膠壩在水中容易吸水膨脹或發(fā)生水解反應(yīng)，也會(huì)加速壩袋老化。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和研究分析，增加壩袋外層膠厚度和對外層膠防護(hù)是延長壩袋使用壽命的關(guān)鍵，主要因?yàn)橥鈱幽z具有良好的水、氣密性外，還能防止帆布老化。

針對該工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主要通過增加外層膠厚度和防護(hù)措施來解決壩袋老化問題。規(guī)范規(guī)定外層膠厚度選擇應(yīng)大于2.5mm，從壩袋總體厚度考慮，設(shè)計(jì)采用外膠層厚度4.0mm。防護(hù)措施包括化學(xué)防護(hù)和物理防護(hù)。化學(xué)防護(hù)措施主要有在壩袋膠料中添加抗氧劑、抗臭氧劑、紫外線吸收劑等外加劑；物理防護(hù)措施主要采用耐老化、耐腐蝕、抗磨損、抗凍性及耐水性等性能優(yōu)異的氯丁橡膠膠料。

3.設(shè)置調(diào)節(jié)閘的必要性

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的橡膠壩多采用橡膠壩充坍壩來調(diào)節(jié)流量，調(diào)度不靈活，有時(shí)小流量就要塌壩運(yùn)行，不但浪費(fèi)水源和增加運(yùn)行費(fèi)用，而且影響工程景觀效果。

該工程將拉薩河作為寶貴的景觀資源加以利用，打造濱河生態(tài)旅游帶，帶動(dòng)城區(qū)向南拓展，有利于拉薩城市總體規(guī)劃的實(shí)施。拉薩河流域降水一般發(fā)生在6～9月，剛好又是拉薩旅游旺季，在不影響行洪的情況下，延長橡膠壩運(yùn)行時(shí)間很關(guān)鍵。根據(jù)歷年行洪流量分析，考慮工程投資和景觀要求，布置3孔調(diào)節(jié)閘，橡膠壩在設(shè)置調(diào)節(jié)閘情況下行洪流量700m3/s以下可不塌壩運(yùn)行。

調(diào)節(jié)閘的主要功能是調(diào)節(jié)流量，調(diào)節(jié)壩上蓄水位，避免頻繁充坍壩，同時(shí)兼顧沖砂。在橡膠壩檢修期間，渲泄上游來水；在橡膠壩擋水期間，調(diào)節(jié)閘可以通過控泄的方式，調(diào)節(jié)壩上蓄水位，或者渲泄較大頻率的中小洪水；在行洪期間，調(diào)節(jié)閘與橡膠壩可同時(shí)過流。在河道主槽建調(diào)節(jié)閘，利用上游來水進(jìn)行沖砂，灘地修建橡膠壩，可減小橡膠壩壩袋磨損，拉薩河壩址處河道主槽位于右岸，故在右岸設(shè)置調(diào)節(jié)閘進(jìn)行沖砂。

在橡膠壩右側(cè)設(shè)置調(diào)節(jié)閘，橡膠壩壩頂溢流最大溢流量375m3/s，調(diào)節(jié)閘控泄流量400m3/s，保證非汛期橡膠壩基本不需塌壩。

四、實(shí)施效果

該工程投入使用2年來，經(jīng)歷多次洪水考驗(yàn)，最大行洪流量2200m3/s，洪水過后，經(jīng)檢查壩袋外觀情況良好，磨損輕微，壩袋下游底板下有極少量砂卵石。小流量采用調(diào)節(jié)閘調(diào)節(jié)，減少頻繁充坍壩，既節(jié)能又保證了工程景觀■