充氣式橡膠壩在水電行業(yè)的應(yīng)用

70 a前充氣式橡膠壩的概念由法國(guó)工程師提出。20世紀(jì)50年代中期，美國(guó)工程師在洛杉磯設(shè)計(jì)并安裝了第一座充氣式橡膠壩。20世紀(jì)60年代，美國(guó)完成了一系列大型橡膠壩工程，并將技術(shù)授權(quán)給日本住友電氣(Sumitomo Electric)公司，該技術(shù)得以在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。在接下來(lái)30 a時(shí)間內(nèi)，日本成為世界上最大的橡膠壩制造商。目前全球共有約6 000座橡膠壩，其中日本約占2/3，橡膠壩的應(yīng)用范圍涵蓋了灌溉、供水、蓄水、防洪、棲息地恢復(fù)及發(fā)電等領(lǐng)域。

橡膠壩是由橡膠涂層織物組成的永久性結(jié)構(gòu)，這種織物通過(guò)壓板和地腳螺栓固定在鋼筋混凝土基座上。橡膠體通過(guò)充氣(水)膨脹達(dá)到設(shè)計(jì)高度和壓力，通過(guò)排氣(水)使橡膠體坍落。通常橡膠壩設(shè)計(jì)為全自動(dòng)化控制，但也可設(shè)計(jì)為人工手動(dòng)操作，由于具有土建工程量較小、易安裝、低投資、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，通常被用于各類(lèi)泄洪建筑物的改造項(xiàng)目中。在水電行業(yè)，橡膠壩通常被用作徑流式水力發(fā)電項(xiàng)目的引水堰，與自動(dòng)閘板系統(tǒng)作用相同，可為電站增加額外的發(fā)電水頭，或用作沖沙等其他方面。

1 橡膠壩的類(lèi)型

橡膠壩可以分為充氣式和充水式兩類(lèi)。充氣式橡膠壩橫斷面較小，需要的橡膠體也較小，因此最具成本效益。充氣式橡膠壩重量較輕，能夠更好地應(yīng)對(duì)寒冷氣候，在寒冷地區(qū)不受冰凍氣溫的影響。

充氣式橡膠壩的另一優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)(充、放氣)速度快，在相同尺寸下，通常比充水式橡膠壩的調(diào)節(jié)速度快很多。其缺點(diǎn)之一是在高水頭漫壩(水頭超過(guò)壩體高度的20%時(shí))時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致壩袋振動(dòng)，壩袋排氣坍落時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水流集中，導(dǎo)致V型切口現(xiàn)象。

相反，由于充水式橡膠壩壩袋內(nèi)部水體的重量使其更為穩(wěn)固，因此充水式橡膠壩能夠經(jīng)受較高的漫壩水頭(最高可達(dá)壩體高度的50%)。在某些特定情況下，可通過(guò)逐步排水，使壩袋坍落，以此控制上游水位。

由于充水式橡膠壩的底板較寬，因此可能不太適合安裝在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)上，尤其是反弧形泄洪道，但就調(diào)節(jié)性能和其他特點(diǎn)而言，充水式橡膠壩具有一定優(yōu)勢(shì)。

2 充氣式橡膠壩的應(yīng)用

橡膠壩具有較高的成本效益，可以替代水工鋼閘門(mén)，是世界各地小型徑流式水電站前池的較好選擇。

在美國(guó)和加拿大，橡膠壩也經(jīng)常被用來(lái)升級(jí)或替代木質(zhì)閘板系統(tǒng)。該壩可以通過(guò)排氣坍落使大流量水流通過(guò)泄洪道，當(dāng)水流恢復(fù)正常時(shí)，充氣膨脹擋水，為電站增加發(fā)電水頭。因此，與傳統(tǒng)的閘板系統(tǒng)相比，橡膠壩可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)優(yōu)化電力生產(chǎn)和發(fā)電收入。

橡膠壩具有靈活調(diào)節(jié)能力，電站運(yùn)行人員較好地執(zhí)行環(huán)保部門(mén)頻繁變化的下泄流量指令。

與舊的木質(zhì)閘板系統(tǒng)相比，全自動(dòng)充氣式橡膠壩大大提高了大壩運(yùn)行人員的安全性。按下按鈕，壩頂高程就可以提高1～2 m，而在以前，大壩運(yùn)行人員不得不手動(dòng)豎起閘板，工作環(huán)境較危險(xiǎn)。

橡膠壩同樣適合于前池蓄水，可以為電力生產(chǎn)商提供簡(jiǎn)單高效的方式增加前池容量，調(diào)節(jié)電力生產(chǎn)，滿(mǎn)足電力需求的變化。

3 充氣式橡膠壩的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)

正如前文所述，橡膠壩的主要特點(diǎn)是易于安裝、維護(hù)要求低、應(yīng)對(duì)惡劣天氣能力強(qiáng)。

充氣式橡膠壩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，土建工程量較小，成為眾多水力發(fā)電項(xiàng)目業(yè)主及開(kāi)發(fā)商樂(lè)于接受的方案，許多新建水力發(fā)電項(xiàng)目選擇橡膠壩方案，在現(xiàn)有建筑物的升級(jí)改造中，橡膠壩方案同樣占比較大。充氣式橡膠壩用于升級(jí)改造現(xiàn)有建筑物時(shí)，首先需要改造泄洪道以適應(yīng)橡膠壩壩袋排氣坍落，需要制定適合橡膠壩錨固系統(tǒng)及管路系統(tǒng)的規(guī)程。液壓鋼閘門(mén)跨度有限，且需要仔細(xì)平衡、準(zhǔn)確操作，橡膠壩可以在其總長(zhǎng)度范圍內(nèi)均勻承受水壓力荷載。因此，橡膠壩的跨度可以很大(最長(zhǎng)的單體橡膠壩跨度為190 m)，而且可在工廠(chǎng)制作成曲線(xiàn)形狀，便于安裝在現(xiàn)有的泄洪道上?？紤]到安裝、運(yùn)行及運(yùn)輸?shù)葪l件，橡膠壩的跨度以50 m左右為宜。大跨度橡膠壩重量較重，需要更大的起重機(jī)械來(lái)吊裝。這些因素不得不考慮，主要因其與運(yùn)輸、安裝成本直接相關(guān)。就調(diào)節(jié)上游水位而言，選擇多個(gè)短跨度橡膠壩方案還有額外的優(yōu)勢(shì)。

充氣式橡膠壩可以較好地適應(yīng)寒冷氣候，加拿大和美國(guó)東北部地區(qū)有許多充氣式橡膠壩，有記錄表明，這些地方的橡膠壩已經(jīng)抵御了100 a一遇的洪水而未受到任何損壞。

不管是充氣式還是充水式，橡膠壩的密閉性能優(yōu)異(滲漏量最小)、操作環(huán)境干凈、幾乎免維護(hù)，可以減少投資及運(yùn)行成本。此外，區(qū)別于液壓鋼閘門(mén)，橡膠壩不需要使用潤(rùn)滑油，不存在向河里排放有害物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，因此業(yè)主也沒(méi)有被重罰的風(fēng)險(xiǎn)。

由于橡膠材料抗腐蝕性較好，橡膠壩不僅可以建在淡水環(huán)境中，也可建在咸水環(huán)境中。在潮汐位置，可以將橡膠壩橫斷面設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)形狀(半圓形)以承受來(lái)自上、下游的水荷載。橡膠壩的錨固組件通常采用球墨鑄鐵制成，并進(jìn)行熱鍍鋅，在咸水環(huán)境中則使用不銹鋼材料。錨件的設(shè)計(jì)壽命通常為50 a，甚至更長(zhǎng)。

此外，橡膠壩外觀低調(diào)，尤其是少量水流漫壩，壩體浸入水流中時(shí)，壩體與周?chē)h(huán)境融為一體。因此，城市河道中建設(shè)了許多橡膠壩用于休閑娛樂(lè)、水力發(fā)電及城市改造等。

4 橡膠壩的設(shè)計(jì)局限性及影響因素

世界上最高的橡膠壩位于荷蘭，壩袋完全充氣膨脹時(shí)，壩體高度可達(dá) 8.35 m，該橡膠壩被用作擋潮閘，2001年建成。擋潮閘由3跨組成，每跨長(zhǎng)度為80 m，這種設(shè)計(jì)是獨(dú)一無(wú)二的。通常，橡膠壩的壩高最高僅約 6.5 m，且尺寸受限于材料性能(主要是抗拉強(qiáng)度)、生產(chǎn)設(shè)備的尺寸、容量(高壓釜、平板硫化機(jī)等)以及大型橡膠布的處理、運(yùn)輸、安裝能力。

在一些典型工程案例中，橡膠布重達(dá)幾噸，需要大型設(shè)備起吊并安裝至混凝土基座上，設(shè)計(jì)階段就需要考慮上述因素，因此有時(shí)就會(huì)選擇多跨而非單跨方案。同樣，橡膠壩壩體的圓周長(zhǎng)也會(huì)對(duì)運(yùn)輸方式產(chǎn)生影響，如果橡膠布可以裝入標(biāo)準(zhǔn)尺寸容器中，將能大大減少運(yùn)輸成本。大面積橡膠布需要利用特殊支架進(jìn)行生產(chǎn)制造，也增加了成本。此外，在設(shè)計(jì)階段也需要充分考慮橡膠片的裝卸及展開(kāi)等因素。

5 加拿大近期建設(shè)的橡膠壩項(xiàng)目

最近，戴爾歐福(Dyrhoff)公司為加拿大提供了7座橡膠壩材料，其中4座由阿爾岡金(Algonquin)電力公司安裝在魁北克省唐納科納(Donnacona)水力發(fā)電廠(chǎng)中，而位于該省米斯塔西尼(Mistassini)河上的德拉勒姆(de la leme)陡槽橡膠壩工程已于2017年年初完成。與此同時(shí)，安大略省附近葉羅福爾斯(Yellow Falls)水電項(xiàng)目的兩座橡膠壩安裝工程也已在2017年完工。

5.1 魁北克唐納科納項(xiàng)目

該項(xiàng)目位于雅克·卡地亞(Jacques Cartier)河上，與魁北克省唐納科納鎮(zhèn)及蓋桑特(Cap Sante)相距不遠(yuǎn)。唐納科納橡膠壩在原址取代了舊的木質(zhì)閘板壩，該木質(zhì)閘板壩始建于1918年，2014年5月遭到嚴(yán)重?fù)p壞后改建為橡膠壩。由于原壩址水流控制設(shè)施中，橡膠壩是最具成本效益的替代方案，經(jīng)過(guò)慎重考慮，該壩的業(yè)主阿爾岡金電力公司與其顧問(wèn)WSP決定，在該壩原址安裝充氣式橡膠壩。

新唐納科納橡膠壩由4跨組成，每跨高1.95 m，單個(gè)跨度為23 m。新建的充氣式橡膠壩位于水力發(fā)電廠(chǎng)附近，可以提升唐納科納壩的水位管理能力。當(dāng)上游水位處于正常水位時(shí)，橡膠壩將完全充氣運(yùn)行，一旦前池水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定上游水位，壩袋就開(kāi)始排氣坍落，以下泄洪水，避免上游淹沒(méi)。另外，還可通過(guò)按順序排氣坍落一跨或多跨橡膠壩體，以下泄暴雨帶來(lái)的大量徑流，解除洪水威脅，直到上游水庫(kù)水位下降到安全水位。為應(yīng)對(duì)上游過(guò)高的水位，該壩可供頻繁操作，平均每跨橡膠壩的年排氣坍落次數(shù)為5～10次。該充氣式橡膠壩的設(shè)計(jì)坍壩時(shí)間小于45min。土建承包商波默洛(Pomerleau)完成土建施工后，在戴爾歐福公司的指導(dǎo)下， 20 d內(nèi)就完成了橡膠壩的安裝工作。2016年11月開(kāi)始進(jìn)行初始調(diào)試，2017年年初正式投運(yùn)，之后不久裝機(jī)容量為 4.8 MW的徑流式水電站恢復(fù)電力生產(chǎn)。

5.2 米斯塔西尼河項(xiàng)目

米斯塔西尼河項(xiàng)目由萊克圣簡(jiǎn)(Lac St-Jean)能源公司委托其合作伙伴米斯塔西尼河水電公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)了裝機(jī)容量為18.3 MW的小型水力發(fā)電廠(chǎng)的運(yùn)行，可以滿(mǎn)足3 000個(gè)家庭的用電需求。新建的充氣式橡膠高2.7 m，跨度為30 m，采用雙線(xiàn)錨固系統(tǒng)，以增加壩體穩(wěn)定性。在管理米斯塔西尼河最小流量需求時(shí)，該橡膠壩可以為泄洪道及水電站調(diào)節(jié)上游水位。當(dāng)需要控制上游水位，壩袋通常完全充氣膨脹，當(dāng)需要加大下泄流量時(shí)，壩袋會(huì)排氣坍落，下泄洪水。在該項(xiàng)目中選擇橡膠壩方案的技術(shù)原因之一就是其運(yùn)行水位可以根據(jù)米斯塔西尼河來(lái)水量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)橡膠壩的安裝工程用時(shí)12 d，2017年年初已完工。

5.3 安大略省葉羅福爾斯項(xiàng)目

加拿大安大略省葉羅福爾斯水電項(xiàng)目位于米斯塔西尼河上，斯穆斯羅克福爾斯(Smooth Rock Falls)以南的地區(qū)。該水電站依靠這兩座橡膠壩控制水流，其中一座橡膠壩高 4.2 m，跨度為45 m，另一座橡膠壩高 4.2 m，跨度為25 m，在戴爾歐福公司的監(jiān)督下以及合作伙伴的主導(dǎo)下，承包商尼爾遜(Neilson)2017年第四季度完成了這兩座橡膠壩的施工。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)加拿大這些橡膠壩實(shí)例，大多數(shù)業(yè)主更加熱衷于選擇橡膠壩方案，因?yàn)樗麄兩钪鹉z壩工程的優(yōu)點(diǎn)。在這些改造項(xiàng)目或新建項(xiàng)目中，戴爾歐福公司深信業(yè)主們將繼續(xù)選擇橡膠壩方案，因?yàn)榕c鋼閘門(mén)方案相比，橡膠壩方案的成本更低，操作及維護(hù)更簡(jiǎn)單。

周榮孫言譯