臨沂茶山閘橡膠壩工程設(shè)計(jì)淺析

張正芝

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

人工化、機(jī)械化的河流治理對(duì)河道自然形態(tài)破壞較大、且維護(hù)成本較高。橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、對(duì)河道環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)的特點(diǎn)，在當(dāng)前水生態(tài)文明導(dǎo)向背景下備受青睞。1957年美國(guó)工程師采用高分子合成材料在洛杉磯修建了第一座橡膠壩，稍后我國(guó)也著手相關(guān)研究，并在北京右安門(mén)水道管理中予以成功應(yīng)用。郭維東等[1]在工程實(shí)踐中分析了徑流量對(duì)橡膠壩下泄水流水噪聲的影響，指出了優(yōu)化尾坎高度與消力池長(zhǎng)度的方法；李洋洋等[2]在浐河流域的實(shí)踐表明，選擇橡膠壩在立壩時(shí)的水面線(xiàn)較塌壩時(shí)的水面線(xiàn)平穩(wěn)，塌壩時(shí)具有延遲性與水躍現(xiàn)象；王洋[3]對(duì)遼寧中部城市非恒定流模型的定邊界條件進(jìn)行改進(jìn)，加入動(dòng)態(tài)邊界后模擬河流橡膠壩河段的流態(tài)，表明其自然恢復(fù)性更好，適宜于河流景觀(guān)構(gòu)建。本文結(jié)合茶山閘工程概況，簡(jiǎn)述橡膠壩設(shè)計(jì)方案，以期交流工藝關(guān)鍵流程，并探討其可改進(jìn)之處。

1 概況

臨沂市茶山閘工程位于蘭山區(qū)西部山地丘陵地帶茶山河上游，屬臨沂三大供水網(wǎng)絡(luò)工程節(jié)點(diǎn)之一，主要用于臨沂山丘區(qū)農(nóng)村水資源供應(yīng)管理，另兼構(gòu)建流域多樣性生態(tài)景觀(guān)防治水土流失、旱澇災(zāi)害功能。區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境適用于橡膠壩建設(shè)條件，依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2000)，劃分該工程等別與永久性建筑物級(jí)別為V 級(jí)。茶山閘橡膠壩為原壩址上新修設(shè)施，基于近50 年來(lái)水文特征，設(shè)計(jì)，壩底板高程76 m、長(zhǎng)23 m、厚1 m。

2 壩型選擇

茶山閘水壩對(duì)管理上游徑流量、防洪抗旱、引水灌溉具有重大意義。而壩型的選擇事關(guān)工程質(zhì)量安全，是工程實(shí)施的基礎(chǔ)，需要結(jié)合壩址水文地質(zhì)環(huán)境、地形特征、降水情勢(shì)、人為活動(dòng)等因素進(jìn)行專(zhuān)家決策。橡膠壩與傳統(tǒng)壩型優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1[4]。

表1 橡膠壩與傳統(tǒng)壩型優(yōu)缺點(diǎn)比較

綜合考慮工程區(qū)環(huán)境要素與經(jīng)濟(jì)社會(huì)背景，專(zhuān)家一致同意采用橡膠壩，壩型剖面見(jiàn)圖1。

圖1 茶山閘橡膠壩剖面圖

3 茶山閘橡膠壩設(shè)計(jì)

3.1 壩長(zhǎng)、壩高、壩袋設(shè)計(jì)

壩高為大壩建基面的最低點(diǎn)至壩頂高度，是橡膠壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，其決定了壩袋內(nèi)壓、水位、徑流控制的設(shè)計(jì)。橡膠壩壩體輕質(zhì)、柔韌，具有彈性，鑒于河流水位變率與不同水文地質(zhì)條件下對(duì)壩體承壓的影響，壩高設(shè)計(jì)需綜合考慮。通過(guò)搜集河流水文資料，計(jì)算了壩高、壩袋的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 茶山閘橡膠壩壩袋參數(shù)

表2 中，α 為內(nèi)壓比，Ht為設(shè)計(jì)壩高，m；S 表示下游壩面曲線(xiàn)段長(zhǎng)度，m；T 表示壩袋經(jīng)向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m；St表征下游壩面曲線(xiàn)段長(zhǎng)度，m；R 為壩面曲線(xiàn)段半徑，m；V 表示壩袋容積，m3；X0、n 分別表示下游貼地段長(zhǎng)度，m、上游貼地段長(zhǎng)度，m。橡膠壩壩底的計(jì)算公式如下[5]：

據(jù)此得到茶山閘橡膠壩的壩底板順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度為18.24 m。壩底設(shè)計(jì)另需考慮特殊情況，例如下游無(wú)水的最不利工況，據(jù)此計(jì)算壩底穩(wěn)定系數(shù)，如下：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，通常要求Kc≥1.2；f 為壩底與地基土之間的摩擦系數(shù)，經(jīng)勘測(cè)，茶山閘橡膠壩的f 為0.5，∑G、∑H 分別為作用在閘室上垂直、水平方向上全部荷載；B 為壩底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果顯示，茶山閘橡膠壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.2，最大基底應(yīng)力為20.5 kPa，地基應(yīng)力最大值與最小值之比為1.76，達(dá)到中等堅(jiān)實(shí)地基要求，符合一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3.2 消能設(shè)計(jì)

消能設(shè)計(jì)是維護(hù)橡膠壩安全和增加其使用周期的工程基礎(chǔ)，其通常以壩高充至設(shè)計(jì)高度壩頂開(kāi)始溢流時(shí)的工況計(jì)算消力池的深度和長(zhǎng)度為計(jì)算依據(jù)。本工程采用鋼筋混凝土消力池，參照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL256-2001）的公式：

式中：d 表示消力池深度，m；δ0表征水躍淹沒(méi)系數(shù)；hc'、hc、hs分別為躍后水深、收縮水深、出池河床水深；△z 表示出池落差，m；T0表征由消力池底板頂面算起的總勢(shì)能；Lj為消力池長(zhǎng)度；g 為過(guò)壩單寬流量，m2/s；a 為水流動(dòng)能校正系數(shù)。

表3 茶山閘橡膠壩消能計(jì)算工況表

表4 茶山閘橡膠壩消能計(jì)算結(jié)果

如表4 所示，計(jì)算確定消力池長(zhǎng)為17.5 m，深度為0.7 m，袋充脹到設(shè)計(jì)高度時(shí)，可流量系數(shù)介于0.31～0.34 之間，設(shè)計(jì)符合橡膠壩安全需要。

3.3 泄流防沖設(shè)計(jì)

橡膠壩可隨著上游水勢(shì)豐枯調(diào)整攔水、泄流狀態(tài)，泄流過(guò)程中的勢(shì)能沖擊對(duì)壩基、壩體造成一定影響，防沖設(shè)計(jì)的目的在于削減水流勢(shì)能沖刷的影響，提高壩體壽命。橡膠壩的泄流能力取決于寬頂堰與曲線(xiàn)型實(shí)用堰，基于前述的工況，按照下式計(jì)算泄流能力。

式中：相關(guān)參數(shù)含義與前述一致，h0表示計(jì)入行近流速水頭的堰上水頭，m；δ 為淹沒(méi)系數(shù)；ε 表示堰流側(cè)收縮系數(shù)；g 為過(guò)壩徑流量，m3。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橡膠壩控制系統(tǒng)是壩體的核心組件之一，是實(shí)現(xiàn)壩體功能的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)內(nèi)容具體包含沖排設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)備、管路布置和控制室等。茶山閘橡膠壩設(shè)計(jì)中參照了國(guó)內(nèi)外已建橡膠壩工程統(tǒng)計(jì)，決定其充壩、坍壩時(shí)間分別為2 h～3 h、1 h～2 h。由于本區(qū)河道比降小、自流性較差，且存在淤積問(wèn)題，遂決定采用動(dòng)力式充排，確保在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到充壩、坍壩的要求。動(dòng)力設(shè)置主要指水泵，本工程中水泵的選型主要結(jié)合泄流量、充坍壩時(shí)間、壩長(zhǎng)、壩高等進(jìn)行設(shè)計(jì)。水泵流量按下式計(jì)算：

式中：Q 為計(jì)算的水泵所需最小流量，m3/h；v 表示壩袋沖水后的容積，其計(jì)算參照前述3.1 部分；n、t 分別表示泵臺(tái)數(shù)量、充坍壩所需最短時(shí)間。

揚(yáng)程為水泵泄流的水平距離，其計(jì)算如下：

式中：HB為水泵所需的揚(yáng)程；H1、H2、H3分別表示水泵出水管管口高程、水泵吸水管最低水位、水泵吸水管和壓力管水頭損失總和。計(jì)算結(jié)果顯示，茶山閘橡膠壩潛水泵、離心泵的揚(yáng)程分別需要21.5 m、12.4 m；水泵設(shè)計(jì)流量320 m3/h，流量980 m3/h～1250 m3/h，電壓為380 V，功率42 kW。

4 結(jié)論

水利建設(shè)事關(guān)民生安全，但同時(shí)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)深刻影響，而橡膠壩具有自我調(diào)節(jié)、生態(tài)破壞性小、構(gòu)造簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中小型親水工程建設(shè)中。結(jié)合工程實(shí)踐，編制茶山閘橡膠壩設(shè)計(jì)方案并計(jì)算幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，可為項(xiàng)目審核及后期維護(hù)提供依據(jù)，在橡膠壩建成以后，建議做好人工防護(hù)的工作，避免不必要的損壞；同時(shí)注意加強(qiáng)豐水枯水期徑流測(cè)算，以便及時(shí)充壩攔水、坍壩防水。