臨沂柳青河岳塢橡膠壩設(shè)計(jì)分析

歐亞峰

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000）

柳青河是臨沂北城新區(qū)的一條季節(jié)性河流，全長34km，流域面積258.7km2，上游為山洪河道，下游為平原河道，干流平均比降為1.62%。河道上原有的岳塢攔河壩始建于1963年，距今已超過50年，滲漏嚴(yán)重，已無維修價值，因此，有關(guān)部門決定拆除后新建橡膠壩。壩址河道總寬度為152m，工程等級為Ⅳ等，主要建筑物為4級建筑，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，洪水流量為2800m3/s。

1 工程總體設(shè)計(jì)

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘探，岳塢大壩壩址地層以河流沖積相地層為主，并夾帶河床相沉積層，具體從上至下可分為四層：①層為雜填土和素土層；②層為黏土層；③層為粉質(zhì)黏土+粉土層；④層為硬塑黏土層。設(shè)計(jì)橡膠壩壩基坐落于②層黏土層之上，經(jīng)測定該黏土層的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 橡膠壩壩基土料物理力學(xué)參數(shù)

1.2 工程總體布置

工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：橡膠壩工程、泵房、充排水系統(tǒng)三大部分[1]，具體布置如下：

1）橡膠壩工程布置。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)壩袋總長度為165m，按照深淺槽不同共布置為3段，其中深槽壩段布置在中間，長45m，淺槽基本平均布置在兩端，長度均為60m。

2）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（1）深、淺槽利用以混凝土分隔墩為分界線，設(shè)計(jì)分隔墩厚0.8m，長、高分別和底板、壩體高度相同；以橡膠壩為分界線，上游河道底部鋪設(shè)長20m、厚0.3m的混凝土鋪蓋，下游河道底部鋪設(shè)長8m、厚0.6m護(hù)坦[2]。（2）為降低壩基滲透壓力，在護(hù)坦上設(shè)計(jì)排水孔3排，孔徑為Φ0.05m，間排距均設(shè)計(jì)1.5m，呈梅花形布置，且下部設(shè)計(jì)反濾層。（3）防沖墻設(shè)計(jì)在護(hù)坦末端一字排列，墻底深入基巖不低于0.5m，防沖墻采用混凝土灌注樁形式，直徑為0.8m，間距0.7m。（4）上下游邊墻均采用重力式混凝土擋土墻形式，頂寬0.5m，底寬1.2m，所有混凝土結(jié)構(gòu)縫隙均采用651型橡膠止水處理，并在縫隙內(nèi)填充聚乙烯泡沫板[3]。

2 橡膠壩主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 壩袋參數(shù)設(shè)計(jì)

1）壩袋材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算得出岳塢橡膠壩壩袋的設(shè)計(jì)拉力為89.5kN/m，安全系數(shù)取8.0，壩袋所能承受的最大拉力為716kN/m?？紤]到用于制作壩袋帆布、橡膠的強(qiáng)度不均勻性及浸水后強(qiáng)度下降等因素，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在安全系數(shù)的基礎(chǔ)上再增加20%，所以最終要求壩袋所能承受的最大拉力為860kN/m。選用的壩袋型號為JBD5.0-300-3[4]。

2）壩袋最大伸長率分析。岳塢橡膠壩設(shè)計(jì)為雙錨壩袋，并設(shè)置安全溢流管，計(jì)算利用薄膜理論，將壩體受力簡化為：上游擋水水深等于壩高、下游無水，壩袋環(huán)向長度L計(jì)算公式如下。

式中：R為壩袋曲率；θ為底板起弧點(diǎn)處與平面的夾角；H0為壩內(nèi)水頭，m。

此外，壩袋伸長率和設(shè)計(jì)內(nèi)壓比有著直接關(guān)系，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 達(dá)到設(shè)計(jì)壩高時設(shè)計(jì)內(nèi)壓比和壩袋伸長率關(guān)系表

由表2可知：隨著設(shè)計(jì)內(nèi)壓比的增加，壩袋伸長率在逐漸降低，為達(dá)到設(shè)計(jì)壩高，可采取適當(dāng)降低內(nèi)壓比的途徑。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的內(nèi)壓比為1.4，壩袋伸長率為9.5，壩高也滿足要求。

2.2 壩體高度設(shè)計(jì)計(jì)算

壩體高度是橡膠壩最重要的參數(shù)之一，其高度越大，所受水體沖擊越大，變形越嚴(yán)重；但若高度不夠，則無法有效起到攔河壩作用，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)3.0m、4.0m、5.0m三個壩體高度利用ANSYS軟件來對溢流穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算[5]。

1）3.0m壩高溢流計(jì)算。設(shè)計(jì)高度3.0m，內(nèi)壓比1.4，壩體長度45m，壩袋厚度0.008m，經(jīng)估算最大溢流水深高為0.3m，對該工況壩體位移進(jìn)行模擬見圖1示。

圖13 .0m壩高溢流0.3m時壩體總位移圖

經(jīng)分析得知：壩體最大應(yīng)力處位于上、下游錨固線位置，其中，下游錨固線位置應(yīng)力值分布更大，約為上游的1.5～2.0倍，達(dá)到23.45MPa，隨著溢流高度的不斷增加，錨固線處應(yīng)力也在逐步增大。由圖1可知，壩體最大位移處位于壩頂略偏下游部分，錨固線處位移最小。因此需要對錨固螺栓和錨栓附近的壩袋應(yīng)做加強(qiáng)處理，可以認(rèn)為此時壩體承載力已經(jīng)達(dá)到了極限狀態(tài)，安全性和穩(wěn)定性無法保證，所以3.0m高度不滿足本項(xiàng)目要求。

2）4.0m壩高溢流計(jì)算。設(shè)計(jì)高度4.0m，內(nèi)壓比1.4，壩體長度45m，壩袋厚度0.008m，經(jīng)估算最大溢流水深高為0.1m，對該工況壩體位移進(jìn)行模擬見圖2示。

圖24 .0m壩高溢流0.1m時壩體總位移圖

壩高4.0m，溢流水深0.1m的工況下，壩體最大應(yīng)力處和最大位移處與3m壩高時基本一致，但下游錨固線最大應(yīng)力值為16.2MPa，相對于上一工況下降了30.9%，這就大大降低了錨固線和錨栓附近壩袋的強(qiáng)度要求，可以認(rèn)為4.0m壩高、溢流0.1m時，壩體承載力的安全性、穩(wěn)定性完全滿足使用要求。

3）5.0m壩高溢流計(jì)算。設(shè)計(jì)高度5.0m，內(nèi)壓比1.4，壩體長度45m，壩袋厚度0.008m，經(jīng)估算最大溢流水深高為0.1m，對該工況壩體位移進(jìn)行模擬見圖3示。

圖35 .0m壩高溢流0.1m時壩體總位移圖

壩高5.0m，溢流水深0.1m的工況下，壩體最大應(yīng)力處和最大位移處上述兩種工況基本一致，但下游錨固線最大應(yīng)力值為19.8MPa，相對于第一個工況下降了15.6%，相對于第二個工況上升了22.2%，處于中間位置。此時壩袋最大變形量超過0.2m，接近極限變形量，且精度已不滿足要求。可以認(rèn)為5.0m壩高、溢流0.1m時，壩體承載力的安全性、穩(wěn)定性完全不滿足使用要求。

綜上所述，岳塢橡膠壩壩體高度設(shè)計(jì)4.0m最為合理，最大溢流高度0.1m，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的防洪要求。

3 結(jié)語

岳塢橡膠壩投入使用后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且經(jīng)過近兩年運(yùn)行，在防洪排澇、供水灌溉等方面完全可以代替和超過之前混凝土壩體的作用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。實(shí)踐證明，橡膠壩設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)理論與試驗(yàn)相結(jié)合，保留較大的安全系數(shù)，這樣才能確保遇到特殊情況時有一定的調(diào)控空間。