探討多跨大型橡膠壩設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題

李 娜

（山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院，山東 臨沂 276000）

橡膠壩由于其外層采用橡膠作為防護涂層，所以從外表上看很像個大橡膠。它是一個使用水或氣體調(diào)節(jié)大小的橡膠壩，將它固定在水底的底板上，在充滿氣體或液體的時候就會膨脹成為一個封閉的壩體，通過調(diào)節(jié)水袋中的液、氣體體量來控制水壩的高度，能夠有效的調(diào)節(jié)上游水位，對于周邊的農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、航船運輸、防洪排澇、抵汐擋潮有著重要的調(diào)節(jié)作用，本文結(jié)合月亮島橡膠壩進行分析，針對其特點探索橡膠壩的設(shè)計需注意的問題。

1 橡膠壩特點和發(fā)展

1.1 橡膠壩的分類及特點

橡膠壩主要可以分為五大類外形，即枕式橡膠壩、斜度橡膠壩、弧形橡膠壩、脊背式橡膠壩、擾流橡膠壩。橡膠壩通常都是里面充水或者充氣。枕式橡膠壩和斜度橡膠壩在外形相類似，在坡度上有所區(qū)別，主要用于大跨度的水工建筑中，可用于調(diào)節(jié)水庫泄洪、水渠卸閘，有利于調(diào)節(jié)蓄水和水位調(diào)節(jié)，也可以用作沿海的抵汐擋潮，由于材質(zhì)的原因不受到海洋生物和海水的侵蝕，相對于傳統(tǒng)海防設(shè)施有著更可靠的優(yōu)點。脊背式橡膠壩顧名思義其截斷面類似于書本，整個壩體外觀平整光滑，在出廠時一次壓膜成型，更具有整體性，對于較少震動緩解水流撞擊更有優(yōu)勢，由于脊背式橡膠壩外形美觀一次成型，在撤氣或撤水的時候會完全扁平，減少了壩體的低流干擾[1]。例如云南省西部邊緣地區(qū)的瑞麗江流域建立的月亮島橡膠壩，就是位于姐告河段下游800 m處，設(shè)計理念就是充分利用瑞麗江水資源，完善生態(tài)文明建設(shè)，優(yōu)化水資源配置，改善周邊人居環(huán)境，提升城市形象。

1.2 橡膠壩的發(fā)展

我國目前的橡膠壩數(shù)量已建成的已有很多，按照我國的水利工程的實際情況以及多年的建設(shè)經(jīng)驗，已經(jīng)形成了具有中國特色的橡膠壩體系，但是通常都是以中、小型為主。大型多跨橡膠壩其實在實際應(yīng)用中有很多地方可以使用，也是未來水利工程的重要發(fā)展趨勢，隨著科技的發(fā)展與技術(shù)的不斷完善，大型多跨橡膠壩的需求量也在不斷增加。由于跨度大、跨數(shù)多、水容量大等特點，其工程布置形態(tài)、水泵安置位置、充氣和充水系統(tǒng)、上下游防護措施等方面需要進行更加嚴格的規(guī)劃考量，這也是我國目前大型多跨式橡膠壩設(shè)計的重點與難點[2]。

2 多跨大型橡膠壩設(shè)計中應(yīng)注意的若干問題

2.1 高低壩布置形式或深淺槽布置形式

橡膠壩的地底基礎(chǔ)有多種形式，我國采用的平底板型居多，但是這種基礎(chǔ)底板不太適合于寬流域的水道以及山坳中的河道，寬流域的水道水流大但是流速低，而山坳中的河道則可能帶有大量的泥沙，在平底板基礎(chǔ)高低一致，就會導致水流變道或改變形態(tài)，尤其是泥沙會促成壩上和水庫產(chǎn)生沉落淤積，長期以往對橡膠壩有著非常不利的影響。大型多跨橡膠壩由于跨度大、跨數(shù)多很容易造成嚴重的落淤現(xiàn)象，一旦達到一定的程度就會致使橡膠壩損壞甚至報廢，涉及到的經(jīng)濟成本非常高[3]。例如月亮島橡膠壩的沖沙閘工作閘門位于閘室偏于上游部位，閘門為8.0 m（寬）×6.0 m（高）平面鋼閘門，閘門單重11.7 t，共計3扇，根據(jù)以往的實踐，有的山坳河道中可以保留原有的深基槽，并采用深淺基槽的布置方式，小洪水可以從深河道中串流，在不改變水流形態(tài)的基礎(chǔ)上減少橡膠壩的塌落次數(shù)，以此延長其使用壽命。

2.2 排水系統(tǒng)的布置

很多河道水流湍急、水量大，在其周邊布置泵站是設(shè)計環(huán)節(jié)必須要重視的問題，一旦排水系統(tǒng)設(shè)置不夠精確或者不合理，直接關(guān)系到日后的運行情況。大型多跨式橡膠水壩一般設(shè)置在河道較寬、壩體沿線長的地段，所以必須要滿足使用設(shè)計功能，但是上游可能突發(fā)洪水，就要有足夠的泄洪能力，同時壩體泄氣后也不能阻止水流，所以涉及相關(guān)的運行管理及經(jīng)濟投資等問題。例如月亮島橡膠壩可控制流域面積7762 km2，設(shè)計洪水為50年一遇洪峰流量2730 m3/s，20年一遇洪峰流量2580 m3/s，在設(shè)計環(huán)節(jié)，上游如果泄洪橡膠壩必須能夠快速的塌壩，這就首先要計算泵站的運行能力，保證符合排水規(guī)模，但是充壩的時間很少有約束。所以在泵站布置的時候要盡量使用大泵排水、小泵充氣，水下要預埋潛水泵作為不時之需的備用泵。用大泵站排水主要是為了泄洪時爭奪時間，由于充水、充氣一般不受時間限制，所以采用小泵來充水可以避免經(jīng)濟上的浪費，還能利用小泵站排除殘留余水。采用大、小泵站相結(jié)合的方式具有更高的性價比。潛水泵由于不受到水位的影響，即便是水位較低也能從底部將水抽取上來，同時也能為排水作出貢獻[4]。

2.3 充水井的結(jié)構(gòu)

大型多跨式橡膠水壩充水量非常大，但是如果充水井無法滿足壩體的用水量，那么泵站也就不能全功率的運行，不僅浪費了水泵的輸出功率，還可能造成干燒現(xiàn)象。不僅會增加用電量，還可能威脅到泵站電機的使用效果，而且長時間不能泵滿，增加了充水難度，越到后期泵水愈加困難。例如月亮島橡膠壩基中等透水帶厚15.0 m。經(jīng)計算兩座橡膠壩壩基及堤基滲漏總量分別為477.27萬m3/a、277.91萬m3/a，滲漏對橡膠壩正常蓄水的影響較小。要解決大型多跨橡膠壩的沖水問題要從兩個方面入手，首先是利用天然河道中的水源補給，其次是利用充水井的從地下水中進行水量補充。很多大型多跨式橡膠壩的單個壩袋充水量就需要數(shù)千立方米，在水源充足的情況下充滿一次就需要十幾個小時，因此采用將充水井優(yōu)化的策略，即在地下水不夠充足的情況下使用地下水，增大充水井的進水面積，快速提升充水效率[5]。采用滲透井也是增加充水效果的方式之一，滲透井主要是在壩前打通一個管道，管道直接延伸至河道，但是由于河道中泥沙很多，在設(shè)計階段就要考慮如何防止泥沙堵住管道的問題。也有在橡膠壩外圍處建立水箱的特例，在需要充水的時候可以快速將水箱的水導入壩體當中。改善充水井結(jié)構(gòu)也是快速充水的重要解決辦法之一，例如增大鋼筋混凝土的井口直徑，又或者充水井的砌筑結(jié)構(gòu)變更為下部干砌石結(jié)構(gòu)、上部混凝土結(jié)構(gòu)，使得井壁也能透水，增大了透水量也就等于增加的充水水量。

2.4 錨固形式

大型多跨式橡膠水壩跨越長度大、壩體垂直度較高，攔截水量更是驚人。整個壩體都承受了水的壓力，這就不僅需要壩體本身有足夠的強度，還要求壩體與底部的錨固有足夠的剛度和穩(wěn)定性。橡膠壩的錨固形式主要有螺栓固定形式、楔形塊固定形式、膠囊固定形式。這幾種錨固形式各有優(yōu)缺點，首先楔形塊固定形式就是利用摩擦力將楔形塊釘入到固定點中，具有施工便捷、經(jīng)濟適用的特點，但是由于受力不均衡，所以不能承擔過大的壩體，建議僅適用于3.5 m以下的橡膠壩上。其次是膠囊固定形式，這種方式屬于傳統(tǒng)的錨固形式，具有一定的安裝隱患，在新型的水壩中極少用到，僅作為了解。然后是螺栓固定形式，螺栓采用特制的金屬材料并在加工出廠前進行了防腐蝕、防銹蝕的工藝處理，在實際使用中具有安裝方便、施工簡單、施工時間短、維修便捷等多種優(yōu)點，是目前使用最為廣泛的一種錨固形式，也是大型多跨式橡膠水壩的安全性最高的錨固方式。對橡膠壩、沖沙閘、存在液化可能的砂基部分采用振沖碎石樁進行加固處理，如月亮島橡膠壩采用樁長4 m～5 m；振沖碎石樁樁徑采用1.0 m，振沖器功率采用75 kW，樁間距2.5 m，正方形布置。振沖碎石樁處理完成后，將頂部不密實部分清除，在樁頂上鋪填0.5 m厚水泥土褥墊過渡層，至建基面，對于一些有特殊要求的橡膠水壩可以采用多點組合的形式進行錨固。

2.5 自動補水裝置系統(tǒng)

中型及以上多跨式橡膠水壩在運營期間經(jīng)常會發(fā)生自行塌壩現(xiàn)象，造成這種情況主要是因為壩體錨固位置松動、基礎(chǔ)底板漲縮、閥門關(guān)閉不嚴、導管老化等多種因素促成的。當大型多跨橡膠水壩自行塌壩現(xiàn)象出現(xiàn)的時候，大多是以充水方式繼續(xù)補水的，但是這樣的補水方式需要消耗大量的人力、物力、電力，是一種資源浪費，而且隨著時間的推移塌壩現(xiàn)象還會繼續(xù)，也就是說需要一直不斷的持續(xù)補水。自行塌壩現(xiàn)象出現(xiàn)，不能等到完全塌到標準水位再補水，這就在之前的補水就需要泵站開始運行，而一旦運行就可能會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。水錘是一種危害巨大的供水現(xiàn)象，很可能造成管道、閥門、壩袋的損壞。停止補水時泵站也會有反向水錘，所以說塌壩補水的危害很大，在設(shè)計中就要充分考慮。設(shè)計自動補水裝置系統(tǒng)是目前看來較為理想的措施，當塌壩現(xiàn)象發(fā)生時系統(tǒng)會自動進行補水，減少了人力監(jiān)控的失誤，也能有效防止水錘效應(yīng)的危害，使得橡膠壩平穩(wěn)運行。

3 結(jié)語

多跨式橡膠壩是我國未來發(fā)展的水利工程趨勢，它能有效彌補傳統(tǒng)水壩的短板，且自身具有多種優(yōu)點。本文對高低壩布置形式或深淺槽布置形式、排水系統(tǒng)的布置、充水井的結(jié)構(gòu)、錨固形式、自動補水裝置等方面進行了問題分析和總結(jié)，結(jié)果可為我國的水工設(shè)計提出更多建議，促進水利工程更加完善，為我國的水利事業(yè)獻計獻策。