溫涼河橡膠壩設(shè)計(jì)及壩袋施工要點(diǎn)分析

徐建軍

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂276000）

溫涼河橡膠壩工程位于山東省臨沂市沂水縣尹家峪境內(nèi)，設(shè)計(jì)壩址處河道寬度約40 m，邊坡為1∶2 的梯形斷面。根據(jù)當(dāng)?shù)厮木钟涊d：溫涼河汛期30 年一遇洪峰流量為538 m3/s，枯水期30 年一遇洪峰流量為32 m3/s。本次設(shè)計(jì)河道近期防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇，遠(yuǎn)期為50 年一遇。溫涼河橡膠壩工程由橡膠壩、泵房、交通橋等組成，是一項(xiàng)蓄泄兼顧的水利工程，設(shè)計(jì)投資245 萬(wàn)元。

1 壩袋參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 壩袋材料及尺寸的確定

通過(guò)結(jié)合其他項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，溫涼河橡膠壩工程設(shè)計(jì)采用“二布三膠錦綸橡膠壩袋”，具體型號(hào)為JBD35-280-2，壩袋總厚度約為12 mm。根據(jù)本項(xiàng)目的蓄水量要求，設(shè)計(jì)壩高3.4 m，每幅壩袋長(zhǎng)15 m，本橡膠壩由3 個(gè)壩袋組成[1]。

1.2 壩袋材料極限承受拉力的確定

溫涼河橡膠壩壩體高度確定為3.4 m，根據(jù)壩體極限承載工況（上游水深等于壩高，下游無(wú)水）計(jì)算壩袋極限承受拉力FT 為50.2 kN/m。之后設(shè)計(jì)的拉伸試樣寬度為52 mm，換算為壩袋極限拉力為2.61 kN。

為檢測(cè)壩袋材料極限抗拉能力，利用“WE-30 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)”進(jìn)行測(cè)試，最大測(cè)量載荷50 kN，設(shè)計(jì)拉伸速度5 mm/min。對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行硫化處理，且按照ASTM 標(biāo)準(zhǔn)裁剪為C 形啞鈴形狀。

1）試驗(yàn)一：緯向試件拉伸試驗(yàn)。壩體材料試件緯向拉伸試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。由1 圖可知：隨著y軸應(yīng)力的逐漸增大，x 軸應(yīng)變也逐漸增大，且增大幅度逐漸提高。由于計(jì)算得壩袋極限拉力為2.61 kN，所以在此重點(diǎn)對(duì)1～5 kN 范圍內(nèi)壩袋材料的應(yīng)力～應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，詳見(jiàn)表1。由表1可知：當(dāng)荷載在2～3 kN 之間時(shí)，壩袋材料產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)?7.5%～22.9%，遠(yuǎn)小于壩袋材料50%的極限變形量，因此材料在緯向上滿足使用要求[2]。

圖1 緯向拉伸試件應(yīng)力～應(yīng)變曲線

表1 溫涼河壩袋材料緯向應(yīng)力～應(yīng)變數(shù)據(jù)

2）試驗(yàn)二：經(jīng)向試件拉伸試驗(yàn)。壩體材料試件經(jīng)向拉伸試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖2。由圖2 可知：隨著y軸應(yīng)力的逐漸增大，x 軸應(yīng)變也逐漸增大，但增大幅度基本保持穩(wěn)定[3]。在此依然重點(diǎn)對(duì)1～5 kN 范圍內(nèi)壩袋材料的應(yīng)力～應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。由表2 可知：當(dāng)荷載在2～3 kN 之間時(shí)，壩袋材料產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)?.1%～7.8%，遠(yuǎn)小于壩袋材料50%的極限變形量，因此材料在經(jīng)向上滿足使用要求。

圖2 經(jīng)向拉伸試件應(yīng)力～應(yīng)變曲線

表2 溫涼河壩袋材料經(jīng)向應(yīng)力～應(yīng)變數(shù)據(jù)

1.3 壩袋壓力比的確定

壓力比a 是橡膠壩袋最重要的參數(shù)之一，直接決定了壩袋成本、材料數(shù)量、沖水設(shè)備及費(fèi)用等。涉及到的參數(shù)包括壩袋內(nèi)壓水頭H0、壩袋材料極限承受拉力FT、上游壩體截面曲線半徑R等。在此參考其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，壓力比a 設(shè)計(jì)1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 等6 個(gè)等級(jí)進(jìn)行比選分析[4]。

在此建立坐標(biāo)系，其中縱軸為R/H1，橫軸為壓力比a，通過(guò)計(jì)算擬合曲線如圖3 所示。由圖3可知：1）當(dāng)壓力比a 處于1.2 以下時(shí)，R 值急劇增大，因此排除；2）當(dāng)壓力比a 處于1.2～1.5 之間時(shí)，R 值基本保持穩(wěn)定，因此適合在這個(gè)區(qū)段選取壓力比。

圖3 壩體幾何半徑隨壓力比變化曲線

由于壓力比a 越低，相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性越好，但也會(huì)導(dǎo)致壩袋極限受拉力降低，因此需要平衡壩體的經(jīng)濟(jì)性和安全性。為此繪制壩高H1與FTa（對(duì)壩袋材料產(chǎn)生的環(huán)向拉力，設(shè)計(jì)安全系數(shù)k=4）關(guān)系曲線，隨著a 值增大，F(xiàn)Ta也增大，因此從安全性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，最終設(shè)計(jì)溫涼河橡膠壩袋壓力比a=1.2。

2 橡膠壩錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 上、下游錨固力計(jì)算

上游壩袋在水力作用下呈現(xiàn)向下偏移的圓弧形，拉力FT在水平和垂直方向分力分別為FTx、FTy，錨栓錨固力為Fm，其計(jì)算公式如下[5]。

式中：μ1為底墊片和底板間的靜摩擦系數(shù)；μ2為補(bǔ)強(qiáng)膠布與壓板間的靜摩擦系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)m=37.6 kN。

下游正壓板主要承受的是上游水體沖擊力和壩體自身慣性力，F(xiàn)n計(jì)算公式如下。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)n=28.6 kN。由此可見(jiàn)上游錨固力大于下游錨固力。

2.2 螺栓及壓板參數(shù)確定

結(jié)合其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)螺栓最宜間距為0.25 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本項(xiàng)目認(rèn)為每個(gè)螺栓受力一致，其中拴緊力和扭轉(zhuǎn)力的影響系數(shù)設(shè)置為1.75。螺栓直徑設(shè)計(jì)為36 mm，壓板厚22 mm，墊板厚8 mm。所有錨桿構(gòu)件均為普通鋼材質(zhì)，要求外涂防銹材料。

3 壩袋安裝施工要點(diǎn)

3.1 基礎(chǔ)底板處理

1）橡膠壩袋易受銳利物體損壞，因此要求對(duì)壩底板與壩墩范圍內(nèi)混凝土局部有凹凸、棱角要用磨光機(jī)打磨掉，認(rèn)真清除錨固槽周圍及壩袋塌落范圍內(nèi)的混凝土殘?jiān)?、鐵絲及木塊等一切雜物。

2）橡膠壩中、邊墩表面所有對(duì)拉螺栓、鐵絲等進(jìn)行打磨處理，中邊墩打磨光滑后刷涂丙乳水泥砂漿，丙乳水泥砂漿要嚴(yán)格按照配比，刷涂均勻，以減少壩袋與墩墻的摩擦。

3）混凝土表面孔洞和低凹處用水泥砂漿抹平壓實(shí)，再用砂輪打磨平整。人工清理錨固槽、墊板表面殘留砂漿、混凝土等附著物。同時(shí)用砂輪將錨固槽內(nèi)側(cè)混凝土棱角及壩底板伸縮縫打磨平整。

3.2 錨固件處理和安裝

1）檢查預(yù)埋螺栓、錨固槽位置、尺寸，清除預(yù)埋螺栓上雜物，并用扳牙將螺紋部位扳一遍，檢查螺栓、板有無(wú)變形、銹蝕，孔距是否符合設(shè)計(jì)要求，并用砂輪將邊刺磨掉。

2）安裝前，在混凝土底板上標(biāo)出壩軸線、中心線，根據(jù)底墊片就位線將其展開(kāi)，四周大小均勻后，在底墊片上分別標(biāo)出上下游錨固線。底墊片采用人工鋪展，應(yīng)順直、平展，使墊片上的錨固線與錨固槽內(nèi)螺栓中心線重合，且展開(kāi)不能有褶皺，兩端距壩墩與兩邊距錨固槽尺寸要一致。

3）在底墊片上打孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際螺栓位置，將誤差分給每個(gè)螺栓間距，定出每個(gè)對(duì)應(yīng)螺栓孔位置，在墊片上劃線，用手電鉆進(jìn)行打孔，且所打孔洞應(yīng)比螺栓稍小，確保其密封效果。

3.3 壩袋鋪設(shè)

1）壩袋鋪設(shè)順序?yàn)椋合掠巍嫌巍厜?，從底板中心線開(kāi)始，向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行，采用人工配合機(jī)械的方法。根據(jù)壩袋尺寸定出壓板線及鉆孔中心線，量出壩底板和壩袋長(zhǎng)度、寬度，確定出長(zhǎng)度、寬度總長(zhǎng)誤差。

2）壩袋螺栓孔的定位打孔自兩端開(kāi)始，將總長(zhǎng)誤差均分到每個(gè)螺距，避免誤差集中在一小段內(nèi)，引起壩袋皺折。按照從下游到上游順序?qū)未追旁诼菟ㄉ?。壩袋堵頭拐角處，斜坡上的壩袋采用拉鏈葫蘆牽引，用橡膠片墊平袋布折疊、皺折處。

3）壩袋錨固應(yīng)按照“先中間，后兩邊，上下游同時(shí)進(jìn)行，最后兩邊堵頭”的原則。螺帽的緊固不應(yīng)過(guò)緊，也不應(yīng)過(guò)松，兼顧應(yīng)力集中和密閉不緊密情況。緊固壓板螺帽時(shí)先用風(fēng)炮套筒上螺帽，緊固后再用特制工具制作的套筒，使用人力將每一個(gè)螺帽緊固好。

4 結(jié) 語(yǔ)

溫涼河橡膠壩工程投入使用后，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，橡膠壩安全穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明前期的設(shè)計(jì)工作合理，可以為相關(guān)工程提供參考。