淺議充水橡膠壩的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（上海渠觀工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司 上海 200041）

1 概述

橡膠壩，又稱橡膠水閘，屬薄壁柔性結(jié)構(gòu)，是隨著高分子合成材料的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型水工建筑物。它是用高強(qiáng)度合成纖維織物作受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠作保護(hù)層，加工成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，通過充排管路用介質(zhì)將其充脹形成的袋式擋水壩。根據(jù)充壩的介質(zhì)不同，又可分為充水壩和充氣壩，兩種壩型造價(jià)相差不多，充水壩的充排時(shí)間要長(zhǎng)于充氣壩，充水壩可任意調(diào)整水頭。本文通過對(duì)某充水橡膠壩設(shè)計(jì)的壩基穩(wěn)定計(jì)算、錨固型式、壩袋的設(shè)計(jì)等幾個(gè)難點(diǎn)問題進(jìn)行計(jì)算分析，為以后類似工程提供參考。

2 壩基穩(wěn)定計(jì)算

2.1 防滲計(jì)算

橡膠壩閘基防滲長(zhǎng)度可按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）公式計(jì)算：

L=C·△H

式中：L—防滲長(zhǎng)度（m）；

△H—上下游水位差（m）；

C—滲徑系數(shù)，參照規(guī)范表4.3.2。

計(jì)算上游正常蓄水位對(duì)應(yīng)下游無水的工況，擬定的橡膠壩基礎(chǔ)防滲長(zhǎng)度需滿足防滲要求。

2.2 壩體穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算

2.2.1 計(jì)算工況

完建工況：橡膠壩上下游無水，以確定地基應(yīng)力。

非常運(yùn)用Ⅰ工況：外側(cè)為橡膠壩設(shè)計(jì)高水位，內(nèi)側(cè)無水。

2.2.2 計(jì)算方法及成果

（1）抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：

K=f·∑G/∑H

式中：K—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑G—垂直于滑動(dòng)方向的法向力，kN；

∑H—沿滑動(dòng)方向滑動(dòng)力，kN；

f—基地面與地基之間的摩擦系數(shù)。

（2）壩基的應(yīng)力計(jì)算公式為：

∑G—計(jì)算截面上全部法向力之和，kN；

∑M—作用壩基計(jì)算截面形心的力矩之和，kN·m；

A—計(jì)算截面面積，m2；

W—計(jì)算截面慣性矩，m3。

由表1 計(jì)算結(jié)果表明：橡膠壩壩體抗滑穩(wěn)定及壩基的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3 錨固型式

橡膠壩的錨固結(jié)構(gòu)對(duì)橡膠壩的運(yùn)行安全起著非常重要的作用，根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98），橡膠壩錨固結(jié)構(gòu)型式有螺栓錨固、混凝土鍥塊錨固和膠囊充水錨固三種，目前使用最廣泛的是螺栓錨固。

螺栓壓板式錨固計(jì)算參考《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98）附錄D.1。

3.1 每根螺栓承受的荷載計(jì)算

Q0=T0·k1/n

式中：

Q0—每根螺栓承受的荷載；

T0—單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載，kN/m；

k1—栓緊力及扭轉(zhuǎn)力的影響系數(shù)，一般取1.75；

n—一米長(zhǎng)度內(nèi)螺栓根數(shù)。

3.2 螺栓直徑計(jì)算

式中：d—螺栓直徑，cm；

[σ]—螺栓允許拉應(yīng)力，N/cm2。

螺栓的錨固長(zhǎng)度不小于附錄表D.1.5 值。

《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98）中T0的取值一般根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合一定的安全系數(shù)采用。該工程結(jié)合實(shí)際情況，采用雙線錨固，在壩體上游、下游均設(shè)螺栓錨固，這樣壩體比較穩(wěn)定，對(duì)壩袋的防震以及磨損均有好處，只是由于錨固螺栓多，安裝的工作量也就隨之加大，對(duì)壩袋的密封性能要求就更高了。因此，在施工過程中要加強(qiáng)對(duì)錨固件的質(zhì)量控制。

4 壩袋設(shè)計(jì)

《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL227-98）附錄B 中充水橡膠壩設(shè)計(jì)計(jì)算，壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度公式：

表1 壩基穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

式中：T—壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m；

γ—水的容重，kN/m3；

α—內(nèi)壓比，H0/H1；

H0—內(nèi)壓水頭，m；

H1—設(shè)計(jì)壩高，m；

雙錨線錨固八代的有效周長(zhǎng)為：

L0=S1+S

式中：L0—壩袋有效長(zhǎng)度，m；

S1—上游壩面曲線長(zhǎng)度，m；

S—下游壩面曲線長(zhǎng)度，m。

設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮壩袋的強(qiáng)度以及造價(jià)，結(jié)合壩高等因素進(jìn)行選取，充水橡膠壩內(nèi)外壓比值一般選用1.3～1.6，沒有特別要求時(shí)，內(nèi)壓比無需選擇太大，安全系數(shù)不小于6.0。該工程壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

5 存在問題

5.1 壩袋變形

橡膠壩壩袋充水后都會(huì)有一定的變形，為了保證壩袋的安全，需要設(shè)置溢流管，一般取壩袋內(nèi)壓水頭，設(shè)置溢流管的壩袋變形后一般不會(huì)對(duì)整體安全產(chǎn)生較大影響。

5.2 壩袋使用壽命

橡膠壩袋的使用壽命一般為15～25 年，主要原因是壩袋為高分子纖維制品，長(zhǎng)年在日曬、水浸的環(huán)境中使用，受到大氣諸因素的作用逐漸發(fā)生老化變質(zhì)。老化的原因與壩袋本身所采用的橡膠、纖維等質(zhì)量有關(guān)外，還與壩袋的使用環(huán)境、條件，以及水工結(jié)構(gòu)和維護(hù)管理等因素有關(guān)。

壩袋的使用壽命一直是限制其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)關(guān)卡，而越來越多的人力物力投入這一方面的研究，一方面通過改變高分子纖維制品的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)，提高其耐老化的新能，另一方面研究在其表面刷防老化涂層，達(dá)到減緩壩體的老化延長(zhǎng)其使用壽命的目的。

表2 該工程壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)表

5.3 運(yùn)行管理

橡膠壩雖然很少維修，不像常規(guī)鋼閘門那樣需要定期涂刷油漆防銹，但也要定期檢查，尤其是在洪水過后，要檢查是否有漂浮物對(duì)壩袋造成刺傷，以及壩體振動(dòng)、壩袋與底板磨損摩擦撞擊壩袋等造成的損害。橡膠壩袋容易受到尖利和有頭角物體的損壞，應(yīng)劃出橡膠壩工程的管理范圍和安全區(qū)域。

橡膠壩嚴(yán)禁壩袋超高、超壓運(yùn)行，如發(fā)現(xiàn)壩袋有破損現(xiàn)象，立即塌壩修復(fù)，充水橡膠壩冬季運(yùn)行時(shí)應(yīng)降低壩袋高度運(yùn)行。

6 結(jié)語

橡膠壩使用至今，短短幾十年的歷史，而對(duì)橡膠壩的優(yōu)化、改進(jìn)工作卻從沒有停止過，壩袋的防老化、振動(dòng)以及管理維護(hù)等工作都在不斷改進(jìn)，這些研究使得橡膠壩越來越完善，正逐步被推廣使用■