充水式橡膠壩袋設(shè)計(jì)內(nèi)壓比初步優(yōu)化研究

鮑桂婷

（臨沂市濱河景區(qū)小埠東橡膠壩管理所）

1 工程概況

該工程為充水式橡膠壩，坐落于淮河流域下游水系，壩袋總體長(zhǎng)度為185 m，呈兩側(cè)較短中間較長(zhǎng)的三跨式結(jié)構(gòu)，其中兩側(cè)長(zhǎng)度均為60 m，中間長(zhǎng)度為65 m，水壩具有預(yù)防洪澇、攔沙的作用，通過抬升河流水位，使水庫(kù)容量能夠達(dá)到6.80×106m3，能夠極大程度的滿足周邊居民農(nóng)業(yè)灌溉以及用水需求。

2 相關(guān)影響因素分析

2.1 最優(yōu)設(shè)計(jì)內(nèi)壓比影響因素

在優(yōu)化橡膠壩袋設(shè)計(jì)內(nèi)壓比的設(shè)計(jì)中，應(yīng)依據(jù)充水式橡膠壩的實(shí)際運(yùn)行而定，選擇合適的內(nèi)壓比，使其滿足最優(yōu)設(shè)計(jì)。通過計(jì)算表明，壩體高度對(duì)充水式橡膠壩袋設(shè)計(jì)內(nèi)壓比的優(yōu)化產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)壩體高度較低時(shí)，內(nèi)壓比的選擇將不受材料因素的制約，具有較大的選擇幅度，因而在選擇較大數(shù)值時(shí)可以有效減少壩袋的使用數(shù)量；反之，壩體較高時(shí)，強(qiáng)度將受到材料因素的影響，因而內(nèi)壓比應(yīng)選擇小數(shù)值。由此可見，當(dāng)充水式橡膠壩袋的強(qiáng)度在一定狀態(tài)時(shí)，壩體的高度將會(huì)成為壩袋設(shè)計(jì)內(nèi)壓比優(yōu)化的最大因素。

2.2 壩袋強(qiáng)度影響因素

從理論上來說，橡膠壩袋的強(qiáng)度可分為兩類：制造強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度。其中制造強(qiáng)度主要受到壩袋材料、填充物材料以及制作工藝的影響，設(shè)計(jì)強(qiáng)度主要受到橡膠壩壩體高度、擋水圍高度以及內(nèi)壓比的影響。在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，充水式橡膠壩的實(shí)際內(nèi)壓比與制造強(qiáng)度聯(lián)系密切，通過利用壩袋的制作強(qiáng)度為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，在壩高恒定的情況下使用相同的制造工藝、不同內(nèi)壓比及材料，以此獲得價(jià)格數(shù)據(jù)，以此可以得到壩袋內(nèi)壓比與材料造價(jià)方面的關(guān)系曲線。

3 壩高與優(yōu)化內(nèi)壓比關(guān)系曲線的建立

內(nèi)壓比作為充水式橡膠壩袋的設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的數(shù)據(jù)，將對(duì)壩袋工程建設(shè)成本具有直接的影響，因此，在進(jìn)行橡膠壩袋的設(shè)計(jì)中應(yīng)保證橡膠壩的安全以及節(jié)約工程成本。文章通過對(duì)壩袋價(jià)格分析計(jì)算水壩高度與壩袋造價(jià)、內(nèi)壓比之間的關(guān)聯(lián)，在內(nèi)壓比與壩袋造價(jià)關(guān)系曲線圖中可以看出橡膠壩壩袋與內(nèi)壓比α共有6個(gè)坐標(biāo)。通過這些坐標(biāo)可以得到壩體高度與內(nèi)壓比優(yōu)化關(guān)系曲線，通過該曲線圖可以得到當(dāng)壩體高度在2～5 m區(qū)間時(shí)橡膠壩的內(nèi)壓比將會(huì)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

4 壩袋設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 計(jì)算假定

4.1.1 壩袋平面假定

壩袋浸入水中，將在靜水壓力的作用下與基礎(chǔ)底板鋼筋錨固產(chǎn)生反作用力，并且與水的自身壓力一同垂直作用于水壩的軸線。壩袋除兩端的斷面外具有相同的形狀，因此，通過平面設(shè)定能夠?qū)未O(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)化為壩袋的斷面計(jì)算。

4.1.2 壩袋薄膜內(nèi)力的假定

由于壩袋材料的特性與薄膜相近，因此可以將壩袋的袋壁假定為只能接受其最大可承受的拉力，不可承受彎矩以及剪力。

4.2 計(jì)算工況

相關(guān)技術(shù)規(guī)范中要求橡膠壩袋的設(shè)計(jì)工況應(yīng)為上游水深與橡膠壩壩體高度相等，結(jié)合工程案例中橡膠壩的特點(diǎn)，選擇使用楔形雙錨線錨固形壩袋，并且設(shè)計(jì)水壩溢流管將以技術(shù)規(guī)范中的要求進(jìn)行壩袋長(zhǎng)度、容量以及拉伸力的計(jì)算。

4.3 壩袋變形分析

橡膠壩袋受水的作用力后將發(fā)生變形，導(dǎo)致其實(shí)際的環(huán)向長(zhǎng)度增加，并且壩袋的長(zhǎng)度與在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)高度下的內(nèi)壓水頭成反比。

4.3.1 壩袋徑向強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)壩高與優(yōu)化內(nèi)壓比的關(guān)系曲線，充水式橡膠壩內(nèi)壓比α取值1.20～1.40之間，案例工程中初步選擇內(nèi)壓比為1.25，壩體高度為2.50 m，因此獲得壩袋徑向強(qiáng)度公式：

4.3.2 壩袋充水參數(shù)計(jì)算

充水式橡膠壩袋實(shí)際的形狀由上游的圓弧段以及下游變曲率曲線組合構(gòu)成，因此，壩袋充水后的參數(shù)分別為：

上游壩面曲線段長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中字母含義同規(guī)范規(guī)程規(guī)定。

上游水平貼地段長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中字母含義同上。

將公式（3）中的參數(shù)計(jì)算結(jié)果帶入公式（2），便能得到上游壩面曲線段的實(shí)際長(zhǎng)度。

下游壩面曲線段長(zhǎng)度計(jì)算公式：

下游水平貼地長(zhǎng)度X0的計(jì)算公式：

上式中字母含義同規(guī)范規(guī)程規(guī)定。

在相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中按照內(nèi)壓比為1.25 可以得到充水式橡膠壩在經(jīng)過沖水后的形狀參數(shù)，充水式橡膠壩充水后形狀擬定參數(shù)如表1所示。

結(jié)合工程案例中橡膠壩的結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算程序可以獲得在不同內(nèi)壓比及伸長(zhǎng)率等條件下壩袋的狀態(tài)效果。

橡膠壩設(shè)立溢流管道時(shí)上游水深與壩體高度相同、下游無水的條件下，將內(nèi)壓比設(shè)1.40，壩高比、強(qiáng)度比與環(huán)向伸長(zhǎng)率的關(guān)系如表2所示。

當(dāng)設(shè)定向家壩袋環(huán)向伸長(zhǎng)率為12%的情況下，壩高比、強(qiáng)度比與內(nèi)壓比的關(guān)系如表3所示。

4.4 壩袋參數(shù)的分析與優(yōu)化

表1 橡膠壩充水后形狀擬定參數(shù)表

表2 壩高比、強(qiáng)度比與環(huán)向伸長(zhǎng)率關(guān)系表

表3 壩高比、強(qiáng)度比與內(nèi)壓比關(guān)系表

根據(jù)前文對(duì)充水式橡膠壩內(nèi)壓比等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可以看出，當(dāng)橡膠壩在上游水深與壩體高度相一致，且下游無水的狀態(tài)下，內(nèi)壓比數(shù)值設(shè)置為1.40、環(huán)向伸長(zhǎng)率在10%以內(nèi)時(shí)橡膠壩的壩體高度將不會(huì)超過整體的3.30%，壩袋的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不會(huì)超過14%。由此可見，橡膠壩袋的設(shè)計(jì)內(nèi)壓比在適用的情況下選擇較大數(shù)值，并控制壩袋的環(huán)向率能夠在滿足工程設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，還可以降低工程建設(shè)成本以整體的工作量。

在工程選定壩袋參數(shù)后并可進(jìn)行優(yōu)化處理：工程案例中橡膠壩袋內(nèi)壓比α的設(shè)計(jì)取值在1.20～1.40之間，通過計(jì)算最終選定內(nèi)壓比值為1.40；工程案例中壩袋的環(huán)向伸長(zhǎng)率按照9%計(jì)算，根據(jù)前文分析，當(dāng)內(nèi)壓比為1.40、環(huán)向伸長(zhǎng)率為9%的情況下，橡膠壩的壩體高度為1.03、壩袋的強(qiáng)度比為1.01。

根據(jù)上文表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)壓比取值1.40時(shí)，壩袋的強(qiáng)度為1.01，由此計(jì)算出壩袋的徑向強(qiáng)度可以達(dá)到107.23 kN/m；計(jì)算出楔形雙錨線錨固形壩袋的周長(zhǎng)：L0=S1+S=16.30 m。

將所選定的內(nèi)壓比與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，可以看出，當(dāng)橡膠壩的內(nèi)壓比由1.25提升到1.40時(shí)，壩袋的徑向強(qiáng)度將會(huì)提升，當(dāng)壩袋材料為恒定時(shí)所計(jì)算出的數(shù)據(jù)顯示其強(qiáng)度能夠滿足徑向壓力，且安全系數(shù)在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；內(nèi)壓比的提升只是其它數(shù)值減少，從而降低了壩袋材料的用量、工程成本以及工作量，因此，工程案例中將使用優(yōu)化后的內(nèi)壓比，即α=1.40。

5 結(jié)論

由于水利工程技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，充水式橡膠壩被廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程當(dāng)中，為了在施工過程中節(jié)約工程成本與工程量，通過該案例對(duì)橡膠壩袋的內(nèi)壓比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，以此獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低壩袋材料的用量，有效地減少了工程施工周期以及橡膠壩的管理成本。