柳杭橡膠壩設(shè)計(jì)分析與研究

張淏韋

摘 要：橡膠壩是20世紀(jì)60年代以來，隨著高分子合成材料工業(yè)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種新型水利工程。壩袋用的膠布是以高強(qiáng)力合成纖維織物等做受力骨架，內(nèi)外涂敷合成橡膠做黏結(jié)保護(hù)層而加工制成的。其按要求的尺寸錨固于底板上，呈封閉狀，人們通過沖排管路用水（氣）將其充脹，形成袋式擋水壩。壩頂可以溢流，人們可根據(jù)需要升高或降低壩高，以達(dá)到控制水位的目的。它代替了自古以來建設(shè)壩體的土、石、木和鋼等材料，屬于水利工程中的一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，已廣泛應(yīng)用于灌溉、發(fā)電、防洪和城市綠水工程等方面。本文介紹了柳杭橡膠壩的自然概況及工程概況，分析了柳杭橡膠壩設(shè)計(jì)中的壩址位置、工程方案、壩體結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)蓄水位高程以及孔數(shù)型式選擇，為橡膠壩同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：橡膠壩;攔河閘;設(shè)計(jì)方案選擇;水利工程

中圖分類號：TV644文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0088-04

Design Analysis and Research on Liuhang Rubber Dam

ZHANG Haowei

（Shandong Linyi Water Conservancy Engineering Corporation，Linyi Shandong 276400）

Abstract： Rubber dam is a new type of water conservancy project that has emerged with the development of the polymer synthetic material industry since the 1960s. The rubber cloth used for the dam bag is made of high-strength synthetic fiber fabric as the force-bearing framework， and the inner and outer parts are coated with synthetic rubber as a bonding protective layer. It is anchored on the bottom plate according to the required size and is in a closed shape， people inflate it with water （gas） through the flushing and draining pipeline to form a bag-type dam. The crest of the dam can overflow， and people can raise or lower the height of the dam as needed to achieve the purpose of controlling the water level. It replaces the soil， stone， wood and steel materials used in the construction of dams since ancient times， and belongs to a technological innovation in water conservancy projects and has been widely used in irrigation， power generation， flood control and urban green water projects. This paper introduced the natural and engineering overview of Liuhang Rubber Dam， and analyzed the location of the dam site， engineering scheme， dam structure， design water level elevation and hole number selection in the design of Liuhang rubber dam， so as to provide reference for similar engineering design of rubber dam.

Keywords： rubber dam;sluice;design scheme selection;water conservancy project

橡膠壩由于其造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單、工作靈活、施工便利，并且利用自然，又不破壞自然等優(yōu)點(diǎn)，在河道上廣泛使用[1-3]。目前，橡膠壩在我國發(fā)展較快，在山東省也得到了廣泛的應(yīng)用。通常，其應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：用作灌溉系統(tǒng)的大型進(jìn)水閘、分水閘、節(jié)制閘等;用作灌區(qū)渠道的臨時(shí)引水壩;用作低水頭的滾水壩;用作在多沙河流灌區(qū)上的擋沙水閘;代替河道上的水閘;加高水庫的溢洪道，增加蓄水量和發(fā)電水頭;在河道上建橡膠壩形成人工湖，美化環(huán)境等。水利工程的建設(shè)不僅可提高城市的防洪能力，還可大大改善城區(qū)的水環(huán)境現(xiàn)狀，提高城市品位，充分利用水資源，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展，對改善城市整體投資環(huán)境起到十分重要的作用，其防洪效益、環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分明顯。

1 自然概況

1.1 區(qū)域特征

沂河屬淮河流域，北起山東省淄博市沂源縣西部，南止江蘇省宿遷市苗圩村駱馬湖，沂河流域上游屬泰沂山區(qū)，河道比降陡、切割深，中部為綿延起伏的丘陵地帶，下游為地勢平坦的河谷沖積平原，河道比降小較為順直。沂河全長為333 km，總庫容為22.45億m3，流域面積為11 820 km2。

1.2 水文氣象特征

臨沂市屬北暖溫帶季風(fēng)區(qū)、半濕潤過渡性氣候，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量集中。春季風(fēng)和日暖，氣候干燥;夏季酷熱多雨;秋季晴朗氣爽;冬季干冷，雨水偏少，形成春旱、夏澇、秋旱，旱澇交替發(fā)生的規(guī)律。臨沂市多年平均氣溫為13.2 ℃，平均年降水量為818.8 mm，年內(nèi)降水量分配很不均勻，全年降水量主要集中6—9月，降水量年內(nèi)變化較大，春旱、夏澇嚴(yán)重。臨沂市平均陸地蒸發(fā)量在507～563 mm，多年平均水面蒸發(fā)量在889～1 128 mm，全市多年平均年日照時(shí)數(shù)為2 402 h。

1.3 地質(zhì)特征

壩址區(qū)處于上游蒙山山丘與下游沂河沖洪積平原相銜接的過渡地帶，北部為蒙山余脈，西南部是魯中南山區(qū)邊緣。臨沂城內(nèi)地勢平坦，地面坡降為1：1 000～1：2 000，高程為60～70 m，地層巖性以砂壤土、中粗砂為主，局部含碎石。

2 工程概況

2.1 工程規(guī)模

柳杭橡膠壩位于沂河臨沂城區(qū)段中泓樁號80+945處，處于臨沂市風(fēng)景區(qū)，樞紐工程橫跨沂河。柳杭橡膠壩長度根據(jù)主河槽寬度確定，避免減少河槽行洪斷面;壩高根據(jù)蓄水位確定，蓄水位一般低于兩岸灘地，高差不小于0.5 m，不影響兩岸排澇。柳杭水利樞紐庫容為2 200萬m3，水面面積為6.5 km2，回水長度為10 km。壩址處主河槽寬約為460 m，左岸灘地高程為75.0～75.3 m，右岸灘地面高程為75.5～76.3 m，河床平均高程為69.22 m。根據(jù)以上原則，綜合考慮河床現(xiàn)狀、過流能力及消能設(shè)施等因素，確定樞紐底板高程69.00 m，壩高5 m，正常蓄水位74.00 m。壩段全長為455.8 m，共5節(jié)，每節(jié)壩袋凈長為90 m，是目前臨沂市擋水高度最高的橡膠壩。結(jié)合本工程實(shí)際及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性，綜合確定本工程規(guī)模為大（3）型，其由上游鋪蓋、壩底板、護(hù)坦、消力池、防沖槽、橡膠壩袋、充排水管路、充排水泵站、岸翼墻和管理設(shè)施等工程組成。

2.2 工程任務(wù)

柳杭橡膠壩為新建的攔水工程，工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為二十年一遇，流量為10 000 m3/s;工程校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為五十年一遇，流量為13 000 m3/s。施工期洪水標(biāo)準(zhǔn)為非汛期10年一遇，洪峰流量為230 m3/s。

工程任務(wù)是對沂河徑流進(jìn)行攔蓄，增加地表水的利用量，為下游工農(nóng)業(yè)供水，緩解下游地區(qū)的水資源短缺矛盾，改善臨沂城區(qū)的小氣候和生態(tài)環(huán)境。

2.3 工程建設(shè)必要性

2.3.1 臨沂城區(qū)現(xiàn)狀及總體發(fā)展規(guī)劃要求。工程建成后，可一次蓄水2 200萬m3，形成水面面積6.5 km2、回水長度10 km的水域。該工程與下游的桃園橡膠壩工程、小埠東橡膠壩工程、劉家道口樞紐工程組成縱貫市區(qū)南北長44.18 km的水面，改善了臨沂城區(qū)的小氣候和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了臨沂城區(qū)的旅游觀光、休閑娛樂、房產(chǎn)開發(fā)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.3.2 工程的興建是緩解臨沂城水資源供需矛盾的需要。臨沂城區(qū)現(xiàn)狀年保證率為50%時(shí)，缺水0.15億m3，保證率為75%時(shí)，缺水2.56億m3，保證率為90%時(shí)，缺水3.6億m3。2020年保證率為50%時(shí)，缺水4.46億m3，保證率為75%時(shí)，缺水7.14億m3，保證率為90%時(shí)，缺水8.25億m3。從數(shù)據(jù)可以看出，下臨沂市的水資源是非常短缺的，而沂河多年平均出境水量為19.53億m3，因此，通過在沂河上興建攔蓄工程，進(jìn)行梯級攔蓄，增加地表水的利用量，緩解水資源短缺的矛盾是非常必要的。

2.3.3 可對城區(qū)段地下水回灌補(bǔ)源。臨沂市區(qū)近幾年地下水超采嚴(yán)重，市區(qū)形成漏斗區(qū)，其沿著臨沂市第一水泥廠向東，呈橢圓形分布，面積約為45 km2，漏斗區(qū)中心枯水期地下水位約為58 m，并呈繼續(xù)下降趨勢。若長期過量開采，不及時(shí)對地下水進(jìn)行回灌補(bǔ)源，將會造成地面沉陷漏斗區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。柳杭橡膠壩建成后，其對臨沂城區(qū)地下水回灌補(bǔ)源具有重要作用。

2.3.4 工程投資省，效益高。柳杭橡膠壩工程建設(shè)在沂河主河槽內(nèi)，兩岸灘地高程大，不占遷土地及地面建筑，工程投資小。同時(shí)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：對地形具有較高的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，工作靈活;可用于地質(zhì)條件困難、徑流量大的河流;耐地震沖擊。

3 橡膠壩設(shè)計(jì)

3.1 壩址位置比選

人們應(yīng)根據(jù)橡膠壩的功能和特點(diǎn)，考慮地形、地質(zhì)、水流、泥沙、施工和管理等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定壩址。

柳杭橡膠壩壩址選擇遵循的原則如下：閘軸線應(yīng)與河道中心線垂直，滿河道布置，少壅水;擋水高度不淹沒灘地;橡膠壩工程長度根據(jù)主河槽寬度確定，避免減少河槽行洪斷面;壩高根據(jù)蓄水位確定，蓄水位一般低于兩岸灘地，高差不小于0.5 m，不影響兩岸排澇;根據(jù)當(dāng)前壩袋生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)范要求，壩袋高度≤5.0 m;壩底板高程一般大于河床高程0.2～0.4 m;橡膠壩孔數(shù)根據(jù)河道寬度確定;壩址處河道順直，地面坡降比低，河床、河勢穩(wěn)定，水流平穩(wěn)，地質(zhì)地形條件良好;橡膠壩適用于溫帶季風(fēng)區(qū)、半濕潤氣候，光照充足，氣候溫和，雨量集中;壩址距離交叉河口較遠(yuǎn)，與橋梁的距離不宜太近，間距大于100 m;樞紐布置應(yīng)使工程投資最省，效益高，不影響其他建筑物安全，有利于河勢穩(wěn)定，防止局部沖刷。

根據(jù)上述壩址選取原則，本研究擬定兩個(gè)壩址進(jìn)行比較。

3.1.1 1號壩址。其位于河?xùn)|區(qū)高家村，沂河中泓樁號為78+415，河道主槽寬為620 m，河底高程為67.5～68.0 m，左岸灘地高程為72.8～73.5 m，右岸灘地高程為70.2～73.5 m。河槽地質(zhì)條件為砂基。優(yōu)點(diǎn)如下：壩下游水深1 m多，有利于行船，沂河水面壩下游、壩上游水位一致。缺點(diǎn)如下：河槽寬，河槽地質(zhì)條件為中粗砂，建筑物的消能防沖困難，投資大;壩下游水較深，不利于濕生植物、淺水生物生長，生態(tài)性差;擋水高度小，蓄水量少，回水長度及回水面積較小;兩岸灘地高程較低，建壩后影響兩岸排水。

3.1.2 2號壩址。其位于河?xùn)|區(qū)柳杭村，沂河中泓樁號為80+945，主河槽寬為460 m，灘地寬為220 m，左右岸均約為110 m，主槽河床高程為68.5～69.5 m，平均高程為69.0 m左右。壩基工程地質(zhì)條件較好，地基承載力較高，河床表面局部有少許新近堆積的礫質(zhì)粗砂夾雜少量礫石，下伏基巖為白堊系礫巖，壩址區(qū)河床中基巖裸露。

優(yōu)點(diǎn)如下：最高擋水位和河床平均高程相同;有利于淺水動植物的生長，生態(tài)性較好;地形地質(zhì)條件好，河床較窄，易施工;兩岸灘地高程較高，蓄水量大，回水長度長，面積大。缺點(diǎn)如下：下游水位淺，有局部河床露出，不利于行船通航。

經(jīng)對兩處壩址綜合分析論證，采用壩址二，即河?xùn)|區(qū)柳杭村。

3.2 工程方案比選

根據(jù)河道地形地質(zhì)條件、防洪要求及臨沂市攔河工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可選擇的攔蓄工程型式主要有兩種：橡膠壩和攔河閘。

攔河閘是一種歷史悠久的水工建筑物，以其運(yùn)行安全可靠、調(diào)控能力強(qiáng)、適用范圍廣、使用壽命長、易于閘橋結(jié)合、管理運(yùn)行方便等諸多優(yōu)點(diǎn)而經(jīng)久不衰，其缺點(diǎn)是阻水影響行洪，投資較大，三材使用多。

橡膠壩是一種新型的水工結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是鋼筋混凝土用量少，不影響水流量，施工周期短。其缺點(diǎn)是維護(hù)和管理成本高，壩袋壽命短，不易閘橋結(jié)合。

3.2.1 方案Ⅰ：橡膠壩方案。建5孔橡膠壩，每跨凈寬為90 m，橡膠壩中墩直徑為1.2 m，底板厚為0.8 m，壩體總長為455.8 m，壩高為5 m，底板頂高程為69.0m，壩前庫容為2 200萬m3。本工程完成主要工程量17.11萬m3。其中，土方工程為3.45萬m3，石方工程為8.92萬m3，漿砌石為0.78萬m3，混凝土及鋼筋混凝土為2.8萬m3，圍堰填筑為1.16萬m3，總投資為4 160萬元。

該方案優(yōu)點(diǎn)是投資較少，阻水作用小，利于河道行洪，建設(shè)工期較短，非汛期小流量情況下壩頂溢流，汛期易形成瀑布景觀;缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用高，管理要求高。

3.2.2 方案Ⅱ：攔河閘方案。建51孔8×5.5 m平面鋼閘門攔河閘，每孔凈寬為8 m，提升閘中墩直徑為1.2 m，邊墩直徑為1.5 m，底板厚為1.2 m，攔河建筑物總長為472.8 m。攔河閘擋水高度為5 m，底板頂高程為74.5 m，閘前庫容為2 200萬m3。規(guī)劃要求開挖9.1萬m3，回填37萬m3，石材量為72萬m3，鋼筋混凝土量為5.26萬m3，總投資為5 600萬元。

該方案優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行安全可靠，調(diào)控能力強(qiáng)，使用壽命長，管理方便;缺點(diǎn)是投資較大，阻水作用與橡膠壩相比較大。

根據(jù)以上比較，考慮到項(xiàng)目的投資成本、建設(shè)等因素，確定選用方案Ⅰ，即橡膠壩設(shè)計(jì)方案。

3.3 壩型、壩袋內(nèi)外壓比值以及錨固結(jié)構(gòu)的確定

橡膠壩在實(shí)際運(yùn)用中基本以充水式和充氣式為主，采用水氣混合的較少，我國設(shè)計(jì)的橡膠壩以充水式為主。在本次設(shè)計(jì)中，因這條橡膠壩水位調(diào)節(jié)較為頻繁，橡膠壩頂要溢流過水，從穩(wěn)定性、壩袋變形及水位調(diào)節(jié)等方面考慮，選擇充水式橡膠壩。

按照《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50979—2014），充水式橡膠壩內(nèi)外壓比值宜取1.25～1.60[4]。內(nèi)外壓比值與壩高成反比，橡膠壩越高，內(nèi)外壓比值取小值，橡膠壩越低，內(nèi)外壓比值取大值。本次設(shè)計(jì)主要根據(jù)壩高度、橡膠壩相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中的有關(guān)參數(shù)及已在運(yùn)行橡膠壩的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來確定內(nèi)外壓比值。最后確定5.0 m高的橡膠壩內(nèi)外壓比值為1.3。從實(shí)際運(yùn)行狀況看，本次設(shè)計(jì)內(nèi)外壓比值還是比較合理的。

橡膠壩的錨固結(jié)構(gòu)型式多樣，按錨固構(gòu)件材料可分為螺栓壓板式錨固、楔塊擠壓式錨固和膠囊充水式錨固三種。在這三種錨固結(jié)構(gòu)型式中，以螺栓壓板式錨固、楔塊擠壓式錨固最為常用。楔塊擠壓式錨固是靠夯擊后楔塊擠壓前楔塊，以達(dá)到錨固壩袋的目的，錨固計(jì)算較為復(fù)雜，故本次設(shè)計(jì)考慮選用螺栓壓板式錨固中的穿孔錨固。穿孔錨固是在錨固部位將壩袋穿孔套進(jìn)預(yù)埋的地埋螺栓，用壓板錨緊。穿孔錨固的優(yōu)點(diǎn)是施工安裝和拆卸檢修方便，缺點(diǎn)是穿孔部位易滲漏和撕裂，普通螺栓易生銹。為解決以上問題，在本次設(shè)計(jì)中，螺栓、螺帽及壓板均采用不銹鋼，以防生銹;在穿孔兩側(cè)用膠片做補(bǔ)強(qiáng)，以防滲漏和撕裂[5]。

3.4 設(shè)計(jì)蓄水位的確定

3.4.1 設(shè)計(jì)蓄水位確定的原則。設(shè)計(jì)蓄水位一般低于兩岸灘地0.5～1.0 m，防止兩岸漬害影響;根據(jù)當(dāng)前壩袋生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)范要求，壩袋高度小于5.0 m;壩底板高程一般高于河床高程0.2～0.4 m;抬高蓄水位，增加回水長度和水面面積;壩下水位與正常蓄水位高程一致。

3.4.2 擋水高度方案比選。壩址處河床高程為68.5～69.5 m，平均高程為69.2 m左右，左案灘地高程為74.5～75.2 m;右案灘地高程為75.4～76.3 m，按照橡膠壩建成后不影響兩岸排水、不給兩岸造成沼澤的原則，擬建橡膠壩擋水高度分別為4.5 m和5.0 m，兩種方案的擋水水位分別為73.5 m和74 m，比較可知，其優(yōu)缺點(diǎn)如下。

3.4.2.1 方案Ⅰ：擋水高度為4.5 m（擋水水位為73.5 m）。優(yōu)點(diǎn)如下：擋水高度4.5 m的軟水性織物壩已建成較多，有成功的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)、施工和安裝均輕車熟路，對兩岸影響較少。缺點(diǎn)如下：擋水水位與兩岸灘地的高程較大，親水性、景觀性差;回水長度及回水面積較小，蓄水量小。

3.4.2.2 方案Ⅱ：擋水高度為5 m（擋水水位為74.0 m）。優(yōu)點(diǎn)如下：蓄水量大，回水長度較長，回水面積大;對兩岸影響較少，親水性、景觀性好。缺點(diǎn)如下：國內(nèi)高度為5 m的橡膠壩較少，在設(shè)計(jì)和建造方面經(jīng)驗(yàn)不足。

經(jīng)過綜合比較及論證，采用擋水高度為5 m即擋水水位為74.0 m的方案。

3.5 孔數(shù)方案比選

擬建壩址處河道主河槽寬為460 m，灘地寬為220 m，左右岸均約為110 m。根據(jù)主河槽寬度及以建橡膠壩工程經(jīng)驗(yàn)，初步擬定3孔、5孔、6孔，其單節(jié)長度分別為150、90、75 m。下面對三種方案進(jìn)行論證，各方案優(yōu)缺點(diǎn)如下。

3.5.1 方案Ⅰ：3孔方案。優(yōu)點(diǎn)是單節(jié)壩長，中間隔墩少，阻水小，有利于行洪。缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜、困難，運(yùn)輸安裝不便，且150 m長的橡膠壩國內(nèi)沒有先例，風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.5.2 方案Ⅱ：5孔方案。優(yōu)點(diǎn)是中間隔墩較少，單節(jié)壩長90 m，比較美觀且阻水小，有利于行洪。缺點(diǎn)是施工、運(yùn)輸、安裝困難。

3.5.3 方案Ⅲ：6孔方案。優(yōu)點(diǎn)是壩長75 m，壩袋長度適中，生產(chǎn)加工、運(yùn)輸、案裝比較方便。缺點(diǎn)是隔墩較多，美觀性差，影響行洪，投資多。

經(jīng)綜合論證，采用5孔方案，單節(jié)壩袋長為90 m，中墩厚為1.2 m，橡膠壩全長為455.8 m。

4 結(jié)語

橡膠壩適用于低水頭、大跨度閘壩工程。迄今為止，國內(nèi)外橡膠壩已建成超過5 000座，其成為世界上分布最廣泛的水壩之一。通過對柳杭橡膠壩的分析和研究可以直觀地看到，橡膠壩在小河流域環(huán)境中是最理想的選擇之一，它具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、工期短、抗震性能強(qiáng)、自重輕以及汛期不阻水等優(yōu)點(diǎn)。隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，橡膠織物材料已經(jīng)滿足抗拉伸、彈性強(qiáng)度高、耐高溫、抵抗沉積物顆粒侵蝕以及適應(yīng)各種氣候等條件的發(fā)展要求，使橡膠壩的優(yōu)勢得到了進(jìn)一步的拓展。臨沂市通過3座橡膠壩的科學(xué)調(diào)控，不僅在城區(qū)范圍真正形成了防洪閉合圈，而且在多攔洪水尾水，增加城市河道的蓄水量，充分利用水資源，改善生態(tài)環(huán)境。盡管橡膠壩這一技術(shù)誕生至今只有幾十年的時(shí)間，但由于獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其能取得顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，故發(fā)展較快，隨著橡膠壩技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，其應(yīng)用范圍會越來越廣。

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