橡膠壩在滕州市城河塢溝除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

馮文剛

（北京中水利德科技發(fā)展有限公司,北京 100000）

1 引言

攔河建筑物修建可以改善當(dāng)?shù)厮婷娣e,有利于河道生態(tài)環(huán)境打造,同時(shí)可改善河道防洪能力不足的現(xiàn)狀,具有十分重要的意義[1-3]。橡膠壩[4-5]是一種較為常用的攔河建筑物,結(jié)合滕州市城河塢溝除險(xiǎn)加固工程,對(duì)橡膠壩在河道治理工程的應(yīng)用進(jìn)行研究。

塢溝駝峰堰位于滕州市城河?xùn)|郭鎮(zhèn)前塢溝村東300 m處,中泓樁號(hào)36+550。塢溝駝峰堰工程于1997 年7 月建成。駝峰堰原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇洪水設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)洪水位82.03 m,下泄流量1289.9 m3/s。工程任務(wù)為攔蓄河道徑流及改善生態(tài)環(huán)境的功能,并壅高水位為城河、漷河水系連通提供水源條件。

2 攔河建筑物

河道上常用的蓄水建筑物型式有水閘、橡膠壩、鋼壩閘、水力翻板閘、液壓升降壩、氣盾閘等。結(jié)合本程的功能定位及特點(diǎn),在著重考慮攔河建筑物的耐久性、啟閉靈活性及景觀性后,本文選取橡膠壩建筑物型式。橡膠壩滿(mǎn)河槽布置,壩底板頂高程76.50 m,正常蓄水位80.50 m,共1 孔,單孔凈寬95.00 m。橡膠壩順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)72.70 m,其中鋪蓋長(zhǎng)10 m、壩底板長(zhǎng)14 m、陡坡及消力池長(zhǎng)23.7 m、海漫長(zhǎng)20 m、防沖槽長(zhǎng)5.0 m。管理房設(shè)置在河道的左岸,其下部為泵室,管理房?jī)?nèi)設(shè)變配電室、中控室及值班室等。橡膠壩方案圖見(jiàn)圖1。

圖1 橡膠壩壩室方案圖

3 橡膠壩設(shè)計(jì)

3.1 水位-蓄水量-水面面積關(guān)系

根據(jù)實(shí)測(cè)的河道橫斷面,建立塢溝橡膠壩水位、水面面積、蓄水量關(guān)系,見(jiàn)表2。由表2 可知,塢溝壩正常蓄水位80.50 m情況下,回水長(zhǎng)度750 m,水面面積6.75 萬(wàn)m2,一次蓄水量10.03 萬(wàn)m3。

表2 塢溝橡膠壩水位、水面面積、庫(kù)容關(guān)系

3.2 橡膠壩設(shè)計(jì)

3.2.1 水力計(jì)算

1）泄洪能力計(jì)算

橡膠壩泄洪能力根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Q為過(guò)壩流量；B為溢流斷面寬度；h0為堰前水頭；m為流量系數(shù)；σ、ε 為淹沒(méi)、側(cè)收縮系數(shù)；泄洪能力計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 過(guò)流能力復(fù)核計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算,20 年設(shè)計(jì)洪水位工況下和50 年校核洪水工況下,水閘過(guò)流能力滿(mǎn)足要求。

2）壩頂溢流能力計(jì)算

橡膠壩未設(shè)調(diào)節(jié)閘,運(yùn)行過(guò)程中不可能頻繁塌壩,因此遇中小洪水必須考慮壩頂溢流。為避免壩頂溢流時(shí)壩袋振動(dòng)影響壩的正常使用,壩頂溢流水深宜取0.2 m~0.5 m。本次設(shè)計(jì)壩頂溢流水深取0.3 m。壩頂溢流能力同式（1）,壩頂溢流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 壩頂溢流計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算,橡膠壩不塌壩的情況下,壩頂最大溢流流量為46.0 m3/s。

3.2.2 壩基及壩肩截滲設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘資料可知塢溝橡膠壩壩基存在嚴(yán)重滲漏問(wèn)題,且高水位時(shí),地基土與基礎(chǔ)接觸面之間存在滲透變形可能。左右壩肩存在繞滲問(wèn)題,可結(jié)合壩基一并采用截滲處理。

壩室段截滲墻位于鋪蓋前端齒槽中線位置,截滲長(zhǎng)度145 m。兩岸灘地截滲墻頂高程平灘地高程81.70 m,主河槽鋪蓋段截滲墻頂高程為75.60 m（嵌入鋪蓋齒墻內(nèi)0.5 m）,岸墻底板段為岸墻底板底高程63.50 m,墻底深入黏土不透水層2.0 m。本次設(shè)計(jì)擬定以下二個(gè)防滲方案,分別從技術(shù)可行性、施工工藝和工程投資等方面進(jìn)行比較及分析論證,以確定合理的方案。

1）方案Ⅰ：塑性砼防滲板墻方案

塑性砼防滲墻是目前水利工程中較普遍采用的一種地下截滲處理方法,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于水庫(kù)大壩、江河、湖泊等大堤的防滲加固工程中,是防滲處理的一種有效措施。

2）方案Ⅱ：高壓旋噴灌漿方案

高噴墻采用單排旋噴套接結(jié)構(gòu)形式,采用二管法施工,旋噴樁的直徑1.0 m,孔距1.0 m,成墻最小厚0.4 m；空壓機(jī)的壓力0.7 MPa,流量1.0 m3/min,氣嘴數(shù)量2 個(gè),環(huán)狀間隙1.2 mm；泥漿泵壓力30 MPa,流量80 L/min,密度1.5 g/cm3,漿嘴數(shù)量2 個(gè),漿嘴直徑2.5 mm,回漿密度≥1.3 g/m3；提升速度10 cm/min。

表5 壩體防滲方案比較表

根據(jù)上述二個(gè)方案的特點(diǎn),結(jié)合工程地質(zhì)條件,著重從施工質(zhì)量方面考慮,方案Ⅰ雖然適用各種地質(zhì)條件,防滲效果好,但工程投資較大,方案Ⅱ施工技術(shù)日益成熟,可靠性得到大幅度提升,且投資較省,經(jīng)綜合考慮本次截滲采用方案Ⅱ,即高壓旋噴防滲墻方案。

3.2.3 橡膠壩袋設(shè)計(jì)

（1）壩袋計(jì)算

1）壩袋徑向強(qiáng)度

根據(jù)下式計(jì)算：

式中：T壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度, kN/m；γ水的容重,γ=10 kN/m3；α內(nèi)壓比,α=1.30；H1設(shè)計(jì)壩高,m。

經(jīng)計(jì)算：T=64 kN/m。

2）壩袋其他參數(shù)計(jì)算

壩袋有效長(zhǎng)度：L0=14.114 m；

底墊片有效長(zhǎng)度：l0=7.514 m；

壩袋容積：壩袋單寬容積V=27.526 m3/m；

壩袋容積V=1926.82 m3。

（2）壩袋材料選定

壩袋型號(hào)：JBD4.0 -300 -2；膠布型號(hào)：J300300 -2（錦綸66）。膠布強(qiáng)度為600 kN/m /600 kN/m（經(jīng)/緯）；壩袋厚度為10.10 mm。壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)表

（3）壩室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度確定

橡膠壩底板順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度確定,按下式計(jì)算。

單向坍落：

式中：Ld底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度, m；L壩袋底墊片有效長(zhǎng)度,m；L1、L2上下游安裝、檢修通道,取1.5 m；L3壩袋坍落貼地長(zhǎng)度,m；L0壩袋的有效周長(zhǎng),m。

經(jīng)計(jì)算,Ld=13.814 m,本次設(shè)計(jì)壩袋地板順?biāo)飨虻拈L(zhǎng)度取14.00 m。

3.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）壩底板穩(wěn)定計(jì)算

1）基本數(shù)據(jù)

擬建橡膠壩底板高程為76.50 m,建基面為76.00 m,基礎(chǔ)持力層為（1）層礫砂,承載力為160 kPa,基礎(chǔ)底面與中粗砂間的摩擦系數(shù)為0.4。據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）,工程區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g,基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.40 s,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

2）計(jì)算工況及荷載組合

計(jì)算工況與荷載組合按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265 -2016）規(guī)定。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況,對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行工況分析和荷載組合分析,荷載組合分為設(shè)計(jì)擋水期、充水實(shí)驗(yàn)期、正常擋水位+地震。①設(shè)計(jì)擋水期：上游側(cè)為80.5 m,下游無(wú)水。②充水實(shí)驗(yàn)期：壩袋內(nèi)充水、上下游無(wú)水。③正常擋水位+地震：上游水位80.5 m,下游無(wú)水,按8度地震設(shè)防。計(jì)算工況及荷載組合見(jiàn)表7。

表7 計(jì)算工況及荷載組合表

3）計(jì)算公式

①基底應(yīng)力：

②壩底板抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

式中：Kc抗滑安全系數(shù)；f摩擦系數(shù)；∑G、∑H 所有豎向、水平荷載之和。

壩底板穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表8。

表8 壩底板穩(wěn)定計(jì)算成果匯總表

經(jīng)計(jì)算,在各種荷載組合情況下,安全系數(shù)、地基承載力均滿(mǎn)足規(guī)范要求,橡膠壩壩底板整體穩(wěn)定滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)方案比選,采用橡膠壩作為攔水建筑物具有景觀效果好、投資低、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),在滕州市城河塢溝除險(xiǎn)加固工程中較為適用。

（2）根據(jù)洪水特性,確定了橡膠壩結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過(guò)方案比選確定采用高壓旋噴防滲墻作為防滲方案。通過(guò)計(jì)算,設(shè)計(jì)橡膠壩穩(wěn)定性滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。