橡膠壩壩袋安全評價(jià)研究

郝連柱，張武來，張立功，張 弛

(北京市潮白河管理處，北京 101300)

0 引言

橡膠壩是用橡膠涂覆織物制造，錨固于基礎(chǔ)底板上成封閉代替，利用充排水(或空氣)控制其升降的擋水水工建筑物，主要包括壩袋和結(jié)合基礎(chǔ)底板兩部分[1]。由于其結(jié)構(gòu)簡單、施工便利、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[2-4]。我國于上世紀(jì)60年開始研究橡膠壩技術(shù)，并與1966年6月成功建成了第一座橡膠壩：北京右安門橡膠壩，至今已建成橡膠壩逾千座[5-6]。

橡膠壩壩袋是用帆布等骨架材料和橡膠制成，經(jīng)拼接成型，可錨固于橡膠壩基礎(chǔ)底板的橡膠涂覆織物制品，用于橡膠壩擋水部分[1]。橡膠壩主要通過壩袋來控制水位，調(diào)節(jié)下泄流量，是影響橡膠壩安全的最重要結(jié)構(gòu)之一，根據(jù)《北京市水閘、橡膠壩安全監(jiān)測與安全評價(jià)技術(shù)指導(dǎo)意見》，設(shè)計(jì)條件、壩基、壩袋和錨固結(jié)構(gòu)安全性分級中有一項(xiàng)為C級，可評定為四類橡膠壩，可見壩袋對橡膠壩安全運(yùn)行的重要性。

橡膠壩壩袋由于受內(nèi)外因素綜合作用的影響，隨著使用年限的增加，將出現(xiàn)老化，高分子材料結(jié)構(gòu)逐漸失去原有的優(yōu)良性能，以致最后喪失使用價(jià)值[7]。孫英祥、傅侖瑛等人采用人工加速臭氧老化的室內(nèi)試驗(yàn)方法和實(shí)際工程的觀測和驗(yàn)證，初步判定橡膠壩帶的使用壽命為13～25年。此外，由于壩袋材料既輕又柔，它的堅(jiān)固性與剛性材料無法比擬，運(yùn)行中壩袋可能受到冰凌、尖銳石塊及人為破壞等也會(huì)嚴(yán)重影響壩袋使用壽命，進(jìn)而影響工程安全，因此加強(qiáng)運(yùn)行管理工作對橡膠壩工程極為重要[8-9]。

早在1970年Harrison已使用有限元方法建立了上下游都有水且無溢流情況下的橡膠壩二維模型；1990年Hsieh等人建立了上游有水、下游無水情況下，壩袋無自重、無形變的橡膠壩靜態(tài)模型；2000以來，美國弗吉尼亞綜合研究院與州立大學(xué)對橡膠壩的自由振動(dòng)、三維振動(dòng)、非線性振動(dòng)、壩頂溢流方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2-6]。國內(nèi)方面，中國水利水電科學(xué)研究院、天津大學(xué)等許多單位結(jié)合具體的橡膠壩工程對不同壩型進(jìn)行了振動(dòng)研究。為適應(yīng)在不同條件下應(yīng)用橡膠壩，我國進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，如壩袋膠布的膠料配方研究，采用帆布試制，開展壩袋抗波浪試驗(yàn)、泥沙沖淤試驗(yàn)、壩袋振動(dòng)試驗(yàn)，橡膠壩流量系數(shù)試驗(yàn)、壩袋錨固、充氣橡膠壩技術(shù)研究等[2-6]。

目前，國內(nèi)外對橡膠壩壩袋的特性研究多處于設(shè)計(jì)、制造階段，已運(yùn)行多年的橡膠壩壩袋由于取樣困難，對其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等特性研究較少，相應(yīng)的壩袋檢測規(guī)范也較少。因此，運(yùn)行多年的壩袋大多通過外觀檢查來評價(jià)其工程質(zhì)量。本文以潮白河河槽村橡膠壩為例，通過現(xiàn)場檢查、取樣、制樣、室內(nèi)試驗(yàn)、強(qiáng)度計(jì)算等綜合評價(jià)壩袋質(zhì)量，為今后已運(yùn)行多年的橡膠壩壩袋安全評價(jià)提供借鑒和參考。

1 工程概況

河槽村橡膠壩位于北京市密云區(qū)潮白河河道上，樁號0+900，于2009年建成，至今已運(yùn)行13年。該工程等別為Ⅲ等，建筑物級別為3級，地震原設(shè)防烈度為Ⅶ度。橡膠壩壩高3.5m，壩長210m，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，壩袋采用J260260-2材料，壩袋帆布為兩布三膠。壩袋內(nèi)壓比為1.4，共三跨。正常蓄水位為4m，蓄水量約120萬m3。工程段順?biāo)鞣较蛉L97m，由進(jìn)口鋪蓋段、壩身段、消力池、海漫、充排系統(tǒng)和管理房等組成。河道地基為砂礫料地基。

2 壩袋檢測

2.1 壩袋外觀

為了解橡膠壩壩袋外觀質(zhì)量，現(xiàn)場采用查看、尺量等方法檢查壩袋有無凹陷、缺膠、帆布斷裂、氣泡、死褶等，并對典型外觀缺陷進(jìn)行拍照顯像，記錄壩袋外觀缺陷[10-12]。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)橡膠壩壩袋表觀存在老化，局部修補(bǔ)過的部位表觀脫膠，局部表皮脫落、破損。

2.2 壩袋檢測

橡膠壩已運(yùn)行多年，現(xiàn)場處于過流狀態(tài)，如對主要受力部位取樣，勢必破壞壩袋整體性。因此，本次對錨固端尾部非受力壩袋進(jìn)行現(xiàn)場取樣。

(1)檢測依據(jù)及采用儀器

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)條件，本次檢測項(xiàng)目主要包括膠層厚度、膠料拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、硬度、壩袋拉伸強(qiáng)度、最大負(fù)荷下的伸長率、膠料與織物粘合強(qiáng)度[13-14]。

膠料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率試驗(yàn)主要依據(jù)GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》，主要試驗(yàn)儀器包括裁刀、測厚計(jì)、拉力試驗(yàn)機(jī)；膠料硬度檢測依據(jù)GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法》，主要使用儀器為邵氏硬度計(jì)；壩袋拉伸強(qiáng)度、最大負(fù)荷下的伸長率主要依據(jù)SL 235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》中的條帶拉伸試驗(yàn)法，試樣按寬條法制備，主要儀器包括具有等速拉伸功能的試驗(yàn)機(jī)、夾具等；膠料與織物粘合強(qiáng)度檢測包括剝離力及剝離強(qiáng)度，依據(jù)GB/T 532—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠與織物粘合強(qiáng)度的測定》，主要儀器包括試驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)圖表記錄儀。

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次對取樣壩袋的外覆蓋膠、夾層膠、內(nèi)覆蓋膠分別測量了厚度，對比SL 554—2011《橡膠壩袋》規(guī)定的層膠厚度，所取試樣均滿足規(guī)范要求。河槽村壩袋膠層厚度檢測結(jié)果見表1。

表1 河槽村壩袋膠層厚度檢測結(jié)果 單位：mm

根據(jù)GB/T 528—2009規(guī)定，外層膠拉伸強(qiáng)度≥14MPa，斷裂伸長率≥400%，本次分別對外層膠、底層膠做了4組試驗(yàn)，其中外層膠拉伸強(qiáng)度平均值為10.2MPa，是規(guī)范要求的73%，斷裂伸長率為279%，是規(guī)范要求的70%。膠料的邵氏硬度值，基本滿足規(guī)范要求。由試驗(yàn)可知經(jīng)過10多年的運(yùn)行的河槽村橡膠壩壩袋膠料的力學(xué)性能下降了30%左右。壩袋膠料物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表2 河槽村壩袋膠料物理力學(xué)性能檢測結(jié)果

因現(xiàn)場取樣有限，只制備了2個(gè)完整的壩袋寬條試樣，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，壩袋拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。根據(jù)SL 554—2011壩袋拉伸強(qiáng)度值416kN/m，試驗(yàn)結(jié)果為332.9kN/m，是規(guī)范要求的80%，壩袋整體抗拉強(qiáng)度衰減了20%左右。

圖1 壩袋拉伸試驗(yàn)曲線圖

表3 河槽村橡膠壩壩袋物理力學(xué)性能檢測結(jié)果

分別對內(nèi)層膠、外層膠2個(gè)試樣進(jìn)行了硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度剝離試驗(yàn)，硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，內(nèi)層膠最大剝離力、剝離強(qiáng)度明顯大于外層膠，可能與外層膠受環(huán)境影響較大有關(guān)，從整體來看，橡膠硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度較好。

圖2 硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度剝離試驗(yàn)曲線圖

表4 硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度剝離試驗(yàn)結(jié)果

3 壩袋強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算理論與公式

根據(jù)GBT 50979—2014《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》，充水式橡膠壩壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度可按下式計(jì)算[13]：

(1)

式中，T—壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m；γ—水的重度，10kN/m3；α—壩袋內(nèi)外壓比，取1.4；H1—設(shè)計(jì)壩高，m，取3.5m。

在確定壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)時(shí)還應(yīng)考慮下列因素：①壩袋膠布材料加工制成膠布時(shí)強(qiáng)度損失一般達(dá)15%～25%；②材料強(qiáng)度存在的不均勻性；③壩袋在使用過程中因老化所造成的強(qiáng)度損失；④工程規(guī)模和重要性等。現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 554—2011給出的壩袋膠布強(qiáng)度已經(jīng)考慮了上述因素，并進(jìn)行了折減。

本次復(fù)核并對壩袋進(jìn)行了取樣和力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明力學(xué)性能較規(guī)范值下降了25%左右，故在計(jì)算壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)時(shí)可直接采用SL 554—2011中的膠布強(qiáng)度折減。

3.2 計(jì)算結(jié)果

河槽村橡膠壩壩袋實(shí)際檢測強(qiáng)度為332.9kN/m，強(qiáng)度安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為6.04，見表5，略大于GBT 50979—2014中規(guī)定的充水壩壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)不小于6.0的要求。但此次取樣為非受力部位，從理論上講強(qiáng)度檢測結(jié)果較受力部位偏高。且該壩袋運(yùn)用時(shí)間已接近設(shè)計(jì)年限，存在一定老化和損傷，建議盡快更換壩袋。

表5 壩袋強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4 評價(jià)結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

對運(yùn)行13年的河槽村橡膠壩壩袋開展安全評價(jià)工作，通過對壩袋外觀質(zhì)量檢查、現(xiàn)場取樣及室內(nèi)試驗(yàn)、壩袋強(qiáng)度計(jì)算等得出以下結(jié)論。

(1)從外觀上來看，河槽村橡膠壩壩袋局部修補(bǔ)過的部位表觀脫膠，局部表皮脫落、破損，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)危及整個(gè)壩袋安全。

(2)運(yùn)行13年的河槽村橡膠壩壩袋，膠料厚度、硬度基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，橡膠硫化橡膠與織物粘合性良好，但膠料抗拉強(qiáng)度、扯斷伸長率降低了30%左右，壩袋抗拉強(qiáng)度降低了20%，壩袋整體力學(xué)性能指標(biāo)下降顯著。

(3)壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)為6.04，與規(guī)范規(guī)定的充水壩壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)不小于6.0的要求很接近，本次取樣均為非受力部位，計(jì)算結(jié)果可能較受力部位高。

4.2 建議

壩袋外觀出現(xiàn)了老化及局部破損，現(xiàn)狀強(qiáng)度安全裕度較低，且已運(yùn)行13年，臨近使用年限，建議盡快更換壩袋。為保障河槽村橡膠壩安全，建議在更換壩袋之前，制訂保壩安全應(yīng)急措施。

5 結(jié)語

隨著橡膠壩運(yùn)行年限的增長，壩袋會(huì)出現(xiàn)老化、破損等現(xiàn)象，影響壩袋使用壽命，甚至危及橡膠壩工程安全。本文以潮白河河槽村橡膠壩為工程實(shí)例，探討了運(yùn)行多年的壩袋安全評價(jià)方法。從外觀質(zhì)量、室內(nèi)試驗(yàn)、強(qiáng)度計(jì)算3方面綜合評價(jià)了壩袋質(zhì)量，為之后運(yùn)行多年的橡膠壩壩袋安全評價(jià)提供重要借鑒。

本文所取試驗(yàn)樣品均取自壩袋非受力部位，其檢測的抗拉強(qiáng)度、扯斷伸長率等力學(xué)性能僅僅反映了壩袋局部質(zhì)量狀況，而壩面、錨固等壩袋受力部位未取樣檢測。根據(jù)判斷，受力部位壩袋的力學(xué)性能指標(biāo)衰減應(yīng)比非受力部位更嚴(yán)重，為更準(zhǔn)確評價(jià)壩袋質(zhì)量狀況，需進(jìn)一步研究檢測評價(jià)方法。