橡膠壩在棗莊市黃樓閘除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

劉培松

（棗莊市市中區(qū)城鄉(xiāng)水務(wù)局,山東 棗莊 277100）

1 引言

擋水建筑物是水閘工程的重要組成部分,其方案對(duì)工程建設(shè)投資影響較大。因此,需要結(jié)合工程實(shí)際情況采取合理的方案[1-2],提高工程建設(shè)效益。

2 工程概況

黃樓閘位于棗莊市市中區(qū)黃樓村北、嶧城大沙河郭里集支流樁號(hào)5+555 處,閘址以上流域面積91.5 km2。原閘為漿砌石墩水力自動(dòng)翻板閘,是一座具有蓄水灌溉、補(bǔ)充地下水、改善河道生態(tài)環(huán)境等功能的水利工程,自1982 年建成以來(lái)發(fā)揮了較好的蓄水灌溉效益,經(jīng)過(guò)近40 年的運(yùn)行,閘室及翼墻穩(wěn)定、閘基滲徑長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求,無(wú)消能防沖措施,閘門(mén)缺失,喪失蓄水功能,無(wú)管理設(shè)施。2009 年對(duì)該閘進(jìn)行了安全鑒定,綜合評(píng)定為四類(lèi)閘。

3 建筑物型式比選

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。其中液壓升降壩是利用液壓桿支承壩面板,通過(guò)液壓控制升壩降壩,每塊壩面板長(zhǎng)6.0 m 左右,由兩根液壓桿支承,面板之間設(shè)止水,較寬的河道上需要壩面板數(shù)量較多,壩面板升降容易產(chǎn)生不同步的問(wèn)題,且面板之間易漏水,可靠性差,景觀性差,不宜在本工程使用。氣盾閘是在充氣橡膠壩袋上游側(cè)設(shè)一道鋼面板,通過(guò)壩袋的充排氣體帶動(dòng)壩面板升降,氣盾閘在溢流狀態(tài)下易振動(dòng)磨損壩袋,壩袋充氣不均勻易導(dǎo)致壩面板之間不同步,穩(wěn)定性差,景觀效果差,不宜在本工程使用。水力翻板閘靠水力和閘門(mén)重量相互制衡,根據(jù)上游水位自動(dòng)控制閘門(mén)的啟閉,上游水位升高,閘門(mén)繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)泄流,泄流時(shí)易發(fā)生振動(dòng)拍打現(xiàn)象,易產(chǎn)生翻板閘閘門(mén)底部疲勞破壞,容易受到上游漂浮物的撞擊堵塞閘孔,汛期阻水嚴(yán)重,不宜在本工程采用。

根據(jù)以上分析,結(jié)合本工程的功能定位及特點(diǎn),在著重考慮攔河建筑物的工程造價(jià)、運(yùn)行條件、使用壽命等方面,本設(shè)計(jì)選取了橡膠壩、鋼壩閘和閘三種建筑物型式進(jìn)行方案比選。

3.1 方案比較

（1）方案Ⅰ：橡膠壩方案

橡膠壩在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛,具有工程投資小、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、景觀效果好、運(yùn)行管理方便等特點(diǎn)。

1）方案優(yōu)點(diǎn)

①構(gòu)造簡(jiǎn)單,工程造價(jià)低。相對(duì)攔河閘,橡膠壩單跨可達(dá)100 多米,底板上僅設(shè)置一道充水壩袋,無(wú)需設(shè)置多個(gè)閘墩、機(jī)架橋等混凝土結(jié)構(gòu)和安裝閘門(mén)和啟閉機(jī)等,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,鋼材、水泥、木材等用量顯著減少,有利于節(jié)約投資。

②施工簡(jiǎn)單、工期短。相對(duì)于水閘、鋼壩,底板上無(wú)其他混凝土等構(gòu)筑物,施工工序少、簡(jiǎn)單；壩袋易于安裝、時(shí)間短,壩袋安裝需3 天～15 天,總工期3 月～5 月,相對(duì)于其他攔蓄建筑物可大大縮短施工工期,提早完工、提早運(yùn)行、提早受益。

③景觀效果好。壩型美觀,壩體以上即為攔蓄水面,無(wú)其他人造構(gòu)筑物,與周邊河道生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)適應(yīng),且壩體過(guò)流形成瀑布,景觀效果較好。

④壩袋抗震性能好。橡膠壩的壩體為柔性薄殼結(jié)構(gòu),富有彈抗沖擊彈性35%左右,伸長(zhǎng)率達(dá)600%,具有以柔克剛的性能,可以抵抗強(qiáng)大地震波和特大洪水的波浪沖擊,故其抗震性能好。

⑤管理方便?？筛鶕?jù)上游水量調(diào)節(jié)壩體高度以增減泄量,確保上游景觀水位和下泄流量；洪水期坍壩放水,壩袋塌落緊貼河床,保持泄洪斷面,暢泄洪水。

2）方案缺點(diǎn)

壽命短,壩袋易老化,一般15 年需要更換一次壩袋；受上游河道漂浮物影響,壩袋易破損。

（2）方案Ⅱ：閘方案

閘是河道上應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)較為成熟的擋水建筑物,攔河閘需在底板上修建閘墩、機(jī)架橋、閘門(mén)等結(jié)構(gòu),通過(guò)啟閉機(jī)控制閘門(mén)起閉高度實(shí)現(xiàn)攔蓄與泄水。

1）方案優(yōu)點(diǎn)

混凝土結(jié)構(gòu)和閘門(mén)耐久性高,鑄鐵或鋼閘門(mén)不易受上游漂浮物影響而損壞。

2）方案缺點(diǎn)

①工程量大,一次性投資高。需要修建多個(gè)閘墩、機(jī)架橋,安裝閘門(mén)、啟閉機(jī)等,土建工程量大,投資高。

②施工復(fù)雜,工期長(zhǎng)。相對(duì)于橡膠壩和鋼壩,所需修建的混凝土等構(gòu)筑物多,工期長(zhǎng)。

③景觀效果差。河道上修水閘,因水上有閘墩、機(jī)架橋等構(gòu)筑物,與周邊自然環(huán)境不協(xié)調(diào),不自然,景觀效果差。

④較寬河道上閘門(mén)數(shù)量較多,管理復(fù)雜。

（3）方案Ⅲ：鋼壩方案

鋼壩由帶固定軸的鋼制門(mén)葉作為擋水結(jié)構(gòu),利用驅(qū)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)門(mén)葉底部固定軸調(diào)節(jié)門(mén)葉擋水高度。

1）方案優(yōu)點(diǎn)

①門(mén)體堅(jiān)固、耐久性好。鋼壩閘擋水結(jié)構(gòu)為鋼性金屬門(mén)體,和鋼閘門(mén)一樣不易受上游漂浮物影響而損壞,耐久性好,壽命長(zhǎng)。

②升降壩體快速,安全性高。鋼壩由液壓驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)壩體旋轉(zhuǎn),升壩、塌壩僅需2 min～3 min,遇到突發(fā)洪水時(shí)可及時(shí)塌壩泄洪,對(duì)于河道兩岸生產(chǎn)生活安全性高。

③景觀效果較好?？缍却笙鄬?duì)壯觀,運(yùn)用靈活,可形成不同角度的瀑布效果,總體景觀效果好,耐砂石磨損沖擊,耐久性強(qiáng)。

2）方案缺點(diǎn)

投資較大,一次性投資較高。門(mén)體建造需要消耗大量鋼材,運(yùn)行管理技術(shù)要求較高,液壓?jiǎn)㈤]機(jī)要定期的進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。

3.2 方案選定

根據(jù)上述方案比較,各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 方案比選表

根據(jù)上述對(duì)比分析,方案Ⅰ（橡膠壩）構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工工期短,景觀效果好,管理方便,雖然塌壩速度慢,壩袋壽命短,但無(wú)論一次投資還是綜合投資都是最節(jié)省的,經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。而方案Ⅱ（閘）一次性投資高,中墩數(shù)量較多,景觀效果差,綜合投資是橡膠壩的2 倍多。方案Ⅲ（鋼壩）一次性投資最高,雖然景觀效果最好,但綜合投資是橡膠壩的近3 倍,且運(yùn)行維護(hù)管理技術(shù)要求高。因此,綜合考慮地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和實(shí)力,經(jīng)比較后推薦采用方案Ⅰ（橡膠壩）。

4 橡膠壩工程設(shè)計(jì)

4.1 壩體參數(shù)擬定

1）壩體長(zhǎng)度的確定。根據(jù)附近地形及河道子槽寬度,塌壩時(shí)應(yīng)符合河道設(shè)計(jì)行洪要求,綜合分析確定將壩體長(zhǎng)度定為50.0 m。

2）壩體寬度的確定。橡膠壩底板順?biāo)鞣较虻牡装鍖挾劝凑諌未綄挾纫约鞍惭b和檢修的要求確定。采用單向塌落：

式中：Ld為地板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度,m；l0為壩袋底墊片有效長(zhǎng)度,m；l1、l2為上下游安裝、檢修通道,取1.5 m；l3為壩袋坍落貼地長(zhǎng)度,m；L0為壩袋有效周長(zhǎng),m。

經(jīng)計(jì)算,確定設(shè)計(jì)底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度Ld=11.11 m,取11.50 m。

3）壩體高度的確定。設(shè)計(jì)橡膠壩上游河底高程55.30 m,正常蓄水位58.80 m,故確定壩底板高程55.80 m,壩頂高程58.80 m,壩高3.0 m。

4）橡膠壩邊墩頂高程的確定。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）,黃樓橡膠壩工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級(jí)別為3 級(jí),臨時(shí)建筑物級(jí)別為5 級(jí),黃樓橡橡膠壩的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用與河道防洪規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)相匹配的原則,為20 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)取50 年一遇,洪峰流量采用1002 m3/s。

橡膠壩邊墩頂高程應(yīng)根據(jù)橡膠壩擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定。擋水時(shí),邊墩頂高程不應(yīng)低于橡膠壩正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高之和；泄水時(shí),邊墩頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)的安全超高之和。

壩前正常蓄水位58.80 m,最高擋水位58.80 m。由此,可計(jì)算出橡膠壩邊墩頂高程,計(jì)算如下：

式中：R為波浪爬高,經(jīng)計(jì)算為0.13 m；a為安全超高,m。

由表2 可知：邊墩頂高程應(yīng)不小于61.25 m,確定橡膠壩邊墩頂高程為61.2 m。

表2 邊墩頂高程計(jì)算表單位：m

表3 橡膠壩過(guò)流能力計(jì)算表

4.2 過(guò)流能力計(jì)算

根據(jù)水文計(jì)算分析,壩址處20 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為781 m3/s,設(shè)計(jì)水位59.98 m。50 年一遇校核洪峰流量為1002 m3/s,校核水位60.75 m。

橡膠壩枯水季節(jié)充水升壩擋水,汛期則塌壩泄洪,按河道20 年一遇和50 年一遇洪水分析該工程對(duì)河道洪水的影響；根據(jù)《橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A,塌壩后橡膠壩的過(guò)流能力,按寬頂堰過(guò)流公式計(jì)算：

式中：ε為側(cè)收縮系數(shù),取0.977；σ為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù),取0.345；B為橡膠壩過(guò)流斷面凈寬,B=50.0 m；h0為包括行進(jìn)流速水頭的堰上水頭；Q為橡膠壩過(guò)流能力,m3/s。

綜上,橡膠壩塌壩泄洪滿足斷面過(guò)流能力。

4.3 防滲排水設(shè)計(jì)

4.3.1 防滲布置

初步擬定壩基防滲長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：L為壩基防滲長(zhǎng)度,m；ΔH為上、下游水位差；上游為正常蓄水位58.80 m,下游水位平消力池55.00 m,取ΔH=3.80 m；C為允許滲徑系數(shù)值,根據(jù)壩基地質(zhì)條件,查規(guī)范允許滲徑系數(shù)值,取C=4。經(jīng)計(jì)算,壩基防滲長(zhǎng)度需15.20 m。

根據(jù)橡膠壩布置情況,壩基防滲長(zhǎng)度為11.9 m,比計(jì)算所需防滲長(zhǎng)度稍小,不能滿足壩基防滲長(zhǎng)度要求。在上游設(shè)置防滲鋪蓋,根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）鋪蓋長(zhǎng)度可采用上、下游最大水位差3～5 倍,鋪蓋采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),順?biāo)飨蜷L(zhǎng)10.0 m,厚0.4 m。綜上布置,防滲總長(zhǎng)度為22.2 m,能夠滿足計(jì)算長(zhǎng)度要求。

4.3.2 排水布置

下游消力池水平段梅花形設(shè)置φ50 塑料排水管,間距為1.5 m,排水管底部自上而下分別為150 mm 厚2 cm～4 cm 碎石層、250 g/m2土工布一層、100 mm 厚中粗砂層。

4.3.3 止水設(shè)計(jì)

鋪蓋、底板、消力池之間為防滲范圍,水平分縫與垂直分縫處均設(shè)E651 型橡膠止水帶,止水帶采用熱熔焊接連接,止水應(yīng)嚴(yán)密可靠。

5 結(jié)論

結(jié)合棗莊市黃樓閘實(shí)際情況,選取橡膠壩、水閘方案、鋼壩方案3 種方案進(jìn)行比選分析,橡膠壩方案構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工工期短,景觀效果好,管理方便,雖然塌壩速度慢,壩袋壽命短,但無(wú)論一次投資還是綜合投資都是最節(jié)省的,經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。從壩體參數(shù)、過(guò)流能力、防滲排水3 個(gè)方面對(duì)橡膠壩設(shè)計(jì),可為類(lèi)似工程提供參考。