充气橡胶坝坝袋改造中复核方法的分析

朱 军，马振文，丁立国

（1.沈阳市浑河管理中心，辽宁 沈阳110011；2.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003）

王家湾橡胶坝工程位于浑河沈阳城段上游河道上，是一座以拦河蓄水形成连续水面，开发旅游、美化环境、改善自然景观的水利工程项目。工程建成于2004年10月，工程形式为单跨66m的6孔充气式橡胶坝，总长401m，坝高3.5m，防洪标准50年一遇。坝底板采用C20钢筋混凝土结构，宽10m、厚1.5m。坝袋采用二布三胶堵头式无缝彩色坝袋，双锚线螺栓锚固，径向强度520kN/m、纬向强度260kN/m，安全系数11。

1 问题的提出

王家湾橡胶坝底板高程43m，坝顶高程46.5m，正常运行水位47m。因当时设计周期短，考虑安全性因素，内外压比选用0.75，部分项目相对考虑不周。建成后，橡胶坝长期处于高水位运行状态，对上游右岸滨水路及苗圃等设施造成淹没，对岸边冲刷破坏时有发生。为弥补气坝无调节能力的缺陷和坝上过流对下游冲刷的不利影响，2005年10月在1号坝段下游增设了二级消力池及护坦，对下游河岸进行了加固处理。2006年对橡胶坝进行了功能优化改造，将原66m长的6号坝段由气坝改成两孔等宽的充水式橡胶坝，仍采用原坝袋，底板抬高0.6m，在水气坝之间增加了导流墙。对2～5号坝段下游进行了河底防护。在水坝建成后，虽然用水坝调节，使气坝不过流，暂时解决了上游回水的影响。但在阳光直射下，坝袋实际高度达到了4.0m，受风摆影响坝头磨损漏气现象时有发生。工程无法正常运行且安全隐患极大。

考虑到王家湾橡胶坝工程建成仅5年时间，建设成本达到4000万元，如果完全新建或进行大规模的改建都是不经济的，在现有基础上进行局部改造，可最大程度地节约改造成本。为此，提出了仍采用原充气设备、坝袋和锚固槽，只降低坝袋高度的改造方案，并委托相关部门进行复核计算。

2 2种复核方法分析

坝袋改造的复核计算主要经历了2个阶段，应用了2种复核方法，得到的结果却存在较大差异。

2.1 在坝袋与底板夹角为零情况下的复核方法

首先采用的是规范中列举的在坝袋与下游底板夹角ω=0情况下的复核方法，此种方法在新橡胶坝设计过程中被广泛采用。

（1）基本公式

式中γ为水的容重，10kN/m3；α为袋内压比，即内压水头与设计坝高之比；H1为设计坝高，m。

式中T1为坝袋设计径向拉力数值，此次从安全角度出发按原设计数值衰减50%计算，取260kN/m。

（2）验证结果

采用上述方法进行复核，考虑到橡胶坝降低坝高后，仍采用原锚固槽形状发生的变化。从降低坝袋高1.0m开始向下试算坝袋内压比数值和坝袋安全系数，复核是否满足规范要求。经计算和查阅充气式橡胶坝坝袋设计参数表，得出在坝高降至2.7m、内压比0.57、安全系数为7.47最为合理。但《规范》中规定：充气式橡胶坝宜选用的数值为内外压比为0.75～1.10，安全系数为8.0以上。由于试算产生的结果不在规范的推荐范围内，请相关专家进行论证，得出极有可能产生V字流和坝端漏水严重现象，建议进一步研究并进行水工模型试验的结论。

2.2 坝袋与底板夹角不为零的情况

通过进一步分析和查阅相关资料，特别是从2007年10月河南省水利学会橡胶坝学组会议中交流的 《橡胶坝坝袋与下游底板夹角不为零情况下参数的计算》成果获得启示，认识到王家湾橡胶坝为维持锚固槽不变，会出现坝袋与下游底板夹角不为零的情况。使用MATLAB软件，用3次样条插值计算椭圆积分值，进行重新复核，并采用《规范》中ω=0的特殊情况进行验证。计算示意图见图1。

图1 充气式橡胶坝计算示意图

（1）公式

袋壁拉力公式T=R·P，

式中R为曲率半径，m；P内外压差，kN/m2。

坝袋上游面内外压差P=r(H0-y），

式中r为水的容重，10kN/m3；ω为下游坝袋与水平面夹角；y下游曲线任意点纵坐标；H0为内压水头，m；H1为设计坝高，m。

应用椭圆积分公式，上游任一点坐标（x1，y1），

式中E，F为椭圆积分。

（2）验证结果

采用坝高H1=2.5m，原设计内压比H0=0.75H1，ω=0，验证见表1，最大误差0.4cm，在允许范围内，用此方法进行坝袋设计是合理的。

表1 公式验证表

（3）坝袋复核

参数计算：从节约成本方面考虑，橡胶坝锚固槽长度（即是贴地段长度）要求保持不变，为2.53m，在坝高2.5m情况下，采用内外压比0.75，0.8，1.0分别进行复核，见表2。

表2 坝袋复核参数表

坝袋强度复核：橡胶坝原坝袋胶布径向强度520kN/m，正常运行时间是15～20年。考虑橡胶坝已运行4～5年，按最不利情况强度衰减50%计算，坝袋强度取260kN/m时，在内外压比分别取0.75，0.8，1.0时， 计算坝袋拉力对应为 24.397，26.259，33.858，安全系数为 10.66，9.90，7.68。 可见除内外压比采用1.0除外，其它两种情况可满足《规范》提出的安全要求。

坝袋长度复核：橡胶坝原上部坝袋有效长度10.183m，为改造可利用长度，重新锚固所需长度为1.7m，按改造后坝袋有效长度在8.483m以下条件进行复核。根据表2中计算数据，计算坝袋有效长度分别为6.949，6.908，6.849m，都可以满足要求。

综上所述，经计算得出：从坝袋与下游底板不为零的实际情况出发，王家湾橡胶坝仍采用原有锚固槽、坝袋，选用内外压比为0.75，0.80时，将坝高降低至2.5m时的改建方案都是可行的。

3 结语

采用《规范》中常用的方法复核，在此情况下的坝袋应力最为均匀，是新设计橡胶坝中最为常见的一种理想情况，而在实际情况下，特别是在坝袋改造过程中，条件发生变化，一定程度上反映出了此种计算方法的不适用性。所以，在橡胶坝改造过程中，应针对坝体的实际情况，选用与之相适应的计算方法，才能对实际工作起到相关的指导作用。

[1]SL227—98，橡胶坝技术规范[S].

[2]高本虎.橡胶坝工程技术指南[M].北京.中国水利水电出版社，2004.

[3]陆吾华，候作君.橡胶坝设技与管理[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[4]刘要敏.橡胶坝设计与施工浅议[J].河南水利与南水北调，2008，(7).