新型无缝自控充气式橡胶坝的设计与应用

夏爽英 刘洪飞

新型无缝自控充气式橡胶坝的设计与应用

夏爽英 刘洪飞

一、概述

河南省平顶山市西杨村河是穿越平顶山市区的主要城市河道之一，河流自北向南贯穿市区，最终汇入湛河，河道全长约5.46km，由于近年来大量污水直接排入河道和两岸生活垃圾的堆放，河流污染严重。为改变河道现状，改善城市环境，实施了西杨村河道生态整治工程。工程内容包括河道疏挖、生态护岸、截污、河道水源、橡胶坝及景观工程等。其中，西杨村河道在市区段共设置3座橡胶坝以拦蓄上游来水，由于河道比降较大，通过橡胶坝的合理布置，可以形成梯级景观效果和稳定水面，满足市民近水、亲水、休闲娱乐需要，提高城市整体形象。

二、工程设计

1.坝型选择

橡胶坝坝袋按照充涨介质可分为充水式、充气式。传统充水式橡胶坝在国内工程中较为常用，充气式橡胶坝由于对坝袋强度、制造工艺要求高，在我国应用相对较少，国外如韩国、日本等采用充气式橡胶坝较多。近年来，我国的橡胶坝制造技术也达到了世界先进水平，已能生产出符合国际标准的带脊无缝橡胶坝袋，该坝袋如同书本结构，整体无拼接，气密性好。

由于西杨村河为城市河道，断面形式固定，河道上开口宽15m左右，两岸均为城市道路，水源及控制室布置等问题难以解决，比较适合采用这种新型带脊无缝充气式橡胶坝。

本次采用新型带脊无缝充气式橡胶坝主要考虑到其具有以下优点:①充气式橡胶坝的充胀介质为气体，易于提取，充胀简便,无需打井，节约水源。②带脊无缝橡胶坝袋气密性较好，安全系数高，造型美观，使用寿命长，其坝顶“带脊”结构可解决传统充气式橡胶坝运行过程中的振动及过水不均匀问题，使橡胶坝溢流状态形成瀑布状，具有较好溢流景观效果。③充气式坝袋坍坝相对充分，坍坝后比基础底板仅高5cm左右，基本不阻水，西杨村河道上游为山丘区，一旦洪水到来，来水量较大，充气式坝袋坍坝迅速及时，可满足汛期防汛抢险的快速反应需要。④充排气系统设施简单，不需要设置地下泵房和大直径的充排管道，仅需设置空气压缩机、充排气管道及简单的电气控制系统，即可实现自动化充排，运行管理费用低，操作方便。⑤总体投资节省，同样高度的橡胶坝，充气坝袋比充水坝袋使用面积可节省20%～30%，对坝基础底板及地基条件的要求相对较低，控制室面积达到7m2即可满足充排系统布置需要。

2.坝袋设计

3.土建工程布置

充气式橡胶坝与充水式橡胶坝在土建工程布置方面基本一致，充气式橡胶坝基础底板宽度相对于充水式橡胶坝可减小20%左右。按照从河道上游至下游方向，西杨村河橡胶坝工程布置依次包括：上游连接段、防渗铺盖段、坝身段、坝后消力池段、海漫段及下游连接段。其中坝基、防渗及消能防冲设计按照《水闸设计规范》（SL265-2001）计算。

4.锚固系统

锚固系统是橡胶坝坝袋能否稳定起到挡水作用的关键部分，充气橡胶坝锚固构件必须满足设计的强度和耐久性，以达到牢固可靠和严密不透气的要求。由于带脊无缝橡胶坝袋如同书本式结构，且西杨村河橡胶坝属于小型坝，采用“少褶皱橡胶坝”的单锚固线布置方式，斜坡上的锚固线为向下游倾斜的直线。锚固结构形式采用螺栓压板式锚固，锚固构件由锚固螺栓和上下压板组合而成，上下压板采用镀锌钢板，锚固螺栓直径M24，长40cm，螺栓间距25cm。

5.自控充排系统

充气橡胶坝充排系统主要包括充排管道、控制柜、罗茨风机、压力表、压力变送器、超声波液位探位仪、控制阀门等。西杨村河橡胶坝充排气管采用DN80镀锌钢管，在右岸边墙处设一充排气口，管口采用法兰盘锚固。为避免充排气不均匀现象，用2根DN40橡胶高压软管作为排气隔管，用橡胶带固定粘连在坝袋内底部，一端管口固定于充排气口处，沿坝底部通至坝袋另一端，软管周身钻满小孔，以利于坝袋充气均匀,排气彻底。

充排系统采用自动控制，由PLC系统自动完成。PLC自动控制系统由橡胶坝上游水位和坝袋内压力控制运行，系统借助水位传感器和压力传感器连续采集橡胶坝上游水位值和坝内压力值，自动完成充坝和坍坝过程。其工作原理及过程为：（1）充气过程：橡胶坝在正常运行状态，当上游水位低于设计值或由于气温降低坝袋内压力低于压力设定下限时，PLC将执行自动补气，充气阀门将自动打开，变频器控制风机自动运行，开始向坝袋内充气；当橡胶坝充至挡水高度或坝袋内压力达到设定上限值时，变频器控制风机自动停止工作，进气阀门自动关闭，系统进入保压状态，充气过程结束。（2）排气过程：当橡胶坝上游水位超过设定坍坝水位需坍坝行洪或因空气温度升高坝袋内压力超过坍坝设定值时，PLC将执行自动排气程序，排气阀门自动打开，开始排气；当上游水位或坝袋内压力低于正常设定值时，排气阀门自动关闭，完成坍坝过程。（3）紧急措施：当遇到洪水或电气系统故障时，系统管路上加装的手动阀门可进行手动泄压，另外，系统管路上设有安全阀，当遇到电气系统故障时可避免坝袋发生超压破坏。

三、设计及运行管理中应注意的问题

（1）在橡胶坝选型时要因地制宜，应权衡充水式与充气式橡胶坝的优缺点，并考虑橡胶坝的运行、管理和维修等条件，虽然带脊无缝充气式橡胶坝解决了传统充气式橡胶坝的较多缺陷，但在河流水量较大、坝高要求高，尤其是南方地区的较大河流上，充气式橡胶坝的选用还需要慎重。

（2）由于罗茨风机在充气过程中，空气遇冷后会在坝袋中产生少量的冷凝水，这些冷凝水如果长期在坝袋及充排气管道中储存起来，会影响橡胶坝充排气的自动运行，因此必须定期清除这些冷凝水，可采取在坝底板一端设置冷凝水排水管或者在坝底板充排气管道上增设排水阀门井的措施。

（3）由于充气橡胶坝对气密性要求高，因此锚固构件必须具有较好的强度和耐久性，大型充气橡胶坝锚固构件建议采用不锈钢材质，如日本、韩国充气橡胶坝均采用不锈钢材质锚固构件。

（4）充气式橡胶坝自控系统中，为防止因自动控制设备误动作致使坝袋充气过量而破坏，应设置安全阀作为超压安全保护装置。

（5）在橡胶坝日常运行管理中，应保持控制室干燥、清洁，并对自控系统的各个元器件定期检查维护。

四、结束语

平顶山市西杨村河上修建的3座充气式橡胶坝已于2009年1月投入运行，各项设施运行状况良好，相比传统橡胶坝型，具有较好的景观溢流效果，改善了西杨村河的水生态环境及整体面貌，也提高了平顶山市的整体形象。目前在国内这种带脊无缝自控充气式橡胶坝应用还较少，西杨村河橡胶坝的成功运用，为今后该坝型在国内的应用提供了经验

河南省郑州市水利建筑勘测设计院 450006）