襄城县北汝河蓄水工程中的橡胶坝设计

2012-08-01高占辽柴启辉

山西建筑 2012年28期

高占辽柴启辉

(1.河南襄城县水利局，河南襄城 452670; 2.华北水利水电学院，河南郑州 450011)

1 橡胶坝简介

橡胶坝是用高分子合成材料建造的一种新型柔性水工建筑物，它利用高强度合成纤维或钢丝作为受力骨架涂敷橡胶制成胶布，锚固在基础上形成封闭式袋状，用水或气充胀形成挡水坝，其坝高可调节，坝顶可溢流。橡胶坝用胶布代替了以往筑坝的土、木、钢、石等建筑材料，其使用条件与水闸相似，既可用于防洪、灌溉、发电、供水、航运、挡潮，也可用于活动围堰、渠系临时挡水等工程。橡胶坝与常规闸坝相比，具有节省三材、造价低(可减少投资30%～70%)、结构简单、施工期短(坝袋只需3 d～15 d即可安装完毕)及跨度大、自重轻、抗震性好和美化环境等优点，因此，橡胶坝目前获得了广泛的应用。

2 工程任务和工程建设目的

该蓄水工程挡水建筑物采用橡胶坝，建在北汝河鲍坡与余庄村之间，设计坝高5 m，坝长190 m，坝顶高程81.7 m，蓄水库容679万m3左右。建设该工程目的主要是解决颖汝灌区用水、许昌市城市用水以及襄城城区工农业生产用水和环境用水。

3 坝址选择方案

方案一:

黄柳村东坝址(桩号1+042)。该处河槽底宽为160 m，底部高程为71 m～72 m，左岸为行洪滩地，宽352 m，高程为84 m左右;施工导流时，可利用左岸滩地开挖明渠导流，不需占用农田。由于坝长较短，相应坝体和坝基防渗工程量均较小，导、截流、主体工程施工均可在一个非汛期完成，施工工期短，发挥效益快。

方案二:

余庄坝址(桩号0+842)。该处河槽底宽为180 m，底部高程为69 m～72 m，坝底砂层厚度大，防渗费用大，由于河床较窄，通过大洪水时，没有两岸滩地泄洪，需要修建的坝长较长，投资大，施工导流时，占用农田。

比较上述两方案，方案一相对于方案二具有如下优点:

1)与大陈闸重叠库容小，净增库容大;

2)坝的总长度短，建筑工程量及坝基防渗工作量小;

3)导流、围堰、施工一次完成，工程布置简洁，工期短等。决定采用方案一进行设计。

4 橡胶坝设计

4.1 工程等级和建筑物级别

北汝河橡胶坝是服务于城市供水和农田灌溉的水利工程，规划坝高5 m，蓄水库容679万m3，按《水利枢纽工程等别划分标准》，属Ⅳ等工程，其主要建筑物按4级设计，次要建筑物按5级设计。根据国家GB 50201-94防洪标准规定，Ⅳ等4级供水工程，按20年一遇洪水设计，30年一遇洪水校核。

4.2 土建工程设计

北汝河橡胶坝枢纽工程主要由三跨橡胶坝和一孔泄水闸两大建筑物组成。两大建筑物由上游连接段(包括上游防冲槽、上游铺盖、两岸护坡和两岸翼墙)、坝身(闸室)段(包括坝底板、闸室控制段)、下游连接段(包括下游消力池段、下游海漫段、下游防冲槽、两岸护坡和两岸翼墙)部分组成。

坝身段底板上部长度为16.0 m，下游连接1∶1.5的斜坡与消力池连接。坝底板高程为76.7 m，厚度为2.0 m，底板下设前后齿墙，坝底板分缝间距为10.0 m，采用651型橡皮止水，缝内填低发泡沫塑料板。坝袋净高5.0 m，设计正常挡水位81.7 m。坝袋长190 m，分三跨修建，中间一跨长度为70 m，两侧长度各为60 m。坝段之间设置C20钢筋混凝土直墙隔墩，顺水流长度为16.0 m，墩顶高程为83.5 m，为避免坝袋两端与墩墙结合部位出现坍肩现象，引起局部溢流，影响橡胶坝的正常运行，将中墩和边墩端部2.0 m宽底板采用1∶10边坡抬高20 cm。橡胶堵头与墩墙接触部位用1∶2水泥砂浆抹平压光。为防止坝袋经常起落，损害坝袋，参照已建橡胶坝工程，设计允许坝顶溢流水深0.5 m，坝前最高控制水位82.2 m。坝袋采用双锚固线螺栓形式锚固，锚固槽设置为暗槽，锚固槽回填后与坝底板齐平，以减小坍坝时夹裹泥砂对坝袋的磨损。坝袋上下游锚固线采用外锚固，端部堵头锚固线采用内锚固。

上游连接段包括:上游防冲槽、铺盖、两岸护坡和两岸翼墙。上游抛石防冲槽，底部高程为70.0 m，底部宽度3.0 m，两侧边坡坡度1∶1.5，深1.5 m;顺水流方向，下游接浆砌石防冲段，斜坡段水平长度12.6 m，坡度 1∶3.5，水平段长度 15.0 m，高程为 75.1 m;上游防渗铺盖采用C20钢筋混凝土，厚度为40 cm，长度为18.4 m，与底板用钢筋连接，以增加坝体稳定性，底部用10 cm厚C10混凝土垫层。

下游连接段包括消力池，海漫，下游防冲槽，两岸护坡和两岸翼墙。为减少水流对下游河道的冲刷，需建消能设施，拟修建消力池，底板高程73.3 m，池深1.80 m，池长20.0 m，底板厚50 cm，材料采用C20钢筋混凝土，底板下设反滤层，底板内设φ50 PVC管，间排距为1.5 m，及时减小渗流水对坝体的渗透破坏;下游接海漫段水平长度为23.5 m，边坡坡度为1∶6.5，与下游防冲槽连接。下游抛石防冲槽底部高程为70.0 m，底部宽度3.0 m，两侧边坡坡度1∶1，深1.5 m，下游与原河道连接。橡胶坝横剖面如图1所示。

4.3 橡胶坝袋设计

图1 北汝河橡胶坝横断面图

4.3.1 坝袋设计条件

坝袋安装后将遇到以下四种运行情况:

1)充胀试验:坝袋安装后，坝上、下游均无水，坝袋分三次充胀至设计高度，以检查锚固槽漏水情况。这种情况仅在坝袋安装完毕后或检修时试充水检查时出现。

2)正常挡水:坝前水深与坝顶齐平，坝下无水。

3)正常挡水:坝前水深与坝顶齐平，坝下有水。

4)坝顶溢流:运行中为了不使坝袋频繁起落，允许坝顶溢流，并控制坝顶溢流水深0.5 m。经计算，坝顶溢流最大下泄流量114.6 m3/s。

上述四种设计条件中，充胀试验为暂时情况，正常挡水和坝顶溢流情况，根据已建橡胶坝经验，当坝顶溢流水深很小时，正常挡水和坝顶溢流情况下的坝袋几何形状相差不大。故为简化计算，仅根据正常挡水情况，即上游水位平坝顶，下游无水的情况作为控制坝体设计的条件。

4.3.2 袋内外水压比α值的选择

坝袋内水压力水头H0的确定是根据C=H0/H1的比值经经济技术比较后选定，H1为坝袋充胀高度。因H0/H1与坝袋径向拉力T成正比，与坝袋的周长L成反比。因此，在选择H0时，应综合考虑帆布的强度、坝袋的造价及安全系数。根据《橡胶坝技术规范》，通常 H0/H1=1.25～1.5，本工程设计中就 H0/H1=1.25，1.3，1.35 三种情况进行了计算比较后，决定 α 值采用 1.3。

4.3.3 坝袋拉力计算

坝袋拉力分径向拉力和纬向拉力。径向拉力在设计情况下，按下式计算:

“这我没有想到，这种可能性不能说没有，只是太富于戏剧性了，小说家在发挥想象时用力过猛了，我承认这不失精彩。”

T=0.5γ(H0H1－0.5H21)。

其中，H1为设计坝高，H1=5.0 m;H0为坝袋内压力水头，H0=1.3 ×5.0=6.5 m;γ 为水的容重，取10 kN/m3。

经计算，T=100 kN/m。

坝袋纬向拉力计算较为复杂。当坝袋充胀后，由于锚固线的约束，各部位的受力情况不同。试验表明，袋壁的最大纬向拉力均较径向拉力小，坝袋中段的纬向拉力可取径向拉力的50%;两端附近褶皱区，受力情况比较复杂，可按径向拉力的100%计算，计算简图见图2。

图2 计算简图

4.3.4 坝袋几何参数计算

坝袋设计采用查表法计算坝袋各参数，已知坝袋内压比α=1.3，H1=5.0 m，查《橡胶坝技术规范》附表2-1，计算结果如下:采用双锚固线式的坝袋有效周长为:设计底垫片的有效长度为:L1=n+X0=9.40 m。坝袋参数见表1。

表1 坝袋参数表

坝袋与底垫片加工时要加上锚固所需长度ΔL=0.8 m。

所以，坝袋实际周长:

L0'=L0+2ΔL=17.65+1.6=19.25 m。

底垫片实际长度:

L1'=L+2ΔL=9.4+1.6=11.00 m。

4.3.5 坝袋底板顺水长度计算

对于双锚固橡胶坝，坝袋底板顺水流长度按下式计算:

L=0.5(L0+L1)+L2+L3(辽宁水科所公式)。其中，L0为双锚固时坝袋有效周长，L0=17.65 m;L1为双锚固时坝袋有效贴地长度，L1=9.40 m;L2为锚固线至上游底板端部长度，一般取1 m～2 m;L3为坝袋塌落线至下游底板端部的长度，取3 m。

L=0.5 × (17.65+9.40)+1.5+3.0=18.02 m，取坝袋底板长度 L'=18.0 m。

4.3.6 坝袋径向强度安全系数

坝体升坝时，平坝顶最高挡水深5.0 m，取内外水压比α=1.3，则内压水头H0=6.5 m。坝袋型号为JBD5.0-300-3，胶布型号为JBD5.0-300-3，经强/纬强为 840/840。由《橡胶坝技术规范》第3.1.3条可知，帆布材料加工制成胶布，强度损失达10%左右，并且材料强度存在不均匀性。考虑这一因素，胶布浸水后强度损失取15%，则坝袋制造强度为840×85%=714 kN/m2，设计坝袋径向拉力T=100 kN/m。所以，安全系数K=714×1/100=7.14＞6.0，满足要求。

4.3.7 坝袋锚固设计

坝袋采用双锚固，坝袋有效周长L0=17.65 m，底垫片有效长度 L=9.40 m，坝袋总周长 27.05 m，锚固长 1.6 m，底垫片采用2 mm厚的橡胶垫片。根据已建橡胶坝经验，采用螺栓锚固。为了改善中墩直墙锚固连接而形成的塌肩降低挡水高度，在靠近中墩和边墩产生塌肩的地方采用1∶10倾斜底板，使该坝段底板比中段的抬高0.2 m，使塌肩处不先过水，从而保证设计水位。为保证锚固槽强度及深度，锚固槽周边采用二期混凝土浇筑，并用钢筋加固。