上马村橡胶坝基础底板和防渗排水设计初步分析

张国庆

（辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003）

上马村橡胶坝基础底板和防渗排水设计初步分析

张国庆

（辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003）

橡胶坝是用高强力合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷合成橡胶作黏结保护层，加工成胶布，按要求的尺寸，锚固在混凝土基础底板上，成封闭袋形，用水、气或水气混合充胀，形成挡水坝。不需要挡水时，泄空坝袋内的水（气），便可恢复原有河渠的过流断面。文章对基础底板和防渗排水设计做了初步分析。关键词：防渗排水；基础；底板；橡胶坝

1 概 述

沈阳农业高新技术开发区位于沈阳市东部辉山风景区附近，其境内蒲河的治理是开发区基础设施建设的重点项目。根据开发区建设的总体规划，在蒲河上修建两座橡胶坝作为蓄水工程。该场地位于上马村附近，蒲河水系第四系沉积物厚度5.4～5.6m，由粉土、砾砂、圆砾组成，底部为古老花岗岩基底。橡胶坝高为2.5m，单跨。坝体总长为40m，坝底板宽为8m，为钢筋混凝土结构，上下层配Φ12的钢筋，间距为200mm。下层配Φ12＠250的分布钢筋。考虑到采用的锚固形式以及气候原因，坝底板厚度为0.8m，底板下面前后各设一道齿墙以增强坝体抗滑稳定性，齿墙深为1.2m。坝底板中间设沥青木板沉陷缝2cm。锚固槽为23×30cm，长为40m，两个锚固槽中心距为7.0925m。

2 基础底板设计

2.1 基础底板的设计计算

1）长度：底板顺水流方向的长度，等于坝袋塌落宽度与上下游坝袋的安装、检查维修所需交通宽度之和，一般交通道上游和下游各取0.5～1.0m。

基础底板长度的计算公式为：

式中：L0为坝袋的有效周长，m，L0＝8.4023m；l1为上游交通道宽度，m，根据经验值取1.5m；l2为下游交通道宽度，m，根据经验值取2.0m；经计算，Ld＝7.70115m，取8.0m。

2）厚度：一般采用0.3～0.8m，应满足管路布置和结构需要，如有防冻或特殊的要求的工程可适当加厚。本设计底板厚度选取0.8m为宜［1］。

3）基础底板的形式：有平底板、低堰底板、折线底板和反拱底板等，橡胶坝工程多采用平底板，但要以不影响水流为原则。

4）地下轮廓线的形状和尺寸：根据地基的地质条件、坝上、下游的水头差并结合考虑锚固槽的需要来选定，底板在上、下游两端一般均设齿墙；本设计齿墙深为1.2m。

2.2 基础底板的应力和稳定计算

本设计计算是按照基本荷载的正常挡水情况设计的。考虑自重，静水压力，扬压力，土压力等，底板荷载及计算图见图1所示。基础底板的应力计算利用弹性地基梁法。坝底板宽8m，长40m，中间分一缝，除去边墩基座长度1m，则每缝长19m，取单位长度1m分析［2］。

图1 底板荷载及计算图

1）荷载计算：

对底板上游端点取矩：

M水＝151.85kN；M坝＝339.53kN；M底板＝151.5kN；M扬＝－352kN；M水平＝26.04kN。所以，ΣM＝985.42kN。

各力矩对底板中心的偏心距为：

2）据结构力学偏心受压公式计算底板上、下游端的地基反力：

3）计算地基反力的平均系数：

通过上述计算结果表明，坝体的抗滑稳定，基底压力不均匀系数，均小于规范允许值，基底压力均小于地基允许承载力，故坝体稳定。

4）基础底板的稳定计算：由于底板下一般设置齿墙，所以底板的滑动不是沿底板的底下表面和地基土壤表面，而是沿着上、下游齿墙最低点的AB连线的土体中滑动［3］。因此，抗滑稳定计算公式为：

5）底板结构计算：采用弹性地基梁法计算底板内力，然后进行配筋计算。橡胶坝底板顺水流方向长8m，垂直水流方向缝距19m，取底板中心线处单位为1m脱离体计算。

梁挠曲线初参数方程为：

对上式求导得：

由坝长40m，两端挡土墙外延1m，所以分缝长度余下38m，分两缝，每缝长为19m，任取一段计算。考虑最危险的情况，取在坝最高处单宽1m计算q值。

式中：K为混凝土抗拉强度安全系数，取K＝1.5；r为截面抗矩的塑性系数，对于矩形截面取r＝1.55；Ri为混凝土抗拉设计强度，R1＝1300kN／m2；b、h为宽度和高度，b＝1.0m，h＝0.8m。

3 防渗排水设计

橡胶坝的坝基防渗排水应根据基础地质条件和坝址上、下游水位差等因素，并结合消能和两岸布置综合考虑，以构成完整的防渗排水系统。

3.1 地下轮廓线的设计

坝基的防渗长度即铺盖后板桩等防渗设施及底板与地基接触线长度，是坝基渗流的第一条流线长度。要经济、合理地设计地下轮廓及与之相应的防渗、排水设施。橡胶坝虽然是小工程，挡水高度不高，但与一般的挡水建筑物一样，都存在基础防渗问题。无论是各类土基或岩基，底板的地下轮廓布置均应遵照防渗与排水相结合的原则，即在橡胶坝基础上游布置防渗设施，如防渗铺盖、板桩（后截水槽、或防渗墙）、灌浆帷幕等，用来延长渗径，减小底板渗透压力，降低坝基平均渗透坡降，并保证不超过规定的允许值；在下游则布置排水设施，如排水孔和反滤层等，使渗透水流尽快地安全排走，防止渗流出口处发生渗透变形，并减小底板渗透压力，增加基础的抗滑稳定性。

3.2 上游铺盖设计

铺盖的长度应根据防渗效果好和工程造价低的原则确定，一般为挡水高度的2～4倍，或为上、下游水位差的3～5倍至7～8倍，对于渗透系数大的基础，长度可达20～30m。铺盖材料可用混凝土、浆砌石、黏土做成；在缺少上述材料的地方，可用厚塑料布或薄橡胶片做成。铺盖既能增加防渗段长度，加大渗径，减少底板扬压力，也可防止河床被淘刷。

根据防渗要求，经计算防渗铺盖长度为20m，厚度0.4m，采用钢筋混凝土结构。

3.3 海漫

水流经过护坦（消力池）后，若其流速尚能冲刷自然河床时，为了保护底板、护坦及河床防止冲刷应设置海漫。海漫一般用抛石、砌石、铅丝石笼或混凝土块铺筑。海漫要求耐冲，透水，柔软，以适应不均匀沉陷。海漫厚度取为0.3～0.5m。本设计取0.4m厚。为了减少渗透压力，浆砌石海漫段长5m内设2排水孔。干砌石海漫长20m，下设反滤层。

3.4 消力池设计

护坦低于底板，并采用一斜坡段连接，坡度为1∶4。消力池的设计按水工建筑物的常规设计。一般采用混凝土或钢筋混凝土结构。如护坦作为防渗段的一部分，则应做成不透水的，此时在护坦下面作用有渗透压力，因而要适当加厚以维持自身的稳定。如护坦不作为防渗段的一部分，则应做成透水的。

建在河道上的橡胶坝，一般都采用水跃式消能，橡胶坝塌坝时间，随着塌落过程中，若上游水位不变，则流量随着橡胶坝塌落而增大，下游水位也逐渐增高，上、下游水位差而逐渐变小，则在一跨坝袋下落到某一高度时，消力池的长度最大，以此确定消力池的长度：

3.4.1 下游水深hd与流量Q关系的确定

由下面公式先确定下游水深hd与流量Q之间的关系，任取hd值，求出对应的Q值：

3.4.2 设计流量Qd和消力池深度d的确定

选取多个流量分别求出其相应的跃后水深h2，并和下游水深hd比较，则（h2－hd）的最大值对应的流量为设计流量Qd。

计算过程为：

1）设定一个流量 Q，根据 hd～Q曲线可得到hd。

2）单宽流量q＝Q／b

4）T0＝H0＋P＋di

H0＝2.8m，0.3为坝上水头，P为跌差取2m，d为池深（试算时取d＝0）则T0＝4.8m。

5）根据梯形断面明槽收缩断面水深及水跃共轭水深求解图（《水力学》附录IV清华大学水力学教研组编）由的值差T0～hk关系表，可得的比值，进而求出跃后水深h2。

6）消力池深度：

式中：σ为水跃淹没系数，取σ＝1.05；q为单宽流量，m3／s；φ为流量系数，可近似取为σ＝0.95。

以上为第一轮计算，将第一轮计算的d值代入，进行第二轮计算，又可得（h2－hd）和d；再进行下一次试算，直到（h2－hd）的值呈下降趋势为止，此时，一般情况下所设d值与计算所得d值很接近。则（h2－hd）对应的流量为设计流量，池深为d。

经过计算可得消力池的深度为d＝0.66m，取d＝0.7m。

计算长度L：

3.5 渗径验算

根据《水闸设计规范》，拟定渗径。水利工程的坝下土基中的防渗计算方法有：直线比例法、流网法和阻力系数法（渗径系数法），直线比例法有勃莱法和莱因法两种。本设计采用勃莱法计算渗径长度。即假设渗透水头沿着地面轮廓线逐渐消减，不论是垂直渗流，还是水平渗径，因此，都是成直线比例关系，关系式为：

式中：L为地下轮廓线长度，包括全部水平与垂直渗径长度；△H为坝体承受的最大水头差。

根据上式算出基础底板有关各点的渗压水头后，就可绘出底板渗压水头分布图。勃莱法还认为，地下轮廓总长度与渗透水头应保持一定的比例关系，这个比例的值叫做勃莱渗径系数C，故：

勃莱系数随地基土质条件而定。本设计采用的C＝8。所以L＝44mm。整体工程渗径长度路径长L：L＝53.49m＞44m

所以渗径长度满足要求。即校核结果满足防渗要求。

［1］周树奎，宋雪峰，孙海峰.刍议北方寒区橡胶坝工程规划设计［J］.黑龙江水利科技，2008，36（03）：61.

［2］周政民.橡胶坝工程创新设计探讨［J］.水利建设与管理，2010（06）：10－11.

［3］莫花帖，黄德强.长瓦水电站橡胶坝设计及应用［J］.企业科技与发展，2010（19）：39－41.

Preliminary Design Analysis of Foundation Slab and Anti－seepage Drainage for Shangma Village Rubber Dam

Zhang Guo-qing
（Liaoning Province Yingkou Hydrology Bureau，Yingkou 115003，China）

Rubber dam takes high strength synthetic fiber fabric as the bearing frame，internal and external synthetic rubber adhesive protection layer is coated and processed into fabric，according to the required size，then anchored in the concrete foundation slab. Water，gas or gas mixture is inflated to form a dam. When it is not necessary to block water，empty the dam bag in the water（gas），flow section can restore the original canal. This paper made a preliminary analysis of the foundation and the seepage control design of rubber dam.

anti-seepage drainage；foundation；slab；rubber dam

TV543

A

1007－7596（2014）08－0070－04

2014－05－06

张国庆（1983－），男，辽宁盖州人，工程师，研究方向为水文测验、地下水及水资源评价等。