关于溪口橡胶坝工程技术的应用与探析

刘平华　许　航

（湖南中武建筑工程有限公司　长沙市　410007）　（湖南省水利厅　长沙市　410007）



关于溪口橡胶坝工程技术的应用与探析

刘平华许航

（湖南中武建筑工程有限公司长沙市410007）（湖南省水利厅长沙市410007）

【摘要】橡胶坝主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程，可以不用常规的工作桥和启闭机结构建筑物，能够及时方便地蓄水和调节水位与流量，比金属结构闸门调节水流的效果更佳，不需取土、取石、混凝土工程保持河道清洁，节约劳动力和缩短施工工期。用于城市园林工程，采用彩色坝袋造型优美、线条流畅可为旅游开发建设添彩，橡胶坝工程技术得到广泛应用。文章分析橡胶坝工程的特点及技术要点，就如何在水利工程中加强橡胶坝工程技术的应用进行探析。

【关键词】橡胶坝水利水电大坝工程应用

橡胶坝的结构简单新颖，坝袋是石油副产品用现代工业生产的合成材料，原材料来源丰富，坝的跨度大（目前国内单跨坝长达到200m）适用范围广，它还具有造价低、节省三材（钢、木、水泥）、施工期短、抗震性能好、不阻水和止水效果好、操作灵活，维修费用低等优点。本文以溪口橡胶坝的设计为案例，在相关数据计算的基础上，对橡胶坝建设各技术要点作一探析。

1　橡胶坝工程技术的特点

（1）节省三材。橡胶坝袋是用合成纤维织物和合成橡胶制成的薄壁柔性结构，代替钢和钢筋混凝土结构，由于不需要修建工作桥、机架桥等钢或钢筋混凝土结构，结构简单，三材用量少，一般可节省钢材30%～50%，水泥约20%～50%，木材60%以上。

（2）造价低。橡胶坝同规模的常规挡水建筑物比较，橡胶坝的造价是较低的，据统计，一般可以减少投资30%～70%，这是橡胶坝的突出优点。

（3）施工期短。橡胶坝在工厂生产，然后运到工地安装。因此施工速度快，施工期短。安装一个80m的橡胶坝，正常情况下10～15天即可安装完成。橡胶坝的工程结构相对简单，工期一般较短，可当年施工，当年受益。

（4）抗震性能好。橡胶坝的坝体为柔性薄壳结构，富有弹性，可抵抗强大的地震波和特大洪水的波浪冲击。如河南省西平县五沟营橡胶坝，在遭遇1975年百年一遇的特大洪水时，由于及时塌坝泄流，洪水过后坝袋仍可充水运行；河北省唐山陡河橡胶坝，经受住1976年唐山8级以上大地震的考验，未发现大问题。

（5）行洪能力强，止水效果好。橡胶坝体内的水或气泄空后，坝袋紧贴在底板上，不缩小原有河床的过水断面；橡胶坝的跨度大，中间闸墩少，不需建机架桥等结构物，对水流的阻碍作用小；坝袋锚固在基础底板和岸墙上，不漏水，止水效果好。

（6）操作灵活，维护费用低。橡胶坝的高度可调节——坝袋升高或塌落，是利用水泵和闸阀控制，操作简便灵活，年维修费用低。

2　溪口橡胶坝技术的技术要点

（1）橡胶坝坝顶高程计算。坝顶高程计算根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）的规定，挡水建筑物防浪墙顶部高程按设计情况和校核情况时的静水位加相应的波浪爬高，风壅增高和安全加高确定，坝顶高程应不低于正常蓄水位。

校核情况时，堰闸为堰流，下游为淹没出流，采用下式试算校核洪水位：

式中Q——校核工况时下泄流量，Q=15 572m3/s；

δs——淹没系数，取δs=0.95；

δc——侧收缩系数，取δc=0.99；

m——基本流量系数，取m=0.39；

n——坝段数；

b——单个坝段净宽；

Ho——校核工况堰顶水深（m）。

经试算得校核水深为13.60m，相应校核洪水位为136.10m。

设计工况时，堰闸为堰流，下游为淹没出流，采用下式试算设计洪水位：

式中Q——设计工况时下泄流量，Q=11 106m3/s；

δs——淹没系数，取δs=0.965；

δc——侧收缩系数，取δc=0.99；

m——基本流量系数，取m=0.39；

n——坝段数；

b——单个坝段净宽；

Ho——设计工况水深（m）。

经试算得设计水深为11.0m，相应设计洪水位为133.50m。

坝顶距静水位的高差采用下式计算：

Δh=hb+hz+hc

式中Δh——坝顶距静水位高度（m）；

hb——波浪高，取累积频率1%的波高（m）；

hz——波浪中心线至最高静水位高度（m）；

hc——安全超高，校核工况取0.3m，设计工况取0.4m。

库区最大风速V=24m/s，取吹程D=1km。

经计算得：设计工况=0.80+0.27+0.4=1.47m，

校核工况=0.68+0.22+0.3=1.2m，

则：设计工况坝顶高程：133.50+1.47=134.97m，

校核工况坝顶高程：136.10+1.20=137.30m。

（2）橡胶坝袋设计计算。橡胶坝按充胀介质可分为充水式与充气式两种。结合溪口橡胶坝工程的运用方式，优先选用充水式，充水式橡胶坝坝顶溢流时袋形比较稳定，过水均匀，对下游冲刷亦较小。充水式橡胶坝坝袋设计计算内容包括：袋壁径向拉力T，袋壁周长L0，坝体充胀容积V0，袋壁抗撕裂安全系数K。坝袋计算时，假设坝袋只承受拉力，而不承受弯矩和剪切力，并且忽略坝袋胶布厚度的影响，坝袋胶布自重和受力后弹性伸长的影响忽略不计。根据《橡胶坝技术规范》（SL 227-98）中的有关规定，本次设计计算工况为上游水深等于坝高，即上游水位为130m时，下游无水的情况。

根据以往类似工程的经验，本工程橡胶坝内压比取值1.2，锚固方式采用螺栓压板双线锚固，根据锚固需要两侧边坡取为1∶2.5。

袋壁径向拉力T计算采用《橡胶坝技术规范》（SL227-98）中的数解法进行，计算公式如下：

式中T——袋壁径向拉力（kN/m）；

r——水的容重（10 kN/m3）；a0——坝袋内外压比，取1.2；

H1——坝袋设计坝高，取7.5m；

经计算，袋壁径向拉力为196.88 kN/m。

上游坝面曲率半径采用如下公式进行计算：

设计内压比为取用1.2，设计坝高7.5m，计算得上游坝面曲率半径13.13m。

袋壁周长L0采用如下公式计算：

L0=S0+S+n+X0

式中L0——袋壁周长（kN/m）；

S0——上游坝面曲线段长度（m），计算得长度14.80m；

S——下游坝面曲线段长度（m），计算得长度12.60m；

X0——坝袋下游贴地部分长度（m），计算得长度3.74m。

根据上式计算得袋壁周长为43m。

坝体充胀容积V0采用如下公式计算：

式中V0——坝体充胀容积（m3）；

R——上游坝面曲率半径（m）；

φ1——上游坝面中心角（rad）；

H1——坝袋设计坝高，取7.5m；

H0——坝袋内充胀水头，取9m。

经计算所得坝体每米充胀容积为97.5m3。

综合上述坝袋计算成果并结合橡胶坝袋生产厂家的有关资料及类似工程经验，坝袋采用国内最新工艺，坝袋制作采用钢丝骨架，无搭接缝一次成型，坝袋总体径向力强度为1 772 kN/m，安全系数9倍，坝袋表面胶4mm，夹层胶1mm，内胶2mm，总厚度为20mm。

（3）底板顺水流方向长度确定。橡胶坝底板顺水流方向长度L的确定，取决于橡胶坝袋塌落长及坝袋检修等因素，可按下式计算：

L=L1+0.5（S0+S+n+X0）+L2

式中L——橡胶坝底板顺水流方向长度（m）；

S0、S——上、下游坝面曲线段长度，计算得长度S0=14.80m、S=12.60m；

n、X0——坝袋上、下游贴地部分长度算得长度n=11.86m、X0=3.74m；

L1、L2——坝袋上、下游锚固线至上、下端头的长度，一般取（1～2）m。按式计算所得橡胶坝底板顺水流方向长度为25.30m。

（4）消能计算。由于本工程橡胶坝水深较浅，且坝袋承受水头不高，故不宜采用面流或挑流式消能。根据《水闸设计规范》，为了控制水流对下游河床、河岸的冲刷，水闸采用底流式消能。消能设施设计为：在主闸段下游设置长30m、深度为1.0m的C25钢筋混凝土消力池，在消力池内布设直径为50mm的排水管，纵横间距均为2m，梅花型布置，护坦末端设防淘刷齿墙，墙深5.0m，底高程为116.50m，C25钢筋混凝土结构，118.50m以下厚1m，以上为斜坡，至消力池底板底高程处厚3m。消力池后接抛石防冲保护体，底部高程为117.50m，顶部高程为121.50m，底宽3m，上游面直立，下游面坡比1∶2，要求石块最小边长不小于30 cm。消力池两侧布置M7.5浆砌石护坡，护坡厚0.5m。

根据相关规范，本工程消能设计洪水标准为30年一遇（Q=10 316m3/s）。坝体溢流段泄洪，坝下游均出现淹没水跃，下游采用急流消能的消能方式。

消力池长度LB计算公式：

Lj=6.9（hc"-hc）

Lsj=Ls+βLj

消力池深度d算公式：

d=δ0 hc"hS△Z

式中Lsj——消力池长度（m）；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度（m），取6m；

hc"——跃后水深（m）；

hc——收缩断面水深（m）；

β——水跃长度校正系数，取0.7；

Lj——水跃长度（m）；

δ0——水跃淹没系数；

hS——出池河床水深（m）；

△Z——出池落差（m）。

式中t——消力池底板始端厚度（m）；

hc——闸孔泄水时上下游水位差（m）；

k1——底板计算系数，取0.18；

k2——底板安全系数，取1.2；

U——作用在底板表面的扬压力（kPa）；

W——作用在底板顶面的扬压力（kPa）；

Pm——作用在底板上的脉动压力（kPa）；

γb——底板的饱和容重（kN/m3）。

两者取大值，t=t1=0.98m，取消力池底板厚1.0m。

（5）稳定及应力计算。橡胶坝布置设计为：溢流段底板采用C25钢筋混凝土宽顶堰，坝底板根据坝袋布置需要采用顺河向宽25.30m，堰顶布置2个底宽为82m，顶宽为123.25m橡胶坝袋，充胀成形后高度为7.5m的橡胶坝袋，底板高程122.50m，底板厚度4m，基础高程118.50m，根据通航通行需要，正常水位取为130m，即充胀成形后橡胶坝袋顶高程为130m，两个溢流坝段均为泄洪兼冲砂用。溢流坝段下游设置长30m、深1.0m的C25钢筋混凝土消力池，在消力池底板内布设直径为50mm的排水管，纵横间距均为2m，消力池末端设防淘刷齿墙。非溢流段最大坝高11.88m，顶宽3.0m，顶高程136.10m，防浪墙顶高程137.30m，上游边坡1∶0.3，下游边坡1∶0.2，坝体采用C15混凝土材料，下游侧填土至132.00m。

根据溪口橡胶坝布置，溢流段为砂砾石基础，非溢流坝段部分为岩基，因此分别对闸室段和非溢流坝段进行计算。计算时采用以下两种组合五种工况：

基本组合：

①正常蓄水位130m时，下游无水；

②设计洪水位133.5m时，下游水位132.8m；

③施工完建橡胶坝充胀成形，上下游均无水。

特殊组合：

①校核洪水位136.1m时，下游水位135.25m；

②施工完建时，上下游均无水。

计算时混凝土容重取24 kN/m3，压实砂砾石料容重取19.5 kN/m3，防渗墙折减扬压力系数为0.35，溢流坝段取单块20m长坝段计算。

按照《水闸设计规范》（SL 265-2001）的规定，对溢流坝段采用抗剪强度公式进行抗滑稳定计算，对连接坝段采用抗剪断强度公式进行抗滑稳定计算，基底应力按材料力学公式计算，其计算公式为：

稳定安全系数计算公式：

基底应力计算公式：

不均匀系数计算公式：

式中K——抗滑稳定安全系数；

f———基础底面与地基土之间的摩擦系数，取f=0.40；

∑G——竖向力之和（kN）；

∑P——水平力之和（kN）；

A——基础底面面积（m2）；

F′——抗剪断磨擦系数，基岩或砼取F′=1.0，砂卵石取F′=0.55；

C′——凝聚力，基岩或混凝土取C′=0.7mPa，砂卵石取C′=0；

σ——基底应力（MPa）；

∑M——力矩之和（kN/m）；

W——基底对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m2）；

η——基底应力不均匀系数。堰闸稳定及基础应力计算成果见附表。

附表　堰闸稳定及基础应力计算成果表

由附表可以看出，橡胶坝的抗滑稳定安全系数在各种工况下均满足规范要求，基础应力及其不均匀系数也满足规范的安全性要求。

3　结　语

本文以溪口橡胶坝的初步设计为例，分5个部分，用大量公式推导，完整地、详细地阐述了橡胶坝设计的各个关键要点，通过计算成果表直观的表达了施工设计的计算过程，特别是在橡胶坝坝顶高程计算、橡胶坝袋设计计算、底板顺水流方向长度确定、消能计算、稳定及应力计算方面作了较深入的探讨，为湖南省橡胶坝的建设提供一个思路。

作者简介：刘平华（1977-），男，湖南常德人，大学本科，工程师，目前从事水利工程管理工作，手机：18973110040。

收稿日期：（2016-03-11）