一起特殊的橡胶坝溃坝事件引起的思考

2017-04-13程

浙江水利科技 2017年2期

关键词：动水橡胶坝内压

程

彦1，刘建光2，程杰1，左丽梅1

（1.衢州康平建设工程检测有限公司，浙江衢州 324000；2.衢州市水利工程质量与安全监督站，浙江衢州 324000）

一起特殊的橡胶坝溃坝事件引起的思考

程

彦1，刘建光2，程杰1，左丽梅1

（1.衢州康平建设工程检测有限公司，浙江衢州 324000；2.衢州市水利工程质量与安全监督站，浙江衢州 324000）

橡胶坝建设、运行过程中，由于环境条件相对复杂，会遇到一些特殊的、不常见的、突破基本假设的，有时甚至是几种情况的叠加造成的工程事故。通过一起特殊的橡胶坝溃坝事件，阐述了橡胶坝工程事故分析、判断、鉴定工作，并提出了小结和建议。

橡胶坝；溃坝分析；鉴定

1 问题的提出

目前，橡胶坝的设计计算基于以下4个基本假设：①薄膜内力的假设。坝袋厚度与曲率半径的比值很小，橡胶又属于柔性材料，刚度较小，能适应内外水压力的作用，形成一定的几何形状，这种情况与薄膜相似，假定壳体材料只能承受面荷载不能承受力矩。②平面问题假设。坝袋沿轴线方向的变形很小，受力变形主要发生在垂直于坝轴线的平面内不考虑坝袋材料纤维铺层的方向，坝袋在该平面只承受均匀的径向拉力，不产生弯矩和剪切力，因此，将坝袋的受力计算简化为垂直于坝轴线平面的受力计算。③不计坝袋的自重和受力后的伸长影响。④水位组合采用上游水深等于坝高，下游无水的工况。

橡胶坝建设、运行过程中，由于环境条件相对复杂，会遇到一些特殊的、不常见的、突破基本假设的甚至是几种情况的叠加造成的工程事故，这就要求检测鉴定人员充分考虑各种因素（包括水文、地形、材料、工况等）的影响，进行综合分析，以便有的放矢采取加固、修补或预防措施，防止事故的再次发生。结合一起特殊的橡胶坝溃坝事件，进行橡胶坝工程事故分析、判断、鉴定工作。

2 事件概述

该橡胶坝位于某河流支流，设计坝高4.50 m，充水式橡胶坝，属于某小型水电站。河道宽约80 m，两端有混凝土岸墩与橡胶坝连接固定。

2015年5月，该电站于上午开始正常充水升坝。充水完成后，上游水位未到达坝顶，发生溃坝，橡胶坝沿轴线方向整体、水平、通长裂开（见图1）。

通过调查最近日期河道水文情况、坝袋材料情况、工人运行操作情况及其他相关信息，同时勘验事故现场，基本情况：①该橡胶坝使用时间不到 1 a；②有出厂合格证及其他相关材料；③橡胶坝无内置水压传感器，依靠溢水口了解充水状况；④溢水口高度因设备安装等原因，无法按照原来高度设置，实际溢水口高于原来厂家常规安装高度约0.90 m，厂家安装人员及使用单位均未提出异议，其它设计不变；⑤动力充水设备无进水流量监控设施，仍采用厂家常规设计，按照2 h，坝内水从溢水口流出来控制充水速度，使用人员依靠在进水阀门转轮上作标记来，每次转轮均转至同一标记处；⑥充水时河道上游截流后，正在开闸放水，水流较平时增大。

图1 立面图

3 原因分析、判断、鉴定

由于委托方是事故发生后，与厂家协商未果的情况下要求鉴定的。因此调查与勘验是在事故发生20 d后，部分数据、过程已经无从查证（如水流流速、工人实际运行操作情况等），只能基于现有资料，经过合理的假设、分析与逻辑推理，认为本次橡胶坝溃坝事件主要是以下几个因素共同作用的结果。

3.1 溢水口高度与充水速度

在设计充水橡胶坝时，为保证坝袋安全，需要设置保障坝袋安全的溢流管，其溢水口高度一般取用坝袋内压水头。橡胶坝充水时，如果没有严格地控制坝高的设备，只依靠坝内水从溢水口流出来控制坝高，那么坝袋环向伸长后，其坝高必然要高于设计坝高，使坝袋实际强度超过坝袋计算强度，坝袋出现安全隐患。因此，充水橡胶坝坝袋变形对坝袋安全的影响是工程实践中出现的问题。

SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》规范主编之一解士博高工曾对此进行过较为深入的研究[2]，相关结论如下：双锚坝袋，设有溢流管，坝前水深等于坝高，坝下无水，坝袋变形后，依靠坝内水从溢水口流出来控制坝内水头。坝袋变形后，坝高较设计坝高略高，坝袋强度也较计算强度有所增加。坝袋强度增加与坝袋内压比及坝袋伸长率有关。设计内压比相同时，坝袋变形越大，坝袋强度增加越多；坝袋相对伸长率相同时，设计内压比越大，坝袋强度增加越多。

表1给出坝袋设计内压比为1.4时，不同坝袋环向伸长率对应的实际坝高与设计坝高之比（下称“坝高比”），以及坝袋实际强度与计算强度之比（下称“强度比”）。表2给出坝袋环向伸长率12%时，不同坝袋设计内压比对应的坝高比与强度比。

表1 不同坝袋环向伸长率对应的坝高比与强度比表（坝袋设计内压比为1.4）

表2 不同坝袋设计内压比对应的坝高比与强度比表（坝袋环向伸长率为12%）

假设原来厂家设计内压比为1.4，坝高4.50 m，充水时间2 h，充水速度等于溢流速度，坝袋环向伸长率12%。

按照SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》式（B.2.1 -15），计算原来厂家设计坝袋单宽容积与充水速度：

式中：ν1为设计充水速度，m2/h；V1为设计坝袋单宽容积，m2；t为设计充水时间，h；a1为设计内压比；H1为设计坝高，m。

X0、n、R、θ为有关设计数据。按照SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》表B.2.2 - 1：

由于实际溢水口高于原来厂家常规安装高度约0.90 m，原来厂家设计内压水头= 4.5 × 1.4 = 6.3（m）；实际内压水头= 6.3 + 0.9 = 7.2（m）；实际内压比= 7.2 ÷ 4.5 = 1.6。假设坝袋环向伸长率由原来厂家设计的12%，坝高增大后变为实际的15%，根据表1、表2可得：

实际坝高= 4.5 × 1.050 × 1.048 ÷ 1.039 = 4.76（m）。

按照SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》式（B.2.1 -15），计算实际坝袋单宽容积与充水速度：

式中：ν2为实际充水速度，m2/h；V2为实际坝袋单宽容积，m2；a2为实际内压比；H2为实际坝高，m。

从式（2）、式（4）可以看出，ν2＞ν1。由于实际溢水口高于原来厂家常规安装高度，加上坝袋伸长，使实际坝高增加，坝袋容积增大，在充水时间2 h不变的情况下，实际充水速度增大，而溢流管管径不变，即溢流速度不变，这样就造成坝袋充胀时，充水速度大于溢流速度，造成部分充水无法及时从溢水口流出，滞留于坝袋内，增大坝袋强度。该部分充水可称为“附加充水”，单位时间附加充水速度为：

式中：ν0为附加充水速度，m2/h。

3.2 水流冲击力

本次溃坝事件中，上游截流后开闸放水，水流增大，可作为洪水冲击荷载处理。SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》规定作用在坝袋上的主要设计荷载为坝袋外的静水压力和坝袋内的充水压力，坝袋安全系数的选择，是一种经验方法，如果考虑突发洪水等影响因素，可增大安全系数。目前，洪水方面的研究还很缺乏。主要集中在波浪荷载方面，SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》条文说明，也只是提及有突发洪水出现时，将可能出现坝袋超压破裂的问题，并未做进一步阐述。解士博高工指出[2]：在橡胶坝的结构分析中，使用理论分析法已被实践证明是可靠的。因此，下面根据合理假设进行的计算，不影响对原因的判定。

3.2.1 水流冲击力计算

目前，较为常用的计算平面斜坡法向破波压力的公式主要有原苏联规范CHип Ⅱ— 57 — 75推荐的公式和《铁路工程设计技术手册[路基]》推荐的公式。许光祥教授指出[4]：原苏联规范CHип Ⅱ— 57 — 75推荐公式是根据现场试验资料获得的，缺少小波高的计算说明，没有指出波高＜0.50 m时相关参数取值，即苏规公式对于小波高的破波压力计算适应性不强。因此，参考《铁路工程设计技术手册[路基]》中推荐的公式进行计算。

根据文献[3]，《铁路工程设计技术手册[路基]》中推荐的公式改写如下：

式中：F0为最大动水压力，kN/m2；γ为水的重度，kN/m3；g为重力加速度，m/s2；ν3为波峰处速度，m/s；θ为射流与破面法向的夹角，°；m为坡率；H为波高，m；L为波长，m。

从式（6）可以看出，(1 + Xn)恒大于1，为简便计算，在偏安全判定的前提下，令(1 + Xn) = 1，同时假设θ = 50°，则式（6）改写为；

两组治疗前FBG、2hPG、HbA1c间无显著差异，治疗后两组血糖相关指标均较治疗前显著降低（P＜0.05），且观察组显著低于对照组（P＜0.05），见表2。

3.2.2 假设与工况

假设坝袋未充满水。动水冲击坝袋，坝袋水流动，只是使坝袋几何形状改变，不会使坝袋破裂。因此，仅对溢水口出水后的情况进行分析，且为分析简便，结合本次事故实际状况，做如下假设：

（1）分析模型为坝袋横断面；

（2）参考GB 50181 — 1993（1998年）《蓄滞洪区建筑工程技术规范》，采用底部为静水，上部为动水，规则波，动水冲击坝袋，静水面处B点为最大水流冲击力位置[6]；

（3）波峰处水流速度ν3为12 m/s；

动水冲击坝袋工况见图2。

图2 动水冲击坝袋工况图

3.3 破坏时状态

3.3.1 受力分析

由3.1分析可知，坝袋溢水口出水后，坝高、内压比均已改变。按照SL 227 — 1998《橡胶坝技术规范》式（B.2.1 - 1），原来厂家设计坝袋径向计算强度：

式中：T1为原来厂家设计坝袋径向计算强度，kN/m。原来坝袋设计强度= 6.0 × 92 = 552（kN/m）。

溢水口刚出水时坝袋径向计算强度：式中：T2为溢水口刚出水坝袋径向计算强度，kN/m。从计算可知，溢水口刚出水时，坝袋径向计算强度由92 kN/m增大至125 kN/m。

3.3.1.2 附加充水增大产生的附加坝袋强度

如果溢水口出水后未及时停止充水，附加充水将越来越多，相当于不设溢流管进行充水工况。附加充水增大工况见图3。

图3 附加充水增大工况图（注：阴影部分为附加充水）

假设内外压力差内压比1.6保持不变，附加充水只引起坝袋变形率增大，则B点曲率半径由OA增大至OB。根据文献[7]，坝袋计算的基本原理，即通常所称薄膜原理，可以求出附加充水产生的附加坝袋强度：

T3= rP （8）

r = OB - OA

式中：T3为附加坝袋强度，kN/m；r为坝袋变形前后曲率半径之差，m；P为内外压力差，kN/m2。

从式（8）可知，附加坝袋强度T3取决于曲率半径增大情况，即取决于附加充水增大情况。附加充水时间越长，附加充水越多，附加坝袋强度T3越大。

3.3.1.3 水流冲击力产生的附加坝袋强度

根据式（7），横断面B点动水压力F0：

根据许光祥教授的研究成果[4]，破波冲击点局部附近各向的波压力没有明显的差异，且基本与法向压力大致相等，可近似认为该点的各向动水压力也遵循静水质点受压原则，即各向压力相等。因此，可以把B点动水压力F0方向由法向变为水平，数值不变。

坝袋受到水流冲击后，向下凹陷，根据图2，力F0分解为F1和F2。由水流冲击力产生的附加坝袋强度与F1、F2数值相等，方向相反，且F1＞F2。根据力的矢量分解，可得：

F1= 210（kN/m）（10）

从上述3.3.1.1 ～ 3.3.1.2分析可以看出，溢水口出水后，坝袋已经处于超高、超压状态，坝袋比正常使用状态更加“紧绷”，坝袋整体具有了一定刚度，可以视为半柔性。从式（9）、式（10）可以看出，附加坝袋强度增长幅度巨大，且β越大，附加坝袋强度越大。

3.3.2 破坏状态分析

根据3.3.1，求出实际坝袋强度：

从式（11）可以看出，在动水条件下，实际坝袋安全系数已经远远小于标准规定的6.0。考虑坝袋长期处于超高、超压状态，加剧了坝袋的疲劳和老化，再考虑其他不利因素影响（如安装误差，β增大等），实际使用中的坝袋安全系数将进一步降低。当某一时刻，坝袋安全系数＜0，坝袋将沿B点、轴线方向整体、水平、通长裂开。B点高度与坝袋曲率、波高、波长、T3、内压、凹陷深度等有关。

4 小结和建议

本次事故，偶然之中包含必然。依靠坝内水从溢水口流出来控制坝高，坝袋环向伸长后，实际坝高高于设计坝高，坝袋实际单宽容积大于设计单宽容积，进而增大充水速度，如果溢流速度不变，造成附加充水无法及时从溢水口流出，滞留于坝袋内，增大坝袋强度；坝袋在超高、超压状况下运行，坝袋比正常使用状态更加“紧绷”，坝袋整体具有了一定刚度，可以视为半柔性，水流冲击力产生的附加坝袋强度增长幅度巨大；当坝袋安全系数＜0时，坝袋将沿静水面附近、轴线方向整体、水平、通长裂开。同时，通过总结本次事故教训，提出如下建议：

（1）设置水压传感器或坝高监测设施，及时了解内压和坝高。如条件不具备，应尽量降低溢水口高度。如考虑坝袋伸长影响，溢水口高度可低于内压水头；

（2）动力充水设备设置监控流量装置。如条件不具备，应根据情况动态调控进水量，调节充水速度；

（3）评估水流冲击力对橡胶坝影响。特别是上游开闸放水、汛期短时间雨量较大导致水流增大时，坝体内压应适当降低或坍坝；

（4）加强对橡胶坝运行工作人员的技术指导，提出防止内压过度增加的措施与方法；

（5）应密切注意外界突发状况，提前做好预防措施。

[1] 中国水利水电科学研究院.SL 227 — 1998橡胶坝技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，1998.

[2] 解士博.充水橡胶坝坝袋变形分析[J].北京水利，1997(2)：18 - 22.

[3] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册[路基][M].北京：中国铁道出版社，1992.

[4] 许光祥.平面斜坡小波高各向破波压力试验研究[J].水动力学研究与进展，2007(1)：129 - 134.

[5] 中国建筑科学研究院.GB 50181 — 1993(1998)蓄滞洪区建筑工程技术规范[S].北京：中国计划出版社，2004.

[6] 王晓庆.洪水演进模型及冲击荷载研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[7] 周森康.关于充水橡胶坝设计的基本原理和公式[J].合肥工业大学，1981(1)：67 - 76.