高海拔地区硬推移质河床上橡胶坝设计

2018-01-30李华伟舒刘海钟恒昌

治淮 2018年1期

刘良李华伟舒刘海钟恒昌

一、工程概况

工程位于拉萨市拉萨河城区段，平均海拔3650m，具有拦蓄环境水、回补地下水、营造生态湿地等综合功能，是创建人水和谐、宜商宜居拉萨水城的重要基础设施工程。该工程设计蓄水位3638.00m，底板高程3635.80m，拦蓄水量102万m3，回水总长度约1.69km，坝址区50年一遇设计行洪流量3330m3/s，100年一遇校核行洪流量3610m3/s。

拉萨河属于典型的游荡型河道，整体形态较顺直，横断面宽浅，平面上水流散乱呈辫状，心滩密布，河势变化无常，主要有以下特点：

（1）洪水：拉萨河流域降水一般发生在6～9月，占年降水量的85%以上，7～8月两月更为集中，占年总数的51%以上，洪水过程历时一般为5～10d，较大洪水过程可达15d以上，洪水过程平缓、多峰，涨退缓慢。历年实测最大1d降水量约为41～45mm，最大3d雨量约为62～85mm。

（2）悬移质：根据拉萨站至2009年实测资料统计，多年平均年输沙量126万t，多年平均年侵蚀模数为48.0t/km2，多年平均含沙量为0.13kg/m3。

（3）推移质：拉萨站推移质输沙量，根据唐加站悬移质、推移质输沙量之比及该站悬移质输沙量估算而得为26.3 万 t。

二、方案选择

拉萨市是藏传佛教圣地，历史文化悠久，风俗民情独特，是我国重要的旅游城市。方案比选突出与生态景观规划相协调的原则，结合该工程的功能定位、拉萨河水文泥沙特性以及对于山区河道的适用性等河道特性，重点选取了节制闸、橡胶坝及钢坝闸进行坝型比选，考虑工程投资限制及景观效果要求，对橡胶坝在高海拔地区多泥沙河流上的应用进行研究分析，采用工程措施可以解决技术难题，设计最终采用橡胶坝方案。

三、橡胶坝设计

根据坝址处的河道情况，橡胶坝布置7跨，采用枕式结构，单跨长度72.0m，内压比取1.35，坝高2.2m，隔墩厚度2.0m，橡胶坝段总长516.0m，充、排水方式均采用动力式，单侧设置充排水泵房，安装5台单级单吸泵（4用1备）。调节闸布置在橡胶坝右侧，设5孔，单孔净宽8.0m。

设计在采用橡胶坝方案前，组织相关人员进行调研，并与有关厂家进行技术交流。针对该工程技术难题进行研究分析，解决坝袋磨损、坝袋防老化和减少频繁充塌坝等问题，是橡胶坝成功应用的关键。

1.坝袋抗磨损措施

拉萨河是多泥沙河流，拉萨河沙量年内分配与水量分配相似，极不均匀，汛期（6～9月）沙量约占全年的97%，且往往集中在几次大洪水过程中。场地卵石粒径为20～200mm的卵石约占75.5%。因此坝袋磨损和坝前后推移质沉积是橡胶坝工程设计的重点和难点，轻则影响泄洪，重则造成橡胶坝报废，出现突然失控情况。针对河道情况和坝袋运用情况，主要从坝袋、闸底板、堵头部位和上游设沉砂池等方面进行科学合理的设计。

（1）坝袋设计

橡胶坝坝体为柔性结构，坝袋易被尖锐漂浮物刺破，坝袋受砂卵石的撞击、与底板之间的磨损等均能造成坝袋的损害。

在设计过程中，主要从坝袋内外压比和坝袋材料上进行选择。充水式橡胶坝内外压比大多数选取的范围为1.25～1.6，从节省坝袋材料的角度，可选较大的内外压比；从防止堵头处坝袋塌肩严重的角度，内外压比不宜过大。综合考虑设计内外压比选用1.35，坝袋厚度9.9mm。橡胶坝坝袋承载的主体是帆布，过去帆布多采用锦纶6，此次设计采用性能比锦纶6更优越的锦纶66材料；在坝袋胶料选择上，规范要求外胶层磨耗量（阿克隆）不大于0.8cm3/1.61km，为增加坝袋耐磨性，通过改进坝袋外胶层材料特性，可使外胶层磨耗量（阿克隆）不大于0.4cm3/1.61km。

（2）闸底板设计

该工程推移质卵石含量较大，坝袋下游面在塌坝泄洪时，坝袋会产生脉动，塌落线部位坝袋与底板间的接触磨损是泄洪时坝袋脉动拍打底板造成的，由于水流流态复杂，经常会有卵石、砂砾等卷入坝袋与底板之间造成磨损加剧，有些带有锋利棱角的块石甚至直接磨破坝袋。

在底板设计时，根据现状地形情况，适当抬高坝底板顶高程，尽可能地阻碍推移质从坝袋上部通过，同时坝底板抬高后过坝流速加大，可减小推移质在坝袋顶部的磨损时间。

坝底板表面采用磨光处理，并在坝袋下游塌落线范围外采用1∶4斜坡直接与消力池底板相衔接，增加坝底板的光滑度，保证砂卵石不积聚在底板上，从而减缓坝袋磨损。

橡胶坝底板采用C25钢筋混凝土平底板，底板表层设0.4m厚的C40耐磨混凝土，提高坝底板表面强度，从而避免坝底板磨损造成坝袋损坏。

（3）堵头部位设计

堵头式橡胶坝两端是通过挤压两侧墩墙进行止水，两端与墩墙的接触面范围大，坝袋在塌落泄洪时会与两侧墩墙面不停摩擦，如果墩墙不够平整光滑，容易引起磨损；另外半坝运行时此部位容易产生褶皱，会导致应力集中，将坝袋撕裂。

为减轻橡胶坝袋两端与墩墙结合部位出现塌肩现象，引起局部溢流，影响橡胶坝的正常运行，设计将靠近两岸端（中墩）按1∶10抬高0.3m，并将坝袋嵌入墩墙内，采用1∶2水泥砂浆抹平压光堵头与墩墙之间的缝隙，坝袋安装后，端墙采用M10砂浆砌砖填充，表面采用M20砂浆抹面。

为减轻橡胶坝堵头在隔墩处磨损，在隔墩与坝袋结合面处设复合不锈钢饰面，复合层采用不锈钢12Cr18Ni9Si3，厚 3mm，基材采用Q235B，厚 9mm，宽 6.0m，高 1.2m。施工时要求先安装龙骨，固定牢靠后，再焊接不锈钢板，并要求不锈钢板为整体，保证不锈钢面平整光滑，从而减小隔墩对坝袋的磨损。

（4）上游修建沉砂池

橡胶坝上游修建沉砂池，沉沙池附近由于流速较小，使推移质尽可能沉积，减少过坝推移质，阻碍泥砂向前推进，但拉萨河推移质含量大，极易淤积拦砂池，需定期进行清理。

2.坝袋防老化措施

橡胶坝老化主要表现为坝袋胶布的表层老化，其使用寿命与气候、使用条件、受力状况以及坝袋质量、厚度等因素有关。拉萨地区紫外线强度较大，太阳辐射紫外光具有很高的能量，会引起橡胶坝发生光化学反应，使分子链断裂，加速坝袋老化；另外橡胶坝在水中容易吸水膨胀或发生水解反应，也会加速坝袋老化。

根据以往的经验和研究分析，增加坝袋外层胶厚度和对外层胶防护是延长坝袋使用寿命的关键，主要因为外层胶具有良好的水、气密性外，还能防止帆布老化。

针对该工程特点，设计主要通过增加外层胶厚度和防护措施来解决坝袋老化问题。规范规定外层胶厚度选择应大于2.5mm，从坝袋总体厚度考虑，设计采用外胶层厚度4.0mm。防护措施包括化学防护和物理防护。化学防护措施主要有在坝袋胶料中添加抗氧剂、抗臭氧剂、紫外线吸收剂等外加剂；物理防护措施主要采用耐老化、耐腐蚀、抗磨损、抗冻性及耐水性等性能优异的氯丁橡胶胶料。

3.设置调节闸的必要性

传统设计的橡胶坝多采用橡胶坝充坍坝来调节流量，调度不灵活，有时小流量就要塌坝运行，不但浪费水源和增加运行费用，而且影响工程景观效果。

该工程将拉萨河作为宝贵的景观资源加以利用，打造滨河生态旅游带，带动城区向南拓展，有利于拉萨城市总体规划的实施。拉萨河流域降水一般发生在6～9月，刚好又是拉萨旅游旺季，在不影响行洪的情况下，延长橡胶坝运行时间很关键。根据历年行洪流量分析，考虑工程投资和景观要求，布置3孔调节闸，橡胶坝在设置调节闸情况下行洪流量700m3/s以下可不塌坝运行。

调节闸的主要功能是调节流量，调节坝上蓄水位，避免频繁充坍坝，同时兼顾冲砂。在橡胶坝检修期间，渲泄上游来水；在橡胶坝挡水期间，调节闸可以通过控泄的方式，调节坝上蓄水位，或者渲泄较大频率的中小洪水；在行洪期间，调节闸与橡胶坝可同时过流。在河道主槽建调节闸，利用上游来水进行冲砂，滩地修建橡胶坝，可减小橡胶坝坝袋磨损，拉萨河坝址处河道主槽位于右岸，故在右岸设置调节闸进行冲砂。

在橡胶坝右侧设置调节闸，橡胶坝坝顶溢流最大溢流量375m3/s，调节闸控泄流量400m3/s，保证非汛期橡胶坝基本不需塌坝。