耐冲击橡胶坝的研制

周英志，周 毅

（1.山东临朐中学，山东 潍坊 262600；2.山东横滨橡胶工业制品有限公司，山东 潍坊 262610）

橡胶坝又称橡胶拦水坝、橡胶水闸，利用钢网、胶布等骨架材料与弹性体材料一起硫化后，按照一定尺寸锚固在底板、端墙上，形成封闭带体，可以充满或排放水、空气，调节其升高、降低活动的袋式挡水坝[1]。

世界上第一座橡胶坝1957年诞生在美国的洛杉矶河道上，由美国费尔斯通轮胎公司生产。随后英国、前苏联、捷克斯洛伐克、澳大利亚、日本、中国相继开展了橡胶坝的研制推广工作。其中日本的橡胶坝技术发展最快，且技术稳定。目前日本国内拥有橡胶坝3 000多座，中国大约拥有500座。日本的住友、普利司通公司几乎垄断了整个国际橡胶坝市场。

由橡胶坝形成的上下游水的落差主要用于农业灌溉、交通航运、工业发电、阻挡潮水、预防洪水、园林景观等，同时一定量的蓄水能够增加空气的湿度、改善周围环境、增加当地生物多样性等。目前我国已经进入工业化时代，环境治理刻不容缓，橡胶坝的推广具有显著的经济和社会效益。

1 橡胶坝的结构和工作原理

橡胶坝示意见图1。橡胶坝主要由地基、混凝土底面、侧墙、橡胶坝袋和水电控制系统等组成。首先将生产好的橡胶坝袋平铺在预定的混凝土底面上；其次按照要求在上游和下游将橡胶坝袋锚固在底面上；然后开始试验充水或空气达到预定的高度；最后检验橡胶坝溢水、运行情况。

图1 橡胶坝示意

橡胶坝主要是利用充水或空气后形成的一定高度的坝袋阻挡上游的水达到一定的蓄水高度，从而形成上下游水的落差，进而对不同落差的水源合理利用的水利工程设施。

本次研制的耐冲击橡胶坝断面结构示意见图2。其结构从外到内依次包括：外覆盖胶、中间胶、第1层钢丝绳网、中间胶、第2层帆布、中间胶、第3层帆布、中间胶、第4层钢丝绳网、中间胶、内覆盖胶。

图2 橡胶坝断面结构示意

2 结构设计

2.1 基本参数

本次设计的橡胶坝为充水、两端堵头无缝搭接橡胶坝。上游水位海拔9.5 m，下游水位海拔3.5 m，设计坝高H1为6 m，内外水压比α＝H0/H1＝1.35，内压水头H0＝αH1＝1.35×6＝8.1 （m）。坝 袋 径 向 计 算 强 度T＝0.5γ（α-0.5）H12＝0.5×10×（1.35-0.5）×62＝153 （kN·m-1）（γ为水的容重10 kN·m-3）。

将充胀后的坝袋分为四部分：橡胶坝上游曲线段长度S1、橡胶坝下游曲线段长度S、橡胶坝上游贴地段长度n、橡胶坝下游贴地段长度X0。本次设计的橡胶坝采用双锚线锚固，坝袋的有效周长（不含锚固长度）为L0＝S1+S，底垫片的有效长度（不含锚固长度）为I0＝n+X0。

坝袋的曲线长度可以用椭圆积分计算，也可以通过橡胶坝工程技术规范中的图表查出来。因此可得：

L0＝S1+S＝1.692H1+1.741 8H1＝（1.692+1.741 8）×6＝20.6 （m）

对8眼监测井2002—2010年地下水水位埋深每年逐月进行年平均（均值）和单井逐月年平均，如图2所示。8眼监测井地下水水位埋深平均值随月份变化趋势不明显，若要找寻规律的话，大致在5—10月，水位埋深呈下降趋势，11月—翌年4月，水位略有回升，埋深减小。以单眼监测井逐月水位变动趋势看，8眼监测井的多年年内地下水水位埋深变化各有不同，水位达到最低值及回升的时间不相一致，可知地下水水位埋深在年内的变化趋势，因监测井位置的不同而存在较大差异。

I0＝n+X0＝1.195 2H1+0.539 4H1＝（1.195 2+0.539 4）×6＝10.41 （m）

同理，通过查表，计算坝袋单宽容积V＝1.627 5H12＝1.627 5×62＝58.59 （m3/m）。本次设计的坝袋锚固长度为250 mm，上下游两侧的锚固总长度为250×2＝500 mm，因此本坝袋有效周长（含锚固长度）为20.6+0.5＝21.1 （m）。相应底垫片的有效长度（含锚固长度）为10.41+0.5＝10.91 （m）。

2.2 骨架材料

橡胶坝工程技术规范[2]规定坝袋强度安全系数大于6。综合考虑设计偏差、质量不均匀、客观损耗等因素，一般损耗约为15%，因此安全系数取6×1.15＝6.9。计算坝袋经向强度为153 kN·m-1，因此设计坝袋经向强度为153×6.9＝1 055.7 （kN·m-1）。根据以往的设计经验，纬向强度低容易破坝，因此本次选用经纬向同强度的骨架材料，单层强度为300 kN×300 kN。上下两层为钢丝绳网，中间两层为锦纶66帆布。锦纶66帆布具有强力高、耐热性好、尺寸稳定等特点。钢丝绳网材质为82A，结构为1×7-Φ1.5-10，即钢丝绳中心为1股，四周6股交互捻、开放式结构，编织缠绕形成的钢丝绳直径为1.5 mm、两根钢丝绳之间的间距为10 mm，钢丝绳之间用锦纶绳连接编织形成钢丝绳-锦纶网。本次实际设计的安全系数为K＝300×4/153＝7.84＞6。

锦纶66帆布300 kN×300 kN，原布厚度1.95 mm。钢丝绳网的厚度为1.5 mm。设计中间胶的厚度为0.5 mm，外覆盖胶的厚度为4.5 mm，内覆盖胶的厚度为4.0 mm。据此推算坝袋的总厚度为17.9 mm。

本次设计的骨架材料上下两层选用钢丝绳网，中间两层选用帆布，既有帆布的柔软耐屈挠性能，又有钢网的刚性、耐冲击特性，坝袋整体性能好，充满水后设计高度达到6 m。

3 配方设计

3.1 覆盖胶

橡胶坝长期浸泡在水中并暴露在室外各种恶劣的环境中，日积月累不断接受风吹日晒、雨淋、冰雹、霜雪、冰冻、洪水等侵蚀。因此坝袋要求具有耐天候老化、耐水、耐划伤撕裂、耐化学腐蚀等特性。

据此，本次设计的橡胶坝里外覆盖胶配方为：CSM/NR/BR 70/20/10，白炭黑 10，硬脂酸1，氧化镁 3，氧化锌 1，防老剂 2.5，多元醇4，着色剂 6，白色填充剂 40，石油树脂 6，软化剂 8，硫黄 1，促进剂 1.2，其他 0.15。胶料的物理性能（148 ℃×30 min）为：邵尔A型硬度62度，拉伸强度 18 MPa，拉断伸长率 495%，撕裂强度 20 kN·m-1，热空气老化性能（100℃×96 h）为：拉伸强度 16 MPa，拉断伸长率460%，臭氧老化性能[臭氧体积分数 1×10-5，温度 （40±2） ℃，拉伸率 20%，时间 120 min]：不龟裂。

3.2 中间胶

中间胶的主要作用是增加骨架材料之间、骨架材料与覆盖胶之间的粘合力，缓冲来自外部的对骨架材料之间的冲击力，提高坝袋的耐屈挠性能要求具有良好的粘合力、耐水性、耐化学品、耐热性等性能。本次研制的坝袋骨架材料除了中间的2层锦纶66帆布外，还有上下2层钢丝绳网。这种设计不仅要求中间胶与锦纶66帆布有良好的粘合，而且要求中间胶与钢丝绳网也有良好的粘合。

氯丁橡胶（CR）物理性能优良，具有耐臭氧、耐酸碱、耐油、耐热、耐化学试剂、耐燃、耐日光等特点[5]。本次选用CR作为中间胶主体橡胶，粘合体系选择钴盐粘合增进剂。

中间胶配方为：CR/NR 90/10，炭黑 45，白炭黑 10，硬脂酸 1，氧化镁 3，氧化锌 4，石蜡 1，钴盐 4，软化剂 15，防老剂 2.5，硫黄 1.5，促进剂 0.3。胶料的物理性能（148℃×30 min）为：邵尔A型硬度 60度，拉伸强度13 MPa，拉断伸长率 455%，撕裂强度 17 kN·m-1，热空气老化性能为（100 ℃×96 h）：拉伸强度 12 MPa，拉断伸长率 400%。臭氧老化性能[臭氧体积分数 1×10-5，温度 （40±2） ℃，拉伸率 20%，时间 120 min]：不龟裂。

4 生产工艺和产品性能

本次设计的坝袋共3节，每节长80 m。采用无缝搭接、分段连续硫化。首先，压延时按照压延机的最大宽度对锦纶66帆布、钢丝绳网进行压延贴胶；其次，在成型时各层骨架材料依次错开对接；然后，将覆盖胶片按照要求与骨架层错开对接。最后，在大型热压合硫化机上依次硫化成型。采用这种工艺生产的坝袋成品，整体性能均匀、平稳，避免了局部应力集中引起的过早损坏。硫化时，坝袋的有效周长作为宽度方向、每节长度作为长度方向进行分段连续硫化。每节的头部、尾部预留出堵头部分的生坯，以便于堵头的硫化。

关于堵头的硫化，根据结构设计，查找橡胶坝工程技术规范椭圆曲线坐标表，已知设计坝袋的高度6 m，计算出坝袋的坐标，绘制出坝袋的曲线图。按照坝袋的曲线图，拼装坝袋堵头硫化模具。用坝袋堵头模具硫化出来的成品外观光滑、平整，骨架层过渡弧形均匀，不会产生应力集中。

本次设计坝袋在下游曲线增设了扰流板。溢过坝袋的水流经过扰流板时形成一股向上的气流，干扰不经过扰流板的水流顺着坝袋流下对坝袋底部的冲击力。这样不仅减小了坝袋的振动和颤动，避免坝袋过早磨损，而且水流经过扰流板形成了美丽的瀑布景观。扰流板设计成T型，高度为45 mm，厚度为30 mm。

为了延长坝袋的使用寿命，在坝袋内外表面增加了相同颜色的CSM防护涂层。经过清洗、打磨、清洗、涂刷第1遍涂层、晾干、涂刷第2遍涂层、晾干、涂刷第3遍涂层、晾干，然后充水试验，验收合格后投入使用。

5 结语

现场实际装机应用表明，新研制的耐冲击橡胶坝既有锦纶帆布的柔软耐屈挠特性，又有钢丝绳网的刚性抗冲击性；覆盖胶耐天候老化性能优良；扰流板设计减小了坝袋振动、颤动，形成了小型瀑布景观；增加的里外层防护涂层延长了坝袋的使用寿命。设计坝高6 m，使用寿命30年。产品的整体性能达到了客户的使用要求。