临沂柳青河岳坞橡胶坝设计分析

2019-08-30欧亚峰

山东水利 2019年8期

欧亚峰

（临沂市水利工程处，山东临沂 276000）

柳青河是临沂北城新区的一条季节性河流，全长34km，流域面积258.7km2，上游为山洪河道，下游为平原河道，干流平均比降为1.62%。河道上原有的岳坞拦河坝始建于1963年，距今已超过50年，渗漏严重，已无维修价值，因此，有关部门决定拆除后新建橡胶坝。坝址河道总宽度为152m，工程等级为Ⅳ等，主要建筑物为4级建筑，设计洪水标准为30年一遇，洪水流量为2800m3/s。

1 工程总体设计

1.1 工程地质

根据地质勘探，岳坞大坝坝址地层以河流冲积相地层为主，并夹带河床相沉积层，具体从上至下可分为四层：①层为杂填土和素土层；②层为黏土层；③层为粉质黏土+粉土层；④层为硬塑黏土层。设计橡胶坝坝基坐落于②层黏土层之上，经测定该黏土层的物理力学参数详见表1。

表1 橡胶坝坝基土料物理力学参数

1.2 工程总体布置

工程主要建设内容包括：橡胶坝工程、泵房、充排水系统三大部分[1]，具体布置如下：

1）橡胶坝工程布置。本项目设计坝袋总长度为165m，按照深浅槽不同共布置为3段，其中深槽坝段布置在中间，长45m，浅槽基本平均布置在两端，长度均为60m。

2）混凝土结构设计。（1）深、浅槽利用以混凝土分隔墩为分界线，设计分隔墩厚0.8m，长、高分别和底板、坝体高度相同；以橡胶坝为分界线，上游河道底部铺设长20m、厚0.3m的混凝土铺盖，下游河道底部铺设长8m、厚0.6m护坦[2]。（2）为降低坝基渗透压力，在护坦上设计排水孔3排，孔径为Φ0.05m，间排距均设计1.5m，呈梅花形布置，且下部设计反滤层。（3）防冲墙设计在护坦末端一字排列，墙底深入基岩不低于0.5m，防冲墙采用混凝土灌注桩形式，直径为0.8m，间距0.7m。（4）上下游边墙均采用重力式混凝土挡土墙形式，顶宽0.5m，底宽1.2m，所有混凝土结构缝隙均采用651型橡胶止水处理，并在缝隙内填充聚乙烯泡沫板[3]。

2 橡胶坝主要参数设计

2.1 坝袋参数设计

1）坝袋材料强度设计。经计算得出岳坞橡胶坝坝袋的设计拉力为89.5kN/m，安全系数取8.0，坝袋所能承受的最大拉力为716kN/m。考虑到用于制作坝袋帆布、橡胶的强度不均匀性及浸水后强度下降等因素，本项目设计在安全系数的基础上再增加20%，所以最终要求坝袋所能承受的最大拉力为860kN/m。选用的坝袋型号为JBD5.0-300-3[4]。

2）坝袋最大伸长率分析。岳坞橡胶坝设计为双锚坝袋，并设置安全溢流管，计算利用薄膜理论，将坝体受力简化为：上游挡水水深等于坝高、下游无水，坝袋环向长度L计算公式如下。

式中：R为坝袋曲率；θ为底板起弧点处与平面的夹角；H0为坝内水头，m。

此外，坝袋伸长率和设计内压比有着直接关系，计算结果见表2。

表2 达到设计坝高时设计内压比和坝袋伸长率关系表

由表2可知：随着设计内压比的增加，坝袋伸长率在逐渐降低，为达到设计坝高，可采取适当降低内压比的途径。本项目所设计的内压比为1.4，坝袋伸长率为9.5，坝高也满足要求。

2.2 坝体高度设计计算

坝体高度是橡胶坝最重要的参数之一，其高度越大，所受水体冲击越大，变形越严重；但若高度不够，则无法有效起到拦河坝作用，因此本项目设计3.0m、4.0m、5.0m三个坝体高度利用ANSYS软件来对溢流稳定性进行模拟计算[5]。

1）3.0m坝高溢流计算。设计高度3.0m，内压比1.4，坝体长度45m，坝袋厚度0.008m，经估算最大溢流水深高为0.3m，对该工况坝体位移进行模拟见图1示。

图13 .0m坝高溢流0.3m时坝体总位移图

经分析得知：坝体最大应力处位于上、下游锚固线位置，其中，下游锚固线位置应力值分布更大，约为上游的1.5～2.0倍，达到23.45MPa，随着溢流高度的不断增加，锚固线处应力也在逐步增大。由图1可知，坝体最大位移处位于坝顶略偏下游部分，锚固线处位移最小。因此需要对锚固螺栓和锚栓附近的坝袋应做加强处理，可以认为此时坝体承载力已经达到了极限状态，安全性和稳定性无法保证，所以3.0m高度不满足本项目要求。

2）4.0m坝高溢流计算。设计高度4.0m，内压比1.4，坝体长度45m，坝袋厚度0.008m，经估算最大溢流水深高为0.1m，对该工况坝体位移进行模拟见图2示。

图24 .0m坝高溢流0.1m时坝体总位移图

坝高4.0m，溢流水深0.1m的工况下，坝体最大应力处和最大位移处与3m坝高时基本一致，但下游锚固线最大应力值为16.2MPa，相对于上一工况下降了30.9%，这就大大降低了锚固线和锚栓附近坝袋的强度要求，可以认为4.0m坝高、溢流0.1m时，坝体承载力的安全性、稳定性完全满足使用要求。

3）5.0m坝高溢流计算。设计高度5.0m，内压比1.4，坝体长度45m，坝袋厚度0.008m，经估算最大溢流水深高为0.1m，对该工况坝体位移进行模拟见图3示。

图35 .0m坝高溢流0.1m时坝体总位移图

坝高5.0m，溢流水深0.1m的工况下，坝体最大应力处和最大位移处上述两种工况基本一致，但下游锚固线最大应力值为19.8MPa，相对于第一个工况下降了15.6%，相对于第二个工况上升了22.2%，处于中间位置。此时坝袋最大变形量超过0.2m，接近极限变形量，且精度已不满足要求。可以认为5.0m坝高、溢流0.1m时，坝体承载力的安全性、稳定性完全不满足使用要求。

综上所述，岳坞橡胶坝坝体高度设计4.0m最为合理，最大溢流高度0.1m，满足设计标准内的防洪要求。