探讨多跨大型橡胶坝设计中应注意的几个问题

2020-01-07李娜

陕西水利 2020年5期

李娜

（山东省临沂市水利勘测设计院，山东临沂 276000）

橡胶坝由于其外层采用橡胶作为防护涂层，所以从外表上看很像个大橡胶。它是一个使用水或气体调节大小的橡胶坝，将它固定在水底的底板上，在充满气体或液体的时候就会膨胀成为一个封闭的坝体，通过调节水袋中的液、气体体量来控制水坝的高度，能够有效的调节上游水位，对于周边的农业灌溉、水力发电、航船运输、防洪排涝、抵汐挡潮有着重要的调节作用，本文结合月亮岛橡胶坝进行分析，针对其特点探索橡胶坝的设计需注意的问题。

1 橡胶坝特点和发展

1.1 橡胶坝的分类及特点

橡胶坝主要可以分为五大类外形，即枕式橡胶坝、斜度橡胶坝、弧形橡胶坝、脊背式橡胶坝、扰流橡胶坝。橡胶坝通常都是里面充水或者充气。枕式橡胶坝和斜度橡胶坝在外形相类似，在坡度上有所区别，主要用于大跨度的水工建筑中，可用于调节水库泄洪、水渠卸闸，有利于调节蓄水和水位调节，也可以用作沿海的抵汐挡潮，由于材质的原因不受到海洋生物和海水的侵蚀，相对于传统海防设施有着更可靠的优点。脊背式橡胶坝顾名思义其截断面类似于书本，整个坝体外观平整光滑，在出厂时一次压膜成型，更具有整体性，对于较少震动缓解水流撞击更有优势，由于脊背式橡胶坝外形美观一次成型，在撤气或撤水的时候会完全扁平，减少了坝体的低流干扰[1]。例如云南省西部边缘地区的瑞丽江流域建立的月亮岛橡胶坝，就是位于姐告河段下游800 m处，设计理念就是充分利用瑞丽江水资源，完善生态文明建设，优化水资源配置，改善周边人居环境，提升城市形象。

1.2 橡胶坝的发展

我国目前的橡胶坝数量已建成的已有很多，按照我国的水利工程的实际情况以及多年的建设经验，已经形成了具有中国特色的橡胶坝体系，但是通常都是以中、小型为主。大型多跨橡胶坝其实在实际应用中有很多地方可以使用，也是未来水利工程的重要发展趋势，随着科技的发展与技术的不断完善，大型多跨橡胶坝的需求量也在不断增加。由于跨度大、跨数多、水容量大等特点，其工程布置形态、水泵安置位置、充气和充水系统、上下游防护措施等方面需要进行更加严格的规划考量，这也是我国目前大型多跨式橡胶坝设计的重点与难点[2]。

2 多跨大型橡胶坝设计中应注意的若干问题

2.1 高低坝布置形式或深浅槽布置形式

橡胶坝的地底基础有多种形式，我国采用的平底板型居多，但是这种基础底板不太适合于宽流域的水道以及山坳中的河道，宽流域的水道水流大但是流速低，而山坳中的河道则可能带有大量的泥沙，在平底板基础高低一致，就会导致水流变道或改变形态，尤其是泥沙会促成坝上和水库产生沉落淤积，长期以往对橡胶坝有着非常不利的影响。大型多跨橡胶坝由于跨度大、跨数多很容易造成严重的落淤现象，一旦达到一定的程度就会致使橡胶坝损坏甚至报废，涉及到的经济成本非常高[3]。例如月亮岛橡胶坝的冲沙闸工作闸门位于闸室偏于上游部位，闸门为8.0 m（宽）×6.0 m（高）平面钢闸门，闸门单重11.7 t，共计3扇，根据以往的实践，有的山坳河道中可以保留原有的深基槽，并采用深浅基槽的布置方式，小洪水可以从深河道中串流，在不改变水流形态的基础上减少橡胶坝的塌落次数，以此延长其使用寿命。

2.2 排水系统的布置

很多河道水流湍急、水量大，在其周边布置泵站是设计环节必须要重视的问题，一旦排水系统设置不够精确或者不合理，直接关系到日后的运行情况。大型多跨式橡胶水坝一般设置在河道较宽、坝体沿线长的地段，所以必须要满足使用设计功能，但是上游可能突发洪水，就要有足够的泄洪能力，同时坝体泄气后也不能阻止水流，所以涉及相关的运行管理及经济投资等问题。例如月亮岛橡胶坝可控制流域面积7762 km2，设计洪水为50年一遇洪峰流量2730 m3/s，20年一遇洪峰流量2580 m3/s，在设计环节，上游如果泄洪橡胶坝必须能够快速的塌坝，这就首先要计算泵站的运行能力，保证符合排水规模，但是充坝的时间很少有约束。所以在泵站布置的时候要尽量使用大泵排水、小泵充气，水下要预埋潜水泵作为不时之需的备用泵。用大泵站排水主要是为了泄洪时争夺时间，由于充水、充气一般不受时间限制，所以采用小泵来充水可以避免经济上的浪费，还能利用小泵站排除残留余水。采用大、小泵站相结合的方式具有更高的性价比。潜水泵由于不受到水位的影响，即便是水位较低也能从底部将水抽取上来，同时也能为排水作出贡献[4]。

2.3 充水井的结构

大型多跨式橡胶水坝充水量非常大，但是如果充水井无法满足坝体的用水量，那么泵站也就不能全功率的运行，不仅浪费了水泵的输出功率，还可能造成干烧现象。不仅会增加用电量，还可能威胁到泵站电机的使用效果，而且长时间不能泵满，增加了充水难度，越到后期泵水愈加困难。例如月亮岛橡胶坝基中等透水带厚15.0 m。经计算两座橡胶坝坝基及堤基渗漏总量分别为477.27万m3/a、277.91万m3/a，渗漏对橡胶坝正常蓄水的影响较小。要解决大型多跨橡胶坝的冲水问题要从两个方面入手，首先是利用天然河道中的水源补给，其次是利用充水井的从地下水中进行水量补充。很多大型多跨式橡胶坝的单个坝袋充水量就需要数千立方米，在水源充足的情况下充满一次就需要十几个小时，因此采用将充水井优化的策略，即在地下水不够充足的情况下使用地下水，增大充水井的进水面积，快速提升充水效率[5]。采用渗透井也是增加充水效果的方式之一，渗透井主要是在坝前打通一个管道，管道直接延伸至河道，但是由于河道中泥沙很多，在设计阶段就要考虑如何防止泥沙堵住管道的问题。也有在橡胶坝外围处建立水箱的特例，在需要充水的时候可以快速将水箱的水导入坝体当中。改善充水井结构也是快速充水的重要解决办法之一，例如增大钢筋混凝土的井口直径，又或者充水井的砌筑结构变更为下部干砌石结构、上部混凝土结构，使得井壁也能透水，增大了透水量也就等于增加的充水水量。

2.4 锚固形式

大型多跨式橡胶水坝跨越长度大、坝体垂直度较高，拦截水量更是惊人。整个坝体都承受了水的压力，这就不仅需要坝体本身有足够的强度，还要求坝体与底部的锚固有足够的刚度和稳定性。橡胶坝的锚固形式主要有螺栓固定形式、楔形块固定形式、胶囊固定形式。这几种锚固形式各有优缺点，首先楔形块固定形式就是利用摩擦力将楔形块钉入到固定点中，具有施工便捷、经济适用的特点，但是由于受力不均衡，所以不能承担过大的坝体，建议仅适用于3.5 m以下的橡胶坝上。其次是胶囊固定形式，这种方式属于传统的锚固形式，具有一定的安装隐患，在新型的水坝中极少用到，仅作为了解。然后是螺栓固定形式，螺栓采用特制的金属材料并在加工出厂前进行了防腐蚀、防锈蚀的工艺处理，在实际使用中具有安装方便、施工简单、施工时间短、维修便捷等多种优点，是目前使用最为广泛的一种锚固形式，也是大型多跨式橡胶水坝的安全性最高的锚固方式。对橡胶坝、冲沙闸、存在液化可能的砂基部分采用振冲碎石桩进行加固处理，如月亮岛橡胶坝采用桩长4 m～5 m；振冲碎石桩桩径采用1.0 m，振冲器功率采用75 kW，桩间距2.5 m，正方形布置。振冲碎石桩处理完成后，将顶部不密实部分清除，在桩顶上铺填0.5 m厚水泥土褥垫过渡层，至建基面，对于一些有特殊要求的橡胶水坝可以采用多点组合的形式进行锚固。

2.5 自动补水装置系统

中型及以上多跨式橡胶水坝在运营期间经常会发生自行塌坝现象，造成这种情况主要是因为坝体锚固位置松动、基础底板涨缩、阀门关闭不严、导管老化等多种因素促成的。当大型多跨橡胶水坝自行塌坝现象出现的时候，大多是以充水方式继续补水的，但是这样的补水方式需要消耗大量的人力、物力、电力，是一种资源浪费，而且随着时间的推移塌坝现象还会继续，也就是说需要一直不断的持续补水。自行塌坝现象出现，不能等到完全塌到标准水位再补水，这就在之前的补水就需要泵站开始运行，而一旦运行就可能会产生水锤现象。水锤是一种危害巨大的供水现象，很可能造成管道、阀门、坝袋的损坏。停止补水时泵站也会有反向水锤，所以说塌坝补水的危害很大，在设计中就要充分考虑。设计自动补水装置系统是目前看来较为理想的措施，当塌坝现象发生时系统会自动进行补水，减少了人力监控的失误，也能有效防止水锤效应的危害，使得橡胶坝平稳运行。