软水性织物坝在国内外的应用现状及发展概况

张淏韦

摘 要：软水性织物坝是一种随着高分子合成纤维和橡胶工业的发展而出现的新型低水头建筑物。它用高强力合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶为保护层，制成织物布壩袋，并按要求的尺寸锚固于底板上成封闭状，通过冲排管路用水（气）将其充胀形成的袋式挡水坝，坝顶可以溢流，并可根据需要升高或降低坝高，已达到控制水位的目的，已被广泛应用于防洪、灌溉、发电、供水、航运、挡潮等工程中。

文章总体介绍了软水性织物坝的应用现状及发展概况，通过列举世界范围内工程的案例，详细描述了其基本工作原理、分类依据、水力结构计算等，以及在织物坝与拦河闸工程方案对比中，论证了软水性织物坝在水利工程中应用的可行性及优势。

关键词：软水性织物坝;拦河闸;锚固;应用现状;发展概况

引 言

软水性织物坝是自20世纪60年代以来，随着高分子合成材料工业的发展应运而生的一种新型水利工程。坝袋用的胶布是由高强力合成纤维织物等做受力骨架，内外涂敷合成橡胶作粘结保护层加工制成的，它代替了自古以来建设坝体的土，石，木，钢等材料，属于水利工程中的一项技术创新。根据坝袋所采用材料的性质和本身特性，软水性织物坝在国外称可充塌坝，可伸缩坝，织物坝，尼龙坝等，在我国习惯上称软水性织物坝，橡胶坝。

自1957年世界上首座软水性织物坝在美国诞生至今约半个世纪以來，在国内外得到了更广泛的应用和发展。

我国自20世纪60年代开始组织跨行业技术攻关，1966年建成第一座软水性织物坝。经过几十年的工程实践，我国软水性织物坝在规划设计，坝袋制造，施工安装及运行管理等方面积累了许多宝贵经验，逐步形成了自己独有的特色，并达到世界先进水平。

文章的结构主要分为七个部分，第一二部分，描述了国内外软水性织物坝发展概况，第三部分概括了软水性织物坝在世界范围内的布局，第四部分阐述了软水性织物坝的分类依据，第五部分讲解了软水性织物坝建设的基本条件，第六部分进行了软水性织物坝计算方法研究，第七部分通过织物坝与拦河闸建设方案对比，展示了软水性织物坝工程的优缺点。

一、国外软水性织物坝概况

1.软水性织物坝是20世纪60年代，随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种新型的水工工程。世界上首座软水性织物坝诞生于美国洛杉矶河道上，它的设计师是当时担任美国加利福尼亚州水利电力局的工程师——努曼·伊姆伯逊（Norman Imberson），他设计并制造了可重复使用的弹性橡胶材料，并于1957年在美国洛杉矶河上投入使用（见图1）。坝高为1.52 m，长为6.1m，胶布厚为3 mm，胶布强度为90 kN / m，坝袋由火石轮胎橡胶公司生产，并在坝内安装了水泵，坝体升高到设计高度仅需要25分钟，并且坝高可以自动调节，这一举措使得洛杉矶河上游水位升高了40m，极大的缓解了该地区水资源供应短缺的矛盾。

2.日本是一个地震频发的国家，由于软水性织物坝对振动和地面沉降的敏感性较低，因此软水性织物坝在日本广泛建造。目前世界各国兴建软水性织物坝的总数量约为3000座，但日本一国，据称已达2000多座。例如在日本黑谷河上的福岛充气软水性织物坝（见图2），坝高6.00m，坝长34.5m，单跨。1968年，日本住友工业制造商改良了软水性织物坝技术，外壳材料使用更稳定的乙烯-丙烯-二烯单体（EPDM），极大的缓解了水流过坝带来的振动。1978年日本在国际市场上正式推出了第一批充气式软水性织物坝，其中一座充气式织物坝安装在中国香港（坝长32m，高2.70m），目前运行良好。1983年，日本制定了《软水性织物坝规划技术指南》，并在坝袋减振等方面进行了许多创新，例如导流板，挑流鳃，双层钢丝网坝袋，以增加弹性，减轻坝袋振动，从而减少对坝袋造成的损坏。

3.1967年，前苏联在克基尔亚（Китерна）河上建成第一座软水性织物坝，坝高2m，坝长15m。灌溉期运行，冬季拆除。1970年在罗斯托夫州白河上建成一座坝高2m，坝长24m，且具有特色的软水性织物坝（见图1—3）。其上游铺盖和下游海漫也采用胶布作防渗防冲材料，并在下游消力池附近修建了一座尺寸较小的软水性织物坝联合运用。前苏联还对用橡胶织物材料做渠道和渡槽进行了研究，并总结编写了《水工建设中的软水性坝体结构》一书。书中系统介绍了各国软水性织物坝技术发展概况，设计原理和坝袋制造工艺等方面的经验，并研究提出了90种坝袋的结构型式，可供借鉴。

在水利工程发展与融合过程中，美国，日本，俄罗斯等国家不断地对软水性织物坝进行试验研究，正式由于各国的高度重视，使得软水性织物坝技术在世界范围内广泛传播。

二、我国软水性织物坝概况

自20世纪60年代以来，软水性织物坝在我国推广应用的曲折经历，是一个不断解决工程中一系列技术和质量问题的逐步发展过程，我国软水性织物坝的发展进程，按年代大体可分为4个阶段：第一阶段（1965-1970年），研究试验阶段。第二阶段（1970-1979年），总结完善阶段。第三阶段（1979-1992年），稳步发展阶段。第四阶段（1992年至今），快速发展阶段。

1. 1966年，中国建立第一座软水性织物坝，名为北京织物坝（见图4），位于北京南护城河上，是城市工业用水和分洪的节制闸，设计坝高为3.4 m，坝顶长为37 m，坝底长为24 m，河道边坡为1：2，锚固型式为螺栓锚固，充水水源分两种，一是取河水，二是取井水，采用水泵充排坝袋。原坝袋运用21年后，于1987年更换坝袋，同时将原来的单错固改为双锚固。

2. 1997年，小埠东软水性织物坝枢纽工程在临沂沂河上建成（见图5），沂河河道总长333km，河道宽度约1200m，控制流域面积11820平方公里，上游山洪河道，山高坡陡，比降大，洪水峰高量大，水土流失严重，下游水流平缓，泥沙淤积河床。小埠东软水性织物坝现为世界上最大的软水性织物坝，坝顶高程65.5米，坝底高程62.0米，设计坝高3.5米，正常蓄水位65.2米，设计洪水位65.5米，软水性织物坝采用16节，单节净长70.0米，总净宽1120米，每两节坝袋之间设置钢筋混凝土隔离墩，墩厚1.0米，底宽9米;底板浇筑采用C10钢筋混凝土，顺水流方向长13米，厚0.5米;上游连接段采用C10钢筋混凝土，顺水流方向长12米，厚0.4米;下游连接段由一级消力池，平台段，斜坡段，二级消力池及防冲槽组成。一级消力池斜坡段长6.4米，坡度1：4，水平长9米，池深1.1米，池底高程60.3米，二级消力池长16米，池底高程56.5米，后接防冲槽，软水性织物坝设计内压比为1.3，坝袋采用三布四胶。小埠东软水性织物坝枢纽工程最大库容量约2830万平方米。永久性建筑物设计洪水标准为50年一遇。设计流量16000立方米每秒;100年一遇校核，校核流量19000立方米每秒。

国家的高度重视不仅为我国的软水性织物坝事业提供了物质基础，更为软水性织物坝工程的快速发展奠定了制度保障。目前在我国各种河流上大约有3，000座软水性织物坝，并以每年平均建设100座的速度擴展，中国建设软水性织物坝的质量与速度均已达到世界领先行列。

三、软水性织物坝在世界范围内的布局

1.迄今为止，自在洛杉矶河建造第一座软水性织物坝以来，全世界已建造了超过3000座软水性织物坝（见图6）。其中大部分坐落在亚洲，89.4%的软水性织物坝使用空气，10.4%的软水性织物坝使用水，空气和水混合的软水性织物坝占比0.2%。

图 6.1956 至 2002 年，世界范围内软水性织物坝的布局图

2.英国迪尔霍夫（Dyrhoff）在1970年创建了软水性织物坝分布图，如图7所示。

四、软水性织物坝的分类概况

软水性织物坝的特征是通过坝袋和安装结构传递水平荷载，并且具有混凝土底板的宽度大，坝体结构坚固，弹性柔韧性好等特点，并且对水流振动不敏感。软水性织物坝和钢制闸门之间的区别在于，软水性织物坝袋具有弹性，因此会随时间长短导致变形和弯曲。关于坝体几何形状，填充介质，锚固型式，以及应用领域，软水性织物坝的分类如下：

1.几何形状：膜式和组合式是软水性织物坝最常见的几何形状，通常可以分为垂直，倾斜和椭圆形。在现有的软水性织物坝系统中，边界的结构条件通常决定了坝体几何形状。其结构型式如图8，9所示。

2.填充介质：软水性织物坝是软水性水工建筑物，其中软水性织物坝袋与混凝土底板相连接，从而形成密闭的坝袋。可以通过调节内部压力将坝袋填充并调节到一定高度。通常水或空气被用作填充介质，但还有一些软水性织物坝使用水和空气的混合填充。不同的填充介质决定了坝体的不同特性。例如，充水式软水性织物坝坝体更稳定，充气式软水性织物坝可以快速升高或降低高度以调节水位，水与气混合式软水性织物坝即稳定又可以快速调节水位，但密封性较差。其结构型式如图10，11，12所示。

А —水，В — 气，1 —坝袋，2 —锚固，3 —抓锁。

3.锚固型式：锚固的布置可分为单锚固和双锚固两种。单锚固是将坝袋胶布安装锚固在基础底板上，只有底板上游一条锚固线，通常仅用于充气式织物坝;双锚固是两条锚固线将坝袋胶布分别锚固于四周，通常用于充水式织物坝。单锚固的优点是：锚固件少，安装简便，密封和防漏性能好。缺点是：坝袋可移动范围大，不利于坝袋防震。双锚固的优点是：成本低，坝袋可移动范围小，有利于坝袋防振。缺点是：锚固件多，工程量大，密封性差。其结构型式如图13，14所示。

4.应用领域：软水性织物坝作为永久性水工建筑物最常应用于生产电能，供水，防洪，灌溉等方面，用于河道上作为低水头，大跨度的滚水坝或溢流堰;也可以用于渠系上作为进水闸，分水闸，节制闸，能够方便地蓄水和调节水位和流量。还可以作为临时水工建筑物存在于河流上，用于沿海岸作防浪堤或挡潮闸。随着软水性织物坝在世界范围内广泛建设，同时带动了软水性织物坝的附属产品橡胶织物材料的快速发展，为适应在不同条件下应用橡胶织物材料，各国进行了大量的试验研究，如坝袋胶布的胶料配方研究，帆布试制，坝袋抗波浪技术研究等等，所有这些试验研究为在不同条件下应用橡胶织物材料提供了可靠的保证，目前橡胶织物材料已经满足了：抗拉伸;弹性强度高;耐高温;抵抗沉积物颗粒侵蚀;适应各种气候等条件的发展要求。下图15，16，为橡胶织物材料应用实例。

五、软水性织物坝建设的基本条件

（一）工程建设的必要性

在20世纪中期，在水工建筑物中最常见的是土石坝，混凝土重力坝，钢闸门等传统形式的闸坝，它们的使用寿命长达70年，但平均15至20年需要维护保养。随着水利事业的不断发展，人们不仅在节省投资，操作和维护费用研究外，开始更多的考虑水利枢纽与环境相适应。因此软水性织物坝不论在发达国家，还是在发展中国家都具有很强的实用价值和广泛的适用性，与传统形式的闸坝相比软水性织物坝结构简单，利用自然，又不破坏自然，这一特点也利于生态环境的保护。目前，在世范围内软水性织物坝以每年近3000座的速度增长，不仅仅是软水性织物坝比传统形式的闸坝在经济更为节省，我觉得更是以下几点：

1.工程投资省，效益高，对地形具有较高的适应性和应用范围广泛。并且结构简单，工作灵活，可用于地质条件困难，径流量大的河流。以及它自重轻，不阻水，并且耐地震和冲击，不会对水体，环境造成破坏。

2.符合城市总体规划的要求。随着工业化进程不断加快，城区地下水超采严重，易在市区形成漏斗区，大都呈椭圆形分布，通过建设软水性织物坝工程对城区段地下水快速回灌补源，避免地面沉降带来的次生灾害，并增加了地表水的利用量，有效缓解了城水资源供需矛盾。

3.施工期短，可做到当年施工当年受益，当特大洪水来临时，可以迅速进行塌坝泄洪，安全度汛保障坝体安全。

（二）工程布置原则

随着科技水平的提高，软水性织物坝技术将日臻完善，其独特的优点被越来越多的人所认识。根据世界软水性织物坝的发展以及在中国应用30多年的具体实践表明，闸坝址选择应根据其特点和功能，考虑地形、地质、水流、泥沙、施工、管理等因素，经技术经济比较后确定，因此我认为软水性织物坝坝址选择所遵循的原则如下：

1.闸轴线应与河道中心线垂直，满河道布置，少壅水;挡水高度不淹没滩地。

2.软水性织物坝工程长度根据主河槽宽度确定，避免减少河槽行洪断面;坝高根据蓄水位确定，蓄水位一般低于两岸滩地不小于0.5m，不影响两岸排涝;根据当前坝袋生产技术和规范要求，坝袋高度要小于5.0m;坝底板高程一般高于河床高程0.2～0.4m;软水性织物坝孔数根据河道宽度确定。

3.坝址处河道顺直，地面坡降比低，河床、河势稳定，水流平稳，地质地形条件良好。

4.软水性织物坝适用于温带季风区、半湿润气候，光照充足，气候温和，雨量集中等地区。

5.坝址距离交叉河口较远处，与桥梁的距离不宜太近，间距大于100m。

6.枢纽布置应使工程投资最省，效益高，不影响其他建筑物安全。

六、软水性织物坝计算方法研究

（一）在正常运行状况下的结构分析

1.软水性织物坝坝袋是由气密性聚合物涂层或合成增强膜的软性材料构成，通过快速吸收释放拉应力来维持自身良好的弹性。由软性材料制成的水工建筑物的形状和设计可分为以下主要类型：

（1）.填充式——具有罐状封闭式圆柱外壳，工作原理为，由气体（空气）或液体（水）的坝袋和混凝土底板复合挤压产生压力。

（2）.几何式——具有垂直，倾斜和椭圆形外壳。工作原理为，由钢板、软水性织物坝袋和混凝土底板，三者共同相互作用，进行阻水。

2.软性结构与硬性结构不同，硬性结构在大多数情况下可以分开计算外力和内力，而在水利工程软性结构中，坝袋的形状和尺寸与外力的大小有关。因此在计算软性水工结构中，首先切割几何形状，通常划分为圆与椭圆，再分别计算壳体中产生的内力与载荷类型。但由于在大多数情况下，软性结构的长度较大，它的长度是其高度的几倍，因此我们可以假定它们是在正常运用时期状态下工作，根据其结构稳定性和在安全度汛的条件来计算坝袋轮廓长度和厚度。

3.软性水力结构的计算是根据谢尔盖夫教授（Б.И.Сергеевым）和伏洛素教授（В.А. Волосухиным）提出的方法进行研究的。

对于静水压作用下的第i个截面，通常用计算公式为a≥0和a≤0时f（y）的函数计算。