承德市武烈河第二道橡胶坝维修改造分析

2021-03-20杨佳栋

水科学与工程技术 2021年1期

杨佳栋

（承德市武烈河河道与橡胶坝管理中心，河北承德067000）

1 工程概况

武烈河自北向南贯穿整个承德市城区，多年来武烈河橡胶坝群水环境工程形成240万m2的人工湖面，库容达300万m3。第二道橡胶坝建成于1989年，是武烈河梯级蓄水工程的一部分，除防洪排涝外，在改善河道生态环境、避暑山庄湖区补水等方面发挥了重要作用。

第二道橡胶坝工程由河北省水利水电勘测设计研究院设计，为山区多泥沙河道建设橡胶坝设计提供了高贵经验，坝高2.5m，共分两跨，每跨长83m，内压比1.40。坝袋为枕式直墙坝，采用楔块锚固，井泵充坝，自流塌坝。坝底板、铺盖、护坦、消力池及中边墩混凝土均为200#（相当于C18）钢筋混凝土结构。第二道橡胶坝建设完成投入运行以来，为满足山庄补水和城市供水的需求，已连续高水位运行30年。橡胶坝运行过程中经历了多次洪水，以1994年7月13日洪水（1360m3/s）最为严重，造成坝袋撕裂和下游防冲设施冲毁［1］。自2004年更换橡胶坝袋后运行至今已达15年，现状坝袋表面多处受损，坝袋老化严重，机电设备出现不同程度的水蚀、锈蚀，均不能满足橡胶坝安全运行。由于第二道橡胶坝地理位置的重要性，一旦溃坝会带来较为严重的社会影响，造成无法估量的损失，经市政府批准，对第二道橡胶坝进行了维修改造。

2 橡胶坝体改造分析

2.1 橡胶坝袋的选择

坝袋是橡胶坝工程的主体性挡水建筑物，坝袋骨架和橡胶材料的选用，不仅关系着橡胶坝工程的使用寿命，也是橡胶坝工程安全稳定运行的保障。橡胶坝袋按胶布的组成结构不同可分为一布两胶、两布三胶、三布四胶等。2004年第二道橡胶坝更换的橡胶坝坝袋为两布三胶，在外层胶上贴绿色保护胶膜，经过十余年的运行，在坝袋端头与直墙接触部位，出现表层胶膜撕裂，外露胶布有明显磨损痕迹。由于长期受潮湿、氧化作用，在上、下游锚固线上约0.5m范围内出现大面积起泡现象，撕开后内部外层胶完好，有水流出。本次改造为解决山庄湖区补水需求，在原坝体跨度不变的基础上，承德市水利水电勘测设计研究院按改造方案对橡胶坝相关技术参数进行了重新设计计算，橡胶坝坝高由2.5m增至3.0m。坝袋胶布采用两布三胶，内压比选定为1.48。考虑到坝袋颜色与周围景观协调性，不再使用彩色坝袋。

2.2 锚固结构型式的选择

锚固结构的合理布置直接影响橡胶坝坝体的改造，是实现坝体加高的关键，原第二道橡胶坝的锚固结构为靴型槽前后楔块挤压式锚固（图1）。综合考虑楔块运行维护、施工工艺和安全、可靠性等因素。根据GB/T50979—2014《橡胶坝工程技术规范》当坝高超过3.0m时就不宜采用楔块挤压式锚固的要求［2］。本次橡胶坝维修改造采用双锚固螺栓压板式锚固结构（图2）。

图1 第二道橡胶坝楔块式锚固结构

2.3 上下游锚固线的布设

橡胶坝上下游两条锚固线的距离应满足设计条件下计算的坝袋上下游间贴地长度要求。在确定双锚固线的两条锚固中心线的距离时，应以上、下游锚固构件内侧间的距离等于设计条件下计算的坝袋上下游间贴地长度为依据［3］。按照改造方案坝高3m和坝袋内压比为1.48，依据GB/T50979—2014《橡胶坝工程技术规范》求得上游贴地面段长度为3.06m，下游贴地段长度为1.34m［2］。经计算分析坝底板顺水流方向锚固槽内侧净间距为4.1m，上、下游锚固槽宽均为0.3m，能够满足螺栓锚固线布设要求。

图2 利用橡胶坝原锚固槽的锚固结构

2.4 锚固力的计算分析

第二道橡胶坝的锚固结构需要在原锚固槽进行植筋，确定植入螺栓的直径。根据GB/T50979—2014《橡胶坝工程技术规范》计算公式计算螺栓直径，其计算采用式（1）［2］及式（2）。

式中 T为单位长度螺栓计算荷载（N/m），取坝袋径向计算强度值；ρ为水的密度（1000kg/m3）；α为坝袋内外压比；H为设计坝高（m）；g为重力加速度（10m/s2）；Q0为每根螺栓承受的设计荷载（kN）；k1为坝袋径向拉力、栓紧力及扭转力的综合影响系数，取10；n为单位长度内螺栓根数。橡胶坝顺水流方向现状锚固槽处钢筋长度为1.1m，面层钢筋的间距为0.2m。为最大程度避免植筋过程中对锚固槽内已有钢筋损坏，螺栓植入间距设计为0.2m，单位长度内有5根螺栓。第二道橡胶坝坝高H为3.0m，内压比为1.48，坝袋径向计算强度T为44.1kN/m，综合影响系数取10，每根螺栓承受的设计荷载Q0为88.2kN。

工程选用Q345 号锚固螺栓（抗拉强度值为180N/mm2），螺栓直径的计算如式（3）［2］。

GB/T50979—2014《橡胶坝工程技术规范》将考虑坝袋与海绵止水胶及胶板之间的摩擦系数以综合影响系数考虑，而《橡胶坝技术及应用》中考虑坝袋与海绵止水胶及压板之间的摩擦系数，从水平向力平衡和对螺栓中心线取矩的力矩平衡方面考虑计算螺栓直径。本文在采用《规范》中计算方法的同时，按《橡胶坝技术及应用》中推荐方法计算螺栓直径，并对二者计算结果进行对比。

《橡胶坝技术及应用》中每根螺栓的设计拉力的计算公式如式（4）［4］。

式中 p0为螺栓设计拉力（kN/m）；k1为安全系数，取3；f为坝袋与海绵止水胶之间的摩擦系数，取0.7；f1为坝袋与底板之间的摩擦系数，取0.2；T为坝袋径向拉力（kN/m）；θ为上游坝面转角，计算值为88.831°。经计算，每根螺栓的设计拉力为82.309kN。

螺栓根部设计直径的计算公式如式（5）［4］。

式中［σ］为螺栓材料允许抗拉强度（N/cm2），取270 N/cm2。

螺栓的设计拉力计算值T0为82.309kN/m，计算螺栓根部设计直径d为25.383mm。

根据《规范》法和《橡胶坝技术及应用》推荐方法计算结果可知，二者计算结果差异不大；《规范》法计算的每根螺栓承受荷载比《橡胶坝技术及应用》计算的数值偏大，但计算的螺栓直径偏小，这与摩擦系数的取值有关。保守起见，设计取值取两种算法中较大者，即螺栓直径不低于25.383mm。故选用M27螺栓。

考虑到本工程需要在原橡胶坝锚固槽上植入螺栓，受施工等外部影响较大，从经济合理及保证工程安全的角度，工程选用M27螺栓。根据《橡胶坝技术与应用》中螺栓锚固长度表得出，本工程螺栓锚固长度为25d，即675mm。

3 橡胶坝基改造分析

第二橡胶坝维修改造过程中，发现中边墩混凝土表层受侵蚀严重，委托专业检测人员对坝基混凝土主要结构进行了检测。坝底板和中边墩原设计混凝土标号200#（相当于C18），回弹法实测强度为27.7至37.6MPa，大于设计强度。根据现行规范［5］规定，混凝土结构除应满足强度和限裂要求外还要满足耐久性要求。工程实测中边墩混凝土碳化深度最大23mm，最小5mm，平均14mm；实测钢筋保护层厚度最大71mm，最小37mm，平均66.5mm。坝底板由于长期处于底垫片覆盖之下的潮湿环境中，未发生碳化，坝底板不需进行处理；中边墩不会出现由于碳化引起的老化病害，为减少橡胶坝袋磨损需要对混凝土表面进行处理。

4 橡胶坝充排系统改造分析

第二橡胶坝充排水系统采用2根充排螺旋钢管，设充排水泵进行充泄水控制，经多年运用，水泵及闸阀部分已经损坏，且部分闸阀为手动，不利于橡胶坝运行管理，为保证橡胶坝充排水的正常运行，需要对离心泵和蝶阀进行更换。供水井已经运行了10余年，坝袋的充排水系统是由供水井补给，橡胶坝充水量达2000m3。充水水源从库区建设的供水井取水，供水井采用井底进水的方式供水，井壁为钢筋混凝土井壁。近几年由于水体污染和库区淤积，至使管道部分堵塞，造成水流缓慢，直接影响了橡胶坝工程的正常运行，对橡胶坝供水井及管道进行清洗，并在泵房管道进口处加设管道过滤器，确保橡胶坝正常充水。