十家子河橡胶坝水力计算及结构设计探析
2021-03-29于思洋
于思洋
(沈阳宇坤工程技术有限公司，辽宁 沈阳 110000)
十家子河为大凌河的I级支流，发源于朝阳县大庙乡北部的大青山脉，流经龙城区的边杖子乡、七道泉子镇和双塔区的孟克乡，由西向东于朝阳城区北部的扣北村汇入大凌河。铁路桥以上流域面积643.4 km2，河道全长42 km，河道平均比降13‰。十家子河3号人工湖工程主要由1座挡水建筑物形成的1片人工湖水域及其景观带组成。挡水建筑物为十家子河3号橡胶坝，坝址位于龙城桥上游75 m。十家子河3号橡胶坝坝长为165 m，橡胶坝分为3跨，每跨长55 m，坝高为2.3 m。橡胶坝底板高程为162.00 m，蓄水水面高程为164.30 m。
1 十家子河橡胶坝现状
橡胶坝在北方地区技术成熟[1]，外形美观，坝高可以调节，运行方便，汛期塌坝，对河道行洪影响较小，泄流量大，造价适中。加之大凌河干流上景观拦河建筑物均为橡胶坝，运行管理协调方便，资源配置合理，采用橡胶坝方案对于总体防洪调度也是比较方便和有利的[3]，因此，在十家子河拦河建筑物采取橡胶坝方案特别合适。
十家子河3号拦河建筑物采用橡胶坝挡水，为充水式橡胶坝，总长为165 m，每跨长55 m，蓄水水面高程为164.5 m。橡胶坝底板高程为162.0 m，厚为1.0 m，顺水流方向长7.0 m。上游铺盖为钢筋混凝土结构，顺水流方向长5.0 m，铺盖顶高程162.0 m，厚0.4 m。下设500 g/m2复合土工膜与原河道土工膜相接。两侧翼墙顶高程为165.95 m。下游消力池为钢筋混凝土结构，消力池顺水流方向长8.0 m，深度0.55 m，消力池底板高程161.45 m，厚0.5 m，两侧翼墙高程为165.95 m。护坦为铅丝石笼结构，顺水流方向长10.0 m，护坦高程162.00 m，厚0.4 m，下设100 mm厚粗砂垫层，粗砂垫层下为400 mm厚砂砾料垫层。护坦下游设置长7.0 m，深1.0 m的防冲槽。橡胶坝管理房设在坝的左岸堤内。
2 橡胶坝水力计算及结构设计
2.1 橡胶坝布置
十家子河3号橡胶坝位于龙城桥上游66 m，回水至龙城桥上游780 m处。拦河坝由橡胶坝及泵房组成，橡胶坝坝轴线控制点坐标见表1。
表1 橡胶坝控制点坐标
2.1.1 坝长的确定
根据橡胶坝坝址所在位置的河槽宽度、检修需要，同时满足坍坝时河道设计行洪要求，确定橡胶坝坝长、泄洪净宽、跨数，以及中墩厚度。
2.1.2 坝顶高程的确定
依据城市整体规划，在河道上修建橡胶坝以形成一片人工水域，满足开发旅游、美化环境、改善自然景观的要求[4]。同时考虑橡胶坝需形成连续水面的要求，结合地面高程，确定橡胶坝坝顶高程。
2.1.3 橡胶坝底板高程的确定
本工程属于北方多泥沙河流，为最大限度地满足泄洪断面的要求，使洪水畅行无阻，采用橡胶坝底板高程与河道底坡齐平。
2.2 泄流能力计算
2.2.1 橡胶坝溢流能力计算
为防止橡胶坝袋在共振区运行，根据规范坝上溢流水深控制在0.3 m，依据《橡胶坝技术规范》在不同坝高时的泄流量按下列公式计算：
(1)
式中：Q为过坝流量，m3/s；δ为淹没系数，δ=1；ε为侧收缩系数，ε=1.0；B为泄流坝宽，取B=165 m；h0为计入行近流速的堰顶水头；m为流量系数。
(2)
式中： H0为坝袋内压水头(m)；H为运行时坝袋充胀的实际坝高(m)；h1为坝上游水深(m)；h2为坝下游水深(m)；橡胶坝溢流能力计算结果见表2和表3。
表2 十家子3号橡胶坝溢流水位与流量关系
2.2.2 橡胶坝泄流能力计算
当坝上水深超过0.3 m时，橡胶坝坍坝开始泄洪，视作宽顶堰，泄流量按下列公式计算：
公式同上，m取0.35，计算结果见表3。满足河道泄洪要求。
表3 橡胶坝坝址水位与泄量
2.3 消能防冲设计
2.3.1 消能型式及控制工况选定
当河道流量较大时，橡胶坝处于坍坝状态，建在河道上的橡胶坝，一般采用底流消能，随着橡胶坝坍坝，若按上游水位初期不变，流量随橡胶坝落而增大，下游水深也逐渐升高，按(hc"-ht)为最大值的工况进行下游消能防冲计算。
2.3.2 橡胶坝消力池计算
经计算，橡胶坝坝袋两孔坍坝时，(hc"-ht)为最大值。计算成果见表4。
表4 橡胶坝消力池计算成果表
2.3.3 消力池底板厚度计算
消力池底板厚度根据抗冲和抗浮计算，采用《水闸设计规范》中公式，计算结果见表5。
表5 橡胶坝消力池底板厚度表
(3)
(4)
式中：q为过坝单宽流量(m3/s)；K1为消力池底板计算系数，K1=0.2；△H′为坝泄水时的上、下游水位差(m)；K2为消力池底板安全系数，K2=1.3；U为作用在消力池底板底面的扬压力(KPa)；W为作用在消力池底板顶面的水重(KPa)；Pm为作用在消力池底板上的脉动压力(KPa)； γb为消力池底板的饱和重度(KN/m3)；
2.3.4 渗流稳定计算
防渗长度计算采用《水闸设计规范》中公式：
L=CΔH
(5)
式中：L为防渗长度(m)；C为允许渗径系数，采用5；△H为上下游水位差(m)。
橡胶坝实际防渗长度见表6。
表6 橡胶坝防渗长度及铺盖长度表
2.3.5 下游护坦设计
下游护坦计算采用《水闸设计规范》中公式：
(6)
式中：Ks为护坦长度计算系数，根据地质情况，Ks取12.0；qs为消力池末端单宽流量(m3/s)。
计算结果见表7。
表7 橡胶坝护坦长度表
2.3.6 下游防冲槽设计
河床冲刷深度计算，采用《水闸设计规范》中公式，计算结果见表8。
表8 橡胶坝防冲槽结构表
(7)
式中：dm为护坦末端河床冲刷深度(m)；qm为护坦末端单宽流量(m3/s)；[v0]为河床土质允许不冲流速(m/s)；hm为护坦末端河床水深(m)。
防冲槽结构计算，采用《水工设计手册》6中公式：
(8)
式中：h为防冲槽砌置深度(m)；t为冲刷坑上游铺砌厚度，t=0.6 m；m1，m2为防冲槽上下游边坡系数， m1=2～3，m2=3；m为冲刷坑上游边坡系数， m=3；K为考虑块石在水流作用下铺砌不均匀的安全系数， K=1.3。
2.4 坝体稳定计算
2.4.1 确定坝底板长度
坝底板长度按《橡胶坝技术规范》确定。经过计算并考虑橡胶坝地基及稳定分析等综合因素，坝底板长度选定见表9。根据计算情况选定橡胶坝底板长度为7.0 m。
表9 橡胶坝底板长度选定表
Ld=L+l1+l2+l3
(9)
式中：Ld为底板顺水流方向的长度，m；L为坝袋底垫片有效长度，m；l1、l2为上、下游安装、检修通道，l3为坝袋坍落贴地长度。
2.4.2 坝体稳定计算
设计条件：上游正常蓄水，下游无水。坝体抗滑稳定计算，计算结果见表10。根据表10中成果，橡胶坝抗滑稳定安全系数均大于允许抗滑稳定安全系数，故满足要求。
表10 橡胶坝稳定计算表
(10)
式中：Kc为计算抗滑稳定安全系数；f为坝基底面与基础之间的摩擦系数，取0.45；∑G为作用在坝底板上的全部竖向荷载之和；∑H为作用在坝底板上的全部水平荷载之和；[Kc]为基础底面允许抗滑稳定安全系数，[Kc]=1.25。
2.4.3 坝基应力计算
坝基底应力由下式确定在：计算结果见表11。通过计算表明，基底压力小于圆砾层地基允许承载力P允=150 KPa，基底压力不均匀系数小于规范允许值。
表11 橡胶坝应力计算表
(11)
式中：T为坝底宽；∑W为垂直力的总和(向下为正，向上为负)；∑M为全部垂直力和水平力对计算截面形心的力矩。
2.5 坝袋设计
2.5.1 坝袋充胀介质方案选择
橡胶坝坝袋充胀介质的选择应综合考虑坝区自然条件，遵循管理运用方便、经济实用的原则。初拟橡胶坝坝型为充水式。其优点如下：
(1)充水式橡胶坝最显著的特点是适用于低水头大跨度的拦河工程；操作灵活，有效坝高易于控制；汛期可快速放空坝袋，不影响河道行洪。
(2)充水式橡胶坝在坝顶溢流时性能比较稳定，过水均匀，对下游冲刷小。
(3)充水式橡胶气密性要求较低，可以降低施工难度，提高运行的可靠性。
(4)充水式橡胶坝具有结构简单、施工方便、造价低、节省三材和抗震性能好的特点。
鉴于充水式橡胶坝的以上特点，推荐采用充水式橡胶坝。
2.5.2 坝袋设计
橡胶坝坝袋为黑色橡胶制作，采用螺栓锚固。
1)坝袋强度计算及坝袋胶布的选用
采用公式如下：
(12)
式中：T为坝袋径向计算强度，KN/m；γ为水的容重，KN/m3；α为内压比，H0/H1；H0为内压水头，m；H1为设计坝高，m。
根据工程的重要性和制造厂家的实际条件，按《橡胶坝技术规范》要求橡胶坝强度设计安全系数K值应大于6以上来选用坝袋胶布的材质，使之满足强度要求。计算结果见表12。
表12 坝袋胶料物理机械性能要求
2)坝袋有效周长
采用双锚固线的坝袋，分为坝袋有效周长和底垫片有效长度两部分。按《橡胶坝技术规范》计算并考虑坝袋和底垫片加工时所需的锚固长度。
3)坝袋结构设计
按《橡胶坝技术规范》坝袋胶布技术设计标准，本工程橡胶坝高2.3 m选用二布三胶，坝袋型号为JBD2.3-300-2，骨架材料型号为J300300-2型锦纶帆布；堵头采用二布三胶，采用J160160-2型锦纶布；坝袋锚固型式选用螺栓锚固型式；底垫片：厚≥3 mm。
表13 坝袋及堵头工程量
4)坝袋充胀容积计算
由《橡胶坝技术规范》查表得单宽坝袋的充水容积，计算结果见表14。
表14 单宽坝袋的充水容积计算表
3 结语
十家子河橡胶坝的建成，可以使龙城桥至铁路桥之间河道内污水横流，垃圾成堆，生态环境恶化得到改善，完善了朝阳新城区的河道景观建设，改善了该地区的居住及投资环境，使得上下游景观水面衔接，并在建设中建设中结合河道清理等内容改善、加强现有河道行洪能力。
