山区河流橡胶坝取水结构探讨

2021-05-14张进文李光浩

工程建设与设计 2021年7期

张进文，李光浩

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430000）

1 引言

橡胶坝是一种造价低廉、工期短、耐久性强、美化环境的新型坝，已被广泛应用于灌溉、发电、防洪、城市美化等工程中。橡胶坝作为拦河坝，可在枯水期充水成坝蓄水，满足河道取水及美化环境的需求，汛期排空坝内水体，坍坝冲沙泄洪，既不影响河道，同时又可有效降低坝前泥沙淤积。

橡胶坝是美国加利福尼亚州洛杉矶水利电力工程局工程师英勃特逊（N.M.Imbertson）于1956 年所发明，并与1959 年建造了世界上第一座氯丁橡胶坝。此后，橡胶坝发展较快，如美国、法国、苏联、日本等都兴建了许多橡胶坝，特别是日本，自1965 年以来约建坝700 余座。世界上最大的橡胶坝在威尼斯，坝高15 m，全长约900 m，宽约30 m，横跨在多航道上。

我国自1965 年开始研制橡胶坝以来，做了大量的研究工作，取得了很好的成果。在坝体和锚固结构上都有所创新。例如，创建了胸墙坝、枕式坝、分段对接坝和分层坝等。锚固结构方面，由穿孔或不穿孔的压块方法改进为混凝土楔块方法和胶囊充水间接锚固方法。

橡胶坝按结构型式分为袋式坝和帆篷式坝2 类。袋式坝按锚固线的数量分为双线锚固坝、单线锚固坝和无锚固坝3 种。按充胀介质分为充水坝、充气坝和气水混合坝。按锚固形式分，除通常惯用坝外，还有胸墙坝、枕式坝、分段对接坝和小型活动坝。按坝袋断面结构型式分，有单袋式、分层坝和组合坝。

橡胶坝一般通过对坝袋进行充水、排水来实现蓄水、泄洪的目的。橡胶坝取水结构能有效地从河道中取水充水至橡胶坝坝袋中，在水利工程中被广泛应用[1]，但在郊野段的山区河流洪水期，泥沙较多，容易淤积，会导致橡胶坝充水困难，从而使橡胶坝充水的可靠性降低，淤积后检修维护困难，不利于环保，同时会增加成本，降低经济效益。针对上述状况，本文结合通城县城区河道生态治理PPP 项目，设计一种山区河流橡胶坝取水结构方案，提高橡胶坝取水保证率，并且结构安全可靠，检修维护管理方便。

2 工程概述

铁柱港是陆水河上游干流隽水河的支流，陆水河为长江中游南岸一级支流，发源于湘、鄂、赣三省交界的幕阜山脉，流经通城、崇阳、赤壁、嘉鱼三县一市，于武汉市上游约157 km的陆溪口流入长江。铁柱港新建2 座生态蓄水坝，分别为上游蓄水坝和下游蓄水坝，距离475 m，上游蓄水坝采用橡胶坝，下游蓄水坝采用滚水坝（见图1）。

图1 隽水河水系及水文站网分布图

3 常规橡胶坝取水结构

3.1 常规橡胶坝取水结构的组成

橡胶坝整个工程结构主要由3 部分组成：（1）基础土建部分：包括基础底板、边墩、上下游翼墙、上下游护坡、上游防渗铺盖、下游护坦、海漫、防冲槽等，这部分的作用是将上游水流平顺而均匀地引入并通过橡胶坝，保证水流过坝后不产生淘刷。固定橡胶坝的基础地板要能抵抗通过锚固系统传递到底板的压力，使坝体得到稳定。（2）挡水坝体：即橡胶坝袋和锚固结构，用水将坝袋充胀后即可调节水位和控制流量。（3）控制及观测系统：包括充胀坝体的充排设备、安全及观测装置等。如空压机、压力表、水封管、水位计等。

对于橡胶坝常规取水结构通常是在坝址上游附近地下埋设取水井，取水井采用钢筋混凝土结构，并在上方开孔，备后期检修使用。

橡胶坝对水流的拦蓄作用导致坝址上游附近出现泥沙淤积现象，随着时间的推移，坝前水体泥沙含量逐渐加大，待淤积到一定程度，集水井供水变得困难，充水可靠性降低。为提高集水井的供水保证率，部分工程采用花管或暗渠+集水井的取水结构形式，该种做法是在集水井相对进水管的另一侧沿橡胶坝轴线方向布置花管或暗渠，通过增大渗水面积来提高取水可靠性。

3.2 常规橡胶坝取水结构对比

常规橡胶坝取水结构对比见表1。

表1 常规橡胶坝取水结构对比表

铁柱港橡胶坝位于通城县郊区，检修不方便，且属于山区河流，泥沙含量大，显然，常规的橡胶坝取水结构不适用于铁柱港橡胶坝。

4 适合铁柱港的新型橡胶坝取水结构研究

对于一般工程而言，为保证橡胶坝取水可靠性，通常将取水结构布设在坝址上游附近，但坝址上游附近泥沙含量高，这也是导致取水结构的渗流通道被淤堵的主要原因。对于铁柱港流域，由于上、下游蓄水坝距离仅475 m，并且下游蓄水坝正常蓄水位85.80 m，高于上游蓄水坝消力池顶高程84.8 m，橡胶坝消力池始终保持有1.0 m 的水深。若将集水井设置在坝体段下游，水流通过坝顶溢流后，下游泥沙含量大大降低，集水井淤泥可能性大大降低，且上下游2 座蓄水坝之间常年均有一定水位，水位和水量均能得到保证。

同时，将集水井与橡胶坝消力池右岸的翼墙结合布置，设计为开敞式结构，采用侧向开口进水，集水井进口底坎高程高于消力池底板顶高程，并设置简易拦污栅，便于检修维护。下游集水井简易结构图如图2 所示。